Naujienos – pH lygių stebėjimas biofarmacijos fermentacijos procese

pH elektrodas atlieka itin svarbų vaidmenį fermentacijos procese, pirmiausia stebėdamas ir reguliuodamas fermentacijos sultinio rūgštingumą ir šarmingumą. Nuolat matuodamas pH vertę, elektrodas leidžia tiksliai kontroliuoti fermentacijos aplinką. Tipinį pH elektrodą sudaro jutimo elektrodas ir etaloninis elektrodas, veikiantys Nernsto lygties principu, kuris reguliuoja cheminės energijos pavertimą elektriniais signalais. Elektrodo potencialas yra tiesiogiai susijęs su vandenilio jonų aktyvumu tirpale. pH vertė nustatoma palyginant išmatuotą įtampos skirtumą su standartinio buferinio tirpalo įtampos skirtumu, o tai leidžia atlikti tikslų ir patikimą kalibravimą. Šis matavimo metodas užtikrina stabilų pH reguliavimą viso fermentacijos proceso metu, taip palaikydamas optimalų mikrobų ar ląstelių aktyvumą ir užtikrindamas produkto kokybę.

Tinkamas pH elektrodų naudojimas reikalauja kelių parengiamųjų veiksmų, įskaitant elektrodo aktyvavimą (paprastai panardinant elektrodą į distiliuotą vandenį arba pH 4 buferinį tirpalą), kad būtų užtikrintas optimalus reagavimas ir matavimo tikslumas. Kad atitiktų griežtus biofarmacijos fermentacijos pramonės reikalavimus, pH elektrodai turi pasižymėti greitu reagavimo laiku, dideliu tikslumu ir tvirtumu esant griežtoms sterilizavimo sąlygoms, tokioms kaip sterilizavimas aukštoje temperatūroje garais (SIP). Šios savybės užtikrina patikimą veikimą sterilioje aplinkoje. Pavyzdžiui, glutamo rūgšties gamyboje tikslus pH stebėjimas yra būtinas norint kontroliuoti pagrindinius parametrus, tokius kaip temperatūra, ištirpęs deguonis, maišymo greitis ir pats pH. Tikslus šių kintamųjų reguliavimas tiesiogiai veikia tiek galutinio produkto išeigą, tiek kokybę. Tam tikri pažangūs pH elektrodai, turintys aukštai temperatūrai atsparias stiklo membranas ir išankstinio slėgio polimerinio gelio etalonines sistemas, pasižymi išskirtiniu stabilumu esant ekstremalioms temperatūros ir slėgio sąlygoms, todėl jie ypač tinka SIP taikymams biologiniuose ir maisto fermentacijos procesuose. Be to, jų stiprios apsaugos nuo užsiteršimo savybės leidžia užtikrinti nuoseklų veikimą įvairiuose fermentacijos sultyse. „Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd.“ siūlo įvairias elektrodų jungčių parinktis, kurios padidina naudotojo patogumą ir sistemos integravimo lankstumą.

Kodėl biofarmacinių preparatų fermentacijos proceso metu būtina stebėti pH?

Biofarmacinėje fermentacijoje pH stebėjimas ir kontrolė realiuoju laiku yra būtini sėkmingai gamybai ir tikslinių produktų, tokių kaip antibiotikai, vakcinos, monokloniniai antikūnai ir fermentai, derliui bei kokybei maksimaliai padidinti. Iš esmės pH kontrolė sukuria optimalią fiziologinę aplinką mikrobų arba žinduolių ląstelėms – veikiančioms kaip „gyvosios gamyklos“ – augti ir sintetinti terapinius junginius, analogiškai tam, kaip ūkininkai reguliuoja dirvožemio pH pagal pasėlių poreikius.

1. Palaikykite optimalų ląstelių aktyvumą
Fermentacijai reikalingos gyvos ląstelės (pvz., CHO ląstelės), kurios gamina sudėtingas biomolekules. Ląstelių metabolizmas yra labai jautrus aplinkos pH. Fermentai, kurie katalizuoja visas ląstelės viduje vykstančias biochemines reakcijas, turi siaurą pH optimumą; nukrypimai nuo šio diapazono gali žymiai sumažinti fermentinį aktyvumą arba sukelti denatūraciją, sutrikdydami medžiagų apykaitos funkciją. Be to, maistinių medžiagų, tokių kaip gliukozė, aminorūgštys ir neorganinės druskos, pasisavinimas per ląstelės membraną priklauso nuo pH. Suboptimalus pH lygis gali trukdyti maistinių medžiagų absorbcijai, dėl to gali sutrikti augimas arba medžiagų apykaitos disbalansas. Be to, ekstremalios pH vertės gali pakenkti membranos vientisumui, dėl ko gali atsirasti citoplazmos nuotėkis arba ląstelių lizė.

2. Sumažinkite šalutinių produktų susidarymą ir substrato atliekas
Fermentacijos metu ląstelių metabolizmas gamina rūgštinius arba bazinius metabolitus. Pavyzdžiui, daugelis mikroorganizmų gliukozės katabolizmo metu gamina organines rūgštis (pvz., pieno rūgštį, acto rūgštį), todėl sumažėja pH. Jei žemas pH nėra koreguojamas, jis slopina ląstelių augimą ir gali nukreipti medžiagų apykaitos srautą neproduktyviais keliais, padidindamas šalutinių produktų kaupimąsi. Šie šalutiniai produktai sunaudoja vertingus anglies ir energijos išteklius, kurie kitaip palaikytų tikslinių produktų sintezę, taip sumažinant bendrą išeigą. Efektyvus pH valdymas padeda palaikyti norimus metabolizmo kelius ir pagerina proceso efektyvumą.

3. Užtikrinti produkto stabilumą ir išvengti degradacijos
Daugelis biofarmacijos produktų, ypač baltymai, tokie kaip monokloniniai antikūnai ir peptidiniai hormonai, yra jautrūs pH sukeltiems struktūriniams pokyčiams. Už stabilaus pH diapazono ribų šios molekulės gali denatūruotis, agreguotis arba inaktyvuotis, todėl gali susidaryti kenksmingos nuosėdos. Be to, tam tikri produktai yra linkę į cheminę hidrolizę arba fermentinį skaidymąsi rūgštinėje arba šarminėje aplinkoje. Tinkamo pH palaikymas sumažina produkto skaidymąsi gamybos metu, išsaugant veiksmingumą ir saugumą.

4. Optimizuokite proceso efektyvumą ir užtikrinkite partijų nuoseklumą
Pramoniniu požiūriu, pH kontrolė tiesiogiai veikia produktyvumą ir ekonominį gyvybingumą. Atliekami išsamūs tyrimai, siekiant nustatyti idealius pH nustatymus skirtingoms fermentacijos fazėms, tokioms kaip ląstelių augimas ir produkto raiška, kurie gali labai skirtis. Dinaminė pH kontrolė leidžia optimizuoti konkrečiam etapui, maksimaliai padidinant biomasės kaupimąsi ir produkto titrus. Be to, reguliavimo agentūros, tokios kaip FDA ir EMA, reikalauja griežtai laikytis geros gamybos praktikos (GGP), kur privalomi nuoseklūs proceso parametrai. pH yra pripažintas kritiniu proceso parametru (CPP), o jo nuolatinė stebėsena užtikrina atkuriamumą tarp partijų, garantuojant farmacijos produktų saugumą, veiksmingumą ir kokybę.

5. Tarnaukite kaip fermentacijos sveikatos rodiklis
pH kitimo tendencija suteikia vertingų įžvalgų apie kultūros fiziologinę būseną. Staigūs ar netikėti pH pokyčiai gali signalizuoti apie užterštumą, jutiklio gedimą, maistinių medžiagų išeikvojimą arba medžiagų apykaitos sutrikimus. Ankstyvas aptikimas, pagrįstas pH tendencijomis, leidžia laiku operatoriui įsikišti, palengvina trikčių šalinimą ir padeda išvengti brangiai kainuojančių partijų gedimų.

Kaip reikėtų pasirinkti pH jutiklius biofarmacinių preparatų fermentacijos procesui?

Tinkamo pH jutiklio pasirinkimas biofarmacijos fermentacijai yra labai svarbus inžinerinis sprendimas, turintis įtakos proceso patikimumui, duomenų vientisumui, produkto kokybei ir atitikčiai reglamentams. Pasirinkimas turėtų būti atliekamas sistemingai, atsižvelgiant ne tik į jutiklio veikimą, bet ir į suderinamumą su visa bioapdorojimo darbo eiga.

1. Atsparumas aukštai temperatūrai ir slėgiui
Biofarmacijos procesuose dažniausiai naudojama sterilizacija garais vietoje (SIP), paprastai esant 121 °C temperatūrai ir 1–2 barų slėgiui 20–60 minučių. Todėl bet kuris pH jutiklis turi atlaikyti pakartotinį tokių sąlygų poveikį be gedimų. Idealiu atveju jutiklis turėtų būti skirtas bent 130 °C temperatūrai ir 3–4 barų slėgiui, kad būtų užtikrinta saugos riba. Tvirtas sandarinimas yra būtinas siekiant išvengti drėgmės patekimo, elektrolito nuotėkio ar mechaninių pažeidimų terminio ciklavimo metu.

2. Jutiklio tipas ir atskaitos sistema
Tai yra pagrindinis techninis aspektas, turintis įtakos ilgalaikiam stabilumui, priežiūros poreikiams ir atsparumui užsiteršimui.
Elektrodų konfigūracija: Sudėtiniai elektrodai, kuriuose viename korpuse integruoti matavimo ir etaloniniai elementai, yra plačiai naudojami dėl lengvo montavimo ir naudojimo.
Atskaitos sistema:
• Skysčiu užpildytas etalonas (pvz., KCl tirpalas): pasižymi greitu atsaku ir dideliu tikslumu, tačiau jį reikia periodiškai papildyti. SIP metu gali netekti elektrolito, o porėtos jungtys (pvz., keraminiai fritai) yra linkusios užsikimšti baltymais ar dalelėmis, todėl rodmenys gali būti dreifuojantys ir nepatikimi.
• Polimerinis gelis arba kietojo kūno etalonas: vis labiau pageidaujamas šiuolaikiniuose bioreaktoriuose. Šios sistemos panaikina elektrolitų papildymo poreikį, sumažina techninę priežiūrą ir pasižymi platesnėmis skysčio jungtimis (pvz., PTFE žiedais), kurios yra atsparios užsiteršimui. Jos pasižymi geresniu stabilumu ir ilgesniu tarnavimo laiku sudėtingose, klampiose fermentacijos terpėse.

3. Matavimo diapazonas ir tikslumas
Jutiklis turėtų apimti platų veikimo diapazoną, paprastai pH 2–12, kad būtų galima pritaikyti įvairius proceso etapus. Atsižvelgiant į biologinių sistemų jautrumą, matavimo tikslumas turėtų būti nuo ±0,01 iki ±0,02 pH vieneto, o tai užtikrintų didelės skiriamosios gebos signalo išvestis.

4. Reakcijos laikas
Reakcijos laikas paprastai apibrėžiamas kaip t90 – laikas, reikalingas pasiekti 90 % galutinio rodmens po laipsniško pH pokyčio. Nors gelio tipo elektrodai gali reaguoti šiek tiek lėčiau nei skysčiu užpildyti elektrodai, jie paprastai atitinka fermentacijos valdymo kilpų, kurios veikia valandiniu, o ne sekundžių intervalu, dinaminius reikalavimus.

5. Biologinis suderinamumas
Visos medžiagos, besiliečiančios su kultūros terpe, turi būti netoksiškos, neišsiplaunančios ir inertiškos, kad būtų išvengta neigiamo poveikio ląstelių gyvybingumui ar produkto kokybei. Siekiant užtikrinti cheminį atsparumą ir biologinį suderinamumą, rekomenduojamos specializuotos stiklo formulės, skirtos biologinio apdorojimo taikymams.

6. Signalo išvestis ir sąsaja
• Analoginis išėjimas (mV/pH): Tradicinis metodas, naudojant analoginį perdavimą į valdymo sistemą. Ekonomiškas, bet jautrus elektromagnetiniams trukdžiams ir signalo silpnėjimui dideliais atstumais.
• Skaitmeninė išvestis (pvz., MEMS pagrindu veikiantys arba išmanieji jutikliai): integruota mikroelektronika skaitmeniniams signalams perduoti (pvz., per RS485). Užtikrina puikų atsparumą trikdžiams, palaiko tolimojo nuotolio ryšį ir leidžia saugoti kalibravimo istoriją, serijos numerius ir naudojimo žurnalus. Atitinka tokius norminius standartus kaip FDA 21 CFR 11 dalis dėl elektroninių įrašų ir parašų, todėl vis labiau pageidaujama GMP aplinkoje.

7. Montavimo sąsaja ir apsauginis korpusas
Jutiklis turi būti suderinamas su tam skirtu bioreaktoriaus prievadu (pvz., trišakiu spaustuku, sanitariniu jungiamuoju elementu). Rekomenduojamos apsauginės movos arba apsaugos, kad būtų išvengta mechaninių pažeidimų tvarkymo ar naudojimo metu ir kad būtų lengviau pakeisti jutiklį nepakenkiant sterilumui.