ข่าวสาร - การตรวจสอบระดับ pH ในกระบวนการหมักยาชีวภาพ

อิเล็กโทรด pH มีบทบาทสำคัญในกระบวนการหมัก โดยทำหน้าที่หลักในการตรวจสอบและควบคุมความเป็นกรดและด่างของน้ำหมัก ด้วยการวัดค่า pH อย่างต่อเนื่อง อิเล็กโทรดนี้จึงสามารถควบคุมสภาพแวดล้อมการหมักได้อย่างแม่นยำ อิเล็กโทรด pH ทั่วไปประกอบด้วยอิเล็กโทรดตรวจจับและอิเล็กโทรดอ้างอิง ซึ่งทำงานบนหลักการของสมการเนิร์นสต์ ซึ่งควบคุมการแปลงพลังงานเคมีเป็นสัญญาณไฟฟ้า ศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กโทรดสัมพันธ์โดยตรงกับกิจกรรมของไอออนไฮโดรเจนในสารละลาย ค่า pH ถูกกำหนดโดยการเปรียบเทียบความต่างศักย์ที่วัดได้กับค่าของสารละลายบัฟเฟอร์มาตรฐาน ทำให้การสอบเทียบมีความแม่นยำและเชื่อถือได้ วิธีการวัดนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าการควบคุมค่า pH จะคงที่ตลอดกระบวนการหมัก จึงสนับสนุนการทำงานของจุลินทรีย์หรือเซลล์อย่างเหมาะสมที่สุด และรับประกันคุณภาพของผลิตภัณฑ์

การใช้อิเล็กโทรด pH อย่างถูกต้องต้องผ่านขั้นตอนเตรียมการหลายขั้นตอน รวมถึงการกระตุ้นอิเล็กโทรด ซึ่งโดยทั่วไปทำได้โดยการจุ่มอิเล็กโทรดลงในน้ำกลั่นหรือสารละลายบัฟเฟอร์ pH 4 เพื่อให้มั่นใจถึงการตอบสนองและความแม่นยำในการวัดที่เหมาะสมที่สุด เพื่อตอบสนองความต้องการที่เข้มงวดของอุตสาหกรรมการหมักชีวเภสัชภัณฑ์ อิเล็กโทรด pH ต้องมีเวลาในการตอบสนองที่รวดเร็ว ความแม่นยำสูง และความทนทานภายใต้สภาวะการฆ่าเชื้อที่เข้มงวด เช่น การฆ่าเชื้อด้วยไอน้ำอุณหภูมิสูง (SIP) คุณสมบัติเหล่านี้ช่วยให้ประสิทธิภาพที่เชื่อถือได้ในสภาพแวดล้อมที่ปลอดเชื้อ ตัวอย่างเช่น ในการผลิตกรดกลูตามิก การตรวจสอบค่า pH อย่างแม่นยำเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการควบคุมพารามิเตอร์สำคัญต่างๆ เช่น อุณหภูมิ ออกซิเจนที่ละลายในน้ำ ความเร็วในการกวน และค่า pH เอง การควบคุมตัวแปรเหล่านี้อย่างแม่นยำส่งผลโดยตรงต่อทั้งผลผลิตและคุณภาพของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย อิเล็กโทรด pH ขั้นสูงบางรุ่น ซึ่งประกอบด้วยเมมเบรนแก้วที่ทนต่ออุณหภูมิสูงและระบบอ้างอิงเจลโพลีเมอร์แบบอัดแรงดันล่วงหน้า แสดงให้เห็นถึงความเสถียรที่ยอดเยี่ยมภายใต้สภาวะอุณหภูมิและความดันสูง จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งาน SIP ในกระบวนการหมักทางชีวภาพและอาหาร ยิ่งไปกว่านั้น ความสามารถในการป้องกันคราบสกปรกที่แข็งแกร่งยังช่วยให้ประสิทธิภาพการทำงานสม่ำเสมอในน้ำซุปหมักที่หลากหลาย บริษัท Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. นำเสนอตัวเลือกขั้วต่ออิเล็กโทรดที่หลากหลาย เพื่อเพิ่มความสะดวกสบายให้กับผู้ใช้และความยืดหยุ่นในการผสานรวมระบบ

เหตุใดจึงจำเป็นต้องตรวจสอบค่า pH ในระหว่างกระบวนการหมักของผลิตภัณฑ์ชีวเภสัชภัณฑ์?

ในการหมักชีวเภสัชภัณฑ์ การตรวจสอบและควบคุมค่า pH แบบเรียลไทม์เป็นสิ่งจำเป็นต่อความสำเร็จในการผลิตและการเพิ่มผลผลิตและคุณภาพของผลิตภัณฑ์เป้าหมาย เช่น ยาปฏิชีวนะ วัคซีน แอนติบอดีโมโนโคลนอล และเอนไซม์ โดยพื้นฐานแล้ว การควบคุมค่า pH จะสร้างสภาพแวดล้อมทางสรีรวิทยาที่เหมาะสมที่สุดสำหรับเซลล์จุลินทรีย์หรือเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ซึ่งทำหน้าที่เป็น "โรงงานที่มีชีวิต" เพื่อเจริญเติบโตและสังเคราะห์สารประกอบบำบัด คล้ายกับวิธีที่เกษตรกรปรับค่า pH ในดินตามความต้องการของพืช

1. รักษาการทำงานของเซลล์ให้เหมาะสมที่สุด
การหมักอาศัยเซลล์ที่มีชีวิต (เช่น เซลล์ CHO) ในการผลิตชีวโมเลกุลที่ซับซ้อน การเผาผลาญของเซลล์มีความไวสูงต่อค่า pH ของสิ่งแวดล้อม เอนไซม์ซึ่งเร่งปฏิกิริยาทางชีวเคมีภายในเซลล์ทั้งหมดมีค่า pH ที่เหมาะสมที่สุดที่แคบ การเบี่ยงเบนจากช่วงนี้อาจลดการทำงานของเอนไซม์อย่างมีนัยสำคัญหรือทำให้เกิดการเสื่อมสภาพ ส่งผลให้การทำงานของระบบเผาผลาญบกพร่อง นอกจากนี้ การดูดซึมสารอาหารผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ เช่น กลูโคส กรดอะมิโน และเกลืออนินทรีย์ ขึ้นอยู่กับค่า pH ค่า pH ที่ต่ำกว่าค่าที่เหมาะสมอาจขัดขวางการดูดซึมสารอาหาร นำไปสู่การเจริญเติบโตที่ไม่เหมาะสมหรือความไม่สมดุลของระบบเผาผลาญ ยิ่งไปกว่านั้น ค่า pH ที่สูงเกินไปอาจส่งผลต่อความสมบูรณ์ของเยื่อหุ้มเซลล์ ส่งผลให้เกิดการรั่วไหลของไซโทพลาสซึมหรือการสลายของเซลล์

2. ลดการเกิดผลพลอยได้และของเสียจากสารตั้งต้นให้เหลือน้อยที่สุด
ในระหว่างการหมัก การเผาผลาญของเซลล์จะสร้างเมแทบอไลต์ที่เป็นกรดหรือเบส ตัวอย่างเช่น จุลินทรีย์หลายชนิดผลิตกรดอินทรีย์ (เช่น กรดแลคติก กรดอะซิติก) ในระหว่างกระบวนการย่อยสลายกลูโคส ซึ่งทำให้ค่า pH ลดลง หากไม่ได้รับการแก้ไข ค่า pH ที่ต่ำจะยับยั้งการเจริญเติบโตของเซลล์ และอาจเปลี่ยนทิศทางการเผาผลาญไปสู่วิถีที่ไม่ก่อให้เกิดผลผลิต ส่งผลให้การสะสมของผลพลอยได้เพิ่มขึ้น ผลพลอยได้เหล่านี้ใช้ทรัพยากรคาร์บอนและพลังงานที่มีค่า ซึ่งปกติแล้วจะช่วยสนับสนุนการสังเคราะห์ผลิตภัณฑ์เป้าหมาย ส่งผลให้ผลผลิตโดยรวมลดลง การควบคุมค่า pH ที่มีประสิทธิภาพช่วยรักษาเส้นทางการเผาผลาญที่ต้องการและปรับปรุงประสิทธิภาพของกระบวนการ

3. รับรองความเสถียรของผลิตภัณฑ์และป้องกันการเสื่อมสภาพ
ผลิตภัณฑ์ชีวเภสัชภัณฑ์หลายชนิด โดยเฉพาะโปรตีน เช่น โมโนโคลนอลแอนติบอดีและฮอร์โมนเปปไทด์ มักไวต่อการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างที่เกิดจากค่า pH โมเลกุลเหล่านี้เมื่ออยู่นอกช่วงค่า pH ที่คงที่อาจเกิดการเสื่อมสภาพ การรวมตัว หรือการทำให้หมดฤทธิ์ ซึ่งอาจก่อให้เกิดตะกอนที่เป็นอันตรายได้ นอกจากนี้ ผลิตภัณฑ์บางชนิดยังมีแนวโน้มที่จะเกิดการไฮโดรไลซิสทางเคมีหรือการย่อยสลายด้วยเอนไซม์ภายใต้สภาวะที่เป็นกรดหรือด่าง การรักษาค่า pH ให้เหมาะสมช่วยลดการเสื่อมสภาพของผลิตภัณฑ์ในระหว่างการผลิต ช่วยรักษาประสิทธิภาพและความปลอดภัย

4. เพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการและรับรองความสม่ำเสมอในแต่ละชุด
จากมุมมองทางอุตสาหกรรม การควบคุมค่า pH ส่งผลโดยตรงต่อผลผลิตและความยั่งยืนทางเศรษฐกิจ มีการวิจัยอย่างกว้างขวางเพื่อระบุค่า pH ที่เหมาะสมสำหรับขั้นตอนการหมักที่แตกต่างกัน เช่น การเจริญเติบโตของเซลล์เทียบกับการแสดงออกของผลิตภัณฑ์ ซึ่งอาจแตกต่างกันอย่างมาก การควบคุมค่า pH แบบไดนามิกช่วยให้สามารถปรับค่าให้เหมาะสมในแต่ละขั้นตอน ส่งผลให้การสะสมชีวมวลและค่าไทเตอร์ของผลิตภัณฑ์สูงสุด นอกจากนี้ หน่วยงานกำกับดูแล เช่น องค์การอาหารและยา (FDA) และ EMA กำหนดให้ปฏิบัติตามหลักเกณฑ์วิธีการที่ดีในการผลิต (GMP) อย่างเคร่งครัด ซึ่งจำเป็นต้องมีพารามิเตอร์กระบวนการที่สอดคล้องกัน ค่า pH ได้รับการยอมรับว่าเป็นพารามิเตอร์กระบวนการสำคัญ (Critical Process Parameter: CPP) และการตรวจสอบอย่างต่อเนื่องช่วยให้มั่นใจได้ถึงความสามารถในการผลิตซ้ำได้ในทุกชุดการผลิต ซึ่งรับประกันความปลอดภัย ประสิทธิภาพ และคุณภาพของผลิตภัณฑ์ยา

5. ทำหน้าที่เป็นตัวบ่งชี้สุขภาพการหมัก
แนวโน้มการเปลี่ยนแปลงค่า pH ให้ข้อมูลเชิงลึกอันมีค่าเกี่ยวกับสภาวะทางสรีรวิทยาของเชื้อเพาะเลี้ยง การเปลี่ยนแปลงค่า pH อย่างกะทันหันหรือไม่คาดคิดอาจเป็นสัญญาณของการปนเปื้อน ความผิดปกติของเซ็นเซอร์ การสูญเสียสารอาหาร หรือความผิดปกติของระบบเผาผลาญ การตรวจจับแต่เนิ่นๆ โดยอาศัยแนวโน้มค่า pH ช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานสามารถเข้าแทรกแซงได้อย่างทันท่วงที อำนวยความสะดวกในการแก้ไขปัญหา และป้องกันความผิดพลาดของชุดการผลิตที่มีค่าใช้จ่ายสูง

ควรเลือกเซ็นเซอร์ pH สำหรับกระบวนการหมักในผลิตภัณฑ์ชีวเภสัชอย่างไร

การเลือกเซ็นเซอร์วัดค่า pH ที่เหมาะสมสำหรับการหมักชีวเภสัชกรรมเป็นการตัดสินใจทางวิศวกรรมที่สำคัญซึ่งส่งผลต่อความน่าเชื่อถือของกระบวนการ ความสมบูรณ์ของข้อมูล คุณภาพของผลิตภัณฑ์ และการปฏิบัติตามกฎระเบียบ การเลือกควรพิจารณาอย่างเป็นระบบ โดยไม่เพียงแต่คำนึงถึงประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงความเข้ากันได้กับขั้นตอนการทำงานของกระบวนการทางชีวภาพทั้งหมดด้วย

1. ทนต่ออุณหภูมิสูงและแรงดันสูง
กระบวนการทางชีวเภสัชกรรมโดยทั่วไปจะใช้การฆ่าเชื้อด้วยไอน้ำแบบ in-situ (SIP) โดยทั่วไปที่อุณหภูมิ 121°C และความดัน 1–2 บาร์ เป็นเวลา 20–60 นาที ดังนั้น เซ็นเซอร์วัดค่า pH ใดๆ จะต้องทนต่อสภาวะเช่นนี้ซ้ำๆ โดยไม่เกิดความเสียหาย โดยหลักการแล้ว เซ็นเซอร์ควรมีอุณหภูมิอย่างน้อย 130°C และความดัน 3–4 บาร์ เพื่อให้มีความปลอดภัย การปิดผนึกที่แข็งแรงเป็นสิ่งสำคัญเพื่อป้องกันความชื้น การรั่วไหลของอิเล็กโทรไลต์ หรือความเสียหายทางกลระหว่างวงจรความร้อน

2. ประเภทเซนเซอร์และระบบอ้างอิง
นี่เป็นข้อพิจารณาทางเทคนิคหลักที่ส่งผลต่อเสถียรภาพในระยะยาว ความต้องการในการบำรุงรักษา และความต้านทานการเกิดตะกรัน
การกำหนดค่าอิเล็กโทรด: อิเล็กโทรดแบบคอมโพสิตซึ่งรวมทั้งองค์ประกอบการวัดและการอ้างอิงไว้ในตัวเดียว ได้รับความนิยมใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากติดตั้งและจัดการได้ง่าย
ระบบอ้างอิง:
• สารละลายอ้างอิงแบบเติมของเหลว (เช่น สารละลาย KCl): ให้การตอบสนองที่รวดเร็วและความแม่นยำสูง แต่จำเป็นต้องเติมสารอ้างอิงเป็นระยะ ระหว่างการทำ SIP อาจเกิดการสูญเสียอิเล็กโทรไลต์ และจุดเชื่อมต่อที่มีรูพรุน (เช่น เซรามิกฟริต) มีแนวโน้มที่จะอุดตันจากโปรตีนหรืออนุภาค ทำให้เกิดการดริฟท์และการอ่านค่าที่ไม่น่าเชื่อถือ
• เจลโพลิเมอร์หรือโซลิดสเตตอ้างอิง: ได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นในไบโอรีแอคเตอร์สมัยใหม่ ระบบเหล่านี้ช่วยลดความจำเป็นในการเติมอิเล็กโทรไลต์ ลดการบำรุงรักษา และมีจุดเชื่อมต่อของเหลวที่กว้างขึ้น (เช่น วงแหวน PTFE) ซึ่งป้องกันการเปรอะเปื้อน ระบบนี้มีเสถียรภาพที่เหนือกว่าและอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้นในสื่อการหมักที่มีความหนืดและซับซ้อน

3. ช่วงการวัดและความแม่นยำ
เซ็นเซอร์ควรครอบคลุมช่วงการทำงานที่กว้าง โดยทั่วไปคือ pH 2–12 เพื่อรองรับขั้นตอนกระบวนการที่หลากหลาย เมื่อพิจารณาถึงความไวของระบบชีวภาพ ความแม่นยำในการวัดควรอยู่ในช่วง ±0.01 ถึง ±0.02 หน่วย pH โดยมีสัญญาณเอาต์พุตความละเอียดสูงรองรับ

4. เวลาตอบสนอง
โดยทั่วไปเวลาตอบสนองจะถูกกำหนดเป็น t90 ซึ่งเป็นเวลาที่จำเป็นในการเข้าถึง 90% ของค่าที่อ่านได้สุดท้ายหลังจากการเปลี่ยนแปลงค่า pH ขั้นบันได แม้ว่าอิเล็กโทรดชนิดเจลอาจแสดงการตอบสนองที่ช้ากว่าอิเล็กโทรดชนิดบรรจุของเหลวเล็กน้อย แต่โดยทั่วไปแล้วอิเล็กโทรดเหล่านี้จะตรงตามข้อกำหนดแบบไดนามิกของลูปควบคุมการหมัก ซึ่งทำงานเป็นช่วงเวลารายชั่วโมงแทนที่จะเป็นวินาที

5. ความเข้ากันได้ทางชีวภาพ
วัสดุทั้งหมดที่สัมผัสกับอาหารเลี้ยงเชื้อต้องปลอดสารพิษ ไม่ละลายน้ำ และเฉื่อย เพื่อหลีกเลี่ยงผลกระทบเชิงลบต่อความมีชีวิตของเซลล์หรือคุณภาพของผลิตภัณฑ์ ขอแนะนำให้ใช้สูตรแก้วเฉพาะที่ออกแบบมาสำหรับการใช้งานในกระบวนการทางชีวภาพ เพื่อให้มั่นใจถึงความทนทานต่อสารเคมีและความเข้ากันได้ทางชีวภาพ

6. สัญญาณเอาท์พุตและอินเทอร์เฟซ
• เอาต์พุตอะนาล็อก (mV/pH): วิธีการดั้งเดิมที่ใช้การส่งสัญญาณอะนาล็อกไปยังระบบควบคุม คุ้มค่าแต่เสี่ยงต่อการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าและการลดทอนสัญญาณในระยะไกล
• เอาต์พุตดิจิทัล (เช่น เซ็นเซอร์แบบ MEMS หรือเซ็นเซอร์อัจฉริยะ): ผสานไมโครอิเล็กทรอนิกส์ในตัวเพื่อส่งสัญญาณดิจิทัล (เช่น ผ่าน RS485) ทนทานต่อสัญญาณรบกวนได้อย่างดีเยี่ยม รองรับการสื่อสารระยะไกล และจัดเก็บประวัติการสอบเทียบ หมายเลขซีเรียล และบันทึกการใช้งานได้ สอดคล้องกับมาตรฐานการกำกับดูแลต่างๆ เช่น FDA 21 CFR ส่วนที่ 11 เกี่ยวกับบันทึกและลายเซ็นอิเล็กทรอนิกส์ ทำให้เป็นที่นิยมมากขึ้นในสภาพแวดล้อม GMP

7. อินเทอร์เฟซการติดตั้งและตัวเรือนป้องกัน
เซ็นเซอร์ต้องเข้ากันได้กับพอร์ตที่กำหนดบนไบโอรีแอคเตอร์ (เช่น ไตรแคลมป์ ข้อต่อสุขภัณฑ์) แนะนำให้ใช้ปลอกหรือตัวป้องกันเพื่อป้องกันความเสียหายทางกลระหว่างการจัดการหรือการใช้งาน และเพื่อให้เปลี่ยนได้ง่ายยิ่งขึ้นโดยไม่กระทบต่อความปลอดเชื้อ