Вести - Мониторинг на pH нивоата во процесот на биофармацевтска ферментација

pH електродата игра клучна улога во процесот на ферментација, првенствено служи за следење и регулирање на киселоста и алкалноста на ферментациската супа. Со континуирано мерење на pH вредноста, електродата овозможува прецизна контрола врз ферментациската средина. Типична pH електрода се состои од сензорска електрода и референтна електрода, кои работат според принципот на Нернстовата равенка, која го регулира претворањето на хемиската енергија во електрични сигнали. Потенцијалот на електродата е директно поврзан со активноста на водородните јони во растворот. pH вредноста се одредува со споредување на измерената разлика на напонот со онаа на стандарден пуферски раствор, овозможувајќи точна и сигурна калибрација. Овој пристап на мерење обезбедува стабилна pH регулација во текот на целиот процес на ферментација, со што се поддржува оптимална микробна или клеточна активност и се обезбедува квалитет на производот.

Правилната употреба на pH електродите бара неколку подготвителни чекори, вклучително и активирање на електродата - обично се постигнува со потопување на електродата во дестилирана вода или pH 4 пуферски раствор - за да се обезбеди оптимална реакција и точност на мерењето. За да се задоволат строгите барања на биофармацевтската индустрија за ферментација, pH електродите мора да покажат брзо време на реакција, висока прецизност и робусност под ригорозни услови на стерилизација, како што е стерилизација со пареа на висока температура (SIP). Овие карактеристики овозможуваат сигурни перформанси во стерилни средини. На пример, во производството на глутаминска киселина, прецизното следење на pH е од суштинско значење за контрола на клучните параметри како што се температурата, растворениот кислород, брзината на мешање и самата pH вредност. Точната регулација на овие варијабли директно влијае и на приносот и на квалитетот на финалниот производ. Одредени напредни pH електроди, со стаклени мембрани отпорни на висока температура и претходно притиснати референтни системи од полимерни гелови, покажуваат исклучителна стабилност под екстремни услови на температура и притисок, што ги прави особено погодни за SIP апликации во биолошки и прехранбени процеси на ферментација. Понатаму, нивните силни способности против загадување овозможуваат конзистентни перформанси низ различни ферментациски супи. Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. нуди различни опции за конектор за електроди, подобрувајќи ја удобноста на корисникот и флексибилноста на системската интеграција.

Зошто е потребно следење на pH вредноста за време на процесот на ферментација на биофармацевтските производи?

Во биофармацевтската ферментација, следењето и контролата на pH вредноста во реално време се од суштинско значење за успешно производство и за максимизирање на приносот и квалитетот на целните производи како што се антибиотици, вакцини, моноклонални антитела и ензими. Во суштина, контролата на pH создава оптимална физиолошка средина за микробните или цицачките клетки - кои функционираат како „живи фабрики“ - да растат и синтетизираат терапевтски соединенија, аналогно на тоа како земјоделците ја прилагодуваат pH вредноста на почвата според барањата на земјоделските култури.

1. Одржување на оптимална клеточна активност
Ферментацијата се потпира на живи клетки (на пр., клетки на CHO) за производство на сложени биомолекули. Клеточниот метаболизам е многу чувствителен на pH вредноста на животната средина. Ензимите, кои катализираат сите интрацелуларни биохемиски реакции, имаат тесни pH оптимуми; отстапувањата од овој опсег можат значително да ја намалат ензимската активност или да предизвикаат денатурација, нарушувајќи ја метаболичката функција. Дополнително, апсорпцијата на хранливи материи преку клеточната мембрана - како што се гликоза, аминокиселини и неоргански соли - зависи од pH вредноста. Неоптималните нивоа на pH може да ја попречат апсорпцијата на хранливи материи, што доведува до неоптимален раст или метаболички дисбаланс. Покрај тоа, екстремните вредности на pH можат да го нарушат интегритетот на мембраната, што резултира со цитоплазматско истекување или лиза на клетките.

2. Минимизирање на формирањето на нуспроизводи и отпадот од подлогата
За време на ферментацијата, клеточниот метаболизам генерира кисели или основни метаболити. На пример, многу микроорганизми произведуваат органски киселини (на пр., млечна киселина, оцетна киселина) за време на катаболизмот на гликозата, предизвикувајќи пад на pH вредноста. Доколку не се коригира, ниската pH вредност го инхибира растот на клетките и може да го помести метаболичкиот тек кон непродуктивни патишта, зголемувајќи ја акумулацијата на нуспроизводи. Овие нуспроизводи трошат вредни јаглеродни и енергетски ресурси кои инаку би ја поддржале синтезата на целниот производ, со што се намалува вкупниот принос. Ефективната контрола на pH вредноста помага во одржувањето на посакуваните метаболички патишта и ја подобрува ефикасноста на процесот.

3. Обезбедете стабилност на производот и спречете ја деградацијата
Многу биофармацевтски производи, особено протеини како што се моноклоналните антитела и пептидните хормони, се подложни на структурни промени предизвикани од pH вредноста. Надвор од нивниот стабилен pH опсег, овие молекули може да претрпат денатурација, агрегација или инактивација, потенцијално формирајќи штетни преципитати. Дополнително, одредени производи се склони кон хемиска хидролиза или ензимска деградација под кисели или алкални услови. Одржувањето на соодветна pH вредност ја минимизира деградацијата на производот за време на производството, зачувувајќи ја јачината и безбедноста.

4. Оптимизирајте ја ефикасноста на процесот и обезбедете конзистентност од серија до серија
Од индустриска гледна точка, контролата на pH директно влијае на продуктивноста и економската одржливост. Се спроведуваат обемни истражувања за да се идентификуваат идеалните pH вредности за различни фази на ферментација - како што се растот на клетките наспроти експресијата на производот - кои можат значително да се разликуваат. Динамичката pH контрола овозможува оптимизација специфична за фазите, максимизирајќи ја акумулацијата на биомаса и титрите на производот. Понатаму, регулаторните агенции како што се FDA и EMA бараат строго придржување кон Добрите производствени практики (GMP), каде што се задолжителни конзистентни параметри на процесот. pH е препознаена како критичен параметар на процесот (CPP), а нејзиното континуирано следење обезбедува репродуктивност низ сериите, гарантирајќи ја безбедноста, ефикасноста и квалитетот на фармацевтските производи.

5. Служат како индикатор за здравјето на ферментацијата
Трендот на промена на pH вредноста дава вредни сознанија за физиолошката состојба на културата. Ненадејните или неочекуваните промени во pH вредноста може да сигнализираат контаминација, дефект на сензорот, осиромашување на хранливите материи или метаболички аномалии. Раното откривање врз основа на трендовите на pH вредноста овозможува навремена интервенција на операторот, олеснување на решавањето проблеми и спречување на скапи неуспеси на сериите.

Како треба да се изберат pH сензорите за процесот на ферментација во биофармацевтските производи?

Изборот на соодветен pH сензор за биофармацевтска ферментација е критична инженерска одлука што влијае на сигурноста на процесот, интегритетот на податоците, квалитетот на производот и усогласеноста со регулативите. Кон изборот треба да се пристапи систематски, земајќи ги предвид не само перформансите на сензорот, туку и компатибилноста со целиот работен процес на биопроцесирање.

1. Отпорност на висока температура и притисок
Биофармацевтските процеси најчесто користат стерилизација со пареа in-situ (SIP), обично на 121°C и притисок од 1–2 бари во тек на 20–60 минути. Затоа, секој pH сензор мора да издржи повторено изложување на такви услови без дефект. Идеално, сензорот треба да биде оценет за најмалку 130°C и 3–4 бари за да се обезбеди маргина на безбедност. Робусното запечатување е од суштинско значење за да се спречи навлегување на влага, истекување на електролити или механичко оштетување за време на термичкото циклусирање.

2. Тип на сензор и референтен систем
Ова е основно техничко размислување што влијае на долгорочната стабилност, потребите за одржување и отпорноста на загадување.
Конфигурација на електрода: Композитните електроди, кои ги интегрираат и мерните и референтните елементи во едно тело, се широко распространети поради леснотијата на инсталација и ракување.
Референтен систем:
• Референца исполнета со течност (на пр., раствор на KCl): Нуди брз одговор и висока точност, но бара периодично повторно полнење. За време на SIP, може да се појави губење на електролити, а порозните споеви (на пр., керамички фритови) се склони кон затнување од протеини или честички, што доведува до отстапување и несигурни мерења.
• Полимер гел или референца во цврста состојба: Сè повеќе се претпочита кај современите биореактори. Овие системи ја елиминираат потребата од надополнување на електролитите, го намалуваат одржувањето и имаат пошироки течни споеви (на пр., PTFE прстени) кои се отпорни на загадување. Тие нудат супериорна стабилност и подолг век на траење во сложени, вискозни средини за ферментација.

3. Опсег на мерење и точност
Сензорот треба да покрива широк оперативен опсег, обично pH 2–12, за да се приспособат на различните фази од процесот. Со оглед на чувствителноста на биолошките системи, точноста на мерењето треба да биде во рамките на ±0,01 до ±0,02 pH единици, поддржана од излезен сигнал со висока резолуција.

4. Време на одговор
Времето на одговор најчесто се дефинира како t90 - времето потребно за да се достигне 90% од конечното отчитување по постепена промена на pH вредноста. Иако електродите од типот гел може да покажат малку побавен одговор од оние исполнети со течност, тие генерално ги исполнуваат динамичките барања на јамките за контрола на ферментација, кои работат на часовни временски скали, а не на секунди.

5. Биокомпатибилност
Сите материјали во контакт со хранливата подлога мора да бидат нетоксични, да не истекуваат и инертни за да се избегнат негативни ефекти врз одржливоста на клетките или квалитетот на производот. Се препорачуваат специјализирани стаклени формулации дизајнирани за примена во биолошка обработка за да се обезбеди хемиска отпорност и биокомпатибилност.

6. Излез на сигнал и интерфејс
• Аналоген излез (mV/pH): Традиционален метод со користење на аналоген пренос до контролниот систем. Исплатлив, но ранлив на електромагнетни пречки и слабеење на сигналот на долги растојанија.
• Дигитален излез (на пр., MEMS-базирани или паметни сензори): Вклучува вградена микроелектроника за пренос на дигитални сигнали (на пр., преку RS485). Обезбедува одлична отпорност на бучава, поддржува комуникација на долги растојанија и овозможува складирање на историја на калибрација, сериски броеви и логови на употреба. Усогласено е со регулаторните стандарди како што е FDA 21 CFR Дел 11 во врска со електронските записи и потписи, што го прави сè попосакуван во GMP средини.

7. Инсталациски интерфејс и заштитно куќиште
Сензорот мора да биде компатибилен со назначениот отвор на биореакторот (на пр., тристега, санитарен приклучок). Препорачливи се заштитни ракави или штитници за да се спречи механичко оштетување за време на ракувањето или работата и да се олесни полесната замена без да се загрози стерилитетот.