Neuigkeiten - Überwachung des pH-Werts im biopharmazeutischen Fermentationsprozess

Die pH-Elektrode spielt eine entscheidende Rolle im Fermentationsprozess. Sie dient in erster Linie der Überwachung und Regulierung des Säure- und Basengehalts der Fermentationsbrühe. Durch die kontinuierliche Messung des pH-Werts ermöglicht die Elektrode eine präzise Kontrolle der Fermentationsumgebung. Eine typische pH-Elektrode besteht aus einer Messelektrode und einer Referenzelektrode und funktioniert nach dem Prinzip der Nernst-Gleichung, die die Umwandlung chemischer Energie in elektrische Signale regelt. Das Elektrodenpotenzial steht in direktem Zusammenhang 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-Regulierung während des gesamten Fermentationsprozesses und unterstützt so eine optimale mikrobielle oder zelluläre Aktivität sowie die Sicherstellung der Produktqualität.

Die ordnungsgemäße Verwendung von pH-Elektroden erfordert mehrere Vorbereitungsschritte, einschließlich der Elektrodenaktivierung – typischerweise durch Eintauchen der Elektrode in destilliertes Wasser oder eine pH-4-Pufferlösung – um optimale Reaktionsfähigkeit 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 eine zuverlässige Leistung in sterilen Umgebungen. Beispielsweise ist bei der Glutaminsäureproduktion eine präzise pH-Überwachung unerlässlich, um wichtige Parameter wie Temperatur, gelösten Sauerstoff, Rührgeschwindigkeit und den pH-Wert selbst zu kontrollieren. Die genaue Regulierung dieser Variablen beeinflusst direkt sowohl die Ausbeute als auch die Qualität des Endprodukts. Bestimmte fortschrittliche pH-Elektroden mit hochtemperaturbeständigen Glasmembranen und vorgespannten Polymergel-Referenzsystemen weisen eine außergewöhnliche Stabilität unter extremen Temperatur- und Druckbedingungen auf und eignen sich daher besonders für SIP-Anwendungen in biologischen und Lebensmittelfermentationsprozessen. Darüber hinaus ermöglichen ihre starken Antifouling-Eigenschaften eine gleichbleibende Leistung über verschiedene Fermentationsbrühen hinweg. Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. bietet verschiedene Elektrodenanschlussoptionen an, die den Benutzerkomfort und die Flexibilität der Systemintegration verbessern.

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

Bei der biopharmazeutischen Fermentation sind Echtzeitüberwachung und -kontrolle des pH-Werts für eine erfolgreiche Produktion und die Maximierung von Ertrag und Qualität von Zielprodukten wie Antibiotika, Impfstoffen, monoklonalen Antikörpern und Enzymen unerlässlich. Im Wesentlichen schafft die pH-Kontrolle eine optimale physiologische Umgebung für mikrobielle oder Säugetierzellen – die als „lebende Fabriken“ fungieren –, um zu wachsen und therapeutische Verbindungen zu synthetisieren, analog zur Art und Weise, wie Landwirte den pH-Wert des Bodens an die Bedürfnisse ihrer Pflanzen anpassen.

1. Sorgen Sie für optimale Zellaktivität
Die Fermentation benötigt lebende Zellen (z. B. CHO-Zellen), um komplexe Biomoleküle zu produzieren. Der Zellstoffwechsel reagiert stark empfindlich auf den pH-Wert der Umgebung. Enzyme, die alle intrazellulären biochemischen Reaktionen katalysieren, haben enge pH-Optima; Abweichungen von diesem Bereich können die enzymatische Aktivität deutlich reduzieren oder eine Denaturierung verursachen, was die Stoffwechselfunktion beeinträchtigt. Darüber hinaus ist die Aufnahme von Nährstoffen durch die Zellmembran – beispielsweise von Glukose, Aminosäuren und anorganischen Salzen – pH-abhängig. Suboptimale pH-Werte können die Nährstoffaufnahme behindern und so zu suboptimalem Wachstum oder metabolischem Ungleichgewicht führen. Darüber hinaus können extreme pH-Werte die Membranintegrität beeinträchtigen und zu zytoplasmatischem Austreten oder Zelllyse führen.

2. Minimieren Sie die Bildung von Nebenprodukten und Substratabfällen
Während der Fermentation entstehen im Zellstoffwechsel saure oder basische Metabolite. Beispielsweise produzieren viele Mikroorganismen beim Glukoseabbau organische Säuren (z. B. Milchsäure, Essigsäure), was zu einem pH-Abfall führt. Wird ein niedriger pH-Wert nicht korrigiert, hemmt er das Zellwachstum und kann den Stoffwechselfluss in unproduktive Bahnen verlagern, was die Ansammlung von Nebenprodukten erhöht. Diese Nebenprodukte verbrauchen wertvolle Kohlenstoff- und Energieressourcen, die sonst die Synthese des Zielprodukts unterstützen würden, und verringern so die Gesamtausbeute. Eine effektive pH-Kontrolle trägt zur Aufrechterhaltung der gewünschten Stoffwechselwege bei und verbessert die Prozesseffizienz.

3. Produktstabilität gewährleisten und Abbau verhindern
Viele biopharmazeutische Produkte, insbesondere Proteine wie monoklonale Antikörper und Peptidhormone, sind anfällig für pH-induzierte Strukturveränderungen. Außerhalb ihres stabilen pH-Bereichs können diese Moleküle denaturieren, aggregieren oder inaktivieren und möglicherweise schädliche Niederschläge bilden. Darüber hinaus neigen bestimmte Produkte unter sauren oder alkalischen Bedingungen zur chemischen Hydrolyse oder enzymatischen Zersetzung. Die Einhaltung eines geeigneten pH-Werts minimiert den Produktabbau während der Herstellung und erhält so Wirksamkeit und Sicherheit.

4. Optimieren Sie die Prozesseffizienz und gewährleisten Sie die Konsistenz von Charge zu Charge
Aus industrieller Sicht wirkt sich die pH-Kontrolle direkt auf Produktivität und Wirtschaftlichkeit aus. Umfangreiche Forschung wird betrieben, um die idealen pH-Sollwerte für verschiedene Fermentationsphasen – wie Zellwachstum gegenüber Produktentstehung – zu ermitteln, die erheblich voneinander abweichen können. Die dynamische pH-Kontrolle ermöglicht eine stufenspezifische Optimierung und maximiert so die Biomasseansammlung und den Produkttiter. Darüber hinaus verlangen Aufsichtsbehörden wie die FDA und die EMA die strikte Einhaltung der Guten Herstellungspraxis (GMP), die konsistente Prozessparameter zwingend vorschreibt. Der pH-Wert gilt als kritischer Prozessparameter (CPP), und seine kontinuierliche Überwachung gewährleistet die chargenübergreifende Reproduzierbarkeit und garantiert so die Sicherheit, Wirksamkeit und Qualität pharmazeutischer Produkte.

5. Dient als Indikator für die Gesundheit der Fermentation
Der Trend der pH-Veränderung liefert wertvolle Erkenntnisse zum physiologischen Zustand der Kultur. Plötzliche oder unerwartete pH-Veränderungen können auf Kontamination, Sensorfehler, Nährstoffmangel oder Stoffwechselstörungen hinweisen. Eine frühzeitige Erkennung anhand von pH-Trends ermöglicht ein rechtzeitiges Eingreifen des Bedieners, erleichtert die Fehlerbehebung und verhindert kostspielige Chargenfehler.

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 sich auf Prozesszuverlässigkeit, Datenintegrität, Produktqualität und die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften auswirkt. Die Auswahl sollte systematisch erfolgen und nicht nur die Sensorleistung, sondern auch die Kompatibilität mit dem gesamten Bioprozess-Workflow berücksichtigen.

1. Hohe Temperatur- und Druckbeständigkeit
In biopharmazeutischen Prozessen wird üblicherweise eine In-situ-Dampfsterilisation (SIP) eingesetzt, typischerweise bei 121 °C und 1–2 bar Druck für 20–60 Minuten. Daher muss jeder pH-Sensor wiederholten Belastungen dieser Bedingungen störungsfrei standhalten. Idealerweise sollte der Sensor für mindestens 130 °C und 3–4 bar ausgelegt sein, um eine Sicherheitsmarge zu gewährleisten. Eine robuste Abdichtung ist unerlässlich, um das Eindringen von Feuchtigkeit, Elektrolytlecks oder mechanische Schäden während der Temperaturwechselbelastung zu verhindern.

2. Sensortyp und Referenzsystem
Dies ist eine zentrale technische Überlegung, die sich auf die Langzeitstabilität, den Wartungsbedarf und die Verschmutzungsresistenz auswirkt.
Elektrodenkonfiguration: Verbundelektroden, die sowohl Mess- als auch Referenzelemente in einem Körper integrieren, werden aufgrund der einfachen Installation und Handhabung häufig eingesetzt.
Referenzsystem:
• Flüssigkeitsgefüllte Referenz (z. B. KCl-Lösung): Bietet schnelle Reaktion und hohe Genauigkeit, muss aber regelmäßig nachgefüllt werden. Während des SIP kann es zu Elektrolytverlust kommen und poröse Verbindungen (z. B. Keramikfritten) neigen zum Verstopfen durch Proteine oder Partikel, was zu Drift und unzuverlässigen Messwerten führt.
• Polymergel- oder Festkörperreferenz: Wird in modernen Bioreaktoren zunehmend bevorzugt. Diese Systeme machen das Nachfüllen von Elektrolyten überflüssig, reduzieren den Wartungsaufwand und verfügen über breitere Flüssigkeitsverbindungen (z. B. PTFE-Ringe), die Fouling verhindern. Sie bieten überlegene Stabilität und längere Lebensdauer in komplexen, viskosen Fermentationsmedien.

3. Messbereich und Genauigkeit
Der Sensor sollte einen breiten Betriebsbereich abdecken, typischerweise pH 2–12, um verschiedenen Prozessstufen gerecht zu werden. Angesichts der Empfindlichkeit biologischer Systeme sollte die Messgenauigkeit im Bereich von ±0,01 bis ±0,02 pH-Einheiten liegen und durch eine hochauflösende Signalausgabe unterstützt werden.

4. Reaktionszeit
Die Reaktionszeit wird üblicherweise als t90 definiert – die Zeit, die benötigt wird, um nach einer sprunghaften Änderung des pH-Werts 90 % des Endwerts zu erreichen. Gelelektroden reagieren zwar etwas langsamer als flüssigkeitsgefüllte, erfüllen aber im Allgemeinen die dynamischen Anforderungen von Fermentationsregelkreisen, die im Stunden- 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 Zelllebensfähigkeit oder die Produktqualität zu vermeiden. Um chemische Beständigkeit und Biokompatibilität zu gewährleisten, werden spezielle Glasrezepturen für Bioprozessanwendungen empfohlen.

6. Signalausgang und Schnittstelle
• Analogausgang (mV/pH): Traditionelle Methode mit analoger Übertragung an das Steuerungssystem. Kostengünstig, aber anfällig für elektromagnetische Störungen und Signaldämpfung über große Entfernungen.
• Digitalausgang (z. B. MEMS-basiert oder Smart-Sensoren): Integrierte Mikroelektronik zur Übertragung digitaler Signale (z. B. über RS485). Bietet hervorragende Störfestigkeit, unterstützt Fernkommunikation 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 dafür vorgesehenen Anschluss am Bioreaktor kompatibel sein (z. B. Tri-Clamp, Hygieneanschluss). Schutzhüllen oder Schutzvorrichtungen sind ratsam, um mechanische Beschädigungen bei Handhabung oder Betrieb zu vermeiden und den Austausch zu erleichtern, ohne die Sterilität zu beeinträchtigen.