Haberler - Biyofarmasötik Fermantasyon Sürecinde pH Seviyelerinin İzlenmesi

pH elektrodu, fermantasyon sürecinde kritik bir rol oynar ve öncelikle fermantasyon sıvısının asitliğini ve alkaliliğini izlemek ve düzenlemek için kullanılır. pH değerini sürekli olarak ölçerek, elektrot fermantasyon ortamı üzerinde hassas kontrol sağlar. Tipik bir pH elektrodu, kimyasal enerjinin elektriksel sinyallere dönüşümünü yöneten Nernst denklemi prensibine göre çalışan bir algılama elektrodu ve bir referans elektrottan oluşur. Elektrot potansiyeli, çözeltideki hidrojen iyonlarının aktivitesiyle doğrudan ilişkilidir. pH değeri, ölçülen voltaj farkının standart bir tampon çözeltisininkiyle karşılaştırılmasıyla belirlenir ve bu da doğru ve güvenilir kalibrasyona olanak tanır. Bu ölçüm yaklaşımı, fermantasyon süreci boyunca istikrarlı pH düzenlemesi sağlayarak, optimum mikrobiyal veya hücresel aktiviteyi destekler ve ürün kalitesini garanti eder.

pH elektrotlarının doğru kullanımı, optimum tepki ve ölçüm doğruluğunu sağlamak için elektrot aktivasyonu da dahil olmak üzere çeşitli hazırlık adımları gerektirir; bu aktivasyon genellikle elektrotun damıtılmış suya veya pH 4 tampon çözeltisine daldırılmasıyla gerçekleştirilir. Biyofarmasötik fermantasyon endüstrisinin katı taleplerini karşılamak için pH elektrotları, yüksek sıcaklıkta buhar sterilizasyonu (SIP) gibi zorlu sterilizasyon koşulları altında hızlı tepki süreleri, yüksek hassasiyet ve sağlamlık göstermelidir. Bu özellikler, steril ortamlarda güvenilir performans sağlar. Örneğin, glutamik asit üretiminde, sıcaklık, çözünmüş oksijen, karıştırma hızı ve pH'ın kendisi gibi temel parametreleri kontrol etmek için hassas pH izleme şarttır. Bu değişkenlerin doğru düzenlenmesi, hem verimi hem de nihai ürünün kalitesini doğrudan etkiler. Yüksek sıcaklığa dayanıklı cam membranlara ve önceden basınçlandırılmış polimer jel referans sistemlerine sahip bazı gelişmiş pH elektrotları, aşırı sıcaklık ve basınç koşulları altında olağanüstü stabilite göstererek, biyolojik ve gıda fermantasyon süreçlerinde SIP uygulamaları için özellikle uygundur. Ayrıca, güçlü kirlenme önleyici özellikleri, çeşitli fermantasyon sıvılarında tutarlı performans sağlar. Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd., kullanıcı kolaylığını ve sistem entegrasyonu esnekliğini artıran çeşitli elektrot bağlantı seçenekleri sunmaktadır.

Biyofarmasötiklerin fermantasyon sürecinde pH takibi neden gereklidir?

Biyofarmasötik fermantasyonda, pH'ın gerçek zamanlı olarak izlenmesi ve kontrolü, antibiyotikler, aşılar, monoklonal antikorlar ve enzimler gibi hedef ürünlerin verimini ve kalitesini en üst düzeye çıkarmak ve başarılı bir üretim için çok önemlidir. Özünde, pH kontrolü, "canlı fabrikalar" gibi işlev gören mikrobiyal veya memeli hücreler için, tıpkı çiftçilerin mahsul gereksinimlerine göre toprak pH'ını ayarlamasına benzer şekilde, terapötik bileşiklerin büyümesi ve sentezlenmesi için optimal bir fizyolojik ortam yaratır.

1. Hücresel aktiviteyi en uygun seviyede tutmak
Fermantasyon, karmaşık biyomoleküllerin üretimi için canlı hücrelere (örneğin, CHO hücreleri) dayanır. Hücresel metabolizma, çevresel pH'a karşı oldukça hassastır. Tüm hücre içi biyokimyasal reaksiyonları katalize eden enzimlerin dar bir pH optimumu vardır; bu aralıktan sapmalar, enzimatik aktiviteyi önemli ölçüde azaltabilir veya metabolik fonksiyonu bozarak denatürasyona neden olabilir. Ek olarak, glikoz, amino asitler ve inorganik tuzlar gibi besin maddelerinin hücre zarı yoluyla alınması 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) üretir ve bu da pH'da düşüşe neden olur. Düzeltilmediği takdirde, düşük pH hücre büyümesini engeller ve metabolik akışı verimsiz yollara kaydırarak yan ürün birikimini artırabilir. Bu yan ürünler, aksi takdirde hedef ürün sentezini destekleyecek olan değerli karbon ve enerji kaynaklarını tüketerek genel verimi düşürür. Etkili pH kontrolü, istenen metabolik yolların korunmasına ve işlem verimliliğinin artmasına yardımcı olur.

3. Ürün stabilitesini sağlayın ve bozulmasını önleyin.
Birçok biyofarmasötik ürün, özellikle monoklonal antikorlar ve peptit hormonları gibi proteinler, pH'ya bağlı yapısal değişikliklere karşı hassastır. Kararlı pH aralığının dışında, bu moleküller denatürasyona, agregasyona veya inaktivasyona uğrayarak potansiyel olarak zararlı çökeltiler oluşturabilir. Ayrıca, bazı ürünler asidik veya alkali koşullar altında kimyasal hidrolize veya enzimatik bozunmaya eğilimlidir. Uygun pH'ın korunması, üretim sırasında ürün bozulmasını en aza indirerek etki gücünü ve güvenliğini korur.

4. Proses verimliliğini optimize edin ve parti bazında tutarlılığı sağlayın.
Endüstriyel açıdan bakıldığında, pH kontrolü verimliliği ve ekonomik uygulanabilirliği doğrudan etkiler. Hücre büyümesi ve ürün üretimi gibi önemli ölçüde farklılık gösterebilen farklı fermantasyon aşamaları için ideal pH ayar noktalarını belirlemek amacıyla kapsamlı araştırmalar yapılmaktadır. Dinamik pH kontrolü, aşamaya özgü optimizasyona olanak tanıyarak biyokütle birikimini ve ürün verimliliğini en üst düzeye çıkarır. Ayrıca, FDA ve EMA gibi düzenleyici kurumlar, tutarlı proses parametrelerinin zorunlu olduğu İyi Üretim Uygulamalarına (GMP) sıkı bir şekilde uyulmasını şart koşmaktadır. pH, Kritik Proses Parametresi (KTP) olarak kabul edilir ve sürekli izlenmesi, partiler arasında tekrarlanabilirliği sağlayarak farmasötik ürünlerin güvenliğini, etkinliğini ve kalitesini garanti eder.

5. Fermantasyon sağlığının göstergesi olarak işlev görür.
pH değişim trendi, kültürün fizyolojik durumu hakkında değerli bilgiler sağlar. pH'daki ani veya beklenmedik değişimler kontaminasyon, sensör arızası, besin tükenmesi veya metabolik anormalliklere işaret edebilir. pH trendlerine dayalı erken tespit, operatörün zamanında müdahale etmesini sağlayarak sorun gidermeyi kolaylaştırır ve maliyetli parti başarısızlıklarını önler.

Biyofarmasötiklerdeki fermantasyon süreci için pH sensörleri nasıl seçilmelidir?

Biyofarmasötik fermantasyon için uygun bir pH sensörü seçmek, proses güvenilirliğini, veri bütünlüğünü, ürün kalitesini ve mevzuat uyumluluğunu etkileyen kritik bir mühendislik kararıdır. Seçim, yalnızca sensör performansını değil, aynı zamanda tüm biyoproses iş akışıyla uyumluluğunu da dikkate alarak sistematik bir şekilde ele alınmalıdır.

1. Yüksek sıcaklık ve basınca dayanıklılık
Biyofarmasötik süreçlerde genellikle yerinde buhar sterilizasyonu (SIP) kullanılır; bu işlem tipik olarak 121°C sıcaklıkta ve 1-2 bar basınçta 20-60 dakika sürer. Bu nedenle, herhangi bir pH sensörünün bu koşullara tekrar tekrar maruz kalmaya dayanıklı olması ve arıza yapmaması gerekir. İdeal olarak, sensörün güvenlik payı sağlamak için en az 130°C ve 3-4 bar basınca dayanıklı olması gerekir. Termal döngü sırasında nem girişini, elektrolit sızıntısını veya mekanik hasarı önlemek için sağlam bir sızdırmazlık şarttır.

2. Sensör tipi ve referans sistemi
Bu, uzun vadeli istikrarı, bakım ihtiyaçlarını ve kirlenmeye karşı direnci etkileyen temel bir teknik husustur.
Elektrot konfigürasyonu: Hem ölçüm hem de 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 yanıt ve yüksek doğruluk sunar ancak periyodik olarak yeniden doldurulması gerekir. SIP sırasında elektrolit kaybı meydana gelebilir ve gözenekli bağlantı noktaları (örneğin, seramik fritler) proteinler veya parçacıklar tarafından tıkanmaya eğilimlidir, bu da sapmaya ve güvenilmez okumalara yol açar.
• Polimer jel veya katı hal referansı: Modern biyoreaktörlerde giderek daha çok tercih edilmektedir. Bu sistemler elektrolit yenileme ihtiyacını ortadan kaldırır, bakım maliyetlerini azaltır ve kirlenmeye karşı dirençli daha geniş sıvı bağlantı noktalarına (örneğin, PTFE halkaları) sahiptir. Karmaşık, viskoz fermantasyon ortamlarında üstün stabilite ve daha uzun hizmet ömrü sunarlar.

3. Ölçüm aralığı ve doğruluğu
Sensör, farklı işlem aşamalarına uyum sağlamak için tipik olarak pH 2-12 arasında geniş bir çalışma aralığını kapsamalıdır. Biyolojik sistemlerin hassasiyeti göz önüne alındığında, ölçüm doğruluğu yüksek çözünürlüklü sinyal çıkışı ile desteklenerek ±0,01 ila ±0,02 pH birimi içinde olmalıdır.

4. Yanıt süresi
Tepki süresi genellikle t90 olarak tanımlanır; bu, pH'da ani bir değişiklikten sonra nihai okumanın %90'ına ulaşmak için gereken süredir. Jel tipi elektrotlar, sıvı dolu elektrotlara göre biraz daha yavaş tepki verebilirken, genellikle saniyeler yerine saatlik zaman ölçeklerinde çalışan fermantasyon kontrol döngülerinin dinamik gereksinimlerini karşılarlar.

5. Biyouyumluluk
Hücre canlılığı veya ürün kalitesi üzerinde olumsuz etkilerden kaçınmak için kültür ortamıyla temas eden tüm malzemelerin toksik olmayan, sızdırmayan ve inert olması gerekir. Kimyasal direnç ve biyouyumluluk sağlamak için biyoproses uygulamaları için tasarlanmış özel cam formülasyonları önerilir.

6. Sinyal çıkışı ve arayüzü
• Analog çıkış (mV/pH): Kontrol sistemine analog iletim kullanan geleneksel yöntem. Maliyet etkin ancak elektromanyetik girişime ve uzun mesafelerde sinyal zayıflamasına karşı hassastır.
• Dijital çıkış (örneğin, MEMS tabanlı veya akıllı sensörler): Dijital sinyalleri iletmek için yerleşik mikroelektronik içerir (örneğin, RS485 aracılığıyla). Mükemmel gürültü bağışıklığı sağlar, uzun mesafeli iletişimi destekler ve kalibrasyon geçmişinin, seri numaralarının ve kullanım kayıtlarının saklanmasına olanak tanır. Elektronik kayıtlar ve imzalarla ilgili FDA 21 CFR Bölüm 11 gibi düzenleyici standartlara uygundur ve bu nedenle GMP ortamlarında giderek daha çok tercih edilmektedir.

7. Montaj arayüzü ve koruyucu muhafaza
Sensör, biyoreaktör üzerindeki belirlenmiş portla uyumlu olmalıdır (örneğin, üçlü kelepçe, hijyenik bağlantı). Kullanım veya çalışma sırasında mekanik hasarı önlemek ve steriliteyi tehlikeye atmadan daha kolay değiştirme sağlamak için koruyucu kılıflar veya koruyucu kapaklar kullanılması tavsiye edilir.