Новости - Мониторинг уровня pH в процессе биофармацевтической ферментации

pH-электрод играет решающую роль в процессе ферментации, в первую очередь, обеспечивая мониторинг и регулирование кислотности и щелочности ферментационной среды. Непрерывное измерение значения pH позволяет электроду точно контролировать среду ферментации. Типичный pH-электрод состоит из чувствительного электрода и эталонного электрода, работающих по принципу уравнения Нернста, описывающего преобразование химической энергии в электрические сигналы. Электродный потенциал напрямую связан с активностью ионов водорода в растворе. Значение pH определяется путем сравнения измеренной разности потенциалов со стандартным буферным раствором, что обеспечивает точную и надежную калибровку. Такой подход к измерению гарантирует стабильное регулирование pH на протяжении всего процесса ферментации, тем самым поддерживая оптимальную микробную или клеточную активность и обеспечивая качество продукта.

Правильное использование pH-электродов требует нескольких подготовительных этапов, включая активацию электрода, которая обычно достигается погружением электрода в дистиллированную воду или буферный раствор с pH 4, для обеспечения оптимальной чувствительности и точности измерений. Для удовлетворения строгих требований биофармацевтической ферментационной промышленности pH-электроды должны демонстрировать быстрое время отклика, высокую точность и надежность в жестких условиях стерилизации, таких как высокотемпературная паровая стерилизация (SIP). Эти характеристики обеспечивают надежную работу в стерильных средах. 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 усовершенствованные pH-электроды, оснащенные термостойкими стеклянными мембранами и предварительно сжатыми полимерными гелевыми эталонными системами, демонстрируют исключительную стабильность в экстремальных температурных и барометрических условиях, что делает их особенно подходящими для применения в SIP в биологических и пищевых ферментационных процессах. Кроме того, их высокие противообрастающие свойства обеспечивают стабильную работу в различных ферментационных средах. Компания Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. предлагает различные варианты разъемов для электродов, что повышает удобство использования и гибкость интеграции системы.

Почему мониторинг pH необходим в процессе ферментации биофармацевтических препаратов?

В биофармацевтической ферментации мониторинг и контроль pH в режиме реального времени имеют решающее значение для успешного производства и максимизации выхода и качества целевых продуктов, таких как антибиотики, вакцины, моноклональные антитела и ферменты. По сути, контроль pH создает оптимальную физиологическую среду для роста и синтеза терапевтических соединений микробными или млекопитающими клетками, функционирующими как «живые фабрики», подобно тому, как фермеры регулируют pH почвы в соответствии с потребностями культур.

1. Поддержание оптимальной клеточной активности.
Ферментация основана на использовании живых клеток (например, клеток CHO) для производства сложных биомолекул. Клеточный метаболизм очень чувствителен к pH окружающей среды. Ферменты, катализирующие все внутриклеточные биохимические реакции, имеют узкий диапазон оптимальных значений 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 уровни pH могут препятствовать усвоению питательных веществ, что приводит к замедлению роста или нарушению метаболического баланса. Более того, экстремальные значения pH могут нарушить целостность мембраны, что приводит к утечке цитоплазмы или лизису клеток.

2. Минимизировать образование побочных продуктов и отходы субстрата.
В процессе ферментации клеточный метаболизм генерирует кислые или основные метаболиты. Например, многие микроорганизмы производят органические кислоты (например, молочную кислоту, уксусную кислоту) в ходе катаболизма глюкозы, что приводит к снижению pH. Если низкий pH не скорректирован, 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 поддерживали бы синтез 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 препараты, особенно белки, такие как моноклональные антитела и пептидные гормоны, подвержены структурным изменениям, вызванным изменением pH. За пределами стабильного диапазона pH эти молекулы могут подвергаться денатурации, агрегации или инактивации, потенциально образуя вредные осадки. Кроме того, некоторые продукты склонны к химическому гидролизу или ферментативной деградации в кислых или щелочных условиях. Поддержание соответствующего уровня pH минимизирует деградацию продукта в процессе производства, сохраняя его эффективность и безопасность.

4. Оптимизировать эффективность процесса и обеспечить стабильность от партии к партии.
С промышленной точки зрения, контроль pH напрямую влияет на производительность и экономическую целесообразность. Проводятся обширные исследования для определения оптимальных значений pH для различных фаз ферментации, таких как рост клеток и экспрессия продукта, которые могут значительно различаться. Динамический контроль pH позволяет оптимизировать процесс на каждом этапе, максимизируя накопление биомассы и титры продукта. Кроме того, регулирующие органы, такие как FDA и EMA, требуют строгого соблюдения надлежащей производственной практики (GMP), где обязательны постоянные параметры процесса. pH признан критическим параметром процесса (CPP), и его непрерывный мониторинг обеспечивает воспроизводимость результатов в разных партиях, гарантируя безопасность, эффективность и качество фармацевтической продукции.

5. Служит индикатором состояния процесса брожения.
Динамика изменения pH дает ценную информацию о физиологическом состоянии культуры. Внезапные или неожиданные изменения pH могут сигнализировать о загрязнении, неисправности датчика, истощении питательных веществ или метаболических аномалиях. Раннее обнаружение на основе динамики pH позволяет своевременно вмешаться оператору, облегчая устранение неполадок и предотвращая дорогостоящие сбои в работе партий.

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

Выбор подходящего датчика pH для биофармацевтической ферментации — это критически важное инженерное решение, влияющее на надежность процесса, целостность данных, качество продукции и соответствие нормативным требованиям. К выбору следует подходить систематически, учитывая не только характеристики датчика, но и его совместимость со всем рабочим процессом биотехнологической обработки.

1. Устойчивость к высоким температурам и давлению
В биофармацевтических процессах обычно используется стерилизация паром непосредственно в приборе (SIP), как правило, при температуре 121°C и давлении 1–2 бар в течение 20–60 минут. Поэтому любой датчик pH должен выдерживать многократное воздействие таких условий без сбоев. В идеале датчик должен быть рассчитан как минимум на 130°C и 3–4 бар для обеспечения запаса прочности. Надежная герметизация необходима для предотвращения попадания влаги, утечки электролита или механических повреждений во время термических циклов.

2. Тип датчика и система отсчета
Это ключевой технический аспект, влияющий на долговременную стабильность, потребности в техническом обслуживании и устойчивость к загрязнению.
Конфигурация электродов: Композитные электроды, объединяющие измерительные и эталонные элементы в одном корпусе, широко используются благодаря простоте установки и обращения.
Система отсчета:
• Референсный раствор с жидким электролитом (например, раствор KCl): обеспечивает быстрое реагирование и высокую точность, но требует периодического пополнения. Во время измерения методом SIP может происходить потеря электролита, а пористые соединения (например, керамические фритты) склонны к засорению белками или частицами, что приводит к дрейфу и ненадежным показаниям.
• Полимерный гель или твердотельный эталон: все чаще используются в современных биореакторах. Эти системы исключают необходимость пополнения электролита, снижают затраты на техническое обслуживание и имеют более широкие жидкостные соединения (например, кольца из ПТФЭ), которые предотвращают загрязнение. Они обеспечивают превосходную стабильность и более длительный срок службы в сложных, вязких ферментационных средах.

3. Диапазон и точность измерений
Датчик должен охватывать широкий рабочий диапазон, как правило, от pH 2 до 12, чтобы соответствовать различным стадиям процесса. Учитывая чувствительность биологических систем, точность измерения должна находиться в пределах ±0,01–±0,02 единиц pH, что должно обеспечиваться высоким разрешением выходного сигнала.

4. Время отклика
Время отклика обычно определяется как t90 — время, необходимое для достижения 90% от конечного показания после ступенчатого изменения pH. Хотя электроды гелевого типа могут демонстрировать несколько более медленный отклик, чем электроды с жидким заполнением, они, как правило, соответствуют динамическим требованиям контуров управления ферментацией, которые работают в часовом, а не в секундном масштабе.

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

6. Выходной сигнал и интерфейс
• Аналоговый выход (мВ/пГн): Традиционный метод с использованием аналоговой передачи в систему управления. Экономически эффективен, но подвержен электромагнитным помехам и затуханию сигнала на больших расстояниях.
• Цифровой выход (например, на основе MEMS-датчиков или интеллектуальных датчиков): включает в себя встроенную микроэлектронику для передачи цифровых сигналов (например, через RS485). Обеспечивает превосходную помехоустойчивость, поддерживает связь на большие расстояния и позволяет хранить историю калибровки, серийные номера и журналы использования. Соответствует нормативным стандартам, таким как FDA 21 CFR Part 11, касающимся электронных записей и подписей, что делает его все более предпочтительным в условиях GMP.

7. Интерфейс установки и защитный корпус
Датчик должен быть совместим с соответствующим портом на биореакторе (например, с зажимом типа «три-клан», санитарным фитингом). Для предотвращения механических повреждений во время транспортировки или эксплуатации, а также для облегчения замены без нарушения стерильности рекомендуется использовать защитные рукава или кожухи.