Новини - Мониторинг на нивата на pH в процеса на биофармацевтична ферментация

pH електродът играе критична роля в процеса на ферментация, като служи предимно за наблюдение и регулиране на киселинността и алкалността на ферментационния бульон. Чрез непрекъснато измерване на pH стойността, електродът позволява прецизен контрол върху ферментационната среда. Типичният pH електрод се състои от сензорен електрод и референтен електрод, работещи на принципа на уравнението на Нернст, което управлява преобразуването на химическата енергия в електрически сигнали. Електродният потенциал е пряко свързан с активността на водородните йони в разтвора. pH стойността се определя чрез сравняване на измерената разлика в напрежението с тази на стандартен буферен разтвор, което позволява точно и надеждно калибриране. Този подход към измерването осигурява стабилно регулиране на pH по време на целия процес на ферментация, като по този начин поддържа оптимална микробна или клетъчна активност и гарантира качеството на продукта.

Правилното използване на pH електроди изисква няколко подготвителни стъпки, включително активиране на електрода – обикновено постигано чрез потапяне на електрода в дестилирана вода или буферен разтвор с pH 4 – за да се осигури оптимална чувствителност и точност на измерване. За да отговорят на строгите изисквания на биофармацевтичната ферментационна индустрия, pH електродите трябва да показват бързо време за реакция, висока прецизност и здравина при строги условия на стерилизация, като например високотемпературна парна стерилизация (SIP). Тези характеристики позволяват надеждна работа в стерилна среда. Например, при производството на глутаминова киселина, прецизното наблюдение на pH е от съществено значение за контролиране на ключови параметри като температура, разтворен кислород, скорост на разбъркване и самото pH. Точното регулиране на тези променливи влияе пряко както върху добива, така и върху качеството на крайния продукт. Някои усъвършенствани pH електроди, включващи устойчиви на висока температура стъклени мембрани и предварително натоварени полимерни гел референтни системи, демонстрират изключителна стабилност при екстремни условия на температура и налягане, което ги прави особено подходящи за SIP приложения в биологични и хранителни ферментационни процеси. Освен това, силните им противообрастващи свойства позволяват постоянна работа в различни ферментационни бульони. Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. предлага различни опции за конектори за електроди, подобрявайки удобството за потребителя и гъвкавостта на системната интеграция.

Защо е необходимо наблюдение на pH по време на процеса на ферментация на биофармацевтични продукти?

В биофармацевтичната ферментация, мониторингът и контролът на pH в реално време са от съществено значение за успешното производство и за максимизиране на добива и качеството на целевите продукти като антибиотици, ваксини, моноклонални антитела и ензими. По същество, контролът на pH създава оптимална физиологична среда за микробни или бозайникови клетки – функциониращи като „живи фабрики“ – да растат и синтезират терапевтични съединения, аналогично на начина, по който фермерите регулират pH на почвата според изискванията на културите.

1. Поддържане на оптимална клетъчна активност
Ферментацията разчита на живи клетки (напр. CHO клетки) за производството на сложни биомолекули. Клетъчният метаболизъм е силно чувствителен към pH на околната среда. Ензимите, които катализират всички вътреклетъчни биохимични реакции, имат тесни pH оптимуми; отклоненията от този диапазон могат значително да намалят ензимната активност или да причинят денатурация, нарушавайки метаболитната функция. Освен това, усвояването на хранителни вещества през клетъчната мембрана – като глюкоза, аминокиселини и неорганични соли – зависи от pH. Неоптималните нива на pH могат да възпрепятстват усвояването на хранителни вещества, което води до неоптимален растеж или метаболитен дисбаланс. Освен това, екстремните стойности на pH могат да компрометират целостта на мембраната, което води до цитоплазмено изтичане или клетъчен лизис.

2. Минимизиране на образуването на странични продукти и отпадъците от субстрат
По време на ферментацията, клетъчният метаболизъм генерира киселинни или основни метаболити. Например, много микроорганизми произвеждат органични киселини (напр. млечна киселина, оцетна киселина) по време на катаболизма на глюкозата, което води до спадане на pH. Ако не се коригира, ниското pH инхибира растежа на клетките и може да измести метаболитния поток към непродуктивни пътища, увеличавайки натрупването на странични продукти. Тези странични продукти консумират ценни въглеродни и енергийни ресурси, които иначе биха подпомогнали синтеза на целевия продукт, като по този начин намаляват общия добив. Ефективният контрол на pH помага за поддържане на желаните метаболитни пътища и подобрява ефективността на процеса.

3. Осигуряване на стабилност на продукта и предотвратяване на разграждане
Много биофармацевтични продукти, особено протеини като моноклонални антитела и пептидни хормони, са податливи на структурни промени, предизвикани от pH. Извън стабилния си pH диапазон, тези молекули могат да претърпят денатурация, агрегация или инактивиране, потенциално образувайки вредни утайки. Освен това, някои продукти са склонни към химическа хидролиза или ензимно разграждане при киселинни или алкални условия. Поддържането на подходящо pH минимизира разграждането на продукта по време на производството, запазвайки ефикасността и безопасността.

4. Оптимизирайте ефективността на процеса и осигурете съгласуваност между партидите
От индустриална гледна точка, контролът на pH влияе пряко върху производителността и икономическата жизнеспособност. Провеждат се обширни изследвания за определяне на идеалните зададени стойности на pH за различните фази на ферментация – като например клетъчен растеж спрямо експресия на продукта – които могат да се различават значително. Динамичният контрол на pH позволява оптимизация, специфична за етапите, като максимизира натрупването на биомаса и титрите на продукта. Освен това, регулаторни агенции като FDA и EMA изискват стриктно спазване на Добрите производствени практики (GMP), където са задължителни постоянни параметри на процеса. pH е признато за критичен параметър на процеса (CPP) и непрекъснатото му наблюдение осигурява възпроизводимост в различните партиди, гарантирайки безопасността, ефикасността и качеството на фармацевтичните продукти.

5. Служи като индикатор за състоянието на ферментацията
Тенденцията на промяна на pH предоставя ценна информация за физиологичното състояние на културата. Внезапните или неочаквани промени в pH могат да сигнализират за замърсяване, неизправност на сензора, изчерпване на хранителните вещества или метаболитни аномалии. Ранното откриване въз основа на тенденциите на pH позволява навременна намеса на оператора, улеснява отстраняването на неизправности и предотвратява скъпоструващи повреди в партидите.

Как трябва да се избират pH сензори за процеса на ферментация в биофармацевтичните продукти?

Изборът на подходящ pH сензор за биофармацевтична ферментация е критично инженерно решение, което влияе върху надеждността на процеса, целостта на данните, качеството на продукта и съответствието с регулаторните изисквания. Към избора трябва да се подхожда систематично, като се има предвид не само производителността на сензора, но и съвместимостта му с целия работен процес на биопреработка.

1. Устойчивост на висока температура и налягане
Биофармацевтичните процеси обикновено използват in situ парна стерилизация (SIP), обикновено при 121°C и налягане 1–2 бара в продължение на 20–60 минути. Следователно, всеки pH сензор трябва да издържа на многократно излагане на такива условия без повреда. В идеалния случай сензорът трябва да е проектиран за поне 130°C и 3–4 бара, за да осигури марж на безопасност. Здравото уплътнение е от съществено значение, за да се предотврати проникване на влага, изтичане на електролит или механични повреди по време на термично циклиране.

2. Тип сензор и референтна система
Това е основно техническо съображение, което влияе върху дългосрочната стабилност, нуждите от поддръжка и устойчивостта на замърсяване.
Конфигурация на електрода: Композитните електроди, интегриращи както измервателни, така и референтни елементи в едно тяло, са широко разпространени поради лесния монтаж и работа.
Референтна система:
• Референтен уред, запълнен с течност (напр. разтвор на KCl): Предлага бърза реакция и висока точност, но изисква периодично допълване. По време на SIP (течен интензитет на изпаряване) може да възникне загуба на електролит, а порестите съединения (напр. керамични фрити) са склонни към запушване от протеини или частици, което води до дрейф и ненадеждни показания.
• Полимерен гел или твърдотелен референтен продукт: Все по-предпочитан в съвременните биореактори. Тези системи елиминират необходимостта от допълване на електролита, намаляват поддръжката и разполагат с по-широки течни връзки (напр. PTFE пръстени), които са устойчиви на замърсяване. Те предлагат превъзходна стабилност и по-дълъг експлоатационен живот в сложни, вискозни ферментационни среди.

3. Диапазон и точност на измерване
Сензорът трябва да покрива широк работен диапазон, обикновено pH 2–12, за да се съобрази с различните етапи на процеса. Като се има предвид чувствителността на биологичните системи, точността на измерване трябва да бъде в рамките на ±0,01 до ±0,02 pH единици, подкрепена от изходен сигнал с висока резолюция.

4. Време за реакция
Времето за реакция обикновено се определя като t90 – времето, необходимо за достигане на 90% от крайното отчитане след стъпкова промяна в pH. Въпреки че гел-електродите могат да показват малко по-бавна реакция от тези, пълни с течност, те обикновено отговарят на динамичните изисквания на ферментационните контролни контури, които работят на почасови, а не на секундни интервали.

5. Биосъвместимост
Всички материали, които са в контакт с хранителната среда, трябва да бъдат нетоксични, не-излужващи се и инертни, за да се избегнат неблагоприятни ефекти върху жизнеспособността на клетките или качеството на продукта. Препоръчват се специализирани стъклени формулировки, предназначени за биотехнологични приложения, за да се осигури химическа устойчивост и биосъвместимост.

6. Изходен сигнал и интерфейс
• Аналогов изход (mV/pH): Традиционен метод, използващ аналогово предаване към системата за управление. Икономически ефективен, но уязвим към електромагнитни смущения и затихване на сигнала на дълги разстояния.
• Цифров изход (напр. MEMS-базирани или интелигентни сензори): Включва вградена микроелектроника за предаване на цифрови сигнали (напр. чрез RS485). Осигурява отлична устойчивост на шум, поддържа комуникация на дълги разстояния и позволява съхранение на история на калибриране, серийни номера и регистрационни файлове за употреба. Съответства на регулаторни стандарти като FDA 21 CFR Part 11 относно електронните записи и подписи, което го прави все по-предпочитан в GMP среди.

7. Инсталационен интерфейс и защитен корпус
Сензорът трябва да е съвместим с определения порт на биореактора (напр. трикламп, санитарен фитинг). Препоръчително е да се използват защитни ръкави или предпазители, за да се предотвратят механични повреди по време на работа и да се улесни подмяната, без да се нарушава стерилността.