Haberler - Biyofarmasötik Fermantasyon Sürecinde pH Düzeylerinin İzlenmesi

pH elektrodu, fermantasyon sürecinde kritik bir rol oynar ve öncelikle fermantasyon suyunun asitliğini ve alkalinitesini izleme ve düzenleme görevi görür. pH değerini sürekli ölçerek, elektrot fermantasyon ortamı üzerinde hassas bir kontrol sağlar. Tipik bir pH elektrodu, kimyasal enerjinin elektrik sinyallerine dönüşümünü yöneten Nernst denklemi prensibine göre çalışan bir algılama elektrodu ve bir referans elektrodundan oluşur. Elektrot potansiyeli, çözeltideki hidrojen iyonlarının aktivitesiyle doğrudan ilişkilidir. pH değeri, ölçülen voltaj farkının standart bir tampon çözeltininkiyle karşılaştırılmasıyla belirlenir ve bu da doğru ve güvenilir kalibrasyona olanak tanır. Bu ölçüm yaklaşımı, fermantasyon süreci boyunca istikrarlı bir pH regülasyonu sağlayarak optimum mikrobiyal veya hücresel aktiviteyi destekler ve ürün kalitesini garanti eder.

pH elektrotlarının doğru kullanımı, optimum tepki ve ölçüm doğruluğu sağlamak için elektrot aktivasyonu (genellikle elektrotun damıtılmış suya veya pH 4 tampon çözeltisine daldırılmasıyla gerçekleştirilir) dahil olmak üzere çeşitli hazırlık adımları gerektirir. Biyofarmasötik fermantasyon endüstrisinin zorlu taleplerini karşılamak için pH elektrotları, yüksek sıcaklıkta buhar sterilizasyonu (SIP) gibi zorlu sterilizasyon koşulları altında hızlı tepki süreleri, yüksek hassasiyet ve dayanıklılık göstermelidir. Bu özellikler, steril ortamlarda güvenilir performans sağlar. Örneğin, glutamik asit üretiminde, sıcaklık, çözünmüş oksijen, çalkalama hızı ve pH gibi temel parametreleri kontrol etmek için hassas pH izlemesi şarttır. Bu değişkenlerin doğru bir şekilde düzenlenmesi, nihai ürünün hem verimini hem de kalitesini doğrudan etkiler. Yüksek sıcaklığa dayanıklı cam membranlar ve önceden basınçlandırılmış polimer jel referans sistemleri içeren bazı gelişmiş pH elektrotları, aşırı sıcaklık ve basınç koşullarında olağanüstü stabilite göstererek, biyolojik ve gıda fermantasyon süreçlerindeki SIP uygulamaları için özellikle uygundur. Ayrıca, güçlü kirlenme önleme özellikleri, çeşitli fermantasyon besi yerlerinde tutarlı performans sağlar. Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. çeşitli elektrot konnektör seçenekleri sunarak kullanıcı rahatlığını ve sistem entegrasyon esnekliğini artırır.

Biyofarmasötiklerin fermantasyon sürecinde pH takibi neden gereklidir?

Biyofarmasötik fermantasyonda, başarılı üretim ve antibiyotikler, aşılar, monoklonal antikorlar ve enzimler gibi hedef ürünlerin verimini ve kalitesini en üst düzeye çıkarmak için pH'ın gerçek zamanlı izlenmesi ve kontrolü esastır. Özünde, pH kontrolü, mikrobiyal veya memeli hücrelerinin -"canlı fabrikalar" gibi işlev görerek- terapötik bileşikleri yetiştirmesi ve sentezlemesi için ideal bir fizyolojik ortam yaratır; tıpkı çiftçilerin ürün ihtiyaçlarına göre toprak pH'ını ayarlaması gibi.

1. Optimum hücresel aktiviteyi koruyun
Fermantasyon, karmaşık biyomoleküller üretmek için canlı hücrelere (örneğin CHO hücreleri) dayanır. Hücresel metabolizma, çevresel pH'a karşı oldukça hassastır. Tüm hücre içi biyokimyasal reaksiyonları katalize eden enzimlerin dar pH optimumları vardır; bu aralıktan sapmalar, enzimatik aktiviteyi önemli ölçüde azaltabilir veya denatürasyona neden olarak metabolik işlevi bozabilir. Ayrıca, hücre zarından besin alımı (glikoz, amino asitler ve inorganik tuzlar gibi) pH'a bağlıdır. Optimum olmayan pH seviyeleri, besin emilimini engelleyerek optimum olmayan büyümeye veya metabolik dengesizliğe yol açabilir. Dahası, aşırı pH değerleri, zar bütünlüğünü tehlikeye atarak sitoplazmik sızıntıya veya hücre lizisine neden olabilir.

2. Yan ürün oluşumunu ve substrat israfını en aza indirin
Fermantasyon sırasında hücresel metabolizma asidik veya bazik metabolitler üretir. Örneğin, birçok mikroorganizma glikoz katabolizması sırasında organik asitler (örneğin laktik asit, asetik asit) üreterek pH'ta düşüşe neden olur. Düzeltilmezse, düşük pH hücre büyümesini engeller ve metabolik akışı verimsiz yollara kaydırarak yan ürün birikimini artırabilir. Bu yan ürünler, hedef ürün sentezini destekleyecek değerli karbon ve enerji kaynaklarını tüketerek toplam verimi azaltır. Etkili pH kontrolü, istenen metabolik yolların korunmasına yardımcı olur ve proses verimliliğini artırır.

3. Ürünün stabilitesini sağlayın ve bozulmasını önleyin
Birçok biyofarmasötik ürün, özellikle monoklonal antikorlar ve peptit hormonlar gibi proteinler, pH kaynaklı yapısal değişikliklere duyarlıdır. Bu moleküller, kararlı pH aralıklarının dışında denatürasyon, agregasyon veya inaktivasyona uğrayarak potansiyel olarak zararlı çökeltiler oluşturabilir. Ayrıca, bazı ürünler asidik veya alkali koşullar altında kimyasal hidrolize veya enzimatik bozunmaya eğilimlidir. Uygun pH değerinin korunması, üretim sırasında ürün bozulmasını en aza indirerek etkinliği ve güvenliği korur.

4. Proses verimliliğini optimize edin ve partiden partiye tutarlılığı sağlayın
Endüstriyel açıdan pH kontrolü, verimliliği ve ekonomik uygulanabilirliği doğrudan etkiler. Hücre büyümesi ve ürün ekspresyonu gibi farklı fermantasyon aşamaları için önemli ölçüde farklılık gösterebilen ideal pH ayar noktalarını belirlemek için kapsamlı araştırmalar yürütülmektedir. Dinamik pH kontrolü, aşamaya özgü optimizasyona olanak tanıyarak biyokütle birikimini ve ürün titrelerini en üst düzeye çıkarır. Ayrıca, FDA ve EMA gibi düzenleyici kurumlar, tutarlı proses parametrelerinin zorunlu olduğu İyi Üretim Uygulamaları'na (GMP) sıkı sıkıya bağlı kalmayı zorunlu kılar. pH, Kritik Proses Parametresi (CPP) olarak kabul edilir ve sürekli izlenmesi, partiler arasında tekrarlanabilirliği sağlayarak farmasötik ürünlerin güvenliğini, etkinliğini ve kalitesini garanti eder.

5. Fermantasyon sağlığının bir göstergesi olarak hizmet eder
pH değişim eğilimi, kültürün fizyolojik durumu hakkında değerli bilgiler sağlar. pH'taki ani veya beklenmedik değişimler, kontaminasyon, sensör arızası, besin eksikliği veya metabolik anormalliklerin sinyali olabilir. pH eğilimlerine dayalı erken tespit, operatör müdahalesinin zamanında yapılmasını sağlayarak sorun gidermeyi kolaylaştırır ve maliyetli seri arızalarını önler.

Biyofarmasötiklerde fermantasyon prosesinde pH sensörleri nasıl seçilmelidir?

Biyofarmasötik fermantasyon için uygun bir pH sensörü seçmek, proses güvenilirliğini, veri bütünlüğünü, ürün kalitesini ve yasal düzenlemelere uyumu etkileyen kritik bir mühendislik kararıdır. Seçim, yalnızca sensör performansını değil, aynı zamanda tüm biyoproses iş akışıyla uyumluluğu da göz önünde bulundurarak sistematik bir şekilde ele alınmalıdır.

1. Yüksek sıcaklık ve basınca dayanıklılık
Biyofarmasötik prosesler genellikle yerinde buhar sterilizasyonu (SIP) kullanır ve tipik olarak 121°C sıcaklık ve 1-2 bar basınçta 20-60 dakika boyunca uygulanır. Bu nedenle, herhangi bir pH sensörü bu koşullara tekrar tekrar maruz kalmaya arızasız dayanmalıdır. İdeal olarak, sensör en az 130°C sıcaklık ve 3-4 bar basınçta çalışabilmeli ve böylece bir güvenlik marjı sağlamalıdır. Termal döngü sırasında nem girişini, elektrolit sızıntısını veya mekanik hasarı önlemek için sağlam bir sızdırmazlık gereklidir.

2. Sensör tipi ve referans sistemi
Bu, uzun vadeli istikrarı, bakım ihtiyaçlarını ve kirlenmeye karşı direnci etkileyen temel bir teknik husustur.
Elektrot konfigürasyonu: Ölçüm ve referans elemanlarını tek bir gövdede birleştiren kompozit elektrotlar, kurulum ve kullanım kolaylığı nedeniyle yaygın olarak kullanılmaktadır.
Referans sistemi:
• Sıvı dolu referans (örneğin, KCl çözeltisi): Hızlı tepki ve yüksek doğruluk sunar, ancak periyodik olarak yeniden doldurulması gerekir. SIP sırasında elektrolit kaybı meydana gelebilir ve gözenekli bağlantılar (örneğin, seramik fritler) proteinler veya partiküller tarafından tıkanmaya eğilimlidir, bu da kaymaya ve güvenilmez okumalara yol açar.
• Polimer jel veya katı hal referansı: Modern biyoreaktörlerde giderek daha fazla tercih edilmektedir. Bu sistemler, elektrolit yenileme ihtiyacını ortadan kaldırır, bakımı azaltır ve kirlenmeye dirençli daha geniş sıvı bağlantı noktalarına (örneğin PTFE halkaları) sahiptir. Karmaşık ve viskoz fermantasyon ortamlarında üstün stabilite ve daha uzun hizmet ömrü sunarlar.

3. Ölçüm aralığı ve doğruluğu
Sensör, değişen proses aşamalarına uyum sağlamak için genellikle pH 2–12 gibi geniş bir çalışma aralığını kapsamalıdır. Biyolojik sistemlerin hassasiyeti göz önüne alındığında, ölçüm doğruluğu ±0,01 ila ±0,02 pH birimi aralığında olmalı ve yüksek çözünürlüklü sinyal çıkışıyla desteklenmelidir.

4. Tepki süresi
Tepki süresi genellikle t90 olarak tanımlanır; pH'ta kademeli bir değişiklikten sonra nihai okumanın %90'ına ulaşmak için gereken süre. Jel tipi elektrotlar, sıvı dolu olanlara göre biraz daha yavaş tepki verse de, genellikle saniyeler yerine saatlik zaman ölçeklerinde çalışan fermantasyon kontrol döngülerinin dinamik gereksinimlerini karşılarlar.

5. Biyouyumluluk
Kültür ortamıyla temas eden tüm malzemeler, hücre canlılığı veya ürün kalitesi üzerinde olumsuz etkilere yol açmamak için toksik olmayan, sızdırmayan ve inert olmalıdır. Kimyasal direnç ve biyouyumluluğu sağlamak için biyoproses uygulamaları için tasarlanmış özel cam formülasyonları önerilmektedir.

6. Sinyal çıkışı ve arayüzü
• Analog çıkış (mV/pH): Kontrol sistemine analog iletim kullanan geleneksel yöntem. Maliyet açısından avantajlıdır ancak uzun mesafelerde elektromanyetik girişime ve sinyal zayıflamasına karşı hassastır.
• Dijital çıkış (örneğin, MEMS tabanlı veya akıllı sensörler): Dijital sinyalleri (örneğin, RS485 üzerinden) iletmek için yerleşik mikroelektronik kullanır. Mükemmel gürültü bağışıklığı sağlar, uzun mesafeli iletişimi destekler ve kalibrasyon geçmişi, seri numaraları ve kullanım kayıtlarının saklanmasını sağlar. Elektronik kayıtlar ve imzalar ile ilgili FDA 21 CFR Bölüm 11 gibi düzenleyici standartlara uygundur ve bu da onu GMP ortamlarında giderek daha fazla tercih edilir hale getirir.

7. Kurulum arayüzü ve koruyucu muhafaza
Sensör, biyoreaktör üzerindeki belirlenmiş portla (örneğin, üçlü kelepçe, sıhhi tesisat armatürü) uyumlu olmalıdır. Taşıma veya çalıştırma sırasında mekanik hasarı önlemek ve steriliteyi bozmadan daha kolay değiştirmeyi kolaylaştırmak için koruyucu kılıflar veya muhafazalar kullanılması önerilir.