Uutiset - pH-tasojen seuranta biofarmaseuttisessa fermentointiprosessissa

pH-elektrodilla on ratkaiseva rooli käymisprosessissa, ja se ensisijaisesti seuraa ja säätelee käymisliemen happamuutta ja emäksisyyttä. Mittaamalla pH-arvoa jatkuvasti elektrodi mahdollistaa käymisympäristön tarkan hallinnan. Tyypillinen pH-elektrodi koostuu mittauselektrodista ja referenssielektrodista, jotka toimivat Nernstin yhtälön periaatteella, joka säätelee kemiallisen energian muuntamista sähköisiksi signaaleiksi. Elektrodipotentiaali liittyy suoraan liuoksen vetyionien aktiivisuuteen. pH-arvo määritetään vertaamalla mitattua jännite-eroa standardipuskuriliuoksen jännite-eroon, mikä mahdollistaa tarkan ja luotettavan kalibroinnin. Tämä mittausmenetelmä varmistaa vakaan pH-säätelyn koko käymisprosessin ajan, tukien siten optimaalista mikrobi- tai soluaktiivisuutta ja varmistaen tuotteen laadun.

pH-elektrodien asianmukainen käyttö vaatii useita valmisteluvaiheita, mukaan lukien elektrodin aktivoinnin – tyypillisesti upottamalla elektrodi tislattuun veteen tai pH 4 -puskuriliuokseen – optimaalisen reagointikyvyn ja mittaustarkkuuden varmistamiseksi. Biolääketieteellisen fermentaatioteollisuuden tiukkojen vaatimusten täyttämiseksi pH-elektrodien on oltava nopeat vasteajat, erittäin tarkkoja ja kestäviä vaativissa sterilointiolosuhteissa, kuten korkean lämpötilan höyrysteriloinnissa (SIP). Nämä ominaisuudet mahdollistavat luotettavan suorituskyvyn steriileissä ympäristöissä. Esimerkiksi glutamiinihapon tuotannossa tarkka pH-seuranta on välttämätöntä keskeisten parametrien, kuten lämpötilan, liuenneen hapen, sekoitusnopeuden ja itse pH:n, hallitsemiseksi. Näiden muuttujien tarkka säätely vaikuttaa suoraan sekä lopputuotteen saantoon että laatuun. Tietyt edistyneet pH-elektrodit, joissa on korkeita lämpötiloja kestävät lasikalvot ja esipaineistetut polymeerigeelireferenssijärjestelmät, osoittavat poikkeuksellista vakautta äärimmäisissä lämpötila- ja paineolosuhteissa, mikä tekee niistä erityisen sopivia SIP-sovelluksiin biologisissa ja elintarvikkeiden fermentointiprosesseissa. Lisäksi niiden vahvat likaantumisenesto-ominaisuudet mahdollistavat tasaisen suorituskyvyn erilaisissa fermentaatioliemissä. Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. tarjoaa erilaisia elektrodiliitinvaihtoehtoja, mikä parantaa käyttömukavuutta ja järjestelmän integroinnin joustavuutta.

Miksi pH-arvon seuranta on välttämätöntä biolääkkeiden käymisprosessin aikana?

Biofarmaseuttisessa fermentaatiossa pH:n reaaliaikainen seuranta ja säätö ovat välttämättömiä onnistuneen tuotannon ja kohdetuotteiden, kuten antibioottien, rokotteiden, monoklonaalisten vasta-aineiden ja entsyymien, saannon ja laadun maksimoimiseksi. Pohjimmiltaan pH:n säätö luo optimaalisen fysiologisen ympäristön mikrobi- tai nisäkässoluille – jotka toimivat "elävinä tehtaina" – terapeuttisten yhdisteiden kasvattamiseen ja syntetisointiin, analogisesti siihen, miten maanviljelijät säätävät maaperän pH:ta sadon vaatimusten mukaan.

1. Ylläpidä optimaalista solutoimintaa
Käyminen perustuu elävien solujen (esim. CHO-solujen) monimutkaisten biomolekyylien tuotantoon. Solujen aineenvaihdunta on erittäin herkkä ympäristön pH-arvolle. Entsyymeillä, jotka katalysoivat kaikkia solunsisäisiä biokemiallisia reaktioita, on kapea pH-optimi; poikkeamat tästä alueesta voivat merkittävästi vähentää entsymaattista aktiivisuutta tai aiheuttaa denaturaatiota, mikä heikentää aineenvaihduntaa. Lisäksi ravinteiden – kuten glukoosin, aminohappojen ja epäorgaanisten suolojen – otto solukalvon läpi on pH-riippuvainen. Alioptimaaliset pH-tasot voivat haitata ravinteiden imeytymistä, mikä johtaa suboptimaaliseen kasvuun tai aineenvaihdunnan epätasapainoon. Lisäksi äärimmäiset pH-arvot voivat vaarantaa kalvon eheyden, mikä johtaa sytoplasman vuotoon tai solujen hajoamiseen.

2. Minimoi sivutuotteiden muodostuminen ja substraattihävikki
Käymisen aikana solujen aineenvaihdunta tuottaa happamia tai emäksisiä metaboliitteja. Esimerkiksi monet mikro-organismit tuottavat orgaanisia happoja (esim. maitohappoa, etikkahappoa) glukoosikatabolian aikana, mikä aiheuttaa pH:n laskun. Jos pH:ta ei korjata, se estää solujen kasvua ja voi siirtää aineenvaihduntavirtausta ei-tuottaviin reitteihin, mikä lisää sivutuotteiden kertymistä. Nämä sivutuotteet kuluttavat arvokkaita hiili- ja energiavaroja, jotka muuten tukisivat kohdetuotteiden synteesiä, mikä vähentää kokonaissaantoa. Tehokas pH:n hallinta auttaa ylläpitämään haluttuja aineenvaihduntareittejä ja parantaa prosessin tehokkuutta.

3. Varmista tuotteen stabiilius ja estä hajoaminen
Monet biolääketieteelliset tuotteet, erityisesti proteiinit, kuten monoklonaaliset vasta-aineet ja peptidihormonit, ovat alttiita pH:n aiheuttamille rakenteellisille muutoksille. Vakaan pH-alueensa ulkopuolella nämä molekyylit voivat denaturoitua, aggregoitua tai inaktivoitua, jolloin voi muodostua haitallisia saostumia. Lisäksi tietyt tuotteet ovat alttiita kemialliselle hydrolyysille tai entsymaattiselle hajoamiselle happamissa tai emäksisissä olosuhteissa. Sopivan pH:n ylläpitäminen minimoi tuotteen hajoamisen valmistuksen aikana, säilyttäen tehon ja turvallisuuden.

4. Optimoi prosessitehokkuus ja varmista eräkohtainen yhdenmukaisuus
Teollisuuden näkökulmasta pH-säätö vaikuttaa suoraan tuottavuuteen ja taloudelliseen kannattavuuteen. Laajaa tutkimusta tehdään eri käymisvaiheiden – kuten solujen kasvun ja tuotteen ilmentymisen – ihanteellisten pH-asetusarvojen tunnistamiseksi, jotka voivat vaihdella merkittävästi. Dynaaminen pH-säätö mahdollistaa vaihekohtaisen optimoinnin, maksimoiden biomassan kertymisen ja tuotetiitterit. Lisäksi sääntelyvirastot, kuten FDA ja EMA, vaativat tiukkaa hyvien valmistustapojen (GMP) noudattamista, joissa yhdenmukaiset prosessiparametrit ovat pakollisia. pH tunnustetaan kriittiseksi prosessiparametriksi (CPP), ja sen jatkuva seuranta varmistaa toistettavuuden eri erien välillä, mikä takaa lääkkeiden turvallisuuden, tehokkuuden ja laadun.

5. Toimii käymisen terveyden indikaattorina
PH-muutoksen trendi antaa arvokasta tietoa viljelmän fysiologisesta tilasta. Äkilliset tai odottamattomat pH-arvon muutokset voivat viitata kontaminaatioon, anturin toimintahäiriöön, ravinteiden ehtymiseen tai aineenvaihdunnan poikkeavuuksiin. Varhainen havaitseminen pH-trendien perusteella mahdollistaa käyttäjän oikea-aikaiset toimenpiteet, helpottaa vianmääritystä ja estää kalliita eräonnettomuuksia.

Miten pH-anturit tulisi valita biolääkkeiden käymisprosessiin?

Sopivan pH-anturin valinta biolääketieteelliseen fermentaatioon on kriittinen tekninen päätös, joka vaikuttaa prosessin luotettavuuteen, tiedon eheyteen, tuotteen laatuun ja määräystenmukaisuuteen. Valinta tulisi tehdä systemaattisesti ottaen huomioon paitsi anturin suorituskyvyn myös yhteensopivuuden koko bioprosessoinnin työnkulun kanssa.

1. Korkean lämpötilan ja paineen kestävyys
Biofarmaseuttisissa prosesseissa käytetään yleisesti in situ -höyrysterilointia (SIP), tyypillisesti 121 °C:ssa ja 1–2 baarin paineessa 20–60 minuutin ajan. Siksi minkä tahansa pH-anturin on kestettävä toistuva altistuminen tällaisille olosuhteille ilman vikaantumista. Ihannetapauksessa anturin tulisi kestää vähintään 130 °C:n lämpötila ja 3–4 baarin paine turvamarginaalin takaamiseksi. Kestävä tiivistys on välttämätöntä kosteuden pääsyn, elektrolyyttivuotojen tai mekaanisten vaurioiden estämiseksi lämpösyklien aikana.

2. Anturityyppi ja referenssijärjestelmä
Tämä on keskeinen tekninen näkökohta, joka vaikuttaa pitkän aikavälin vakauteen, huoltotarpeisiin ja likaantumisenkestävyyteen.
Elektrodikokoonpano: Komposiittielektrodit, jotka yhdistävät sekä mittaus- että referenssielementit samaan runkoon, ovat laajalti käytössä helpon asennuksen ja käsittelyn ansiosta.
Viitejärjestelmä:
• Nestemäinen referenssi (esim. KCl-liuos): Tarjoaa nopean vasteen ja suuren tarkkuuden, mutta vaatii säännöllistä täyttöä. SIP-liuoksen aikana voi esiintyä elektrolyyttihäviötä, ja huokoiset liitokset (esim. keraamiset fritit) tukkeutuvat alttiiksi proteiinien tai hiukkasten vaikutuksesta, mikä johtaa lukemien ryömintään ja epäluotettaviin tuloksiin.
• Polymeerigeeli tai kiinteän olomuodon referenssi: Yhä suositumpi nykyaikaisissa bioreaktoreissa. Nämä järjestelmät poistavat elektrolyyttien täydennyksen tarpeen, vähentävät huoltoa ja niissä on leveämmät nesteliitokset (esim. PTFE-renkaat), jotka estävät likaantumisen. Ne tarjoavat erinomaisen vakauden ja pidemmän käyttöiän monimutkaisissa, viskooseissa käymisalustoissa.

3. Mittausalue ja -tarkkuus
Anturin tulisi kattaa laaja toiminta-alue, tyypillisesti pH 2–12, jotta se soveltuu erilaisiin prosessivaiheisiin. Biologisten järjestelmien herkkyyden vuoksi mittaustarkkuuden tulisi olla ±0,01–±0,02 pH-yksikköä, ja sitä tukee korkearesoluutioinen signaalilähtö.

4. Vastausaika
Vasteaika määritellään yleisesti t90:ksi – ajaksi, joka tarvitaan 90 %:n saavuttamiseen lopullisesta lukemasta pH-arvon askelmuutoksen jälkeen. Vaikka geelityyppisten elektrodien vaste voi olla hieman hitaampi kuin nestetäytteisten elektrodien, ne täyttävät yleensä käymisen säätösilmukoiden dynaamiset vaatimukset, jotka toimivat tuntikohtaisesti sekuntien sijaan.

5. Bioyhteensopivuus
Kaikkien viljelyalustan kanssa kosketuksissa olevien materiaalien on oltava myrkyttömiä, liukenemattomia ja inerttejä, jotta vältetään haitalliset vaikutukset solujen elinkykyyn tai tuotteen laatuun. Bioprosessointisovelluksiin suunniteltuja erikoislasiformulaatioita suositellaan kemikaalien kestävyyden ja bioyhteensopivuuden varmistamiseksi.

6. Signaalilähtö ja liitäntä
• Analoginen lähtö (mV/pH): Perinteinen menetelmä, jossa käytetään analogista lähetystä ohjausjärjestelmään. Kustannustehokas, mutta altis sähkömagneettisille häiriöille ja signaalin vaimenemiselle pitkillä etäisyyksillä.
• Digitaalinen lähtö (esim. MEMS-pohjaiset tai älykkäät anturit): Sisältää sisäänrakennettua mikroelektroniikkaa digitaalisten signaalien lähettämiseen (esim. RS485:n kautta). Tarjoaa erinomaisen kohinanvaimennuksen, tukee pitkän matkan tiedonsiirtoa ja mahdollistaa kalibrointihistorian, sarjanumeroiden ja käyttölokien tallennuksen. Täyttää sähköisiä tietueita ja allekirjoituksia koskevat sääntelystandardit, kuten FDA 21 CFR Part 11, minkä vuoksi sitä suositaan yhä enemmän GMP-ympäristöissä.

7. Asennusliitäntä ja suojakotelo
Anturin on oltava yhteensopiva bioreaktorin nimetyn portin kanssa (esim. tri-clamp, hygieeninen liitin). Suojaholkkien tai -suojien käyttö on suositeltavaa mekaanisten vaurioiden estämiseksi käsittelyn tai käytön aikana ja helpottamaan vaihtamista steriiliyttä vaarantamatta.