Nyheter - Övervakning av pH-nivåer i den biofarmaceutiska fermenteringsprocessen

pH-elektroden spelar en avgörande roll i fermenteringsprocessen och tjänar främst till att övervaka och reglera surhetsgraden och alkaliniteten i fermenteringsbuljongen. Genom att kontinuerligt mäta pH-värdet möjliggör elektroden exakt kontroll över fermenteringsmiljön. En typisk pH-elektrod består av en avkänningselektrod och en referenselektrod, som arbetar enligt principen om Nernst-ekvationen, vilken styr omvandlingen av kemisk energi till elektriska signaler. Elektrodpotentialen är direkt relaterad till aktiviteten hos vätejoner i lösningen. pH-värdet bestäms genom att jämföra den uppmätta spänningsskillnaden med den hos en standardbuffertlösning, vilket möjliggör noggrann och tillförlitlig kalibrering. Denna mätmetod säkerställer stabil pH-reglering under hela fermenteringsprocessen, vilket stöder optimal mikrobiell eller cellulär aktivitet och säkerställer produktkvalitet.

Korrekt användning av pH-elektroder kräver flera förberedande steg, inklusive elektrodaktivering – vanligtvis uppnått genom att elektroden sänks ner i destillerat vatten eller en pH 4 buffertlösning – för att säkerställa optimal respons och mätnoggrannhet. För att möta de stränga kraven från den biofarmaceutiska fermenteringsindustrin måste pH-elektroder uppvisa snabba svarstider, hög precision och robusthet under rigorösa steriliseringsförhållanden såsom högtemperaturångsterilisering (SIP). Dessa egenskaper möjliggör tillförlitlig prestanda i sterila miljöer. Till exempel, vid glutaminsyraproduktion är exakt pH-övervakning avgörande för att kontrollera viktiga parametrar som temperatur, löst syre, omrörningshastighet och själva pH-värdet. Noggrann reglering av dessa variabler påverkar direkt både utbytet och kvaliteten på slutprodukten. Vissa avancerade pH-elektroder, med högtemperaturbeständiga glasmembran och förtryckta polymergelreferenssystem, uppvisar exceptionell stabilitet under extrema temperatur- och tryckförhållanden, vilket gör dem särskilt lämpliga för SIP-applikationer i biologiska och livsmedelsfermenteringsprocesser. Dessutom möjliggör deras starka antifouling-egenskaper konsekvent prestanda över olika fermenteringsbuljonger. Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. erbjuder olika elektrodanslutningsalternativ, vilket förbättrar användarbekvämligheten och flexibiliteten vid systemintegration.

Varför är pH-övervakning nödvändig under fermenteringsprocessen för biofarmaceutiska läkemedel?

Vid biofarmaceutisk fermentering är realtidsövervakning och kontroll av pH avgörande för framgångsrik produktion och för att maximera utbytet och kvaliteten på målprodukter som antibiotika, vacciner, monoklonala antikroppar och enzymer. I huvudsak skapar pH-kontroll en optimal fysiologisk miljö för mikrobiella celler eller däggdjursceller – som fungerar som "levande fabriker" – för att odla och syntetisera terapeutiska föreningar, analogt med hur jordbrukare justerar jordens pH-värde efter grödans behov.

1. Bibehåll optimal cellaktivitet
Fermentering är beroende av levande celler (t.ex. CHO-celler) för att producera komplexa biomolekyler. Cellmetabolism är mycket känslig för miljöns pH-värde. Enzymer, som katalyserar alla intracellulära biokemiska reaktioner, har smala pH-optima; avvikelser från detta intervall kan avsevärt minska enzymatisk aktivitet eller orsaka denaturering, vilket försämrar den metaboliska funktionen. Dessutom är näringsupptaget genom cellmembranet – såsom glukos, aminosyror och oorganiska salter – pH-beroende. Suboptimala pH-nivåer kan hindra näringsupptaget, vilket leder till suboptimal tillväxt eller metabolisk obalans. Dessutom kan extrema pH-värden äventyra membranets integritet, vilket resulterar i cytoplasmiskt läckage eller cellys.

2. Minimera biproduktbildning och substratspill
Under fermentering genererar cellmetabolismen sura eller basiska metaboliter. Till exempel producerar många mikroorganismer organiska syror (t.ex. mjölksyra, ättiksyra) under glukoskatabolism, vilket orsakar ett pH-fall. Om lågt pH inte korrigeras hämmar det celltillväxten och kan förskjuta metaboliskt flöde mot icke-produktiva vägar, vilket ökar ansamlingen av biprodukter. Dessa biprodukter förbrukar värdefulla kol- och energiresurser som annars skulle stödja syntesen av målprodukten, vilket minskar det totala utbytet. Effektiv pH-kontroll hjälper till att upprätthålla önskade metaboliska vägar och förbättrar processeffektiviteten.

3. Säkerställ produktens stabilitet och förhindra nedbrytning
Många biofarmaceutiska produkter, särskilt proteiner som monoklonala antikroppar och peptidhormoner, är känsliga för pH-inducerade strukturella förändringar. Utanför sitt stabila pH-område kan dessa molekyler genomgå denaturering, aggregering eller inaktivering, vilket potentiellt kan bilda skadliga fällningar. Dessutom är vissa produkter benägna att genomgå kemisk hydrolys eller enzymatisk nedbrytning under sura eller alkaliska förhållanden. Att upprätthålla lämpligt pH minimerar produktnedbrytning under tillverkningen, vilket bevarar styrka och säkerhet.

4. Optimera processeffektiviteten och säkerställ enhetlighet från batch till batch
Ur ett industriellt perspektiv påverkar pH-kontroll direkt produktivitet och ekonomisk lönsamhet. Omfattande forskning bedrivs för att identifiera de ideala pH-börvärdena för olika fermenteringsfaser – såsom celltillväxt kontra produktuttryck – vilka kan skilja sig avsevärt. Dynamisk pH-kontroll möjliggör stegspecifik optimering, vilket maximerar biomassaackumulering och produkttitrar. Dessutom kräver tillsynsmyndigheter som FDA och EMA strikt efterlevnad av Good Manufacturing Practices (GMP), där konsekventa processparametrar är obligatoriska. pH är erkänt som en kritisk processparameter (CPP), och dess kontinuerliga övervakning säkerställer reproducerbarhet över batcher, vilket garanterar säkerheten, effekten och kvaliteten hos läkemedelsprodukter.

5. Fungerar som en indikator på fermenteringens hälsa
Trenden för pH-förändringar ger värdefulla insikter i kulturens fysiologiska tillstånd. Plötsliga eller oväntade förändringar i pH kan indikera kontaminering, sensorfel, näringsbrist eller metaboliska avvikelser. Tidig upptäckt baserad på pH-trender möjliggör snabba ingripanden från operatören, vilket underlättar felsökning och förhindrar kostsamma batchfel.

Hur bör pH-sensorer väljas för fermenteringsprocessen i biofarmaceutiska läkemedel?

Att välja en lämplig pH-sensor för biofarmaceutisk fermentering är ett kritiskt tekniskt beslut som påverkar processtillförlitlighet, dataintegritet, produktkvalitet och regelefterlevnad. Valet bör göras systematiskt, med hänsyn inte bara till sensorns prestanda utan även till kompatibilitet med hela bioprocessningsarbetsflödet.

1. Hög temperatur- och tryckbeständighet
Biofarmaceutiska processer använder vanligtvis in situ-ångsterilisering (SIP), vanligtvis vid 121 °C och 1–2 bar tryck i 20–60 minuter. Därför måste alla pH-sensorer tåla upprepad exponering för sådana förhållanden utan att fungera. Helst bör sensorn vara klassad för minst 130 °C och 3–4 bar för att ge en säkerhetsmarginal. Robust tätning är avgörande för att förhindra fuktintrång, elektrolytläckage eller mekaniska skador under termisk cykling.

2. Sensortyp och referenssystem
Detta är en central teknisk faktor som påverkar långsiktig stabilitet, underhållsbehov och motståndskraft mot nedsmutsning.
Elektrodkonfiguration: Kompositelektroder, som integrerar både mät- och referenselement i ett och samma hus, används ofta tack vare enkel installation och hantering.
Referenssystem:
• Vätskefylld referens (t.ex. KCl-lösning): Ger snabb respons och hög noggrannhet men kräver regelbunden påfyllning. Under SIP kan elektrolytförlust uppstå, och porösa övergångar (t.ex. keramiska fritor) är benägna att täppas till av proteiner eller partiklar, vilket leder till avdrift och otillförlitliga avläsningar.
• Polymergel eller fastfasreferens: Alltmer föredraget i moderna bioreaktorer. Dessa system eliminerar behovet av elektrolytpåfyllning, minskar underhållet och har bredare vätskeövergångar (t.ex. PTFE-ringar) som motstår nedsmutsning. De erbjuder överlägsen stabilitet och längre livslängd i komplexa, viskösa fermenteringsmedier.

3. Mätområde och noggrannhet
Sensorn bör täcka ett brett driftsområde, vanligtvis pH 2–12, för att kunna hantera olika processteg. Med tanke på biologiska systems känslighet bör mätnoggrannheten ligga inom ±0,01 till ±0,02 pH-enheter, med stöd av högupplöst signalutgång.

4. Svarstid
Svarstid definieras vanligtvis som t90 – den tid som krävs för att nå 90 % av det slutliga avläsningen efter en stegvis förändring av pH-värdet. Även om gelelektroder kan uppvisa något långsammare svar än vätskefyllda, uppfyller de generellt de dynamiska kraven för fermenteringskontrollslingor, som arbetar med timskalor snarare än sekunder.

5. Biokompatibilitet
Alla material som kommer i kontakt med odlingsmediet måste vara giftfria, icke-urlakade och inerta för att undvika negativa effekter på cellernas viabilitet eller produktkvalitet. Specialiserade glasformuleringar avsedda för bioprocessningstillämpningar rekommenderas för att säkerställa kemisk resistens och biokompatibilitet.

6. Signalutgång och gränssnitt
• Analog utgång (mV/pH): Traditionell metod med analog överföring till styrsystemet. Kostnadseffektiv men sårbar för elektromagnetisk störning och signaldämpning över långa avstånd.
• Digital utgång (t.ex. MEMS-baserade eller smarta sensorer): Innehåller inbyggd mikroelektronik för att överföra digitala signaler (t.ex. via RS485). Ger utmärkt brusimmunitet, stöder långdistanskommunikation och möjliggör lagring av kalibreringshistorik, serienummer och användningsloggar. Uppfyller regleringsstandarder som FDA 21 CFR del 11 gällande elektroniska register och signaturer, vilket gör den alltmer föredragen i GMP-miljöer.

7. Installationsgränssnitt och skyddshölje
Sensorn måste vara kompatibel med den avsedda porten på bioreaktorn (t.ex. tri-clamp, sanitetskoppling). Skyddshylsor eller skydd rekommenderas för att förhindra mekaniska skador under hantering eller drift och för att underlätta enklare byte utan att kompromissa med steriliteten.