Berita - Pemantauan Tahap pH dalam Proses Fermentasi Bio Farmaseutikal

Elektrod pH memainkan peranan penting dalam proses penapaian, terutamanya berfungsi untuk memantau dan mengawal selia keasidan dan kealkalian sup penapaian. Dengan mengukur nilai pH secara berterusan, elektrod membolehkan kawalan yang tepat ke atas persekitaran penapaian. Elektrod pH biasa terdiri daripada elektrod pengesan dan elektrod rujukan, yang beroperasi berdasarkan prinsip persamaan Nernst, yang mengawal penukaran tenaga kimia kepada isyarat elektrik. Potensi elektrod berkaitan secara langsung dengan aktiviti ion hidrogen dalam larutan. Nilai pH ditentukan dengan membandingkan perbezaan voltan yang diukur dengan larutan penimbal piawai, yang membolehkan penentukuran yang tepat dan boleh dipercayai. Pendekatan pengukuran ini memastikan pengawalaturan pH yang stabil sepanjang proses penapaian, sekali gus menyokong aktiviti mikrob atau selular yang optimum dan memastikan kualiti produk.

Penggunaan elektrod pH yang betul memerlukan beberapa langkah persediaan, termasuk pengaktifan elektrod—biasanya dicapai dengan merendam elektrod dalam air suling atau larutan penimbal pH 4—untuk memastikan tindak balas dan ketepatan pengukuran yang optimum. Bagi memenuhi permintaan ketat industri penapaian biofarmaseutikal, elektrod pH mesti menunjukkan masa tindak balas yang pantas, ketepatan tinggi dan kekukuhan di bawah keadaan pensterilan yang ketat seperti pensterilan stim suhu tinggi (SIP). Ciri-ciri ini membolehkan prestasi yang andal dalam persekitaran steril. Contohnya, dalam pengeluaran asid glutamik, pemantauan pH yang tepat adalah penting untuk mengawal parameter utama seperti suhu, oksigen terlarut, kelajuan pengadukan dan pH itu sendiri. Pengawalan pembolehubah ini yang tepat secara langsung mempengaruhi hasil dan kualiti produk akhir. Elektrod pH lanjutan tertentu, yang menampilkan membran kaca tahan suhu tinggi dan sistem rujukan gel polimer pra-tekanan, menunjukkan kestabilan yang luar biasa di bawah keadaan suhu dan tekanan yang melampau, menjadikannya sangat sesuai untuk aplikasi SIP dalam proses penapaian biologi dan makanan. Tambahan pula, keupayaan anti-pengotorannya yang kuat membolehkan prestasi yang konsisten merentasi pelbagai kuah penapaian. Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. menawarkan pelbagai pilihan penyambung elektrod, meningkatkan kemudahan pengguna dan fleksibiliti penyepaduan sistem.

Mengapakah pemantauan pH diperlukan semasa proses penapaian biofarmaseutikal?

Dalam penapaian biofarmaseutikal, pemantauan dan kawalan pH masa nyata adalah penting untuk pengeluaran yang berjaya dan untuk memaksimumkan hasil dan kualiti produk sasaran seperti antibiotik, vaksin, antibodi monoklonal dan enzim. Pada dasarnya, kawalan pH mewujudkan persekitaran fisiologi yang optimum untuk sel mikrob atau mamalia—berfungsi sebagai "kilang hidup"—untuk membesar dan mensintesis sebatian terapeutik, sama seperti cara petani menyesuaikan pH tanah mengikut keperluan tanaman.

1. Mengekalkan aktiviti selular yang optimum
Penapaian bergantung pada sel hidup (contohnya, sel CHO) untuk menghasilkan biomolekul kompleks. Metabolisme selular sangat sensitif terhadap pH persekitaran. Enzim, yang memangkinkan semua tindak balas biokimia intraselular, mempunyai pH optimum yang sempit; sisihan daripada julat ini boleh mengurangkan aktiviti enzimatik dengan ketara atau menyebabkan denaturasi, menjejaskan fungsi metabolik. Selain itu, pengambilan nutrien melalui membran sel—seperti glukosa, asid amino dan garam tak organik—bergantung pada pH. Tahap pH suboptimum boleh menghalang penyerapan nutrien, yang membawa kepada pertumbuhan suboptimum atau ketidakseimbangan metabolik. Selain itu, nilai pH yang melampau boleh menjejaskan integriti membran, mengakibatkan kebocoran sitoplasma atau lisis sel.

2. Minimumkan pembentukan hasil sampingan dan sisa substrat
Semasa penapaian, metabolisme selular menghasilkan metabolit berasid atau bes. Contohnya, banyak mikroorganisma menghasilkan asid organik (contohnya, asid laktik, asid asetik) semasa katabolisme glukosa, menyebabkan penurunan pH. Jika tidak dibetulkan, pH yang rendah menghalang pertumbuhan sel dan boleh mengalihkan fluks metabolik ke arah laluan yang tidak produktif, meningkatkan pengumpulan hasil sampingan. Hasil sampingan ini menggunakan sumber karbon dan tenaga berharga yang sepatutnya menyokong sintesis produk sasaran, sekali gus mengurangkan hasil keseluruhan. Kawalan pH yang berkesan membantu mengekalkan laluan metabolik yang diingini dan meningkatkan kecekapan proses.

3. Pastikan kestabilan produk dan mencegah degradasi
Banyak produk biofarmaseutikal, terutamanya protein seperti antibodi monoklonal dan hormon peptida, mudah terdedah kepada perubahan struktur yang disebabkan oleh pH. Di luar julat pH yang stabil, molekul-molekul ini mungkin mengalami denaturasi, pengagregatan atau penyahaktifan, yang berpotensi membentuk endapan berbahaya. Selain itu, produk tertentu mudah terdedah kepada hidrolisis kimia atau degradasi enzimatik di bawah keadaan berasid atau alkali. Mengekalkan pH yang sesuai meminimumkan degradasi produk semasa pembuatan, memelihara potensi dan keselamatan.

4. Mengoptimumkan kecekapan proses dan memastikan konsistensi kelompok demi kelompok
Dari sudut pandangan perindustrian, kawalan pH memberi kesan langsung kepada produktiviti dan daya maju ekonomi. Penyelidikan meluas dijalankan untuk mengenal pasti titik set pH yang ideal untuk fasa penapaian yang berbeza—seperti pertumbuhan sel berbanding ekspresi produk—yang mungkin berbeza dengan ketara. Kawalan pH dinamik membolehkan pengoptimuman khusus peringkat, memaksimumkan pengumpulan biojisim dan titer produk. Tambahan pula, agensi kawal selia seperti FDA dan EMA memerlukan pematuhan ketat kepada Amalan Pengilangan Baik (GMP), yang mana parameter proses yang konsisten adalah wajib. pH diiktiraf sebagai Parameter Proses Kritikal (CPP), dan pemantauan berterusannya memastikan kebolehulangan merentasi kelompok, menjamin keselamatan, keberkesanan dan kualiti produk farmaseutikal.

5. Berfungsi sebagai penunjuk kesihatan penapaian
Trend perubahan pH memberikan pandangan berharga tentang keadaan fisiologi kultur. Perubahan pH yang tiba-tiba atau tidak dijangka mungkin menandakan pencemaran, kerosakan sensor, kekurangan nutrien atau anomali metabolik. Pengesanan awal berdasarkan trend pH membolehkan intervensi operator yang tepat pada masanya, memudahkan penyelesaian masalah dan mencegah kegagalan kelompok yang mahal.

Bagaimanakah sensor pH harus dipilih untuk proses penapaian dalam biofarmaseutikal?

Memilih sensor pH yang sesuai untuk penapaian biofarmaseutikal merupakan keputusan kejuruteraan kritikal yang mempengaruhi kebolehpercayaan proses, integriti data, kualiti produk dan pematuhan peraturan. Pemilihan tersebut harus dilakukan secara sistematik, dengan mempertimbangkan bukan sahaja prestasi sensor tetapi juga keserasian dengan keseluruhan aliran kerja biopemprosesan.

1. Rintangan suhu dan tekanan tinggi
Proses biofarmaseutikal biasanya menggunakan pensterilan stim in-situ (SIP), biasanya pada suhu 121°C dan tekanan 1–2 bar selama 20–60 minit. Oleh itu, mana-mana sensor pH mesti menahan pendedahan berulang kepada keadaan sedemikian tanpa kegagalan. Sebaik-baiknya, sensor hendaklah dinilai sekurang-kurangnya 130°C dan 3–4 bar untuk memberikan margin keselamatan. Pengedap yang kukuh adalah penting untuk mencegah kemasukan lembapan, kebocoran elektrolit atau kerosakan mekanikal semasa kitaran haba.

2. Jenis sensor dan sistem rujukan
Ini merupakan pertimbangan teknikal teras yang mempengaruhi kestabilan jangka panjang, keperluan penyelenggaraan dan rintangan pengotoran.
Konfigurasi elektrod: Elektrod komposit, yang menggabungkan kedua-dua elemen pengukur dan rujukan dalam satu badan, digunakan secara meluas kerana kemudahan pemasangan dan pengendalian.
Sistem rujukan:
• Rujukan berisi cecair (cth., larutan KCl): Menawarkan tindak balas yang pantas dan ketepatan yang tinggi tetapi memerlukan pengisian semula secara berkala. Semasa SIP, kehilangan elektrolit mungkin berlaku, dan simpang berliang (cth., frit seramik) terdedah kepada penyumbatan oleh protein atau zarah, yang membawa kepada hanyutan dan bacaan yang tidak boleh dipercayai.
• Gel polimer atau rujukan keadaan pepejal: Semakin digemari dalam bioreaktor moden. Sistem ini menghapuskan keperluan untuk pengisian semula elektrolit, mengurangkan penyelenggaraan dan mempunyai sambungan cecair yang lebih luas (contohnya, cincin PTFE) yang tahan terhadap pengotoran. Ia menawarkan kestabilan unggul dan hayat perkhidmatan yang lebih lama dalam media penapaian yang kompleks dan likat.

3. Julat dan ketepatan pengukuran
Sensor harus meliputi julat operasi yang luas, biasanya pH 2–12, untuk menampung pelbagai peringkat proses. Memandangkan sensitiviti sistem biologi, ketepatan pengukuran harus berada dalam lingkungan ±0.01 hingga ±0.02 unit pH, disokong oleh output isyarat resolusi tinggi.

4. Masa tindak balas
Masa tindak balas biasanya ditakrifkan sebagai t90—masa yang diperlukan untuk mencapai 90% daripada bacaan akhir selepas perubahan langkah dalam pH. Walaupun elektrod jenis gel mungkin menunjukkan tindak balas yang sedikit lebih perlahan daripada yang berisi cecair, ia secara amnya memenuhi keperluan dinamik gelung kawalan penapaian, yang beroperasi pada skala masa setiap jam dan bukannya saat.

5. Biokeserasian
Semua bahan yang bersentuhan dengan medium kultur mestilah tidak toksik, tidak larut lesap dan lengai untuk mengelakkan kesan buruk terhadap daya tahan sel atau kualiti produk. Formulasi kaca khusus yang direka bentuk untuk aplikasi biopemprosesan disyorkan untuk memastikan rintangan kimia dan biokeserasian.

6. Output dan antara muka isyarat
• Output analog (mV/pH): Kaedah tradisional menggunakan penghantaran analog ke sistem kawalan. Kos efektif tetapi terdedah kepada gangguan elektromagnet dan pelemahan isyarat dalam jarak jauh.
• Output digital (cth., berasaskan MEMS atau sensor pintar): Menggabungkan mikroelektronik terbina dalam untuk menghantar isyarat digital (cth., melalui RS485). Menyediakan imuniti hingar yang sangat baik, menyokong komunikasi jarak jauh dan membolehkan penyimpanan sejarah penentukuran, nombor siri dan log penggunaan. Mematuhi piawaian kawal selia seperti FDA 21 CFR Bahagian 11 mengenai rekod dan tandatangan elektronik, menjadikannya semakin digemari dalam persekitaran GMP.

7. Antara muka pemasangan dan perumah pelindung
Sensor mesti serasi dengan port yang ditetapkan pada bioreaktor (cth., tri-clamp, kelengkapan sanitari). Sarung atau pelindung pelindung adalah dinasihatkan untuk mencegah kerosakan mekanikal semasa pengendalian atau operasi dan untuk memudahkan penggantian tanpa menjejaskan kesterilan.