Вести - Праћење нивоа pH вредности у процесу биофармацеутске ферментације

pH електрода игра кључну улогу у процесу ферментације, првенствено служећи за праћење и регулисање киселости и алкалности ферментационог чорбе. Континуираним мерењем pH вредности, електрода омогућава прецизну контролу над ферментационом средином. Типична pH електрода се састоји од сензорске електроде и референтне електроде, које раде на принципу Нернстове једначине, која управља конверзијом хемијске енергије у електричне сигнале. Потенцијал електроде је директно повезан са активношћу водоникових јона у раствору. pH вредност се одређује поређењем измерене разлике напона са оном стандардног пуферског раствора, што омогућава тачну и поуздану калибрацију. Овај приступ мерењу обезбеђује стабилну pH регулацију током целог процеса ферментације, чиме се подржава оптимална микробна или ћелијска активност и обезбеђује квалитет производа.

Правилна употреба pH електрода захтева неколико припремних корака, укључујући активацију електроде – што се обично постиже потапањем електроде у дестиловану воду или пуферски раствор pH 4 – како би се осигурала оптимална брзина одзива и тачност мерења. Да би се испунили строги захтеви биофармацеутске ферментационе индустрије, pH електроде морају показати брзо време одзива, високу прецизност и робусност под ригорозним условима стерилизације, као што је стерилизација паром на високој температури (SIP). Ове карактеристике омогућавају поуздан рад у стерилним окружењима. На пример, у производњи глутаминске киселине, прецизно праћење pH вредности је неопходно за контролу кључних параметара као што су температура, растворени кисеоник, брзина мешања и сам pH. Прецизна регулација ових варијабли директно утиче и на принос и на квалитет финалног производа. Одређене напредне pH електроде, са стакленим мембранама отпорним на високе температуре и референтним системима полимерног гела под притиском, показују изузетну стабилност под екстремним условима температуре и притиска, што их чини посебно погодним за SIP примене у биолошким и процесима ферментације хране. Штавише, њихове јаке способности против обраштања омогућавају конзистентне перформансе у различитим ферментационим чорбама. Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. нуди различите опције конектора за електроде, побољшавајући практичност корисника и флексибилност интеграције система.

Зашто је праћење pH вредности неопходно током процеса ферментације биофармацеутских производа?

У биофармацеутској ферментацији, праћење и контрола pH вредности у реалном времену су неопходни за успешну производњу и за максимизирање приноса и квалитета циљних производа као што су антибиотици, вакцине, моноклонска антитела и ензими. У суштини, контрола pH вредности ствара оптимално физиолошко окружење за микробне или сисарске ћелије – које функционишу као „живе фабрике“ – да расту и синтетишу терапеутска једињења, аналогно начину на који пољопривредници подешавају pH вредност земљишта према захтевима усева.

1. Одржавајте оптималну ћелијску активност
Ферментација се ослања на живе ћелије (нпр. ћелије CHO) да би произвеле сложене биомолекуле. Ћелијски метаболизам је веома осетљив на pH вредност околине. Ензими, који катализују све интрацелуларне биохемијске реакције, имају уске pH оптимуме; одступања од овог опсега могу значајно смањити ензимску активност или изазвати денатурацију, оштећујући метаболичку функцију. Поред тога, унос хранљивих материја кроз ћелијску мембрану - као што су глукоза, аминокиселине и неорганске соли - зависи од pH вредности. Субоптимални нивои pH могу ометати апсорпцију хранљивих материја, што доводи до субоптималног раста или метаболичке неравнотеже. Штавише, екстремне pH вредности могу угрозити интегритет мембране, што резултира цитоплазматским цурењем или лизом ћелија.

2. Минимизирајте стварање нуспроизвода и отпад супстрата
Током ферментације, ћелијски метаболизам генерише киселе или базне метаболите. На пример, многи микроорганизми производе органске киселине (нпр. млечну киселину, сирћетну киселину) током катаболизма глукозе, што узрокује пад pH вредности. Ако се не коригује, ниска pH вредност инхибира раст ћелија и може померити метаболички ток ка непродуктивним путевима, повећавајући акумулацију нуспроизвода. Ови нуспроизводи троше вредне ресурсе угљеника и енергије који би иначе подржали синтезу циљаног производа, чиме се смањује укупни принос. Ефикасна контрола pH вредности помаже у одржавању жељених метаболичких путева и побољшава ефикасност процеса.

3. Обезбедите стабилност производа и спречите деградацију
Многи биофармацеутски производи, посебно протеини као што су моноклонска антитела и пептидни хормони, подложни су структурним променама изазваним pH вредношћу. Ван свог стабилног pH опсега, ови молекули могу проћи кроз денатурацију, агрегацију или инактивацију, потенцијално формирајући штетне талоге. Поред тога, одређени производи су склони хемијској хидролизи или ензимској разградњи у киселим или алкалним условима. Одржавање одговарајуће pH вредности минимизира разградњу производа током производње, чувајући ефикасност и безбедност.

4. Оптимизујте ефикасност процеса и обезбедите конзистентност од серије до серије
Са индустријског становишта, контрола pH вредности директно утиче на продуктивност и економску исплативост. Спроводе се опсежна истраживања како би се идентификовале идеалне вредности pH вредности за различите фазе ферментације – као што су раст ћелија наспрам експресије производа – које се могу значајно разликовати. Динамичка контрола pH вредности омогућава оптимизацију специфичну за фазу, максимизирајући акумулацију биомасе и титре производа. Штавише, регулаторне агенције као што су FDA и EMA захтевају строго придржавање добре производне праксе (GMP), где су доследни параметри процеса обавезни. pH је препознат као критични параметар процеса (CPP), а његово континуирано праћење обезбеђује репродуктивност у свим серијама, гарантујући безбедност, ефикасност и квалитет фармацеутских производа.

5. Служи као индикатор здравља ферментације
Тренд промене pH вредности пружа драгоцене увиде у физиолошко стање културе. Изненадне или неочекиване промене pH вредности могу сигнализирати контаминацију, квар сензора, смањење хранљивих материја или метаболичке аномалије. Рано откривање на основу трендова pH вредности омогућава благовремену интервенцију оператера, олакшавајући решавање проблема и спречавајући скупе кварове серија.

Како треба одабрати pH сензоре за процес ферментације у биофармацеутским производима?

Избор одговарајућег pH сензора за биофармацеутску ферментацију је критична инжењерска одлука која утиче на поузданост процеса, интегритет података, квалитет производа и усклађеност са прописима. Избору треба приступити систематски, узимајући у обзир не само перформансе сензора већ и компатибилност са целим током биопроцесирања.

1. Отпорност на високе температуре и притисак
Биофармацеутски процеси обично користе in situ парну стерилизацију (SIP), типично на 121°C и притиску од 1–2 бара током 20–60 минута. Стога, сваки pH сензор мора да издржи поновљено излагање таквим условима без квара. Идеално би било да сензор буде оцењен за најмање 130°C и 3–4 бара како би се обезбедила сигурносна маргина. Робусно заптивање је неопходно како би се спречио продор влаге, цурење електролита или механичка оштећења током термичког циклирања.

2. Тип сензора и референтни систем
Ово је кључно техничко разматрање које утиче на дугорочну стабилност, потребе одржавања и отпорност на прљавштину.
Конфигурација електрода: Композитне електроде, које интегришу и мерне и референтне елементе у једном телу, широко су примењене због лакоће инсталације и руковања.
Референтни систем:
• Референца напуњена течношћу (нпр. раствор KCl): Нуди брз одзив и високу тачност, али захтева периодично допуњавање. Током SIP-а, може доћи до губитка електролита, а порозни спојеви (нпр. керамичке фрите) су склони зачепљењу протеинима или честицама, што доводи до померања и непоузданих очитавања.
• Полимерни гел или референца у чврстом стању: Све више се преферира у модерним биореакторима. Ови системи елиминишу потребу за допуњавањем електролита, смањују одржавање и имају шире спојеве течности (нпр., PTFE прстенове) који су отпорни на прљавштину. Нуде супериорну стабилност и дужи век трајања у сложеним, вискозним ферментационим медијима.

3. Опсег и тачност мерења
Сензор треба да покрива широк оперативни опсег, обично pH 2–12, како би се прилагодио различитим фазама процеса. С обзиром на осетљивост биолошких система, тачност мерења треба да буде у оквиру ±0,01 до ±0,02 pH јединице, уз подршку излазног сигнала високе резолуције.

4. Време одзива
Време одзива се обично дефинише као t90 – време потребно да се достигне 90% коначног очитавања након скочне промене pH вредности. Иако електроде типа гела могу показивати нешто спорији одзив од оних напуњених течношћу, оне генерално испуњавају динамичке захтеве контролних петљи ферментације, које раде на сатним временским скалама, а не на секундама.

5. Биокомпатибилност
Сви материјали који су у контакту са подлогом за култивацију морају бити нетоксични, неиспирајући и инертни како би се избегли негативни ефекти на одрживост ћелија или квалитет производа. Препоручују се специјализоване формулације стакла дизајниране за примене у биопроцесирању како би се осигурала хемијска отпорност и биокомпатибилност.

6. Излаз сигнала и интерфејс
• Аналогни излаз (mV/pH): Традиционална метода која користи аналогни пренос до контролног система. Исплатива, али подложна електромагнетним сметњама и слабљењу сигнала на великим удаљеностима.
• Дигитални излаз (нпр. сензори засновани на MEMS-у или паметни сензори): Укључује уграђену микроелектронику за пренос дигиталних сигнала (нпр. преко RS485). Пружа одличан имунитет на шум, подржава комуникацију на велике удаљености и омогућава чување историје калибрације, серијских бројева и евиденције коришћења. У складу је са регулаторним стандардима као што је FDA 21 CFR Part 11 у вези са електронским записима и потписима, што га чини све фаворизованијим у GMP окружењима.

7. Инсталациони интерфејс и заштитно кућиште
Сензор мора бити компатибилан са одређеним портом на биореактору (нпр. три-клемпа, санитарни фитинг). Заштитне чауре или штитници су препоручљиви како би се спречила механичка оштећења током руковања или рада и како би се олакшала замена без угрожавања стерилности.