Notizie - Monitoraggio dei livelli di pH nel processo di fermentazione biofarmaceutica

L'elettrodo di pH svolge un ruolo fondamentale nel processo di fermentazione, servendo principalmente a monitorare e regolare l'acidità e l'alcalinità del brodo di fermentazione. Misurando continuamente il valore di pH, l'elettrodo consente un controllo preciso dell'ambiente di fermentazione. Un tipico elettrodo di pH è costituito da un elettrodo di rilevamento e da un elettrodo di riferimento, che funzionano secondo il principio dell'equazione di Nernst, che regola la conversione dell'energia chimica in segnali elettrici. Il potenziale dell'elettrodo è direttamente correlato all'attività degli ioni idrogeno nella soluzione. Il valore di pH viene determinato confrontando la differenza di tensione misurata con quella di una soluzione tampone standard, consentendo una calibrazione accurata e affidabile. Questo approccio di misurazione garantisce una regolazione stabile del pH durante l'intero processo di fermentazione, supportando così un'attività microbica o cellulare ottimale e garantendo la qualità del prodotto.

L'uso corretto degli elettrodi per pH richiede diverse fasi preparatorie, tra cui l'attivazione dell'elettrodo, solitamente ottenuta immergendolo in acqua distillata o in una soluzione tampone a pH 4, per garantire una reattività e un'accuratezza di misura ottimali. Per soddisfare i severi requisiti dell'industria della fermentazione biofarmaceutica, gli elettrodi per pH devono presentare tempi di risposta rapidi, elevata precisione e robustezza in condizioni di sterilizzazione rigorose come la sterilizzazione a vapore ad alta temperatura (SIP). Queste caratteristiche consentono prestazioni affidabili in ambienti sterili. Ad esempio, nella produzione di acido glutammico, un monitoraggio preciso del pH è essenziale per controllare parametri chiave come temperatura, ossigeno disciolto, velocità di agitazione e pH stesso. La regolazione accurata di queste variabili influenza direttamente sia la resa che la qualità del prodotto finale. Alcuni elettrodi per pH avanzati, dotati di membrane di vetro resistenti alle alte temperature e sistemi di riferimento a gel polimerico pre-pressurizzati, dimostrano un'eccezionale stabilità in condizioni estreme di temperatura e pressione, rendendoli particolarmente adatti per applicazioni SIP nei processi di fermentazione biologica e alimentare. Inoltre, le loro elevate capacità anti-fouling consentono prestazioni costanti su diversi brodi di fermentazione. Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. offre diverse opzioni di connettori per elettrodi, migliorando la praticità per l'utente e la flessibilità di integrazione del sistema.

Perché è necessario il monitoraggio del pH durante il processo di fermentazione dei prodotti biofarmaceutici?

Nella fermentazione biofarmaceutica, il monitoraggio e il controllo in tempo reale del pH sono essenziali per una produzione di successo e per massimizzare la resa e la qualità di prodotti target come antibiotici, vaccini, anticorpi monoclonali ed enzimi. In sostanza, il controllo del pH crea un ambiente fisiologico ottimale per le cellule microbiche o di mammifero – che funzionano come "fabbriche viventi" – per crescere e sintetizzare composti terapeutici, analogamente a come gli agricoltori regolano il pH del terreno in base alle esigenze delle colture.

1. Mantenere un'attività cellulare ottimale
La fermentazione si basa sulle cellule viventi (ad esempio, cellule CHO) per produrre biomolecole complesse. Il metabolismo cellulare è altamente sensibile al pH ambientale. Gli enzimi, che catalizzano tutte le reazioni biochimiche intracellulari, hanno un pH ottimale ristretto; deviazioni da questo intervallo possono ridurre significativamente l'attività enzimatica o causare denaturazione, compromettendo la funzione metabolica. Inoltre, l'assorbimento dei nutrienti attraverso la membrana cellulare, come glucosio, amminoacidi e sali inorganici, è pH-dipendente. Livelli di pH subottimali possono ostacolare l'assorbimento dei nutrienti, portando a una crescita subottimale o a uno squilibrio metabolico. Inoltre, valori di pH estremi possono compromettere l'integrità della membrana, con conseguente perdita citoplasmatica o lisi cellulare.

2. Ridurre al minimo la formazione di sottoprodotti e gli sprechi di substrato
Durante la fermentazione, il metabolismo cellulare genera metaboliti acidi o basici. Ad esempio, molti microrganismi producono acidi organici (ad esempio, acido lattico, acido acetico) durante il catabolismo del glucosio, causando un calo del pH. Se non corretto, un pH basso inibisce la crescita cellulare e può spostare il flusso metabolico verso percorsi non produttivi, aumentando l'accumulo di sottoprodotti. Questi sottoprodotti consumano preziose risorse di carbonio ed energia che altrimenti supporterebbero la sintesi del prodotto target, riducendo così la resa complessiva. Un controllo efficace del pH aiuta a mantenere i percorsi metabolici desiderati e migliora l'efficienza del processo.

3. Garantire la stabilità del prodotto e prevenirne il degrado
Molti prodotti biofarmaceutici, in particolare proteine come anticorpi monoclonali e ormoni peptidici, sono sensibili ai cambiamenti strutturali indotti dal pH. Al di fuori del loro intervallo di pH stabile, queste molecole possono subire denaturazione, aggregazione o inattivazione, formando potenzialmente precipitati dannosi. Inoltre, alcuni prodotti sono soggetti a idrolisi chimica o degradazione enzimatica in condizioni acide o alcaline. Il mantenimento di un pH appropriato riduce al minimo la degradazione del prodotto durante la produzione, preservandone l'efficacia e la sicurezza.

4. Ottimizzare l'efficienza del processo e garantire la coerenza tra i lotti
Da un punto di vista industriale, il controllo del pH ha un impatto diretto sulla produttività e sulla redditività economica. Vengono condotte ricerche approfondite per identificare i setpoint di pH ideali per le diverse fasi di fermentazione, come la crescita cellulare rispetto all'espressione del prodotto, che possono variare significativamente. Il controllo dinamico del pH consente un'ottimizzazione specifica per ogni fase, massimizzando l'accumulo di biomassa e i titoli del prodotto. Inoltre, enti regolatori come FDA ed EMA richiedono il rigoroso rispetto delle Buone Pratiche di Fabbricazione (GMP), dove parametri di processo coerenti sono obbligatori. Il pH è riconosciuto come un Parametro Critico di Processo (CPP) e il suo monitoraggio continuo garantisce la riproducibilità tra i lotti, garantendo la sicurezza, l'efficacia e la qualità dei prodotti farmaceutici.

5. Servire come indicatore della salute della fermentazione
L'andamento delle variazioni di pH fornisce preziose informazioni sullo stato fisiologico della coltura. Variazioni improvvise o inaspettate del pH possono indicare contaminazione, malfunzionamento dei sensori, deplezione dei nutrienti o anomalie metaboliche. Un rilevamento precoce basato sull'andamento del pH consente un intervento tempestivo dell'operatore, facilitando la risoluzione dei problemi e prevenendo costosi errori di lotto.

Come dovrebbero essere selezionati i sensori di pH per il processo di fermentazione nei prodotti biofarmaceutici?

La scelta di un sensore di pH appropriato per la fermentazione biofarmaceutica è una decisione ingegneristica critica che influisce sull'affidabilità del processo, sull'integrità dei dati, sulla qualità del prodotto e sulla conformità normativa. La selezione deve essere affrontata in modo sistematico, considerando non solo le prestazioni del sensore, ma anche la compatibilità con l'intero flusso di lavoro del bioprocesso.

1. Resistenza alle alte temperature e alla pressione
I processi biofarmaceutici utilizzano comunemente la sterilizzazione a vapore in situ (SIP), in genere a 121 °C e 1-2 bar di pressione per 20-60 minuti. Pertanto, qualsiasi sensore di pH deve resistere a ripetute esposizioni a tali condizioni senza guasti. Idealmente, il sensore dovrebbe essere classificato per almeno 130 °C e 3-4 bar per garantire un margine di sicurezza. Una tenuta stagna robusta è essenziale per prevenire l'ingresso di umidità, perdite di elettrolita o danni meccanici durante i cicli termici.

2. Tipo di sensore e sistema di riferimento
Si tratta di una considerazione tecnica fondamentale che influisce sulla stabilità a lungo termine, sulle esigenze di manutenzione e sulla resistenza all'incrostazione.
Configurazione degli elettrodi: gli elettrodi compositi, che integrano elementi di misura e di riferimento in un unico corpo, sono ampiamente adottati per la facilità di installazione e di gestione.
Sistema di riferimento:
• Riferimento a liquido (ad esempio, soluzione di KCl): offre una risposta rapida e un'elevata precisione, ma richiede un rabbocco periodico. Durante la SIP, può verificarsi una perdita di elettrolita e le giunzioni porose (ad esempio, fritte ceramiche) sono soggette a ostruzione da parte di proteine o particelle, con conseguente deriva e letture inaffidabili.
• Riferimento in gel polimerico o allo stato solido: sempre più preferito nei moderni bioreattori. Questi sistemi eliminano la necessità di reintegro dell'elettrolita, riducono la manutenzione e presentano giunzioni liquide più ampie (ad esempio, anelli in PTFE) che resistono all'incrostazione. Offrono una stabilità superiore e una maggiore durata in terreni di fermentazione complessi e viscosi.

3. Campo di misura e precisione
Il sensore dovrebbe coprire un ampio intervallo operativo, tipicamente pH 2-12, per adattarsi alle diverse fasi del processo. Data la sensibilità dei sistemi biologici, l'accuratezza della misurazione dovrebbe essere compresa tra ±0,01 e ±0,02 unità di pH, supportata da un segnale di uscita ad alta risoluzione.

4. Tempo di risposta
Il tempo di risposta è comunemente definito come t90, ovvero il tempo necessario per raggiungere il 90% della lettura finale dopo una variazione graduale del pH. Sebbene gli elettrodi a gel possano presentare una risposta leggermente più lenta rispetto a quelli a liquido, generalmente soddisfano i requisiti dinamici dei circuiti di controllo della fermentazione, che operano su scale temporali orarie anziché di secondi.

5. Biocompatibilità
Tutti i materiali a contatto con il terreno di coltura devono essere atossici, non lisciviabili e inerti per evitare effetti negativi sulla vitalità cellulare o sulla qualità del prodotto. Si raccomandano formulazioni di vetro specifiche per applicazioni di bioprocessing per garantire resistenza chimica e biocompatibilità.

6. Uscita del segnale e interfaccia
• Uscita analogica (mV/pH): metodo tradizionale che utilizza la trasmissione analogica al sistema di controllo. Conveniente ma vulnerabile alle interferenze elettromagnetiche e all'attenuazione del segnale su lunghe distanze.
• Uscita digitale (ad esempio, basata su MEMS o sensori intelligenti): incorpora microelettronica integrata per la trasmissione di segnali digitali (ad esempio, tramite RS485). Offre un'eccellente immunità al rumore, supporta la comunicazione a lunga distanza e consente l'archiviazione della cronologia delle calibrazioni, dei numeri di serie e dei registri di utilizzo. È conforme agli standard normativi come FDA 21 CFR Parte 11 in materia di registrazioni e firme elettroniche, il che lo rende sempre più apprezzato negli ambienti GMP.

7. Interfaccia di installazione e alloggiamento protettivo
Il sensore deve essere compatibile con la porta designata sul bioreattore (ad esempio, Tri-Clamp, raccordo sanitario). Si consiglia di utilizzare guaine o protezioni per prevenire danni meccanici durante la manipolazione o il funzionamento e per facilitare la sostituzione senza compromettere la sterilità.