Neuigkeiten – Überwachung des pH-Werts im biopharmazeutischen Fermentationsprozess

Die pH-Elektrode spielt eine entscheidende Rolle im Fermentationsprozess und dient primär der Überwachung und Regulierung des Säure- und Basengehalts der Fermentationsbrühe. Durch die kontinuierliche pH-Wert-Messung ermöglicht die Elektrode eine präzise Steuerung der Fermentationsumgebung. Eine typische pH-Elektrode besteht aus einer Messelektrode und einer Referenzelektrode und arbeitet nach dem Prinzip der Nernst-Gleichung, welche die Umwandlung chemischer Energie in elektrische Signale beschreibt. Das Elektrodenpotenzial korreliert direkt mit der Aktivität der Wasserstoffionen in der Lösung. Der pH-Wert wird durch Vergleich der gemessenen Spannungsdifferenz mit der einer Standardpufferlösung bestimmt, was eine genaue und zuverlässige Kalibrierung ermöglicht. Dieses Messverfahren gewährleistet eine stabile pH-Wert-Regulierung während des gesamten Fermentationsprozesses und unterstützt somit eine optimale mikrobielle oder zelluläre Aktivität und sichert die Produktqualität.

Die korrekte Verwendung von pH-Elektroden erfordert mehrere Vorbereitungsschritte, darunter die Elektrodenaktivierung – typischerweise durch Eintauchen der Elektrode in destilliertes Wasser oder eine Pufferlösung mit pH 4 –, um optimale Empfindlichkeit und Messgenauigkeit zu gewährleisten. Um den hohen Anforderungen der biopharmazeutischen Fermentationsindustrie gerecht zu werden, müssen pH-Elektroden schnelle Reaktionszeiten, hohe Präzision und Robustheit unter strengen Sterilisationsbedingungen wie der Hochtemperatur-Dampfsterilisation (SIP) aufweisen. Diese Eigenschaften ermöglichen einen zuverlässigen Betrieb in sterilen Umgebungen. Beispielsweise ist bei der Glutaminsäureproduktion die präzise pH-Wert-Überwachung unerlässlich, um Schlüsselparameter wie Temperatur, gelösten Sauerstoff, Rührgeschwindigkeit und den pH-Wert selbst zu kontrollieren. Die genaue Regelung dieser Variablen beeinflusst direkt sowohl die Ausbeute als auch die Qualität des Endprodukts. Bestimmte moderne pH-Elektroden mit hochtemperaturbeständigen Glasmembranen und vorgespannten Polymergel-Referenzsystemen zeigen eine außergewöhnliche Stabilität unter extremen Temperatur- und Druckbedingungen und eignen sich daher besonders für SIP-Anwendungen in biologischen und Lebensmittelfermentationsprozessen. Darüber hinaus ermöglichen ihre starken Antifouling-Eigenschaften eine gleichbleibende Leistung in verschiedenen Fermentationsbrühen. Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. bietet verschiedene Elektrodenanschlussoptionen an, die den Benutzerkomfort und die Flexibilität der Systemintegration verbessern.

Warum ist die pH-Wert-Überwachung während des Fermentationsprozesses von Biopharmazeutika notwendig?

In der biopharmazeutischen Fermentation sind die Echtzeitüberwachung und -steuerung des pH-Werts unerlässlich für eine erfolgreiche Produktion und die Maximierung von Ausbeute und Qualität der Zielprodukte wie Antibiotika, Impfstoffe, monoklonale Antikörper und Enzyme. Im Wesentlichen schafft die pH-Wert-Kontrolle ein optimales physiologisches Milieu für mikrobielle oder Säugetierzellen – die als „lebende Fabriken“ fungieren –, um zu wachsen und therapeutische Wirkstoffe zu synthetisieren, analog zur Anpassung des pH-Werts im Boden an die Bedürfnisse der Pflanzen.

1. Optimale Zellaktivität aufrechterhalten.
Die Fermentation nutzt lebende Zellen (z. B. CHO-Zellen) zur Herstellung komplexer Biomoleküle. Der Zellstoffwechsel reagiert sehr empfindlich auf den pH-Wert der Umgebung. Enzyme, die alle intrazellulären biochemischen Reaktionen katalysieren, weisen ein enges pH-Optimum auf; Abweichungen von diesem Bereich können die Enzymaktivität erheblich reduzieren oder zur Denaturierung führen und somit die Stoffwechselfunktion beeinträchtigen. Auch die Nährstoffaufnahme durch die Zellmembran – beispielsweise von Glukose, Aminosäuren und anorganischen Salzen – ist pH-abhängig. Suboptimale pH-Werte können die Nährstoffaufnahme behindern und zu suboptimalem Wachstum oder einem Stoffwechselungleichgewicht führen. Darüber hinaus können extreme pH-Werte die Membranintegrität beeinträchtigen und so zu Zytoplasmaverlust oder Zelllyse führen.

2. Minimierung der Nebenproduktbildung und des Substratabfalls.
Während der Fermentation entstehen im Zellstoffwechsel saure oder basische Metaboliten. Beispielsweise produzieren viele Mikroorganismen beim Abbau von Glucose organische Säuren (z. B. Milchsäure, Essigsäure), was zu einem pH-Wert-Abfall führt. Wird dieser niedrige pH-Wert nicht korrigiert, hemmt er das Zellwachstum und kann den Stoffwechsel in Richtung nicht-produktiver Wege lenken, wodurch sich vermehrt Nebenprodukte ansammeln. Diese Nebenprodukte verbrauchen wertvolle Kohlenstoff- und Energieressourcen, die andernfalls für die Synthese des Zielprodukts benötigt würden, und reduzieren so die Gesamtausbeute. Eine effektive pH-Wert-Kontrolle trägt dazu bei, die gewünschten Stoffwechselwege aufrechtzuerhalten und die Prozesseffizienz zu verbessern.

3. Produktstabilität gewährleisten und Abbau verhindern.
Viele biopharmazeutische Produkte, insbesondere Proteine wie monoklonale Antikörper und Peptidhormone, reagieren empfindlich auf pH-bedingte Strukturveränderungen. Außerhalb ihres stabilen pH-Bereichs können diese Moleküle denaturieren, aggregieren oder inaktiviert werden und potenziell schädliche Präzipitate bilden. Darüber hinaus neigen bestimmte Produkte unter sauren oder alkalischen Bedingungen zu chemischer Hydrolyse oder enzymatischem Abbau. Die Einhaltung eines geeigneten pH-Werts minimiert den Produktabbau während der Herstellung und erhält so Wirksamkeit und Sicherheit.

4. Prozesseffizienz optimieren und Chargenkonsistenz sicherstellen.
Aus industrieller Sicht beeinflusst die pH-Wert-Kontrolle direkt die Produktivität und Wirtschaftlichkeit. Umfangreiche Forschung wird betrieben, um die optimalen pH-Werte für verschiedene Fermentationsphasen – wie Zellwachstum und Produktbildung – zu ermitteln, die sich deutlich unterscheiden können. Die dynamische pH-Wert-Kontrolle ermöglicht eine phasenspezifische Optimierung und maximiert so die Biomasseakkumulation und die Produktausbeute. Darüber hinaus fordern Zulassungsbehörden wie die FDA und die EMA die strikte Einhaltung der Guten Herstellungspraxis (GMP), die konsistente Prozessparameter vorschreibt. Der pH-Wert gilt als kritischer Prozessparameter (CPP), und seine kontinuierliche Überwachung gewährleistet die Reproduzierbarkeit zwischen verschiedenen Chargen und garantiert somit die Sicherheit, Wirksamkeit und Qualität pharmazeutischer Produkte.

5. Dienen als Indikator für den Zustand der Fermentation
Der Verlauf der pH-Wert-Änderung liefert wertvolle Erkenntnisse über den physiologischen Zustand der Kultur. Plötzliche oder unerwartete pH-Wert-Schwankungen können auf Verunreinigungen, Fehlfunktionen von Sensoren, Nährstoffmangel oder Stoffwechselanomalien hinweisen. Die frühzeitige Erkennung anhand von pH-Wert-Verläufen ermöglicht ein rechtzeitiges Eingreifen des Bedienpersonals, erleichtert die Fehlersuche und verhindert kostspielige Chargenausfälle.

Wie sollten pH-Sensoren für den Fermentationsprozess in der Biopharmazie ausgewählt werden?

Die Auswahl eines geeigneten pH-Sensors für die biopharmazeutische Fermentation ist eine wichtige technische Entscheidung, die die Prozesszuverlässigkeit, die Datenintegrität, die Produktqualität und die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften beeinflusst. Die Auswahl sollte systematisch erfolgen und neben der Sensorleistung auch die Kompatibilität mit dem gesamten Bioprozessablauf berücksichtigen.

1. Hohe Temperatur- und Druckbeständigkeit
In biopharmazeutischen Prozessen wird häufig die In-situ-Dampfsterilisation (SIP) eingesetzt, typischerweise bei 121 °C und 1–2 bar Druck für 20–60 Minuten. Daher muss jeder pH-Sensor wiederholter Einwirkung dieser Bedingungen standhalten, ohne auszufallen. Idealerweise sollte der Sensor für mindestens 130 °C und 3–4 bar ausgelegt sein, um eine Sicherheitsreserve zu gewährleisten. Eine robuste Abdichtung ist unerlässlich, um das Eindringen von Feuchtigkeit, Elektrolytverlust oder mechanische Beschädigungen während der Temperaturzyklen zu verhindern.

2. Sensortyp und Referenzsystem
Dies ist ein zentraler technischer Aspekt, der sich auf die Langzeitstabilität, den Wartungsaufwand und die Beständigkeit gegen Ablagerungen auswirkt.
Elektrodenkonfiguration: Kompositelektroden, die sowohl Mess- als auch Referenzelemente in einem Gehäuse integrieren, werden aufgrund der einfachen Installation und Handhabung häufig eingesetzt.
Referenzsystem:
• Flüssigkeitsgefüllte Referenzlösung (z. B. KCl-Lösung): Bietet schnelle Reaktionszeiten und hohe Genauigkeit, erfordert jedoch regelmäßiges Nachfüllen. Während der SIP-Messung kann es zu Elektrolytverlusten kommen, und poröse Verbindungen (z. B. Keramikfritten) neigen zur Verstopfung durch Proteine oder Partikel, was zu Drift und unzuverlässigen Messwerten führt.
• Polymergel- oder Festkörperreferenz: In modernen Bioreaktoren zunehmend bevorzugt. Diese Systeme machen das Nachfüllen von Elektrolyt überflüssig, reduzieren den Wartungsaufwand und verfügen über größere Flüssigkeitsübergänge (z. B. PTFE-Ringe), die Ablagerungen widerstehen. Sie bieten überlegene Stabilität und längere Lebensdauer in komplexen, viskosen Fermentationsmedien.

3. Messbereich und Genauigkeit
Der Sensor sollte einen breiten Messbereich abdecken, typischerweise pH 2–12, um unterschiedlichen Prozessstufen gerecht zu werden. Aufgrund der Empfindlichkeit biologischer Systeme sollte die Messgenauigkeit im Bereich von ±0,01 bis ±0,02 pH-Einheiten liegen, unterstützt durch ein hochauflösendes Ausgangssignal.

4. Reaktionszeit
Die Ansprechzeit wird üblicherweise als t90 definiert – die Zeit, die benötigt wird, um nach einer pH-Wert-Sprungänderung 90 % des Endwertes zu erreichen. Gelelektroden reagieren zwar unter Umständen etwas langsamer als flüssigkeitsgefüllte Elektroden, erfüllen aber im Allgemeinen die dynamischen Anforderungen von Fermentationsregelkreisen, die im Stundenbereich und nicht im Sekundenbereich arbeiten.

5. Biokompatibilität
Alle Materialien, die mit dem Kulturmedium in Kontakt kommen, müssen ungiftig, nicht auslaugend und inert sein, um negative Auswirkungen auf die Zellviabilität oder die Produktqualität zu vermeiden. Spezielle Glasformulierungen, die für biotechnologische Anwendungen entwickelt wurden, werden empfohlen, um chemische Beständigkeit und Biokompatibilität zu gewährleisten.

6. Signalausgang und Schnittstelle
• Analogausgang (mV/pH): Traditionelles Verfahren mit analoger Übertragung an das Steuerungssystem. Kostengünstig, aber anfällig für elektromagnetische Störungen und Signaldämpfung über größere Entfernungen.
• Digitalausgang (z. B. MEMS-basierte oder intelligente Sensoren): Integriert Mikroelektronik zur Übertragung digitaler Signale (z. B. über RS485). Bietet hervorragende Störfestigkeit, unterstützt die Kommunikation über große Entfernungen und ermöglicht die Speicherung von Kalibrierungsverlauf, Seriennummern und Nutzungsprotokollen. Erfüllt regulatorische Standards wie FDA 21 CFR Part 11 bezüglich elektronischer Aufzeichnungen und Signaturen und wird daher in GMP-Umgebungen zunehmend bevorzugt.

7. Installationsschnittstelle und Schutzgehäuse
Der Sensor muss mit dem vorgesehenen Anschluss am Bioreaktor kompatibel sein (z. B. Tri-Clamp, Hygieneanschluss). Schutzhüllen oder -kappen sind empfehlenswert, um mechanische Beschädigungen bei der Handhabung oder im Betrieb zu vermeiden und einen einfacheren Austausch ohne Beeinträchtigung der Sterilität zu ermöglichen.