Nyheder - Overvågning af pH-niveauer i den biofarmaceutiske fermenteringsproces

pH-elektroden spiller en afgørende rolle i fermenteringsprocessen og tjener primært til at overvåge og regulere surhedsgraden og alkaliniteten i fermenteringsvæsken. Ved kontinuerligt at måle pH-værdien muliggør elektroden præcis kontrol over fermenteringsmiljøet. En typisk pH-elektrode består af en sensorelektrode og en referenceelektrode, der fungerer efter Nernst-ligningens princip, som styrer omdannelsen af kemisk energi til elektriske signaler. Elektrodepotentialet er direkte relateret til aktiviteten af hydrogenioner i opløsningen. pH-værdien bestemmes ved at sammenligne den målte spændingsforskel med en standardbufferopløsning, hvilket muliggør nøjagtig og pålidelig kalibrering. Denne målemetode sikrer stabil pH-regulering gennem hele fermenteringsprocessen, hvorved optimal mikrobiel eller cellulær aktivitet understøttes og produktkvaliteten sikres.

Korrekt brug af pH-elektroder kræver flere forberedende trin, herunder elektrodeaktivering – typisk opnået ved at nedsænke elektroden i destilleret vand eller en pH 4 bufferopløsning – for at sikre optimal responsivitet og målenøjagtighed. For at opfylde de strenge krav fra den biofarmaceutiske fermenteringsindustri skal pH-elektroder udvise hurtige responstider, høj præcision og robusthed under strenge steriliseringsforhold såsom højtemperaturdampsterilisering (SIP). Disse egenskaber muliggør pålidelig ydeevne i sterile miljøer. For eksempel er præcis pH-overvågning i glutaminsyreproduktion afgørende for at kontrollere nøgleparametre såsom temperatur, opløst ilt, omrøringshastighed og selve pH-værdien. Nøjagtig regulering af disse variabler påvirker direkte både udbyttet og kvaliteten af det endelige produkt. Visse avancerede pH-elektroder med højtemperaturbestandige glasmembraner og fortrykte polymergelreferencesystemer udviser enestående stabilitet under ekstreme temperatur- og trykforhold, hvilket gør dem særligt velegnede til SIP-applikationer i biologiske og fødevarefermenteringsprocesser. Desuden muliggør deres stærke anti-fouling-egenskaber ensartet ydeevne på tværs af forskellige fermenteringsbouilloner. Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. tilbyder forskellige elektrodeforbindelsesmuligheder, hvilket forbedrer brugervenlighed og fleksibilitet i systemintegration.

Hvorfor er pH-overvågning nødvendig under fermenteringsprocessen af biofarmaceutiske produkter?

I forbindelse med biofarmaceutisk fermentering er realtidsovervågning og -kontrol af pH-værdien afgørende for en vellykket produktion og for at maksimere udbyttet og kvaliteten af målprodukter såsom antibiotika, vacciner, monoklonale antistoffer og enzymer. I bund og grund skaber pH-kontrol et optimalt fysiologisk miljø for mikrobielle eller pattedyrsceller – der fungerer som "levende fabrikker" – til at dyrke og syntetisere terapeutiske forbindelser, analogt med hvordan landmænd justerer jordens pH-værdi i henhold til afgrødernes behov.

1. Oprethold optimal cellulær aktivitet
Fermentering er afhængig af levende celler (f.eks. CHO-celler) for at producere komplekse biomolekyler. Cellulær metabolisme er meget følsom over for miljømæssig pH. Enzymer, som katalyserer alle intracellulære biokemiske reaktioner, har snævre pH-optima; afvigelser fra dette område kan reducere enzymatisk aktivitet betydeligt eller forårsage denaturering, hvilket forringer den metaboliske funktion. Derudover er næringsoptagelse gennem cellemembranen - såsom glukose, aminosyrer og uorganiske salte - pH-afhængig. Suboptimale pH-niveauer kan hæmme næringsstofabsorption, hvilket fører til suboptimal vækst eller metabolisk ubalance. Desuden kan ekstreme pH-værdier kompromittere membranintegriteten, hvilket resulterer i cytoplasmisk lækage eller cellelyse.

2. Minimér dannelse af biprodukter og substratspild
Under fermentering genererer cellulær metabolisme sure eller basiske metabolitter. For eksempel producerer mange mikroorganismer organiske syrer (f.eks. mælkesyre, eddikesyre) under glukosekatabolisme, hvilket forårsager et fald i pH-værdien. Hvis lav pH-værdi ikke korrigeres, hæmmer den cellevækst og kan flytte den metaboliske flux mod ikke-produktive veje, hvilket øger akkumuleringen af biprodukter. Disse biprodukter forbruger værdifulde kulstof- og energiressourcer, der ellers ville understøtte syntesen af målproduktet, hvorved det samlede udbytte reduceres. Effektiv pH-kontrol hjælper med at opretholde de ønskede metaboliske veje og forbedrer proceseffektiviteten.

3. Sikre produktets stabilitet og forhindre nedbrydning
Mange biofarmaceutiske produkter, især proteiner såsom monoklonale antistoffer og peptidhormoner, er modtagelige for pH-inducerede strukturelle ændringer. Uden for deres stabile pH-område kan disse molekyler undergå denaturering, aggregering eller inaktivering, hvilket potentielt kan danne skadelige udfældninger. Derudover er visse produkter tilbøjelige til kemisk hydrolyse eller enzymatisk nedbrydning under sure eller alkaliske forhold. Opretholdelse af en passende pH-værdi minimerer produktnedbrydning under fremstillingen, hvilket bevarer virkning og sikkerhed.

4. Optimer proceseffektiviteten og sørg for ensartethed fra batch til batch
Fra et industrielt synspunkt har pH-kontrol en direkte indflydelse på produktivitet og økonomisk levedygtighed. Der udføres omfattende forskning for at identificere de ideelle pH-sætpunkter for forskellige fermenteringsfaser - såsom cellevækst versus produktekspression - som kan variere betydeligt. Dynamisk pH-kontrol muliggør trinspecifik optimering, maksimerer biomasseakkumulering og produkttitre. Derudover kræver regulerende agenturer som FDA og EMA streng overholdelse af Good Manufacturing Practices (GMP), hvor ensartede procesparametre er obligatoriske. pH er anerkendt som en kritisk procesparameter (CPP), og dens kontinuerlige overvågning sikrer reproducerbarhed på tværs af batcher, hvilket garanterer sikkerheden, effektiviteten og kvaliteten af farmaceutiske produkter.

5. Fungerer som en indikator for fermenteringssundhed
Tendensen for pH-ændringer giver værdifuld indsigt i kulturens fysiologiske tilstand. Pludselige eller uventede ændringer i pH kan være tegn på kontaminering, sensorfejl, næringsstofmangel eller metaboliske anomalier. Tidlig detektion baseret på pH-tendenser muliggør rettidig operatørintervention, hvilket letter fejlfinding og forhindrer dyre batchfejl.

Hvordan bør pH-sensorer vælges til fermenteringsprocessen i biofarmaceutiske produkter?

Valg af en passende pH-sensor til biofarmaceutisk fermentering er en kritisk ingeniørbeslutning, der påvirker procespålidelighed, dataintegritet, produktkvalitet og overholdelse af lovgivningen. Valget bør gribes an systematisk, hvor man ikke kun tager hensyn til sensorens ydeevne, men også til kompatibilitet med hele bioprocesarbejdsgangen.

1. Modstandsdygtighed over for høje temperaturer og tryk
Biofarmaceutiske processer anvender almindeligvis in-situ dampsterilisering (SIP), typisk ved 121 °C og 1-2 bar tryk i 20-60 minutter. Derfor skal enhver pH-sensor kunne modstå gentagen eksponering for sådanne forhold uden at svigte. Ideelt set bør sensoren være klassificeret til mindst 130 °C og 3-4 bar for at give en sikkerhedsmargin. Robust forsegling er afgørende for at forhindre fugtindtrængning, elektrolytlækage eller mekanisk skade under termisk cykling.

2. Sensortype og referencesystem
Dette er en central teknisk overvejelse, der påvirker langsigtet stabilitet, vedligeholdelsesbehov og modstandsdygtighed over for tilsmudsning.
Elektrodekonfiguration: Kompositelektroder, der integrerer både måle- og referenceelementer i ét hus, er bredt anvendte på grund af deres nemme installation og håndtering.
Referencesystem:
• Væskefyldt reference (f.eks. KCl-opløsning): Giver hurtig respons og høj nøjagtighed, men kræver periodisk genopfyldning. Under SIP kan der forekomme elektrolyttab, og porøse forbindelser (f.eks. keramiske fritter) er tilbøjelige til at tilstoppe af proteiner eller partikler, hvilket fører til drift og upålidelige aflæsninger.
• Polymergel eller faststofreference: Stadig mere foretrukket i moderne bioreaktorer. Disse systemer eliminerer behovet for elektrolytpåfyldning, reducerer vedligeholdelse og har bredere væskeforbindelser (f.eks. PTFE-ringe), der modstår tilsmudsning. De tilbyder overlegen stabilitet og længere levetid i komplekse, viskose fermenteringsmedier.

3. Måleområde og nøjagtighed
Sensoren bør dække et bredt driftsområde, typisk pH 2-12, for at imødekomme forskellige procesfaser. I betragtning af biologiske systemers følsomhed bør målenøjagtigheden være inden for ±0,01 til ±0,02 pH-enheder, understøttet af et højopløsningssignal.

4. Svartid
Reaktionstid defineres almindeligvis som t90 – den tid, det tager at nå 90 % af den endelige aflæsning efter en trinvis ændring i pH-værdien. Selvom gelelektroder kan udvise en lidt langsommere respons end væskefyldte elektroder, opfylder de generelt de dynamiske krav til fermenteringskontrolsløjfer, som opererer på timebasis snarere end sekunder.

5. Biokompatibilitet
Alle materialer i kontakt med dyrkningsmediet skal være giftfri, ikke-udvaskende og inerte for at undgå negative virkninger på cellernes levedygtighed eller produktkvalitet. Specialiserede glasformuleringer designet til bioforarbejdningsapplikationer anbefales for at sikre kemisk resistens og biokompatibilitet.

6. Signaludgang og grænseflade
• Analog udgang (mV/pH): Traditionel metode med analog transmission til styresystemet. Omkostningseffektiv, men sårbar over for elektromagnetisk interferens og signaldæmpning over lange afstande.
• Digital udgang (f.eks. MEMS-baserede eller smarte sensorer): Inkorporerer indbygget mikroelektronik til at transmittere digitale signaler (f.eks. via RS485). Giver fremragende støjimmunitet, understøtter langdistancekommunikation og muliggør lagring af kalibreringshistorik, serienumre og brugslogfiler. Overholder lovgivningsmæssige standarder som FDA 21 CFR del 11 vedrørende elektroniske optegnelser og signaturer, hvilket gør den i stigende grad foretrukket i GMP-miljøer.

7. Installationsgrænseflade og beskyttelseshus
Sensoren skal være kompatibel med den angivne port på bioreaktoren (f.eks. tri-clamp, sanitær fitting). Beskyttelsesærmer eller -afskærmninger anbefales for at forhindre mekanisk skade under håndtering eller drift og for at lette udskiftning uden at gå på kompromis med steriliteten.