Навіны - Маніторынг узроўняў pH у працэсе біяфармацэўтычнай ферментацыі

pH-электрод адыгрывае важную ролю ў працэсе ферментацыі, у першую чаргу служачы для кантролю і рэгулявання кіслотнасці і шчолачнасці ферментацыйнага булёна. Дзякуючы бесперапыннаму вымярэнню значэння pH, электрод дазваляе дакладна кантраляваць асяроддзе ферментацыі. Тыповы pH-электрод складаецца з датчыка і электрода эталона, якія працуюць па прынцыпе ўраўнення Нернста, якое кіруе пераўтварэннем хімічнай энергіі ў электрычныя сігналы. Патэнцыял электрода непасрэдна звязаны з актыўнасцю іонаў вадароду ў растворы. Значэнне pH вызначаецца шляхам параўнання вымеранай рознасці напружання з розніцай напружання стандартнага буфернага раствора, што дазваляе праводзіць дакладную і надзейную каліброўку. Гэты падыход да вымярэння забяспечвае стабільнае рэгуляванне pH на працягу ўсяго працэсу ферментацыі, тым самым падтрымліваючы аптымальную мікробную або клетачную актыўнасць і забяспечваючы якасць прадукту.

Правільнае выкарыстанне pH-электродаў патрабуе некалькіх падрыхтоўчых этапаў, у тым ліку актывацыі электрода, якая звычайна дасягаецца шляхам апускання электрода ў дыстыляваную ваду або буферны раствор з pH 4, для забеспячэння аптымальнай рэакцыі і дакладнасці вымярэнняў. Каб адпавядаць строгім патрабаванням біяфармацэўтычнай ферментацыйнай прамысловасці, pH-электроды павінны дэманстраваць хуткі час рэакцыі, высокую дакладнасць і надзейнасць у строгіх умовах стэрылізацыі, такіх як высокатэмпературная паравая стэрылізацыя (SIP). Гэтыя характарыстыкі забяспечваюць надзейную працу ў стэрыльных умовах. Напрыклад, пры вытворчасці глутамінавай кіслаты дакладны маніторынг pH мае важнае значэнне для кантролю ключавых параметраў, такіх як тэмпература, раствораны кісларод, хуткасць перамешвання і сам pH. Дакладнае рэгуляванне гэтых зменных непасрэдна ўплывае як на выхад, так і на якасць канчатковага прадукту. Некаторыя перадавыя pH-электроды, якія маюць высокатэмпературныя шкляныя мембраны і палімерныя гелевыя эталонныя сістэмы пад ціскам, дэманструюць выключную стабільнасць у экстрэмальных умовах тэмпературы і ціску, што робіць іх асабліва прыдатнымі для прымянення SIP у біялагічных і харчовых працэсах ферментацыі. Акрамя таго, іх моцныя супрацьабрастальныя ўласцівасці дазваляюць забяспечыць стабільную працу ў розных ферментацыйных булёнах. Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. прапануе розныя варыянты раздымаў для электродаў, што павышае зручнасць карыстальніка і гнуткасць інтэграцыі сістэмы.

Чаму неабходны маніторынг pH падчас працэсу ферментацыі біяфармацэўтычных прэпаратаў?

У біяфармацэўтычнай ферментацыі маніторынг і кантроль pH у рэжыме рэальнага часу маюць важнае значэнне для паспяховай вытворчасці і максімізацыі выхаду і якасці мэтавых прадуктаў, такіх як антыбіётыкі, вакцыны, моноклональные антыцелы і ферменты. Па сутнасці, кантроль pH стварае аптымальнае фізіялагічнае асяроддзе для мікробных або млекакормячых клетак — якія функцыянуюць як «жывыя фабрыкі» — для росту і сінтэзу тэрапеўтычных злучэнняў, аналагічна таму, як фермеры рэгулююць pH глебы ў адпаведнасці з патрабаваннямі культуры.

1. Падтрымліваць аптымальную клеткавую актыўнасць
Ферментацыя абапіраецца на жывыя клеткі (напрыклад, клеткі CHO) для вытворчасці складаных біямалекул. Клетачны метабалізм вельмі адчувальны да pH навакольнага асяроддзя. Ферменты, якія каталізуюць усе ўнутрыклеткавыя біяхімічныя рэакцыі, маюць вузкія аптымальныя значэнні pH; адхіленні ад гэтага дыяпазону могуць значна знізіць ферментатыўную актыўнасць або выклікаць дэнатурацыю, парушаючы метабалічную функцыю. Акрамя таго, паглынанне пажыўных рэчываў праз клеткавую мембрану, такіх як глюкоза, амінакіслоты і неарганічныя солі, залежыць ад pH. Неаптымальныя ўзроўні pH могуць перашкаджаць паглынанню пажыўных рэчываў, што прыводзіць да неаптымальнага росту або метабалічнага дысбалансу. Больш за тое, экстрэмальныя значэнні pH могуць парушаць цэласнасць мембраны, што прыводзіць да цытаплазматычнай уцечкі або лізісу клетак.

2. Мінімізуйце ўтварэнне пабочных прадуктаў і адходы субстрата
Падчас ферментацыі клеткавы метабалізм генеруе кіслыя або асноўныя метабаліты. Напрыклад, многія мікраарганізмы выпрацоўваюць арганічныя кіслоты (напрыклад, малочную кіслату, воцатную кіслату) падчас катабалізму глюкозы, што выклікае зніжэнне pH. Калі не карэктаваць нізкі pH, ён тармозіць рост клетак і можа зрушыць метабалічны паток у бок непрадуктыўных шляхоў, павялічваючы назапашванне пабочных прадуктаў. Гэтыя пабочныя прадукты спажываюць каштоўныя вугляродныя і энергетычныя рэсурсы, якія ў адваротным выпадку падтрымлівалі б сінтэз мэтавага прадукту, тым самым зніжаючы агульны выхад. Эфектыўны кантроль pH дапамагае падтрымліваць патрэбныя метабалічныя шляхі і павышае эфектыўнасць працэсу.

3. Забяспечце стабільнасць прадукту і прадухіліце яго дэградацыю
Многія біяфармацэўтычныя прадукты, асабліва такія бялкі, як моноклональные антыцелы і пептыдныя гармоны, схільныя да структурных змен, выкліканых pH. Па-за межамі іх стабільнага дыяпазону pH гэтыя малекулы могуць падвяргацца дэнатурацыі, агрэгацыі або інактывацыі, патэнцыйна ўтвараючы шкодныя асадкі. Акрамя таго, некаторыя прадукты схільныя да хімічнага гідролізу або ферментатыўнай дэградацыі ў кіслых або шчолачных умовах. Падтрыманне адпаведнага pH мінімізуе дэградацыю прадукту падчас вытворчасці, захоўваючы эфектыўнасць і бяспеку.

4. Аптымізацыя эфектыўнасці працэсу і забеспячэнне паслядоўнасці паміж партыямі
З прамысловага пункту гледжання, кантроль pH непасрэдна ўплывае на прадукцыйнасць і эканамічную жыццяздольнасць. Праводзяцца шырокія даследаванні для вызначэння ідэальных зададзеных значэнняў pH для розных фаз ферментацыі, такіх як рост клетак у параўнанні з экспрэсіяй прадукту, якія могуць істотна адрознівацца. Дынамічны кантроль pH дазваляе аптымізаваць этапы, максімізуючы назапашванне біямасы і тытры прадукту. Акрамя таго, рэгулюючыя органы, такія як FDA і EMA, патрабуюць строгага выканання належнай вытворчай практыкі (GMP), дзе абавязковыя паслядоўныя параметры працэсу. pH прызнаны крытычным параметрам працэсу (CPP), і яго пастаянны маніторынг забяспечвае ўзнаўляльнасць ва ўсіх партыях, гарантуючы бяспеку, эфектыўнасць і якасць фармацэўтычнай прадукцыі.

5. Служыць індыкатарам стану ферментацыі
Тэндэнцыя змены pH дае каштоўную інфармацыю аб фізіялагічным стане культуры. Раптоўныя або нечаканыя змены pH могуць сведчыць аб забруджванні, няспраўнасці датчыка, знясіленні пажыўных рэчываў або метабалічных анамаліях. Ранняе выяўленне на аснове тэндэнцый pH дазваляе своечасова ўмяшацца аператару, спрашчаючы ліквідацыю непаладак і прадухіляючы дарагія збоі партый.

Як варта выбіраць датчыкі pH для працэсу ферментацыі ў біяфармацэўтычных прэпаратах?

Выбар адпаведнага датчыка pH для біяфармацэўтычнай ферментацыі — гэта крытычнае інжынернае рашэнне, якое ўплывае на надзейнасць працэсу, цэласнасць дадзеных, якасць прадукцыі і адпаведнасць нарматыўным патрабаванням. Да выбару варта падыходзіць сістэматычна, улічваючы не толькі прадукцыйнасць датчыка, але і сумяшчальнасць з усім працоўным працэсам біяапрацоўкі.

1. Устойлівасць да высокіх тэмператур і ціску
У біяфармацэўтычных працэсах звычайна выкарыстоўваецца стэрылізацыя парай in situ (SIP), звычайна пры тэмпературы 121°C і ціску 1–2 бары на працягу 20–60 хвілін. Такім чынам, любы датчык pH павінен вытрымліваць паўторнае ўздзеянне такіх умоў без збояў. У ідэале датчык павінен быць разлічаны не менш за 130°C і ціск 3–4 бары, каб забяспечыць запас трываласці. Надзейнае ўшчыльненне неабходна для прадухілення траплення вільгаці, уцечкі электраліта або механічных пашкоджанняў падчас тэрмацыклічнай апрацоўкі.

2. Тып датчыка і сістэма адліку
Гэта асноўны тэхнічны фактар, які ўплывае на доўгатэрміновую стабільнасць, патрэбы ў тэхнічным абслугоўванні і ўстойлівасць да забруджвання.
Канфігурацыя электродаў: кампазітныя электроды, якія аб'ядноўваюць як вымяральныя, так і эталонныя элементы ў адным корпусе, шырока выкарыстоўваюцца дзякуючы прастаце ўстаноўкі і выкарыстання.
Сістэма адліку:
• Эталон, запоўнены вадкасцю (напрыклад, раствор KCl): забяспечвае хуткі водгук і высокую дакладнасць, але патрабуе перыядычнага папаўнення. Падчас SIP можа адбыцца страта электраліта, а сітаватыя злучэнні (напрыклад, керамічныя фрыты) схільныя да закаркоўвання бялкамі або часціцамі, што прыводзіць да дрэйфу і ненадзейных паказанняў.
• Палімерны гель або цвёрдацельны эталон: усё больш пераважныя ў сучасных біярэактарах. Гэтыя сістэмы выключаюць неабходнасць папаўнення электраліта, змяншаюць аб'ём тэхнічнага абслугоўвання і маюць больш шырокія вадкасныя злучэнні (напрыклад, кольцы з ПТФЭ), якія супрацьстаяць забруджванню. Яны забяспечваюць найвышэйшую стабільнасць і больш працяглы тэрмін службы ў складаных, глейкіх асяроддзях для ферментацыі.

3. Дыяпазон і дакладнасць вымярэнняў
Датчык павінен ахопліваць шырокі працоўны дыяпазон, звычайна pH 2–12, каб улічваць розныя стадыі працэсу. Улічваючы адчувальнасць біялагічных сістэм, дакладнасць вымярэнняў павінна быць у межах ±0,01–±0,02 адзінкі pH, што падмацоўваецца высокім разрозненнем выхаднога сігналу.

4. Час рэагавання
Час водгуку звычайна вызначаецца як t90 — час, неабходны для дасягнення 90% ад канчатковага паказання пасля ступенчатага змянення pH. Хоць гелевыя электроды могуць дэманстраваць крыху больш павольную рэакцыю, чым электроды, напоўненыя вадкасцю, яны звычайна адпавядаюць дынамічным патрабаванням цыклаў кіравання ферментацыяй, якія працуюць на гадзінных, а не секундных часовых шкалах.

5. Біясумяшчальнасць
Усе матэрыялы, якія кантактуюць з культуральным асяроддзем, павінны быць нетаксічнымі, невымывальнымі і інертнымі, каб пазбегнуць неспрыяльнага ўздзеяння на жыццяздольнасць клетак або якасць прадукту. Для забеспячэння хімічнай устойлівасці і біясумяшчальнасці рэкамендуюцца спецыялізаваныя шкляныя склады, прызначаныя для біяапрацоўкі.

6. Выхад сігналу і інтэрфейс
• Аналагавы выхад (мВ/pH): Традыцыйны метад з выкарыстаннем аналагавай перадачы ў сістэму кіравання. Эканамічна эфектыўны, але ўразлівы да электрамагнітных перашкод і аслаблення сігналу на вялікіх адлегласцях.
• Лічбавы выхад (напрыклад, датчыкі на аснове MEMS або разумныя датчыкі): Уключае ўбудаваную мікраэлектроніку для перадачы лічбавых сігналаў (напрыклад, праз RS485). Забяспечвае выдатную перашкодаўстойлівасць, падтрымлівае сувязь на вялікія адлегласці і дазваляе захоўваць гісторыю калібровак, серыйныя нумары і журналы выкарыстання. Адпавядае рэгулятыўным стандартам, такім як FDA 21 CFR Part 11 адносна электронных запісаў і подпісаў, што робіць яго ўсё больш папулярным у асяроддзях GMP.

7. Інтэрфейс усталёўкі і ахоўны корпус
Датчык павінен быць сумяшчальны з прызначаным портам на біярэактары (напрыклад, трыкламп, санітарны фітынг). Рэкамендуецца выкарыстоўваць ахоўныя гільзы або ахоўныя прылады для прадухілення механічных пашкоджанняў падчас апрацоўкі або эксплуатацыі, а таксама для палягчэння замены без парушэння стэрыльнасці.