Nieuws - Monitoring van pH-waarden in het biofarmaceutische fermentatieproces

De pH-elektrode speelt een cruciale rol in het fermentatieproces, voornamelijk om de zuurgraad en alkaliteit van de fermentatievloeistof te bewaken en te reguleren. Door continu de pH-waarde te meten, maakt de elektrode een nauwkeurige controle van het fermentatiemilieu mogelijk. Een typische pH-elektrode bestaat uit een sensorelektrode en een referentie-elektrode, die werken volgens het principe van de Nernst-vergelijking, die de omzetting van chemische energie in elektrische signalen beschrijft. De potentiaal van de elektrode is rechtstreeks gerelateerd aan de activiteit van waterstofionen in de oplossing. De pH-waarde wordt bepaald door het gemeten spanningsverschil te vergelijken met dat van een standaard bufferoplossing, waardoor een nauwkeurige en betrouwbare kalibratie mogelijk is. Deze meetmethode zorgt voor een stabiele pH-regulatie gedurende het gehele fermentatieproces, waardoor optimale microbiële of cellulaire activiteit wordt ondersteund en de productkwaliteit wordt gewaarborgd.

Het correcte gebruik van pH-elektroden vereist verschillende voorbereidende stappen, waaronder elektrode-activering – doorgaans door de elektrode onder te dompelen in gedestilleerd water of een pH 4-bufferoplossing – om optimale responsiviteit en meetnauwkeurigheid te garanderen. Om te voldoen aan de strenge eisen van de biofarmaceutische fermentatie-industrie, moeten pH-elektroden snelle responstijden, hoge precisie en robuustheid onder strenge sterilisatieomstandigheden zoals hogetemperatuur-stoomsterilisatie (SIP) vertonen. Deze eigenschappen maken betrouwbare prestaties in steriele omgevingen mogelijk. Bijvoorbeeld bij de productie van glutaminezuur is nauwkeurige pH-monitoring essentieel voor het beheersen van belangrijke parameters zoals temperatuur, opgeloste zuurstof, roersnelheid en de pH zelf. Nauwkeurige regulering van deze variabelen heeft een directe invloed op zowel de opbrengst als de kwaliteit van het eindproduct. Bepaalde geavanceerde pH-elektroden, met hittebestendige glazen membranen en voorgeperste polymeer-gel referentiesystemen, tonen een uitzonderlijke stabiliteit onder extreme temperatuur- en drukcondities, waardoor ze bijzonder geschikt zijn voor SIP-toepassingen in biologische en voedselfermentatieprocessen. Bovendien zorgen hun sterke anti-aanslag eigenschappen voor consistente prestaties in diverse fermentatiebouillons. Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. biedt diverse opties voor elektrodeconnectoren, wat het gebruiksgemak en de flexibiliteit van systeemintegratie vergroot.

Waarom is pH-monitoring noodzakelijk tijdens het fermentatieproces van biofarmaceutische producten?

Bij biofarmaceutische fermentatie is realtime monitoring en controle van de pH essentieel voor een succesvolle productie en voor het maximaliseren van de opbrengst en kwaliteit van de beoogde producten, zoals antibiotica, vaccins, monoklonale antilichamen en enzymen. In essentie creëert pH-controle een optimale fysiologische omgeving voor microbiële of zoogdiercellen – die functioneren als "levende fabrieken" – om te groeien en therapeutische stoffen te synthetiseren, vergelijkbaar met hoe boeren de pH van de bodem aanpassen aan de behoeften van hun gewassen.

1. Optimale celactiviteit behouden
Fermentatie is afhankelijk van levende cellen (bijv. CHO-cellen) om complexe biomoleculen te produceren. Het cellulaire metabolisme is zeer gevoelig voor de pH-waarde van de omgeving. Enzymen, die alle intracellulaire biochemische reacties katalyseren, hebben een smal pH-optimum; afwijkingen van dit bereik kunnen de enzymactiviteit aanzienlijk verminderen of denaturatie veroorzaken, waardoor de metabolische functie wordt verstoord. Daarnaast is de opname van voedingsstoffen door het celmembraan – zoals glucose, aminozuren en anorganische zouten – pH-afhankelijk. Een te lage pH-waarde kan de opname van voedingsstoffen belemmeren, wat leidt tot een te lage groei of een verstoring van het metabolisme. Bovendien kunnen extreme pH-waarden de integriteit van het membraan aantasten, met als gevolg lekkage van cytoplasma of cellysis.

2. Minimaliseer de vorming van bijproducten en substraatafval.
Tijdens fermentatie produceert het celmetabolisme zure of basische metabolieten. Veel micro-organismen produceren bijvoorbeeld organische zuren (bijv. melkzuur, azijnzuur) tijdens de afbraak van glucose, wat een daling van de pH veroorzaakt. Indien niet gecorrigeerd, remt een lage pH de celgroei en kan de metabolische flux verschuiven naar niet-productieve routes, waardoor de ophoping van bijproducten toeneemt. Deze bijproducten verbruiken waardevolle koolstof- en energiebronnen die anders de synthese van het beoogde product zouden ondersteunen, waardoor de totale opbrengst afneemt. Effectieve pH-regeling helpt de gewenste metabolische routes te behouden en verbetert de procesefficiëntie.

3. Zorg voor productstabiliteit en voorkom degradatie.
Veel biofarmaceutische producten, met name eiwitten zoals monoklonale antilichamen en peptidehormonen, zijn gevoelig voor pH-geïnduceerde structurele veranderingen. Buiten hun stabiele pH-bereik kunnen deze moleculen denatureren, aggregeren of inactiveren, waardoor mogelijk schadelijke neerslagen ontstaan. Daarnaast zijn bepaalde producten vatbaar voor chemische hydrolyse of enzymatische afbraak onder zure of alkalische omstandigheden. Het handhaven van een geschikte pH minimaliseert productdegradatie tijdens de productie, waardoor de werkzaamheid en veiligheid behouden blijven.

4. Optimaliseer de procesefficiëntie en zorg voor consistentie tussen de batches.
Vanuit industrieel oogpunt heeft pH-regeling een directe invloed op de productiviteit en economische haalbaarheid. Er wordt uitgebreid onderzoek gedaan naar de ideale pH-waarden voor verschillende fermentatiefasen – zoals celgroei versus productexpressie – die aanzienlijk kunnen verschillen. Dynamische pH-regeling maakt fasespecifieke optimalisatie mogelijk, waardoor de biomassa-accumulatie en productconcentraties worden gemaximaliseerd. Bovendien vereisen regelgevende instanties zoals de FDA en EMA strikte naleving van Good Manufacturing Practices (GMP), waarbij consistente procesparameters verplicht zijn. pH wordt erkend als een kritische procesparameter (CPP) en de continue monitoring ervan zorgt voor reproduceerbaarheid tussen batches, waardoor de veiligheid, werkzaamheid en kwaliteit van farmaceutische producten worden gewaarborgd.

5. Dienen als indicator voor de gezondheid van de fermentatie
De trend van pH-veranderingen biedt waardevolle inzichten in de fysiologische toestand van de kweek. Plotselinge of onverwachte pH-schommelingen kunnen wijzen op besmetting, sensorstoringen, voedingstekorten of metabolische afwijkingen. Vroegtijdige detectie op basis van pH-trends maakt tijdige interventie door de operator mogelijk, waardoor problemen sneller kunnen worden opgelost en kostbare batchmislukkingen worden voorkomen.

Hoe moeten pH-sensoren worden geselecteerd voor het fermentatieproces in biofarmaceutische producten?

Het selecteren van een geschikte pH-sensor voor biofarmaceutische fermentatie is een cruciale technische beslissing die van invloed is op de procesbetrouwbaarheid, de dataintegriteit, de productkwaliteit en de naleving van de regelgeving. De selectie moet systematisch worden aangepakt, waarbij niet alleen de sensorprestaties, maar ook de compatibiliteit met de gehele bioprocesworkflow in overweging worden genomen.

1. Bestand tegen hoge temperaturen en druk
Bij biofarmaceutische processen wordt vaak in-situ stoomsterilisatie (SIP) toegepast, doorgaans bij 121 °C en een druk van 1-2 bar gedurende 20-60 minuten. Daarom moet elke pH-sensor bestand zijn tegen herhaalde blootstelling aan dergelijke omstandigheden zonder defect te raken. Idealiter zou de sensor geschikt moeten zijn voor temperaturen tot 130 °C en een druk van 3-4 bar om een veiligheidsmarge te bieden. Een robuuste afdichting is essentieel om indringing van vocht, lekkage van elektrolyt of mechanische schade tijdens thermische cycli te voorkomen.

2. Sensortype en referentiesysteem
Dit is een essentiële technische overweging die van invloed is op de stabiliteit op lange termijn, de onderhoudsbehoeften en de weerstand tegen vervuiling.
Elektrodeconfiguratie: Samengestelde elektroden, die zowel meet- als referentie-elementen in één behuizing integreren, worden veelvuldig gebruikt vanwege het installatiegemak en de eenvoudige bediening.
Referentiesysteem:
• Referentievloeistof (bijv. KCl-oplossing): Biedt een snelle respons en hoge nauwkeurigheid, maar moet periodiek worden bijgevuld. Tijdens SIP kan elektrolytverlies optreden en poreuze verbindingen (bijv. keramische fritsen) zijn gevoelig voor verstopping door eiwitten of deeltjes, wat leidt tot drift en onbetrouwbare metingen.
• Polymeergel of vaste referentie: Steeds vaker gebruikt in moderne bioreactoren. Deze systemen maken het bijvullen van elektrolyten overbodig, verminderen het onderhoud en beschikken over bredere vloeistofverbindingen (bijv. PTFE-ringen) die vervuiling tegengaan. Ze bieden superieure stabiliteit en een langere levensduur in complexe, viskeuze fermentatiemedia.

3. Meetbereik en nauwkeurigheid
De sensor moet een breed werkingsbereik bestrijken, doorgaans pH 2–12, om verschillende procesfasen te kunnen meten. Gezien de gevoeligheid van biologische systemen moet de meetnauwkeurigheid binnen ±0,01 tot ±0,02 pH-eenheden liggen, ondersteund door een signaaluitvoer met hoge resolutie.

4. Reactietijd
De reactietijd wordt doorgaans gedefinieerd als t90: de tijd die nodig is om 90% van de eindwaarde te bereiken na een stapverandering in de pH-waarde. Hoewel gel-elektroden een iets tragere reactie kunnen vertonen dan vloeistofgevulde elektroden, voldoen ze over het algemeen aan de dynamische eisen van fermentatieregelcircuits, die werken op uurlijkse in plaats van secondelijke tijdschalen.

5. Biocompatibiliteit
Alle materialen die in contact komen met het kweekmedium moeten niet-toxisch, niet-uitlogend en inert zijn om nadelige effecten op de cellevensvatbaarheid of productkwaliteit te voorkomen. Speciaal ontwikkelde glassoorten voor bioprocessing-toepassingen worden aanbevolen om chemische bestendigheid en biocompatibiliteit te garanderen.

6. Signaaluitvoer en interface
• Analoge uitvoer (mV/pH): Traditionele methode met analoge transmissie naar het besturingssysteem. Kosteneffectief, maar gevoelig voor elektromagnetische interferentie en signaalverzwakking over lange afstanden.
• Digitale uitvoer (bijv. MEMS-gebaseerde of slimme sensoren): Bevat ingebouwde micro-elektronica voor het verzenden van digitale signalen (bijv. via RS485). Biedt uitstekende ruisimmuniteit, ondersteunt communicatie over lange afstanden en maakt het mogelijk om kalibratiegeschiedenis, serienummers en gebruikslogboeken op te slaan. Voldoet aan wettelijke normen zoals FDA 21 CFR Deel 11 met betrekking tot elektronische documenten en handtekeningen, waardoor het steeds vaker wordt gebruikt in GMP-omgevingen.

7. Installatie-interface en beschermende behuizing
De sensor moet compatibel zijn met de daarvoor bestemde poort op de bioreactor (bijv. tri-clamp, sanitaire aansluiting). Beschermhulzen of -kappen worden aanbevolen om mechanische schade tijdens hantering of gebruik te voorkomen en om vervanging te vergemakkelijken zonder de steriliteit in gevaar te brengen.