חדשות - ניטור רמות pH בתהליך התסיסה הביו-פרמצבטית

אלקטרודת ה-pH ממלאת תפקיד קריטי בתהליך התסיסה, ומשמשת בעיקר לניטור וויסות החומציות והבסיסיות של ציר התסיסה. על ידי מדידה רציפה של ערך ה-pH, האלקטרודה מאפשרת שליטה מדויקת על סביבת התסיסה. אלקטרודת pH טיפוסית מורכבת מאלקטרודת חישה ואלקטרודת ייחוס, הפועלות על פי עקרון משוואת נרנסט, השולטת בהמרת אנרגיה כימית לאותות חשמליים. פוטנציאל האלקטרודה קשור ישירות לפעילות יוני המימן בתמיסה. ערך ה-pH נקבע על ידי השוואת הפרש המתח הנמדד לזה של תמיסת בופר סטנדרטית, מה שמאפשר כיול מדויק ואמין. גישת מדידה זו מבטיחה ויסות pH יציב לאורך כל תהליך התסיסה, ובכך תומכת בפעילות מיקרוביאלית או תאית אופטימלית ומבטיחה את איכות המוצר.

שימוש נכון באלקטרודות pH דורש מספר שלבי הכנה, כולל הפעלת אלקטרודה - שבדרך כלל מושגת על ידי טבילת האלקטרודה במים מזוקקים או בתמיסת בופר pH 4 - כדי להבטיח תגובה אופטימלית ודיוק מדידה. כדי לעמוד בדרישות המחמירות של תעשיית התסיסה הביו-פרמצבטית, אלקטרודות pH חייבות להציג זמני תגובה מהירים, דיוק גבוה ועמידות בתנאי עיקור קפדניים כגון עיקור קיטור בטמפרטורה גבוהה (SIP). מאפיינים אלה מאפשרים ביצועים אמינים בסביבות סטריליות. לדוגמה, בייצור חומצה גלוטמית, ניטור מדויק של pH חיוני לשליטה בפרמטרים מרכזיים כגון טמפרטורה, חמצן מומס, מהירות ערבוב ו-pH עצמו. ויסות מדויק של משתנים אלה משפיע ישירות הן על התשואה והן על איכות המוצר הסופי. אלקטרודות pH מתקדמות מסוימות, הכוללות ממברנות זכוכית עמידות בטמפרטורה גבוהה ומערכות ייחוס ג'ל פולימרי בלחץ מראש, מפגינות יציבות יוצאת דופן בתנאי טמפרטורה ולחץ קיצוניים, מה שהופך אותן למתאימות במיוחד ליישומי SIP בתהליכי תסיסה ביולוגיים ומזון. יתר על כן, יכולותיהן החזקות נגד עכירות מאפשרות ביצועים עקביים על פני מגוון מרקמי תסיסה. Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. מציעה אפשרויות שונות של מחברי אלקטרודות, מה שמשפר את נוחות המשתמש ואת גמישות שילוב המערכת.

מדוע ניטור רמת החומציות (pH) נחוץ במהלך תהליך התסיסה של תרופות ביולוגיות?

בתסיסה ביו-פרמצבטית, ניטור ובקרה בזמן אמת של רמת החומציות (pH) חיוניים לייצור מוצלח ולמיקסום התפוקה והאיכות של מוצרי מטרה כגון אנטיביוטיקה, חיסונים, נוגדנים חד שבטיים ואנזימים. למעשה, בקרת ה-pH יוצרת סביבה פיזיולוגית אופטימלית לתאים מיקרוביאליים או יונקיים - המתפקדים כ"מפעלים חיים" - לגידול ולסנתז תרכובות טיפוליות, בדומה לאופן שבו חקלאים מתאימים את רמת החומציות של הקרקע בהתאם לדרישות היבול.

1. שמירה על פעילות תאית אופטימלית
תסיסה מסתמכת על תאים חיים (למשל, תאי CHO) לייצור ביומולקולות מורכבות. חילוף החומרים התאי רגיש מאוד ל-pH סביבתי. לאנזימים, המזרזים את כל התגובות הביוכימיות התוך-תאיות, יש אופטימום pH צר; סטיות מטווח זה יכולות להפחית משמעותית את הפעילות האנזימטית או לגרום לדנטורציה, ולפגוע בתפקוד המטבולי. בנוסף, ספיגת חומרים מזינים דרך קרום התא - כגון גלוקוז, חומצות אמינו ומלחים אנאורגניים - תלויה ב-pH. רמות pH לא אופטימליות עלולות לעכב את ספיגת חומרים מזינים, מה שמוביל לצמיחה לא אופטימלית או לחוסר איזון מטבולי. יתר על כן, ערכי pH קיצוניים עלולים לפגוע בשלמות הממברנה, וכתוצאה מכך לדליפה ציטופלזמית או ליזיס של תאים.

2. מזעור היווצרות תוצרי לוואי ופסולת מצע
במהלך התסיסה, חילוף החומרים התאי מייצר מטבוליטים חומציים או בסיסיים. לדוגמה, מיקרואורגניזמים רבים מייצרים חומצות אורגניות (למשל, חומצה לקטית, חומצה אצטית) במהלך קטבוליזם של גלוקוז, מה שגורם לירידה ב-pH. אם לא מתוקן, pH נמוך מעכב את צמיחת התאים ועלול להסיט את הזרימה המטבולי למסלולים לא פרודוקטיביים, מה שמגדיל את הצטברות תוצרי הלוואי. תוצרי לוואי אלה צורכים משאבי פחמן ואנרגיה יקרי ערך שאחרת היו תומכים בסינתזה של תוצר המטרה, ובכך מפחיתה את התפוקה הכוללת. בקרת pH יעילה מסייעת בשמירה על מסלולי מטבוליזם רצויים ומשפרת את יעילות התהליך.

3. להבטיח את יציבות המוצר ולמנוע התדרדרות
מוצרים ביו-פרמצבטיים רבים, במיוחד חלבונים כמו נוגדנים חד שבטיים והורמוני פפטיד, רגישים לשינויים מבניים הנגרמים על ידי pH. מחוץ לטווח ה-pH היציב שלהם, מולקולות אלו עלולות לעבור דנטורציה, צבירה או אינאקטיבציה, דבר שעלול ליצור משקעים מזיקים. בנוסף, מוצרים מסוימים נוטים להידרוליזה כימית או פירוק אנזימטי בתנאים חומציים או בסיסיים. שמירה על pH תקין ממזערת את פירוק המוצר במהלך הייצור, תוך שמירה על עוצמתו ובטיחותו.

4. אופטימיזציה של יעילות התהליך והבטחת עקביות בין אצווה לאצווה
מנקודת מבט תעשייתית, בקרת pH משפיעה ישירות על הפרודוקטיביות והכדאיות הכלכלית. מחקר מקיף נערך כדי לזהות את נקודות ה-pH האידיאליות עבור שלבי תסיסה שונים - כגון צמיחת תאים לעומת ביטוי מוצר - אשר עשויות להיות שונות באופן משמעותי. בקרת pH דינמית מאפשרת אופטימיזציה ספציפית לשלב, מקסום הצטברות ביומסה וטיטרים של מוצר. יתר על כן, סוכנויות רגולטוריות כמו ה-FDA וה-EMA דורשות הקפדה על נהלי ייצור נאותים (GMP), שבהם פרמטרים עקביים של תהליך הם חובה. pH מוכר כפרמטר תהליך קריטי (CPP), וניטור מתמשך שלו מבטיח שחזור בין קבוצות, ומבטיח את הבטיחות, היעילות והאיכות של מוצרים פרמצבטיים.

5. משמשים כאינדיקטור לבריאות התסיסה
מגמת שינוי ה-pH מספקת תובנות חשובות לגבי המצב הפיזיולוגי של התרבית. שינויים פתאומיים או בלתי צפויים ב-pH עשויים להעיד על זיהום, תקלה בחיישן, דלדול חומרי הזנה או אנומליות מטבוליות. זיהוי מוקדם המבוסס על מגמות pH מאפשר התערבות בזמן של המפעיל, מקל על פתרון בעיות ומניעת כשלים יקרים באצוות.

כיצד יש לבחור חיישני pH לתהליך התסיסה בתרופות ביולוגיות?

בחירת חיישן pH מתאים לתסיסה ביו-פרמצבטית היא החלטה הנדסית קריטית המשפיעה על אמינות התהליך, שלמות הנתונים, איכות המוצר ועמידה בתקנות. יש לגשת לבחירה באופן שיטתי, תוך התחשבות לא רק בביצועי החיישן אלא גם בתאימות עם זרימת העבודה הביולוגית כולה.

1. עמידות בפני טמפרטורה גבוהה ולחץ
תהליכים ביו-פרמצבטיים משתמשים בדרך כלל בסטריליזציה בקיטור באתר (SIP), בדרך כלל בטמפרטורה של 121 מעלות צלזיוס ובלחץ של 1-2 בר למשך 20-60 דקות. לכן, כל חיישן pH חייב לעמוד בחשיפה חוזרת ונשנית לתנאים כאלה ללא תקלה. באופן אידיאלי, החיישן צריך להיות מדורג לטמפרטורות של לפחות 130 מעלות צלזיוס ו-3-4 בר כדי לספק מרווח בטיחות. איטום חזק חיוני למניעת חדירת לחות, דליפת אלקטרוליטים או נזק מכני במהלך מחזורי חימום.

2. סוג חיישן ומערכת ייחוס
זהו שיקול טכני מרכזי המשפיע על יציבות לטווח ארוך, צורכי תחזוקה ועמידות בפני זיהום.
תצורת אלקטרודה: אלקטרודות מרוכבות, המשלבות רכיבי מדידה ורכיבי ייחוס בגוף אחד, מאומצות באופן נרחב בשל קלות ההתקנה והטיפול בהן.
מערכת ייחוס:
• בדיקת ייחוס מלאה בנוזל (למשל, תמיסת אשלגן כלורי): מציעה תגובה מהירה ודיוק גבוה אך דורשת מילוי מחדש תקופתי. במהלך SIP, עלול להתרחש אובדן אלקטרוליטים, וצמתים נקבוביים (למשל, פריטים קרמיים) נוטים להיסתם על ידי חלבונים או חלקיקים, מה שמוביל לסחיפה וקריאות לא אמינות.
• ג'ל פולימרי או חומר ייחוס במצב מוצק: מועדפים יותר ויותר בביו-ריאקטורים מודרניים. מערכות אלו מבטלות את הצורך במילוי אלקטרוליטים, מפחיתות תחזוקה וכוללות צמתים נוזליים רחבים יותר (למשל, טבעות PTFE) העמידות בפני זיהום. הן מציעות יציבות מעולה וחיי שירות ארוכים יותר במדיום תסיסה צמיג ומורכב.

3. טווח מדידה ודיוק
החיישן צריך לכסות טווח פעולה רחב, בדרך כלל pH 2-12, כדי להתאים לשלבי תהליך שונים. בהתחשב ברגישות של מערכות ביולוגיות, דיוק המדידה צריך להיות בטווח של ±0.01 עד ±0.02 יחידות pH, נתמך על ידי פלט אות ברזולוציה גבוהה.

4. זמן תגובה
זמן תגובה מוגדר בדרך כלל כ-t90 - הזמן הנדרש להגיע ל-90% מהקריאה הסופית לאחר שינוי דרגה ב-pH. בעוד שאלקטרודות מסוג ג'ל עשויות להציג תגובה מעט איטית יותר מאשר אלקטרודות מלאות נוזל, הן בדרך כלל עומדות בדרישות הדינמיות של לולאות בקרת תסיסה, הפועלות על פי לוחות זמנים של שעה ולא של שניות.

5. ביו-תאימות
כל החומרים הבאים במגע עם מצע הגידול חייבים להיות לא רעילים, לא מפלטים ואינרטיים כדי למנוע השפעות שליליות על כדאיות התאים או איכות המוצר. מומלץ להשתמש בפורמולות זכוכית מיוחדות המיועדות ליישומים של עיבוד ביולוגי כדי להבטיח עמידות כימית ותאימות ביולוגית.

6. פלט אות וממשק
• פלט אנלוגי (mV/pH): שיטה מסורתית המשתמשת בשידור אנלוגי למערכת הבקרה. חסכונית אך פגיעה להפרעות אלקטרומגנטיות ולהנחתות אות למרחקים ארוכים.
• פלט דיגיטלי (למשל, חיישנים מבוססי MEMS או חכמים): משלב מיקרואלקטרוניקה מובנית להעברת אותות דיגיטליים (למשל, דרך RS485). מספק חסינות מעולה לרעש, תומך בתקשורת למרחקים ארוכים ומאפשר אחסון של היסטוריית כיול, מספרים סידוריים ויומני שימוש. עומד בתקנים רגולטוריים כגון FDA 21 CFR חלק 11 בנוגע לרשומות אלקטרוניות וחתימות, מה שהופך אותו למועדף יותר ויותר בסביבות GMP.

7. ממשק התקנה ומארז מגן
החיישן חייב להיות תואם לפתח הייעודי בביו-ריאקטור (למשל, תלת-מהדק, אביזר סניטרי). מומלץ להשתמש בשרוולי הגנה או מגינים כדי למנוע נזק מכני במהלך הטיפול או ההפעלה ולהקל על החלפה קלה יותר מבלי לפגוע בסטריליות.