Novinky - Monitorování hodnot pH v biofarmaceutického fermentačního procesu

pH elektroda hraje klíčovou roli v procesu fermentace, slouží především k monitorování a regulaci kyselosti a zásaditosti fermentačního vývaru. Díky kontinuálnímu měření hodnoty pH umožňuje elektroda přesnou kontrolu fermentačního prostředí. Typická pH elektroda se skládá ze snímací elektrody a referenční elektrody, které fungují na principu Nernstovy rovnice, jež řídí přeměnu chemické energie na elektrické signály. Potenciál elektrody přímo souvisí s aktivitou vodíkových iontů v roztoku. Hodnota pH se stanoví porovnáním naměřeného rozdílu napětí s rozdílem napětí standardního pufrovacího roztoku, což umožňuje přesnou a spolehlivou kalibraci. Tento přístup k měření zajišťuje stabilní regulaci pH v průběhu celého procesu fermentace, čímž podporuje optimální mikrobiální nebo buněčnou aktivitu a zajišťuje kvalitu produktu.

Správné používání pH elektrod vyžaduje několik přípravných kroků, včetně aktivace elektrody – obvykle dosažené ponořením elektrody do destilované vody nebo pufrovacího roztoku s pH 4 – aby byla zajištěna optimální citlivost a přesnost měření. Aby splňovaly přísné požadavky biofarmaceutického fermentačního průmyslu, musí pH elektrody vykazovat rychlou dobu odezvy, vysokou přesnost a robustnost za přísných sterilizačních podmínek, jako je vysokoteplotní sterilizace párou (SIP). Tyto vlastnosti umožňují spolehlivý výkon ve sterilním prostředí. Například při výrobě kyseliny glutamové je přesné monitorování pH nezbytné pro řízení klíčových parametrů, jako je teplota, rozpuštěný kyslík, rychlost míchání a samotné pH. Přesná regulace těchto proměnných přímo ovlivňuje výtěžek i kvalitu konečného produktu. Některé pokročilé pH elektrody, které jsou vybaveny skleněnými membránami odolnými vůči vysokým teplotám a předtlakovými referenčními systémy z polymerního gelu, vykazují výjimečnou stabilitu za extrémních teplotních a tlakových podmínek, což je činí obzvláště vhodnými pro aplikace SIP v biologických a potravinářských fermentačních procesech. Jejich silné antifoulingové schopnosti navíc umožňují konzistentní výkon v různých fermentačních bujónech. Společnost Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. nabízí různé možnosti konektorů elektrod, což zvyšuje pohodlí uživatele a flexibilitu integrace systému.

Proč je nutné monitorovat pH během fermentačního procesu biofarmaceutik?

V biofarmaceutické fermentaci je monitorování a regulace pH v reálném čase nezbytná pro úspěšnou produkci a pro maximalizaci výtěžku a kvality cílových produktů, jako jsou antibiotika, vakcíny, monoklonální protilátky a enzymy. Regulace pH v podstatě vytváří optimální fyziologické prostředí pro mikrobiální nebo savčí buňky – fungující jako „živé továrny“ – k růstu a syntéze terapeutických sloučenin, analogicky k tomu, jak zemědělci upravují pH půdy podle požadavků plodin.

1. Udržujte optimální buněčnou aktivitu
Fermentace se spoléhá na živé buňky (např. buňky CHO) k produkci komplexních biomolekul. Buněčný metabolismus je vysoce citlivý na pH prostředí. Enzymy, které katalyzují všechny intracelulární biochemické reakce, mají úzké optimum pH; odchylky od tohoto rozmezí mohou významně snížit enzymatickou aktivitu nebo způsobit denaturaci, což zhoršuje metabolickou funkci. Kromě toho je příjem živin buněčnou membránou – jako je glukóza, aminokyseliny a anorganické soli – závislý na pH. Suboptimální hladiny pH mohou bránit absorpci živin, což vede k suboptimálnímu růstu nebo metabolické nerovnováze. Extrémní hodnoty pH mohou navíc narušit integritu membrány, což má za následek cytoplazmatický únik nebo lýzu buněk.

2. Minimalizujte tvorbu vedlejších produktů a odpad substrátu
Během fermentace buněčný metabolismus generuje kyselé nebo zásadité metabolity. Například mnoho mikroorganismů produkuje během katabolismu glukózy organické kyseliny (např. kyselinu mléčnou, kyselinu octovou), což způsobuje pokles pH. Pokud se neupraví, nízké pH inhibuje růst buněk a může přesunout metabolický tok směrem k neproduktivním drahám, což zvyšuje akumulaci vedlejších produktů. Tyto vedlejší produkty spotřebovávají cenné zdroje uhlíku a energie, které by jinak podporovaly syntézu cílových produktů, čímž snižují celkový výtěžek. Efektivní regulace pH pomáhá udržovat požadované metabolické cesty a zlepšuje účinnost procesu.

3. Zajistěte stabilitu produktu a zabraňte jeho degradaci
Mnoho biofarmaceutických produktů, zejména proteiny, jako jsou monoklonální protilátky a peptidové hormony, je náchylných ke strukturálním změnám vyvolaným pH. Mimo své stabilní rozmezí pH mohou tyto molekuly podléhat denaturaci, agregaci nebo inaktivaci, což může vést k tvorbě škodlivých sraženin. Některé produkty jsou navíc náchylné k chemické hydrolýze nebo enzymatické degradaci za kyselých nebo alkalických podmínek. Udržování vhodného pH minimalizuje degradaci produktu během výroby a zachovává tak účinnost a bezpečnost.

4. Optimalizace efektivity procesů a zajištění konzistence mezi jednotlivými šaržemi
Z průmyslového hlediska má regulace pH přímý vliv na produktivitu a ekonomickou životaschopnost. Provádí se rozsáhlý výzkum s cílem identifikovat ideální hodnoty pH pro různé fáze fermentace – například růst buněk versus exprese produktu – které se mohou výrazně lišit. Dynamická regulace pH umožňuje optimalizaci specifickou pro jednotlivé fáze, maximalizuje akumulaci biomasy a titry produktů. Regulační agentury, jako jsou FDA a EMA, navíc vyžadují přísné dodržování správné výrobní praxe (GMP), kde jsou povinné konzistentní procesní parametry. Hodnota pH je uznávána jako kritický procesní parametr (CPP) a její neustálé sledování zajišťuje reprodukovatelnost napříč šaržemi, čímž zaručuje bezpečnost, účinnost a kvalitu farmaceutických produktů.

5. Slouží jako indikátor stavu fermentace
Trend změn pH poskytuje cenné poznatky o fyziologickém stavu kultury. Náhlé nebo neočekávané změny pH mohou signalizovat kontaminaci, poruchu senzoru, vyčerpání živin nebo metabolické anomálie. Včasná detekce založená na trendech pH umožňuje včasný zásah obsluhy, usnadňuje řešení problémů a předchází nákladným selháním šarží.

Jak by se měly vybírat pH senzory pro fermentační proces v biofarmaceutikách?

Výběr vhodného pH senzoru pro biofarmaceutickou fermentaci je kritickým inženýrským rozhodnutím, které ovlivňuje spolehlivost procesu, integritu dat, kvalitu produktu a soulad s předpisy. K výběru by mělo být přistupováno systematicky, s ohledem nejen na výkon senzoru, ale také na kompatibilitu s celým bioprocesním pracovním postupem.

1. Odolnost vůči vysokým teplotám a tlaku
Biofarmaceutické procesy běžně využívají sterilizaci párou in situ (SIP), typicky při teplotě 121 °C a tlaku 1–2 bary po dobu 20–60 minut. Proto musí jakýkoli pH senzor bez selhání odolat opakovanému vystavení takovým podmínkám. V ideálním případě by senzor měl být dimenzován na teplotu alespoň 130 °C a tlak 3–4 bary, aby byla zajištěna bezpečnostní rezerva. Robustní utěsnění je nezbytné, aby se zabránilo vniknutí vlhkosti, úniku elektrolytu nebo mechanickému poškození během tepelného cyklování.

2. Typ senzoru a referenční systém
Toto je klíčový technický aspekt ovlivňující dlouhodobou stabilitu, potřeby údržby a odolnost proti znečištění.
Konfigurace elektrod: Kompozitní elektrody, které integrují měřicí i referenční prvky v jednom tělese, jsou široce používány díky snadné instalaci a manipulaci.
Referenční systém:
• Referenční hodnota plněná kapalinou (např. roztok KCl): Nabízí rychlou odezvu a vysokou přesnost, ale vyžaduje pravidelné doplňování. Během SIP může docházet ke ztrátě elektrolytu a porézní spoje (např. keramické frity) jsou náchylné k ucpávání proteiny nebo částicemi, což vede k driftu a nespolehlivým výsledkům měření.
• Polymerní gel nebo reference v pevné fázi: V moderních bioreaktorech se stále více preferuje. Tyto systémy eliminují potřebu doplňování elektrolytu, snižují údržbu a vyznačují se širšími kapalinovými spoji (např. PTFE kroužky), které odolávají znečištění. Nabízejí vynikající stabilitu a delší životnost ve složitých, viskózních fermentačních médiích.

3. Rozsah a přesnost měření
Senzor by měl pokrývat široký provozní rozsah, typicky pH 2–12, aby se přizpůsobil různým fázím procesu. Vzhledem k citlivosti biologických systémů by přesnost měření měla být v rozmezí ±0,01 až ±0,02 jednotky pH, a to za předpokladu vysokého rozlišení výstupního signálu.

4. Doba odezvy
Doba odezvy se běžně definuje jako t90 – čas potřebný k dosažení 90 % konečné hodnoty po skokové změně pH. I když gelové elektrody mohou vykazovat o něco pomalejší odezvu než elektrody naplněné kapalinou, obecně splňují dynamické požadavky fermentačních regulačních smyček, které fungují v hodinových časových intervalech, nikoli v sekundách.

5. Biokompatibilita
Všechny materiály, které přicházejí do kontaktu s kultivačním médiem, musí být netoxické, nevyluhovatelné a inertní, aby se zabránilo nepříznivým účinkům na životaschopnost buněk nebo kvalitu produktu. Pro zajištění chemické odolnosti a biokompatibility se doporučují specializované skleněné formulace určené pro bioprocesní aplikace.

6. Výstup signálu a rozhraní
• Analogový výstup (mV/pH): Tradiční metoda využívající analogový přenos do řídicího systému. Cenově výhodná, ale náchylná k elektromagnetickému rušení a útlumu signálu na velké vzdálenosti.
• Digitální výstup (např. senzory založené na MEMS nebo inteligentní senzory): Obsahuje integrovanou mikroelektroniku pro přenos digitálních signálů (např. přes RS485). Poskytuje vynikající odolnost proti šumu, podporuje komunikaci na dlouhé vzdálenosti a umožňuje ukládání historie kalibrací, sériových čísel a protokolů o používání. Splňuje regulační normy, jako je FDA 21 CFR Part 11, týkající se elektronických záznamů a podpisů, díky čemuž je stále více preferován v prostředích GMP.

7. Instalační rozhraní a ochranný kryt
Senzor musí být kompatibilní s určeným portem na bioreaktoru (např. tri-clamp, sanitární armatura). Doporučují se ochranné návleky nebo kryty, aby se zabránilo mechanickému poškození během manipulace nebo provozu a aby se usnadnila výměna bez ohrožení sterility.