Jaunumi — pH līmeņa monitorings biofarmaceitiskās fermentācijas procesā

pH elektrodam ir izšķiroša nozīme fermentācijas procesā, galvenokārt tas kalpo fermentācijas šķidruma skābuma un sārmainības uzraudzībai un regulēšanai. Nepārtraukti mērot pH vērtību, elektrods nodrošina precīzu fermentācijas vides kontroli. Tipisks pH elektrods sastāv no sensorelektroda un atsauces elektroda, kas darbojas pēc Nernsta vienādojuma principa, kas regulē ķīmiskās enerģijas pārveidošanu elektriskos signālos. Elektroda potenciāls ir tieši saistīts ar ūdeņraža jonu aktivitāti šķīdumā. pH vērtību nosaka, salīdzinot izmērīto sprieguma starpību ar standarta buferšķīduma spriegumu, kas ļauj veikt precīzu un uzticamu kalibrēšanu. Šī mērīšanas pieeja nodrošina stabilu pH regulēšanu visā fermentācijas procesā, tādējādi atbalstot optimālu mikrobu vai šūnu aktivitāti un nodrošinot produkta kvalitāti.

Pareiza pH elektrodu lietošana prasa vairākus sagatavošanās soļus, tostarp elektroda aktivizēšanu, ko parasti panāk, iegremdējot elektrodu destilētā ūdenī vai pH 4 buferšķīdumā, lai nodrošinātu optimālu reaģētspēju un mērījumu precizitāti. Lai izpildītu stingrās biofarmaceitiskās fermentācijas nozares prasības, pH elektrodiem ir jāuzrāda ātrs reakcijas laiks, augsta precizitāte un izturība stingros sterilizācijas apstākļos, piemēram, augstas temperatūras tvaika sterilizācijā (SIP). Šīs īpašības nodrošina uzticamu darbību sterilā vidē. Piemēram, glutamīnskābes ražošanā precīza pH kontrole ir būtiska, lai kontrolētu tādus galvenos parametrus kā temperatūra, izšķīdušais skābeklis, maisīšanas ātrums un pats pH. Precīza šo mainīgo regulēšana tieši ietekmē gan galaprodukta ražu, gan kvalitāti. Daži uzlaboti pH elektrodi, kuriem ir augstas temperatūras izturīgas stikla membrānas un iepriekš spiedienam pakļautas polimēru gēla atsauces sistēmas, demonstrē izcilu stabilitāti ekstremālos temperatūras un spiediena apstākļos, padarot tos īpaši piemērotus SIP pielietojumiem bioloģiskajos un pārtikas fermentācijas procesos. Turklāt to spēcīgās pretapaugšanas spējas nodrošina vienmērīgu veiktspēju dažādos fermentācijas buljonos. Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. piedāvā dažādas elektrodu savienotāju iespējas, uzlabojot lietotāja ērtības un sistēmas integrācijas elastību.

Kāpēc biofarmaceitisko līdzekļu fermentācijas procesā ir nepieciešama pH līmeņa kontrole?

Biofarmaceitiskajā fermentācijā pH līmeņa uzraudzība un kontrole reāllaikā ir būtiska veiksmīgai ražošanai un mērķa produktu, piemēram, antibiotiku, vakcīnu, monoklonālo antivielu un enzīmu, ražas un kvalitātes maksimizēšanai. Būtībā pH kontrole rada optimālu fizioloģisko vidi mikrobu vai zīdītāju šūnām — darbojoties kā "dzīvām rūpnīcām" —, lai tās varētu augt un sintezēt terapeitiskos savienojumus, līdzīgi kā lauksaimnieki pielāgo augsnes pH līmeni atbilstoši kultūraugu prasībām.

1. Uzturēt optimālu šūnu aktivitāti
Fermentācija balstās uz dzīvām šūnām (piemēram, CHO šūnām), lai ražotu sarežģītas biomolekulas. Šūnu metabolisms ir ļoti jutīgs pret vides pH līmeni. Enzīmiem, kas katalizē visas intracelulārās bioķīmiskās reakcijas, ir šaurs pH optimālais līmenis; novirzes no šī diapazona var ievērojami samazināt fermentatīvo aktivitāti vai izraisīt denaturāciju, pasliktinot vielmaiņas funkciju. Turklāt barības vielu, piemēram, glikozes, aminoskābju un neorganisko sāļu, uzņemšana caur šūnu membrānu ir atkarīga no pH līmeņa. Suboptimāls pH līmenis var kavēt barības vielu uzsūkšanos, izraisot suboptimālu augšanu vai vielmaiņas nelīdzsvarotību. Turklāt ekstremālas pH vērtības var apdraudēt membrānas integritāti, izraisot citoplazmas noplūdi vai šūnu līzi.

2. Samaziniet blakusproduktu veidošanos un substrāta atkritumus
Fermentācijas laikā šūnu metabolisms rada skābus vai bāziskus metabolītus. Piemēram, daudzi mikroorganismi glikozes katabolisma laikā ražo organiskās skābes (piemēram, pienskābi, etiķskābi), izraisot pH līmeņa pazemināšanos. Ja zems pH līmenis netiek koriģēts, tas kavē šūnu augšanu un var novirzīt vielmaiņas plūsmu uz neproduktīviem ceļiem, palielinot blakusproduktu uzkrāšanos. Šie blakusprodukti patērē vērtīgus oglekļa un enerģijas resursus, kas citādi atbalstītu mērķa produktu sintēzi, tādējādi samazinot kopējo ražu. Efektīva pH kontrole palīdz uzturēt vēlamos vielmaiņas ceļus un uzlabo procesa efektivitāti.

3. Nodrošiniet produkta stabilitāti un novērsiet degradāciju
Daudzi biofarmaceitiskie produkti, īpaši olbaltumvielas, piemēram, monoklonālās antivielas un peptīdu hormoni, ir uzņēmīgi pret pH izraisītām strukturālām izmaiņām. Ārpus stabilā pH diapazona šīs molekulas var denaturēties, agregēties vai inaktivēties, potenciāli veidojot kaitīgas nogulsnes. Turklāt daži produkti ir pakļauti ķīmiskai hidrolīzei vai fermentatīvai degradācijai skābā vai sārmainā vidē. Atbilstoša pH līmeņa uzturēšana samazina produkta degradāciju ražošanas laikā, saglabājot iedarbīgumu un drošību.

4. Optimizēt procesa efektivitāti un nodrošināt partiju savstarpēju konsekvenci
No rūpnieciskā viedokļa pH kontrole tieši ietekmē produktivitāti un ekonomisko dzīvotspēju. Tiek veikti plaši pētījumi, lai noteiktu ideālos pH iestatījumus dažādām fermentācijas fāzēm, piemēram, šūnu augšanai pret produkta ekspresiju, kas var ievērojami atšķirties. Dinamiskā pH kontrole ļauj veikt posmam specifisku optimizāciju, maksimāli palielinot biomasas uzkrāšanos un produktu titrus. Turklāt regulatīvās aģentūras, piemēram, Pārtikas un zāļu pārvalde (FDA) un Eiropas Zāļu aģentūra (EMA), pieprasa stingru labas ražošanas prakses (GMP) ievērošanu, kur obligāti jāievēro konsekventi procesa parametri. pH tiek atzīts par kritisku procesa parametru (CPP), un tā nepārtraukta uzraudzība nodrošina atkārtojamību dažādās partijās, garantējot farmaceitisko produktu drošību, efektivitāti un kvalitāti.

5. Kalpo kā fermentācijas veselības indikators
pH izmaiņu tendence sniedz vērtīgu ieskatu kultūras fizioloģiskajā stāvoklī. Pēkšņas vai negaidītas pH izmaiņas var liecināt par piesārņojumu, sensora darbības traucējumiem, barības vielu noplicināšanos vai vielmaiņas anomālijām. Agrīna noteikšana, pamatojoties uz pH tendencēm, ļauj savlaicīgi iejaukties operatoram, atvieglojot problēmu novēršanu un novēršot dārgas partijas kļūmes.

Kā izvēlēties pH sensorus fermentācijas procesam biofarmaceitiskos preparātos?

Piemērota pH sensora izvēle biofarmaceitiskajai fermentācijai ir kritisks inženiertehnisks lēmums, kas ietekmē procesa uzticamību, datu integritāti, produkta kvalitāti un atbilstību normatīvajiem aktiem. Izvēle jāveic sistemātiski, ņemot vērā ne tikai sensora veiktspēju, bet arī saderību ar visu bioapstrādes darbplūsmu.

1. Augstas temperatūras un spiediena izturība
Biofarmaceitiskajos procesos parasti tiek izmantota in situ tvaika sterilizācija (SIP), parasti 121 °C temperatūrā un 1–2 bar spiedienā 20–60 minūtes. Tāpēc jebkuram pH sensoram ir jāiztur atkārtota pakļaušana šādiem apstākļiem bez bojājumiem. Ideālā gadījumā sensoram jābūt paredzētam vismaz 130 °C temperatūrai un 3–4 bar spiedienam, lai nodrošinātu drošības rezervi. Izturīgs blīvējums ir būtisks, lai novērstu mitruma iekļūšanu, elektrolīta noplūdi vai mehāniskus bojājumus termiskās ciklēšanas laikā.

2. Sensora tips un atskaites sistēma
Šis ir būtisks tehnisks apsvērums, kas ietekmē ilgtermiņa stabilitāti, apkopes vajadzības un izturību pret piesārņojumu.
Elektrodu konfigurācija: Saliktie elektrodi, kas vienā korpusā integrē gan mērīšanas, gan atskaites elementus, tiek plaši izmantoti, pateicoties to vienkāršai uzstādīšanai un lietošanai.
Atsauces sistēma:
• Ar šķidrumu pildīts etalons (piemēram, KCl šķīdums): Nodrošina ātru reakciju un augstu precizitāti, taču periodiski nepieciešama uzpildīšana. SIP laikā var rasties elektrolīta zudums, un porainie savienojumi (piemēram, keramikas frīti) ir pakļauti aizsērēšanai ar olbaltumvielām vai daļiņām, kā rezultātā rodas nobīde un neuzticami rādījumi.
• Polimēru gēls vai cietvielu atsauce: arvien vairāk tiek izmantota mūsdienu bioreaktoros. Šīs sistēmas novērš nepieciešamību pēc elektrolītu papildināšanas, samazina apkopi un tām ir platākas šķidruma savienojuma vietas (piemēram, PTFE gredzeni), kas ir izturīgas pret aizsērēšanu. Tās piedāvā izcilu stabilitāti un ilgāku kalpošanas laiku sarežģītās, viskozās fermentācijas vidēs.

3. Mērījumu diapazons un precizitāte
Sensoram jāaptver plašs darbības diapazons, parasti pH 2–12, lai pielāgotos dažādiem procesa posmiem. Ņemot vērā bioloģisko sistēmu jutīgumu, mērījumu precizitātei jābūt robežās no ±0,01 līdz ±0,02 pH vienībām, ko atbalsta augstas izšķirtspējas signāla izvade.

4. Reakcijas laiks
Reakcijas laiks parasti tiek definēts kā t90 — laiks, kas nepieciešams, lai sasniegtu 90% no galīgā nolasījuma pēc pakāpeniskas pH izmaiņas. Lai gan gēla tipa elektrodiem var būt nedaudz lēnāka reakcija nekā ar šķidrumu pildītiem elektrodiem, tie parasti atbilst fermentācijas kontroles cilpu dinamiskajām prasībām, kas darbojas stundas, nevis sekundes laika skalā.

5. Bioloģiskā saderība
Visiem materiāliem, kas nonāk saskarē ar barotni, jābūt netoksiskiem, neizskalojošiem un inertiem, lai izvairītos no negatīvas ietekmes uz šūnu dzīvotspēju vai produkta kvalitāti. Lai nodrošinātu ķīmisko izturību un bioloģisko saderību, ieteicams izmantot specializētas stikla formulas, kas paredzētas bioapstrādes vajadzībām.

6. Signāla izeja un saskarne
• Analogā izeja (mV/pH): Tradicionāla metode, kurā tiek izmantota analogā pārraide uz vadības sistēmu. Izmaksu ziņā efektīva, bet jutīga pret elektromagnētiskajiem traucējumiem un signāla vājināšanos lielos attālumos.
• Digitālā izeja (piemēram, MEMS bāzes vai viedie sensori): Ietver iebūvētu mikroelektroniku digitālo signālu pārraidīšanai (piemēram, izmantojot RS485). Nodrošina izcilu traucējumu imunitāti, atbalsta tālsatiksmes saziņu un ļauj uzglabāt kalibrēšanas vēsturi, sērijas numurus un lietošanas žurnālus. Atbilst tādiem normatīvajiem standartiem kā FDA 21 CFR 11. daļa attiecībā uz elektroniskajiem ierakstiem un parakstiem, padarot to arvien populārāku GMP vidē.

7. Uzstādīšanas saskarne un aizsargapvalks
Sensoram jābūt saderīgam ar bioreaktora norādīto portu (piemēram, tri-clamp, sanitāro savienojumu). Ieteicams izmantot aizsargapvalkus vai aizsargus, lai novērstu mehāniskus bojājumus apstrādes vai darbības laikā un atvieglotu nomaiņu, neapdraudot sterilitāti.