ข่าว - การตรวจสอบระดับ pH ในกระบวนการหมักทางชีวเภสัชกรรม

อิเล็กโทรดวัดค่า pH มีบทบาทสำคัญในกระบวนการหมัก โดยทำหน้าที่หลักในการตรวจสอบและควบคุมความเป็นกรดด่างของสารละลายหมัก การวัดค่า pH อย่างต่อเนื่องทำให้สามารถควบคุมสภาพแวดล้อมการหมักได้อย่างแม่นยำ อิเล็กโทรดวัดค่า pH ทั่วไปประกอบด้วยอิเล็กโทรดตรวจวัดและอิเล็กโทรดอ้างอิง ทำงานบนหลักการของสมการเนิร์นสต์ ซึ่งควบคุมการแปลงพลังงานเคมีเป็นสัญญาณไฟฟ้า ศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กโทรดมีความสัมพันธ์โดยตรงกับกิจกรรมของไอออนไฮโดรเจนในสารละลาย ค่า pH จะถูกกำหนดโดยการเปรียบเทียบความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าที่วัดได้กับค่าของสารละลายบัฟเฟอร์มาตรฐาน ทำให้สามารถสอบเทียบได้อย่างแม่นยำและเชื่อถือได้ วิธีการวัดนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าค่า pH จะคงที่ตลอดกระบวนการหมัก ซึ่งจะช่วยสนับสนุนกิจกรรมของจุลินทรีย์หรือเซลล์ให้อยู่ในระดับที่เหมาะสมและรับประกันคุณภาพของผลิตภัณฑ์

การใช้งานอิเล็กโทรดวัดค่า pH อย่างถูกต้องนั้นต้องผ่านขั้นตอนการเตรียมการหลายขั้นตอน รวมถึงการกระตุ้นอิเล็กโทรด ซึ่งโดยทั่วไปทำได้โดยการแช่อิเล็กโทรดในน้ำกลั่นหรือสารละลายบัฟเฟอร์ pH 4 เพื่อให้มั่นใจได้ถึงการตอบสนองที่ดีที่สุดและความแม่นยำในการวัด เพื่อตอบสนองความต้องการที่เข้มงวดของอุตสาหกรรมการหมักทางชีวเภสัชกรรม อิเล็กโทรดวัดค่า pH ต้องแสดงการตอบสนองที่รวดเร็ว ความแม่นยำสูง และความทนทานภายใต้สภาวะการฆ่าเชื้อที่เข้มงวด เช่น การฆ่าเชื้อด้วยไอน้ำอุณหภูมิสูง (SIP) คุณลักษณะเหล่านี้ช่วยให้การทำงานในสภาพแวดล้อมปลอดเชื้อมีความน่าเชื่อถือ ตัวอย่างเช่น ในการผลิตกรดกลูตามิก การตรวจสอบค่า pH อย่างแม่นยำเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการควบคุมพารามิเตอร์หลัก เช่น อุณหภูมิ ออกซิเจนละลาย ความเร็วในการกวน และค่า pH เอง การควบคุมตัวแปรเหล่านี้อย่างแม่นยำส่งผลโดยตรงต่อทั้งผลผลิตและคุณภาพของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย อิเล็กโทรดวัดค่า pH ขั้นสูงบางชนิดที่มีเยื่อแก้วทนความร้อนสูงและระบบอ้างอิงเจลโพลีเมอร์ที่อัดแรงดันไว้ล่วงหน้า แสดงให้เห็นถึงความเสถียรที่ยอดเยี่ยมภายใต้สภาวะอุณหภูมิและความดันที่รุนแรง ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งาน SIP ในกระบวนการหมักทางชีวภาพและอาหาร นอกจากนี้ คุณสมบัติป้องกันการเกาะติดที่ดีเยี่ยมยังช่วยให้ได้ประสิทธิภาพการทำงานที่สม่ำเสมอในน้ำหมักที่หลากหลาย บริษัท เซี่ยงไฮ้ โบฉู่ อินสตรักชั่น จำกัด มีตัวเลือกขั้วต่ออิเล็กโทรดหลากหลายแบบ เพื่อเพิ่มความสะดวกสบายในการใช้งานและความยืดหยุ่นในการบูรณาการระบบ

เหตุใดจึงจำเป็นต้องตรวจสอบค่า pH ในระหว่างกระบวนการหมักเพื่อผลิตยาชีวเภสัชภัณฑ์?

ในกระบวนการหมักทางชีวเภสัชกรรม การตรวจสอบและควบคุมค่า pH แบบเรียลไทม์มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการผลิตที่ประสบความสำเร็จ และเพื่อเพิ่มผลผลิตและคุณภาพของผลิตภัณฑ์เป้าหมาย เช่น ยาปฏิชีวนะ วัคซีน แอนติบอดีโมโนโคลนอล และเอนไซม์ โดยพื้นฐานแล้ว การควบคุมค่า pH จะสร้างสภาพแวดล้อมทางสรีรวิทยาที่เหมาะสมที่สุดสำหรับเซลล์จุลินทรีย์หรือเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ซึ่งทำหน้าที่เป็น "โรงงานที่มีชีวิต" ในการเจริญเติบโตและสังเคราะห์สารประกอบทางการรักษา คล้ายกับวิธีที่เกษตรกรปรับค่า pH ของดินตามความต้องการของพืช

1. รักษาการทำงานของเซลล์ให้อยู่ในระดับที่เหมาะสม
กระบวนการหมักอาศัยเซลล์ที่มีชีวิต (เช่น เซลล์ CHO) ในการผลิตสารชีวโมเลกุลที่ซับซ้อน การเผาผลาญภายในเซลล์มีความไวต่อค่า pH ของสิ่งแวดล้อมสูง เอนไซม์ซึ่งเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในปฏิกิริยาชีวเคมีภายในเซลล์ทั้งหมด มีค่า pH ที่เหมาะสมค่อนข้างแคบ การเบี่ยงเบนจากช่วงนี้สามารถลดกิจกรรมของเอนไซม์ลงอย่างมากหรือทำให้เกิดการเสียสภาพ ส่งผลให้การทำงานของระบบเผาผลาญบกพร่อง นอกจากนี้ การดูดซึมสารอาหารผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ เช่น กลูโคส กรดอะมิโน และเกลืออนินทรีย์ ก็ขึ้นอยู่กับค่า pH ด้วย ระดับ pH ที่ไม่เหมาะสมอาจขัดขวางการดูดซึมสารอาหาร นำไปสู่การเจริญเติบโตที่ไม่เหมาะสมหรือความไม่สมดุลของระบบเผาผลาญ ยิ่งไปกว่านั้น ค่า pH ที่สูงเกินไปอาจทำให้ความสมบูรณ์ของเยื่อหุ้มเซลล์เสียหาย ส่งผลให้เกิดการรั่วไหลของไซโตพลาสซึมหรือเซลล์แตกได้

2. ลดการเกิดผลิตภัณฑ์พลอยได้และของเสียจากวัตถุดิบให้น้อยที่สุด
ในระหว่างกระบวนการหมัก เซลล์จะสร้างสารเมตาบอไลต์ที่เป็นกรดหรือด่างขึ้นมา ตัวอย่างเช่น จุลินทรีย์หลายชนิดผลิตกรดอินทรีย์ (เช่น กรดแลคติก กรดอะซิติก) ในระหว่างการสลายกลูโคส ทำให้ค่า pH ลดลง หากไม่แก้ไข ค่า pH ที่ต่ำจะยับยั้งการเจริญเติบโตของเซลล์และอาจทำให้กระบวนการเมตาบอลิซึมเปลี่ยนไปสู่เส้นทางที่ไม่ก่อให้เกิดประโยชน์ ส่งผลให้มีการสะสมของผลพลอยได้มากขึ้น ผลพลอยได้เหล่านี้จะใช้ทรัพยากรคาร์บอนและพลังงานที่มีค่าซึ่งควรจะนำไปใช้ในการสังเคราะห์ผลิตภัณฑ์เป้าหมาย ทำให้ผลผลิตโดยรวมลดลง การควบคุมค่า pH อย่างมีประสิทธิภาพจะช่วยรักษากระบวนการเมตาบอลิซึมที่ต้องการและปรับปรุงประสิทธิภาพของกระบวนการ

3. รักษาเสถียรภาพของผลิตภัณฑ์และป้องกันการเสื่อมสภาพ
ผลิตภัณฑ์ชีวเภสัชภัณฑ์หลายชนิด โดยเฉพาะโปรตีน เช่น โมโนโคลนอลแอนติบอดีและฮอร์โมนเปปไทด์ มีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างที่เกิดจากค่า pH เมื่อค่า pH อยู่นอกช่วงที่เสถียร โมเลกุลเหล่านี้อาจเกิดการเสียสภาพ การรวมตัว หรือการไม่ทำงาน ซึ่งอาจก่อให้เกิดตะกอนที่เป็นอันตรายได้ นอกจากนี้ ผลิตภัณฑ์บางชนิดยังไวต่อการไฮโดรไลซิสทางเคมีหรือการย่อยสลายด้วยเอนไซม์ภายใต้สภาวะที่เป็นกรดหรือด่าง การรักษาค่า pH ที่เหมาะสมจะช่วยลดการเสื่อมสภาพของผลิตภัณฑ์ในระหว่างการผลิต รักษาประสิทธิภาพและความปลอดภัย

4. เพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการและสร้างความสม่ำเสมอในแต่ละล็อตการผลิต
จากมุมมองทางอุตสาหกรรม การควบคุมค่า pH ส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการผลิตและความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจ มีการวิจัยอย่างกว้างขวางเพื่อระบุค่า pH ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับขั้นตอนการหมักที่แตกต่างกัน เช่น การเจริญเติบโตของเซลล์และการแสดงออกของผลิตภัณฑ์ ซึ่งอาจแตกต่างกันอย่างมาก การควบคุมค่า pH แบบไดนามิกช่วยให้สามารถปรับให้เหมาะสมตามแต่ละขั้นตอนได้สูงสุด ทำให้สะสมชีวมวลและเพิ่มปริมาณผลิตภัณฑ์ได้สูงสุด นอกจากนี้ หน่วยงานกำกับดูแล เช่น FDA และ EMA กำหนดให้ต้องปฏิบัติตามหลักการปฏิบัติที่ดีในการผลิต (GMP) อย่างเคร่งครัด ซึ่งพารามิเตอร์กระบวนการที่สม่ำเสมอเป็นสิ่งจำเป็น ค่า pH ได้รับการยอมรับว่าเป็นพารามิเตอร์กระบวนการที่สำคัญ (CPP) และการตรวจสอบอย่างต่อเนื่องช่วยให้มั่นใจได้ถึงความสามารถในการทำซ้ำได้ในแต่ละล็อต รับประกันความปลอดภัย ประสิทธิภาพ และคุณภาพของผลิตภัณฑ์ยา

5. ใช้เป็นตัวบ่งชี้ถึงสุขภาพของการหมัก
แนวโน้มการเปลี่ยนแปลงของค่า pH ให้ข้อมูลเชิงลึกที่มีค่าเกี่ยวกับสภาวะทางสรีรวิทยาของจุลินทรีย์ การเปลี่ยนแปลงค่า pH อย่างกะทันหันหรือไม่คาดคิดอาจบ่งชี้ถึงการปนเปื้อน การทำงานผิดปกติของเซ็นเซอร์ การขาดแคลนสารอาหาร หรือความผิดปกติทางเมตาบอลิซึม การตรวจจับตั้งแต่เนิ่นๆ โดยอาศัยแนวโน้มของค่า pH ช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานสามารถแก้ไขปัญหาได้ทันท่วงที อำนวยความสะดวกในการแก้ไขปัญหาและป้องกันความล้มเหลวของกระบวนการผลิตที่อาจก่อให้เกิดค่าใช้จ่ายสูง

ควรเลือกใช้เซนเซอร์วัดค่า pH อย่างไรสำหรับกระบวนการหมักในอุตสาหกรรมยาชีววัตถุ?

การเลือกเซนเซอร์วัดค่า pH ที่เหมาะสมสำหรับการหมักทางชีวเภสัชกรรมเป็นขั้นตอนทางวิศวกรรมที่สำคัญ ซึ่งส่งผลต่อความน่าเชื่อถือของกระบวนการ ความสมบูรณ์ของข้อมูล คุณภาพของผลิตภัณฑ์ และการปฏิบัติตามกฎระเบียบ การเลือกควรดำเนินการอย่างเป็นระบบ โดยคำนึงถึงไม่เพียงแต่ประสิทธิภาพของเซนเซอร์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงความเข้ากันได้กับขั้นตอนการทำงานทางชีวภาพทั้งหมดด้วย

1. ทนต่ออุณหภูมิและความดันสูง
กระบวนการผลิตยาชีวภาพมักใช้การฆ่าเชื้อด้วยไอน้ำในสถานที่ (SIP) โดยทั่วไปที่อุณหภูมิ 121°C และความดัน 1–2 บาร์ เป็นเวลา 20–60 นาที ดังนั้น เซ็นเซอร์วัดค่า pH ใดๆ ก็ตามจะต้องทนต่อการสัมผัสกับสภาวะดังกล่าวซ้ำๆ โดยไม่เสียหาย โดยในอุดมคติแล้ว เซ็นเซอร์ควรมีพิกัดอุณหภูมิอย่างน้อย 130°C และความดัน 3–4 บาร์ เพื่อให้มีระยะปลอดภัย การปิดผนึกที่แข็งแรงเป็นสิ่งสำคัญเพื่อป้องกันความชื้นเข้า การรั่วไหลของอิเล็กโทรไลต์ หรือความเสียหายทางกลระหว่างการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

2. ประเภทเซ็นเซอร์และระบบอ้างอิง
นี่เป็นข้อพิจารณาทางเทคนิคที่สำคัญซึ่งส่งผลต่อเสถียรภาพในระยะยาว ความต้องการในการบำรุงรักษา และความต้านทานต่อการเกิดคราบสกปรก
การกำหนดค่าอิเล็กโทรด: อิเล็กโทรดแบบผสม ซึ่งรวมทั้งองค์ประกอบการวัดและองค์ประกอบอ้างอิงไว้ในตัวเดียวกัน ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากติดตั้งและใช้งานง่าย
ระบบอ้างอิง:
• สารอ้างอิงแบบบรรจุของเหลว (เช่น สารละลาย KCl): ให้การตอบสนองที่รวดเร็วและมีความแม่นยำสูง แต่ต้องเติมสารละลายใหม่เป็นระยะ ในระหว่างกระบวนการ SIP อาจเกิดการสูญเสียอิเล็กโทรไลต์ และจุดเชื่อมต่อที่มีรูพรุน (เช่น เซรามิกฟริต) มีแนวโน้มที่จะอุดตันด้วยโปรตีนหรืออนุภาค ทำให้เกิดการคลาดเคลื่อนและค่าที่อ่านได้ไม่น่าเชื่อถือ
• สารอ้างอิงแบบเจลพอลิเมอร์หรือแบบของแข็ง: เป็นที่นิยมมากขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพสมัยใหม่ ระบบเหล่านี้ช่วยลดความจำเป็นในการเติมอิเล็กโทรไลต์ ลดการบำรุงรักษา และมีจุดเชื่อมต่อของเหลวที่กว้างกว่า (เช่น วงแหวน PTFE) ที่ทนต่อการอุดตัน ให้ความเสถียรที่เหนือกว่าและอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่าในตัวกลางการหมักที่ซับซ้อนและมีความหนืดสูง

3. ช่วงการวัดและความแม่นยำ
เซนเซอร์ควรครอบคลุมช่วงการทำงานที่กว้าง โดยทั่วไปคือ pH 2–12 เพื่อรองรับขั้นตอนกระบวนการที่แตกต่างกัน เนื่องจากระบบชีวภาพมีความไวสูง ความแม่นยำในการวัดจึงควรอยู่ในช่วง ±0.01 ถึง ±0.02 หน่วย pH โดยได้รับการสนับสนุนจากสัญญาณเอาต์พุตที่มีความละเอียดสูง

4. เวลาตอบสนอง
เวลาตอบสนองโดยทั่วไปกำหนดเป็น t90 ซึ่งเป็นเวลาที่ใช้ในการเข้าถึง 90% ของค่าที่อ่านได้สุดท้ายหลังจากมีการเปลี่ยนแปลงค่า pH อย่างฉับพลัน แม้ว่าอิเล็กโทรดชนิดเจลอาจมีการตอบสนองช้ากว่าอิเล็กโทรดชนิดบรรจุของเหลวเล็กน้อย แต่โดยทั่วไปแล้วก็สามารถตอบสนองความต้องการด้านไดนามิกของวงจรควบคุมการหมัก ซึ่งทำงานในระดับเวลาเป็นชั่วโมงมากกว่าวินาที

5. ความเข้ากันได้ทางชีวภาพ
วัสดุทั้งหมดที่สัมผัสกับอาหารเลี้ยงเซลล์ต้องปลอดสารพิษ ไม่ปล่อยสารเคมี และเฉื่อย เพื่อหลีกเลี่ยงผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์ต่อความอยู่รอดของเซลล์หรือคุณภาพของผลิตภัณฑ์ แนะนำให้ใช้สูตรแก้วเฉพาะที่ออกแบบมาสำหรับการใช้งานในกระบวนการทางชีวภาพ เพื่อให้มั่นใจถึงความทนทานต่อสารเคมีและความเข้ากันได้ทางชีวภาพ

6. สัญญาณขาออกและอินเทอร์เฟซ
• สัญญาณเอาต์พุตแบบอนาล็อก (mV/pH): วิธีการแบบดั้งเดิมที่ใช้การส่งสัญญาณแบบอนาล็อกไปยังระบบควบคุม ประหยัดค่าใช้จ่าย แต่มีความเสี่ยงต่อการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าและการลดทอนของสัญญาณในระยะทางไกล
• เอาต์พุตดิจิทัล (เช่น เซ็นเซอร์ MEMS หรือเซ็นเซอร์อัจฉริยะ): มีไมโครอิเล็กทรอนิกส์ในตัวเพื่อส่งสัญญาณดิจิทัล (เช่น ผ่าน RS485) ให้ความต้านทานต่อสัญญาณรบกวนที่ดีเยี่ยม รองรับการสื่อสารระยะไกล และช่วยให้สามารถจัดเก็บประวัติการสอบเทียบ หมายเลขซีเรียล และบันทึกการใช้งานได้ สอดคล้องกับมาตรฐานข้อบังคับ เช่น FDA 21 CFR Part 11 เกี่ยวกับบันทึกและลายเซ็นอิเล็กทรอนิกส์ ทำให้เป็นที่นิยมมากขึ้นในสภาพแวดล้อม GMP

7. ส่วนเชื่อมต่อการติดตั้งและตัวเรือนป้องกัน
เซ็นเซอร์ต้องเข้ากันได้กับพอร์ตที่กำหนดไว้บนไบโอรีแอคเตอร์ (เช่น ข้อต่อแบบไตรแคลมป์ ข้อต่อแบบสุขอนามัย) แนะนำให้ใช้ปลอกป้องกันหรือฝาครอบเพื่อป้องกันความเสียหายทางกลระหว่างการขนย้ายหรือการใช้งาน และเพื่อให้เปลี่ยนชิ้นส่วนได้ง่ายขึ้นโดยไม่กระทบต่อความปลอดเชื้อ