Uudised - pH taseme jälgimine biofarmatseutilise kääritamisprotsessi käigus

pH-elektroodil on käärimisprotsessis kriitiline roll, peamiselt jälgides ja reguleerides käärituspuljongi happesust ja leeliselisust. pH-väärtust pidevalt mõõtes võimaldab elektrood käärimiskeskkonna täpset juhtimist. Tüüpiline pH-elektrood koosneb andurelektroodist ja võrdluselektroodist, mis töötavad Nernsti võrrandi põhimõttel, mis reguleerib keemilise energia muundamist elektrilisteks signaalideks. Elektroodi potentsiaal on otseselt seotud vesinikioonide aktiivsusega lahuses. pH väärtus määratakse mõõdetud pinge erinevuse võrdlemisel standardse puhverlahuse omaga, mis võimaldab täpset ja usaldusväärset kalibreerimist. See mõõtmisviis tagab stabiilse pH reguleerimise kogu käärimisprotsessi vältel, toetades seeläbi optimaalset mikroobide või rakkude aktiivsust ja tagades toote kvaliteedi.

pH-elektroodide õige kasutamine nõuab mitmeid ettevalmistavaid samme, sealhulgas elektroodi aktiveerimist – tavaliselt saavutatakse elektroodi kastmine destilleeritud vette või pH 4 puhverlahusesse –, et tagada optimaalne reageerimisvõime ja mõõtmistäpsus. Biofarmatseutilise fermentatsioonitööstuse rangete nõuete täitmiseks peavad pH-elektroodid olema kiire reageerimisajaga, suure täpsusega ja vastupidavad rangetes steriliseerimistingimustes, näiteks kõrgtemperatuurilises auruga steriliseerimises (SIP). Need omadused võimaldavad usaldusväärset toimimist steriilses keskkonnas. Näiteks glutamiinhappe tootmisel on täpne pH jälgimine oluline selliste võtmeparameetrite nagu temperatuur, lahustunud hapnik, segamiskiirus ja pH ise kontrollimiseks. Nende muutujate täpne reguleerimine mõjutab otseselt nii lõpptoote saagist kui ka kvaliteeti. Teatud täiustatud pH-elektroodid, millel on kõrge temperatuuri suhtes vastupidavad klaasmembraanid ja eelsurvestatud polümeergeeli võrdlussüsteemid, näitavad erakordset stabiilsust äärmuslikes temperatuuri- ja rõhutingimustes, muutes need eriti sobivaks SIP-rakenduste jaoks bioloogilistes ja toidu käärimisprotsessides. Lisaks võimaldavad nende tugevad saastumisvastased omadused järjepidevat toimivust erinevates käärituspuljongides. Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. pakub erinevaid elektroodide ühendusvõimalusi, suurendades kasutajamugavust ja süsteemi integreerimise paindlikkust.

Miks on pH jälgimine biofarmatseutiliste preparaatide kääritamisprotsessi ajal vajalik?

Biofarmatseutilises kääritamises on pH reaalajas jälgimine ja reguleerimine hädavajalik eduka tootmise ning sihttoodete, näiteks antibiootikumide, vaktsiinide, monoklonaalsete antikehade ja ensüümide saagise ja kvaliteedi maksimeerimiseks. Sisuliselt loob pH reguleerimine optimaalse füsioloogilise keskkonna mikroobi- või imetajarakkudele – mis toimivad "elavate tehastena" – terapeutiliste ühendite kasvatamiseks ja sünteesimiseks, analoogselt sellega, kuidas põllumehed reguleerivad mulla pH-d vastavalt põllukultuuride vajadustele.

1. Säilita optimaalne rakkude aktiivsus
Kääritamine tugineb elusrakkudele (nt CHO-rakkudele) keerukate biomolekulide tootmiseks. Rakuline ainevahetus on keskkonna pH suhtes väga tundlik. Ensüümidel, mis katalüüsivad kõiki rakusiseseid biokeemilisi reaktsioone, on kitsas pH optimum; kõrvalekalded sellest vahemikust võivad oluliselt vähendada ensümaatilist aktiivsust või põhjustada denaturatsiooni, mis kahjustab ainevahetusfunktsiooni. Lisaks on toitainete, näiteks glükoosi, aminohapete ja anorgaaniliste soolade omastamine läbi rakumembraani pH-st sõltuv. Optimaalsest madalam pH tase võib takistada toitainete imendumist, mis viib optimaalsest madalama kasvu või ainevahetusliku tasakaalustamatuseni. Lisaks võivad äärmuslikud pH väärtused kahjustada membraani terviklikkust, mille tulemuseks on tsütoplasmaatiline leke või rakkude lüüs.

2. Minimeerige kõrvalsaaduste teket ja substraadi jäätmeid
Käärimise käigus tekib rakkude ainevahetuse käigus happelisi või aluselisi metaboliite. Näiteks toodavad paljud mikroorganismid glükoosi katabolismi ajal orgaanilisi happeid (nt piimhape, äädikhape), mis põhjustab pH langust. Korrigeerimata jätmisel pärsib madal pH rakkude kasvu ja võib nihutada ainevahetusvoogu mitteproduktiivsete radade poole, suurendades kõrvalsaaduste kogunemist. Need kõrvalsaadused tarbivad väärtuslikke süsiniku- ja energiaressursse, mis muidu toetaksid sihtproduktide sünteesi, vähendades seeläbi üldist saagist. Tõhus pH kontroll aitab säilitada soovitud ainevahetusradasid ja parandab protsessi efektiivsust.

3. Tagage toote stabiilsus ja vältige lagunemist
Paljud biofarmatseutilised tooted, eriti valgud, näiteks monoklonaalsed antikehad ja peptiidhormoonid, on vastuvõtlikud pH-st tingitud struktuurimuutustele. Väljaspool stabiilset pH vahemikku võivad need molekulid denatureeruda, agregeeruda või inaktiveeruda, moodustades potentsiaalselt kahjulikke sadestisi. Lisaks on teatud tooted happelises või aluselises keskkonnas altid keemilisele hüdrolüüsile või ensümaatilisele lagunemisele. Sobiva pH säilitamine minimeerib toote lagunemist tootmise ajal, säilitades tõhususe ja ohutuse.

4. Optimeerige protsessi efektiivsust ja tagage partiidevaheline järjepidevus
Tööstuslikust seisukohast mõjutab pH kontroll otseselt tootlikkust ja majanduslikku elujõulisust. Erinevate fermentatsioonifaaside – näiteks rakkude kasvu ja toote ekspressiooni – ideaalsete pH seadeväärtuste kindlakstegemiseks tehakse ulatuslikke uuringuid, mis võivad oluliselt erineda. Dünaamiline pH kontroll võimaldab etapipõhist optimeerimist, maksimeerides biomassi akumuleerumist ja toote tiitreid. Lisaks nõuavad regulatiivsed asutused, nagu FDA ja EMA, heade tootmistavade (GMP) ranget järgimist, kus ühtsed protsessiparameetrid on kohustuslikud. pH-d peetakse kriitiliseks protsessiparameetriks (CPP) ja selle pidev jälgimine tagab partiide reprodutseeritavuse, tagades farmaatsiatoodete ohutuse, efektiivsuse ja kvaliteedi.

5. Toimib käärimise tervise indikaatorina
pH muutuse trend annab väärtuslikku teavet kultuuri füsioloogilise seisundi kohta. pH järsud või ootamatud muutused võivad viidata saastumisele, anduri talitlushäiretele, toitainete ammendumisele või ainevahetusanomaaliatele. Varajane avastamine pH trendide põhjal võimaldab operaatoril õigeaegselt sekkuda, hõlbustades tõrkeotsingut ja ennetades kulukaid partii rikkeid.

Kuidas tuleks valida pH-andureid biofarmatseutiliste toodete fermentatsiooniprotsessi jaoks?

Biofarmatseutilise kääritamise jaoks sobiva pH-anduri valimine on kriitiline inseneriotsus, mis mõjutab protsessi usaldusväärsust, andmete terviklikkust, toote kvaliteeti ja vastavust regulatiivsetele nõuetele. Valikule tuleks läheneda süstemaatiliselt, arvestades lisaks anduri jõudlusele ka ühilduvust kogu bioprotsessimise töövooga.

1. Kõrge temperatuuri ja rõhukindlus
Biofarmatseutilistes protsessides kasutatakse tavaliselt kohapealset auruga steriliseerimist (SIP), tavaliselt temperatuuril 121 °C ja rõhul 1–2 baari 20–60 minuti jooksul. Seetõttu peab iga pH-andur vastu pidama korduvale kokkupuutele selliste tingimustega ilma riketeta. Ideaalis peaks andur olema ette nähtud vähemalt temperatuuriks 130 °C ja rõhuks 3–4 baari, et tagada ohutusvaru. Tugev tihendus on oluline niiskuse sissetungi, elektrolüütide lekke või mehaaniliste kahjustuste vältimiseks termilise tsükleerimise ajal.

2. Anduri tüüp ja tugisüsteem
See on peamine tehniline kaalutlus, mis mõjutab pikaajalist stabiilsust, hooldusvajadust ja saastumiskindlust.
Elektroodide konfiguratsioon: Komposiitelektroodid, mis ühendavad nii mõõte- kui ka võrdluselemendid ühes korpuses, on laialdaselt kasutusel tänu lihtsusele paigaldamisele ja käsitsemisele.
Võrdlussüsteem:
• Vedelikuga täidetud etalon (nt KCl lahus): Pakub kiiret reageerimisaega ja suurt täpsust, kuid vajab perioodilist uuesti täitmist. SIP-i ajal võib esineda elektrolüütide kadu ja poorsed ühendused (nt keraamilised fritid) on altid valkude või osakeste ummistumisele, mis põhjustab triivi ja ebausaldusväärseid näite.
• Polümeergeel või tahke oleku etalon: üha enam eelistatud tänapäevastes bioreaktorites. Need süsteemid välistavad elektrolüütide täiendamise vajaduse, vähendavad hooldust ja neil on laiemad vedelikuühendused (nt PTFE-rõngad), mis takistavad saastumist. Need pakuvad suurepärast stabiilsust ja pikemat kasutusiga keerukates, viskoossetes käärituskeskkondades.

3. Mõõteulatus ja täpsus
Andur peaks katma laia töövahemikku, tavaliselt pH 2–12, et see sobiks erinevate protsessietappidega. Arvestades bioloogiliste süsteemide tundlikkust, peaks mõõtmistäpsus olema vahemikus ±0,01 kuni ±0,02 pH ühikut, mida toetab kõrge eraldusvõimega signaali väljund.

4. Reaktsiooniaeg
Reaktsiooniaega defineeritakse tavaliselt kui t90 – aega, mis kulub 90% lõppnäidu saavutamiseks pärast pH astmelist muutust. Kuigi geeltüüpi elektroodidel võib olla veidi aeglasem reaktsioon kui vedelikuga täidetud elektroodidel, vastavad need üldiselt fermentatsiooni juhtimisahelate dünaamilistele nõuetele, mis töötavad tunni-, mitte sekundiskaaladel.

5. Bioloogiline ühilduvus
Kõik kultuurikeskkonnaga kokkupuutuvad materjalid peavad olema mittetoksilised, leostumisvastased ja inertsed, et vältida kahjulikku mõju rakkude elujõulisusele või toote kvaliteedile. Keemilise vastupidavuse ja biosobivuse tagamiseks on soovitatav kasutada bioprotsesside rakenduste jaoks mõeldud spetsiaalseid klaasist koostisi.

6. Signaali väljund ja liides
• Analoogväljund (mV/pH): Traditsiooniline meetod, mis kasutab analoogülekannet juhtimissüsteemi. Kulutõhus, kuid tundlik elektromagnetiliste häirete ja signaali nõrgenemise suhtes pikkade vahemaade korral.
• Digitaalväljund (nt MEMS-põhised või nutikad andurid): Sisaldab sisseehitatud mikroelektroonikat digitaalsignaalide edastamiseks (nt RS485 kaudu). Pakub suurepärast mürakindlust, toetab kaugsidet ning võimaldab kalibreerimisajaloo, seerianumbrite ja kasutuslogide salvestamist. Vastab regulatiivsetele standarditele, näiteks FDA 21 CFR Part 11 elektrooniliste dokumentide ja allkirjade osas, mistõttu on see üha enam eelistatud GMP keskkondades.

7. Paigaldusliides ja kaitsekorpus
Andur peab ühilduma bioreaktori selleks ettenähtud pordiga (nt tri-clamp, sanitaarliitmik). Kaitseümbriste või -kaitsete kasutamine on soovitatav mehaaniliste kahjustuste vältimiseks käitlemise või töötamise ajal ning hõlpsamaks vahetamiseks ilma steriilsust kahjustamata.