Новости – Мониторинг уровня pH в процессе биофармацевтической ферментации

pH-электрод играет важнейшую роль в процессе ферментации, в первую очередь, служа для контроля и регулирования кислотности и щелочности ферментационного бульона. Непрерывно измеряя значение pH, электрод обеспечивает точный контроль среды ферментации. Типичный pH-электрод состоит из чувствительного электрода и электрода сравнения, работающих по принципу уравнения Нернста, которое управляет преобразованием химической энергии в электрические сигналы. Потенциал электрода напрямую связан с активностью ионов водорода в растворе. Значение pH определяется путем сравнения измеренной разности потенциалов с разностью потенциалов стандартного буферного раствора, что обеспечивает точную и надежную калибровку. Такой подход к измерению обеспечивает стабильную регулировку pH на протяжении всего процесса ферментации, тем самым поддерживая оптимальную микробную или клеточную активность и гарантируя качество продукта.

Правильное использование pH-электродов требует нескольких подготовительных этапов, включая активацию электрода, обычно достигаемую погружением электрода в дистиллированную воду или буферный раствор с pH 4, для обеспечения оптимальной чувствительности и точности измерений. Чтобы соответствовать строгим требованиям биофармацевтической ферментационной промышленности, pH-электроды должны обладать быстрым временем отклика, высокой точностью и надежностью в условиях стерилизации, таких как высокотемпературная стерилизация паром (SIP). Эти характеристики обеспечивают надежную работу в стерильных условиях. Например, в производстве глутаминовой кислоты точный мониторинг pH необходим для контроля ключевых параметров, таких как температура, растворенный кислород, скорость перемешивания и сам pH. Точное регулирование этих переменных напрямую влияет как на выход, так и на качество конечного продукта. Некоторые современные pH-электроды, оснащенные высокотемпературными стеклянными мембранами и предварительно находящимися под давлением системами сравнения из полимерного геля, демонстрируют исключительную стабильность в условиях экстремальных температур и давлений, что делает их особенно подходящими для применения в условиях SIP в процессах биологической и пищевой ферментации. Кроме того, их высокая степень защиты от обрастания обеспечивает стабильную производительность при работе с различными ферментационными бульонами. Компания Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. предлагает различные варианты подключения электродов, повышая удобство использования и гибкость интеграции системы.

Почему необходим мониторинг pH в процессе ферментации биофармацевтических препаратов?

В биофармацевтической ферментации мониторинг и контроль pH в режиме реального времени имеют решающее значение для успешного производства и максимального увеличения выхода и качества целевых продуктов, таких как антибиотики, вакцины, моноклональные антитела и ферменты. По сути, контроль pH создаёт оптимальную физиологическую среду для клеток микроорганизмов или млекопитающих, действующих как «живые фабрики», для роста и синтеза терапевтических соединений, аналогично тому, как фермеры регулируют pH почвы в соответствии с потребностями сельскохозяйственных культур.

1. Поддержание оптимальной клеточной активности
Ферментация основана на живых клетках (например, клетках CHO) для производства сложных биомолекул. Клеточный метаболизм чрезвычайно чувствителен к pH окружающей среды. Ферменты, катализирующие все внутриклеточные биохимические реакции, имеют узкие оптимумы pH; отклонения от этого диапазона могут значительно снизить ферментативную активность или вызвать денатурацию, нарушая метаболическую функцию. Кроме того, поглощение питательных веществ через клеточную мембрану, таких как глюкоза, аминокислоты и неорганические соли, зависит от pH. Неоптимальные значения pH могут препятствовать усвоению питательных веществ, что приводит к недостаточному росту или метаболическому дисбалансу. Более того, экстремальные значения pH могут нарушить целостность мембраны, что приводит к утечке цитоплазмы или лизису клеток.

2. Минимизировать образование побочных продуктов и отходов субстрата.
В процессе ферментации клеточный метаболизм генерирует кислые или основные метаболиты. Например, многие микроорганизмы производят органические кислоты (например, молочную и уксусную) при катаболизме глюкозы, что приводит к снижению pH. Если не корректировать уровень pH, он подавляет рост клеток и может сместить метаболический поток в сторону непродуктивных путей, увеличивая накопление побочных продуктов. Эти побочные продукты потребляют ценные углеродные и энергетические ресурсы, которые в противном случае использовались бы для синтеза целевого продукта, тем самым снижая общий выход. Эффективный контроль pH помогает поддерживать желаемые метаболические пути и повышает эффективность процесса.

3. Обеспечить стабильность продукта и предотвратить его деградацию
Многие биофармацевтические продукты, особенно белки, такие как моноклональные антитела и пептидные гормоны, подвержены структурным изменениям, вызванным pH. Вне стабильного диапазона pH эти молекулы могут подвергаться денатурации, агрегации или инактивации, что может привести к образованию опасных осадков. Кроме того, некоторые продукты подвержены химическому гидролизу или ферментативному распаду в кислой или щелочной среде. Поддержание надлежащего pH минимизирует деградацию продукта в процессе производства, сохраняя его эффективность и безопасность.

4. Оптимизация эффективности процесса и обеспечение единообразия от партии к партии.
С промышленной точки зрения, контроль pH напрямую влияет на производительность и экономическую эффективность. Проводятся обширные исследования для определения оптимальных значений pH для различных фаз ферментации, таких как рост клеток и экспрессия продукта, которые могут существенно различаться. Динамический контроль pH позволяет оптимизировать процесс на каждой стадии, максимизируя накопление биомассы и титры продукта. Более того, регулирующие органы, такие как FDA и EMA, требуют строгого соблюдения надлежащей производственной практики (GMP), где постоянство параметров процесса является обязательным. pH признан критическим параметром процесса (CPP), и его непрерывный мониторинг обеспечивает воспроизводимость между партиями, гарантируя безопасность, эффективность и качество фармацевтической продукции.

5. Служить индикатором здоровья ферментации.
Тенденция изменения pH даёт ценную информацию о физиологическом состоянии культуры. Внезапные или неожиданные изменения pH могут быть признаком загрязнения, неисправности датчика, истощения питательных веществ или метаболических аномалий. Раннее обнаружение, основанное на динамике изменения pH, позволяет оператору своевременно вмешаться, облегчая устранение неполадок и предотвращая дорогостоящие сбои в работе партии.

Как следует выбирать датчики pH для процесса ферментации в биофармацевтических препаратах?

Выбор подходящего pH-датчика для биофармацевтической ферментации — критически важное инженерное решение, влияющее на надежность процесса, целостность данных, качество продукции и соответствие нормативным требованиям. К выбору следует подходить системно, учитывая не только производительность датчика, но и его совместимость со всем процессом биотехнологии.

1. Стойкость к высоким температурам и давлению
В биофармацевтических процессах обычно используется стерилизация паром (SIP) in situ, обычно при температуре 121 °C и давлении 1–2 бар в течение 20–60 минут. Поэтому любой pH-датчик должен выдерживать многократное воздействие таких условий без сбоев. В идеале датчик должен быть рассчитан на работу при температуре не менее 130 °C и давлении 3–4 бар для обеспечения запаса прочности. Надежная герметизация необходима для предотвращения проникновения влаги, утечки электролита и механических повреждений при термоциклировании.

2. Тип датчика и система отсчета
Это основной технический фактор, влияющий на долгосрочную стабильность, потребность в техническом обслуживании и устойчивость к загрязнению.
Конфигурация электрода: Композитные электроды, объединяющие в одном корпусе измерительные и эталонные элементы, получили широкое распространение благодаря простоте установки и обращения.
Система отсчета:
• Жидкостный эталон (например, раствор KCl): обеспечивает быстрый отклик и высокую точность, но требует периодического долива. Во время стерилизации (SIP) возможна потеря электролита, а пористые соединения (например, керамические фриты) подвержены засорению белками или частицами, что приводит к дрейфу и неточным показаниям.
• Полимерный гель или твердотельный электрод сравнения: всё чаще используются в современных биореакторах. Эти системы устраняют необходимость в пополнении электролита, сокращают потребность в обслуживании и оснащены более широкими жидкостными соединениями (например, кольцами из ПТФЭ), устойчивыми к загрязнению. Они обеспечивают превосходную стабильность и длительный срок службы в сложных вязких ферментационных средах.

3. Диапазон и точность измерений
Датчик должен охватывать широкий рабочий диапазон, обычно от 2 до 12 pH, чтобы учитывать различные этапы процесса. Учитывая чувствительность биологических систем, точность измерения должна находиться в пределах от ±0,01 до ±0,02 единиц pH, что подтверждается высоким разрешением выходного сигнала.

4. Время отклика
Время отклика обычно определяется как t90 — время, необходимое для достижения 90% от конечного значения после ступенчатого изменения pH. Хотя гелевые электроды могут демонстрировать несколько более медленную реакцию, чем жидкостные, они, как правило, соответствуют динамическим требованиям контуров управления ферментацией, которые работают в часовом, а не секундном масштабе.

5. Биосовместимость
Все материалы, контактирующие с питательной средой, должны быть нетоксичными, невыщелачивающими и инертными, чтобы избежать неблагоприятного воздействия на жизнеспособность клеток или качество продукта. Для обеспечения химической стойкости и биосовместимости рекомендуется использовать специальные составы стекла, разработанные для биотехнологических применений.

6. Выход сигнала и интерфейс
• Аналоговый выход (мВ/pH): традиционный метод, использующий аналоговую передачу сигнала в систему управления. Экономичен, но подвержен электромагнитным помехам и затуханию сигнала на больших расстояниях.
• Цифровой выход (например, на базе МЭМС или интеллектуальных датчиков): встроенная микроэлектроника для передачи цифровых сигналов (например, через RS485). Обеспечивает отличную помехоустойчивость, поддерживает связь на большие расстояния и позволяет хранить историю калибровок, серийные номера и журналы использования. Соответствует нормативным стандартам, таким как FDA 21 CFR Часть 11, касающимся электронных записей и подписей, что делает его всё более предпочтительным в условиях GMP.

7. Интерфейс установки и защитный кожух
Датчик должен быть совместим с соответствующим портом биореактора (например, трёхзажимным, санитарным). Рекомендуется использовать защитные кожухи или защитные устройства для предотвращения механических повреждений во время работы или транспортировки, а также для облегчения замены без нарушения стерильности.