Nieuws - Monitoring van pH-niveaus in het biofarmaceutische fermentatieproces

De pH-elektrode speelt een cruciale rol in het fermentatieproces en dient voornamelijk om de zuurgraad en alkaliteit van de fermentatiebouillon te bewaken en te reguleren. Door continu de pH-waarde te meten, maakt de elektrode een nauwkeurige controle over de fermentatieomgeving 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 regelt. De elektrodepotentiaal is direct 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, wat een nauwkeurige en betrouwbare kalibratie mogelijk maakt. Deze meetmethode zorgt voor een stabiele pH-regeling gedurende het hele fermentatieproces, waardoor optimale microbiële of cellulaire activiteit wordt ondersteund en de productkwaliteit wordt gewaarborgd.

Correct gebruik van pH-elektroden vereist verschillende voorbereidende stappen, waaronder elektrode-activering – meestal bereikt 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 vertonen onder strenge sterilisatieomstandigheden zoals hogetemperatuurstoomsterilisatie (SIP). Deze eigenschappen zorgen voor betrouwbare prestaties in steriele omgevingen. Bij de productie van glutaminezuur is bijvoorbeeld nauwkeurige pH-bewaking essentieel voor het beheersen van belangrijke parameters zoals temperatuur, opgeloste zuurstof, roersnelheid en de pH zelf. Nauwkeurige regeling van deze variabelen heeft een directe invloed op zowel de opbrengst als de kwaliteit van het eindproduct. Bepaalde geavanceerde pH-elektroden, met hittebestendige glasmembranen en voorgeperste polymeergelreferentiesystemen, vertonen uitzonderlijke stabiliteit onder extreme temperatuur- en drukomstandigheden, waardoor ze bijzonder geschikt zijn voor SIP-toepassingen in biologische en voedselfermentatieprocessen. Bovendien zorgen hun sterke antifoulingeigenschappen voor consistente prestaties in diverse fermentatiebouillons. Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. biedt verschillende elektrodeconnectoropties, waardoor het gebruiksgemak en de flexibiliteit van de systeemintegratie worden verbeterd.

Waarom is pH-bewaking noodzakelijk tijdens het fermentatieproces van biofarmaceutica?

Bij biofarmaceutische fermentatie zijn realtime monitoring en pH-controle essentieel voor een succesvolle productie en voor het maximaliseren van de opbrengst en kwaliteit van doelproducten 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. Behoud een optimale cellulaire activiteit
Fermentatie is afhankelijk van levende cellen (bijv. CHO-cellen) om complexe biomoleculen te produceren. Cellulair metabolisme is zeer gevoelig voor de pH-waarde van de omgeving. Enzymen, die alle intracellulaire biochemische reacties katalyseren, hebben smalle pH-optima; afwijkingen van dit bereik kunnen de enzymatische activiteit aanzienlijk verminderen of denaturatie veroorzaken, wat de metabolische functie belemmert. Bovendien is de opname van voedingsstoffen door het celmembraan – zoals glucose, aminozuren en anorganische zouten – pH-afhankelijk. Suboptimale pH-waarden kunnen de opname van voedingsstoffen belemmeren, wat leidt tot suboptimale groei of een verstoorde metabolische balans. Bovendien kunnen extreme pH-waarden de integriteit van het membraan aantasten, wat kan leiden tot cytoplasmatische lekkage of cellyse.

2. Minimaliseer de vorming van bijproducten en substraatverspilling
Tijdens fermentatie genereert het cellulaire metabolisme zure of basische metabolieten. Veel micro-organismen produceren bijvoorbeeld organische zuren (bijv. melkzuur, azijnzuur) tijdens glucosekatabolisme, wat leidt tot een pH-daling. Indien niet gecorrigeerd, remt een lage pH de celgroei en kan de metabole flux verschuiven naar niet-productieve routes, waardoor de accumulatie van bijproducten toeneemt. Deze bijproducten verbruiken waardevolle koolstof- en energiebronnen die anders de synthese van het doelproduct zouden ondersteunen, waardoor de totale opbrengst afneemt. Effectieve pH-controle helpt de gewenste metabole 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 structuurveranderingen. Buiten hun stabiele pH-bereik kunnen deze moleculen denaturatie, aggregatie of inactivatie ondergaan, waardoor mogelijk schadelijke neerslagen ontstaan. Bovendien zijn bepaalde producten gevoelig voor chemische hydrolyse of enzymatische afbraak onder zure of basische 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 van batch tot batch
Vanuit industrieel oogpunt heeft pH-regeling een directe invloed op de productiviteit en economische haalbaarheid. Er wordt uitgebreid onderzoek gedaan om de ideale pH-waarden voor verschillende fermentatiefasen te identificeren – zoals celgroei versus productexpressie – die aanzienlijk kunnen verschillen. Dynamische pH-regeling maakt fase-specifieke optimalisatie mogelijk, waardoor de biomassa-accumulatie en producttiters 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 garandeert reproduceerbaarheid in alle batches, waardoor de veiligheid, werkzaamheid en kwaliteit van farmaceutische producten worden gegarandeerd.

5. Dienen als indicator voor de gezondheid van de fermentatie
De trend van pH-veranderingen biedt waardevolle inzichten in de fysiologische toestand van de cultuur. Plotselinge of onverwachte pH-veranderingen kunnen wijzen op verontreiniging, sensorstoringen, nutriëntentekort of metabolische afwijkingen. Vroege detectie op basis van pH-trends maakt tijdig ingrijpen door de operator mogelijk, wat het oplossen van problemen vergemakkelijkt en kostbare batchfouten voorkomt.

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

Het selecteren van een geschikte pH-sensor voor biofarmaceutische fermentatie is een cruciale technische beslissing die van invloed is op de betrouwbaarheid van het proces, de data-integriteit, de productkwaliteit en de naleving van regelgeving. De selectie moet systematisch worden aangepakt, waarbij niet alleen rekening wordt gehouden met de sensorprestaties, maar ook met de compatibiliteit met de gehele bioprocessingworkflow.

1. Hoge temperatuur- en drukbestendigheid
Biofarmaceutische processen maken doorgaans gebruik van in-situ stoomsterilisatie (SIP), 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 dat deze defect raakt. Idealiter is de sensor bestand tegen ten minste 130 °C en een druk van 3-4 bar om een veiligheidsmarge te bieden. Een robuuste afdichting is essentieel om binnendringen van vocht, lekkage van elektrolyt of mechanische schade tijdens thermische cycli te voorkomen.

2. Sensortype en referentiesysteem
Dit is een technisch kernpunt dat 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 veel gebruikt vanwege het gemak van installatie en bediening.
Referentiesysteem:
• Met vloeistof gevulde referentie (bijv. KCl-oplossing): Biedt een snelle respons en hoge nauwkeurigheid, maar vereist periodiek bijvullen. Tijdens SIP kan elektrolytverlies optreden en zijn poreuze verbindingen (bijv. keramische fritten) gevoelig voor verstopping door eiwitten of deeltjes, wat leidt tot drift en onbetrouwbare metingen.
• Polymeergel of vaste-stofreferentie: steeds populairder in moderne bioreactoren. Deze systemen elimineren de noodzaak voor het bijvullen van elektrolyten, verminderen het onderhoud en hebben 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 operationeel bereik bestrijken, doorgaans pH 2-12, om verschillende procesfasen te kunnen verwerken. Gezien de gevoeligheid van biologische systemen moet de meetnauwkeurigheid binnen ±0,01 tot ±0,02 pH-eenheden liggen, ondersteund door signaaluitvoer met hoge resolutie.

4. Reactietijd
De responstijd wordt doorgaans gedefinieerd als t90 – de tijd die nodig is om 90% van de uiteindelijke waarde te bereiken na een stapsgewijze pH-verandering. Hoewel gelelektroden mogelijk een iets langzamere respons vertonen dan met vloeistof gevulde elektroden, voldoen ze over het algemeen aan de dynamische eisen van fermentatieregelkringen, die werken op uurschalen in plaats van seconden.

5. Biocompatibiliteit
Alle materialen die in contact komen met het kweekmedium moeten niet-toxisch, niet-uitlogend en inert zijn om nadelige effecten op de levensvatbaarheid van de cellen of de productkwaliteit te voorkomen. Speciale glasformuleringen, ontworpen voor bioprocessing, worden aanbevolen om chemische bestendigheid en biocompatibiliteit te garanderen.

6. Signaaluitgang en interface
• Analoge uitgang (mV/pH): Traditionele methode met analoge transmissie naar het besturingssysteem. Kosteneffectief, maar kwetsbaar voor elektromagnetische interferentie en signaalverzwakking over lange afstanden.
• Digitale uitgang (bijv. MEMS-gebaseerde of slimme sensoren): Bevat ingebouwde micro-elektronica voor de overdracht van digitale signalen (bijv. via RS485). Biedt uitstekende ruisonderdrukking, ondersteunt communicatie over lange afstanden en maakt opslag van kalibratiegeschiedenis, serienummers en gebruikslogboeken mogelijk. Voldoet aan wettelijke normen zoals FDA 21 CFR Part 11 met betrekking tot elektronische records en handtekeningen, waardoor deze steeds populairder wordt 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). Beschermhoezen of -afschermingen worden aanbevolen om mechanische schade tijdens gebruik of hantering te voorkomen en om vervanging te vergemakkelijken zonder de steriliteit in gevaar te brengen.