Tin tức - Giám sát độ pH trong quá trình lên men dược phẩm sinh học

Điện cực pH đóng vai trò quan trọng trong quá trình lên men, chủ yếu dùng để theo dõi và điều chỉnh độ axit và độ kiềm của dịch lên men. Bằng cách liên tục đo giá trị pH, điện cực cho phép kiểm soát chính xác môi trường lên men. Một điện cực pH điển hình bao gồm một điện cực cảm biến và một điện cực tham chiếu, hoạt động dựa trên nguyên lý phương trình Nernst, chi phối sự chuyển đổi năng lượng hóa học thành tín hiệu điện. Điện thế của điện cực liên quan trực tiếp đến hoạt động của các ion hydro trong dung dịch. Giá trị pH được xác định bằng cách so sánh hiệu điện thế đo được với hiệu điện thế của dung dịch đệm chuẩn, cho phép hiệu chuẩn chính xác và đáng tin cậy. Phương pháp đo này đảm bảo điều chỉnh pH ổn định trong suốt quá trình lên men, từ đó hỗ trợ hoạt động tối ưu của vi sinh vật hoặc tế bào và đảm bảo chất lượng sản phẩm.

Việc sử dụng đúng cách điện cực pH đòi hỏi một số bước chuẩn bị, bao gồm kích hoạt điện cực—thường được thực hiện bằng cách nhúng điện cực vào nước cất hoặc dung dịch đệm pH 4—để đảm bảo khả năng phản hồi tối ưu và độ chính xác đo lường. Để đáp ứng các yêu cầu khắt khe của ngành công nghiệp lên men dược phẩm sinh học, điện cực pH phải có thời gian phản hồi nhanh, độ chính xác cao và độ bền vững trong điều kiện khử trùng nghiêm ngặt như khử trùng bằng hơi nước ở nhiệt độ cao (SIP). Những đặc điểm này cho phép hoạt động đáng tin cậy trong môi trường vô trùng. Ví dụ, trong sản xuất axit glutamic, việc theo dõi pH chính xác là rất cần thiết để kiểm soát các thông số quan trọng như nhiệt độ, oxy hòa tan, tốc độ khuấy và chính pH. Việc điều chỉnh chính xác các biến số này ảnh hưởng trực tiếp đến cả năng suất và chất lượng của sản phẩm cuối cùng. Một số điện cực pH tiên tiến, có màng thủy tinh chịu nhiệt độ cao và hệ thống tham chiếu gel polymer được nén trước, thể hiện độ ổn định vượt trội trong điều kiện nhiệt độ và áp suất khắc nghiệt, khiến chúng đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng SIP trong các quy trình lên men sinh học và thực phẩm. Hơn nữa, khả năng chống bám bẩn mạnh mẽ của chúng cho phép hoạt động ổn định trên nhiều loại dịch lên men khác nhau. Công ty TNHH Thiết bị Boqu Thượng Hải cung cấp nhiều tùy chọn đầu nối điện cực, nâng cao sự tiện lợi cho người dùng và tính linh hoạt trong tích hợp hệ thống.

Tại sao việc theo dõi độ pH lại cần thiết trong quá trình lên men dược phẩm sinh học?

Trong quá trình lên men dược phẩm sinh học, việc theo dõi và kiểm soát độ pH theo thời gian thực là rất cần thiết để sản xuất thành công và tối đa hóa năng suất cũng như chất lượng của các sản phẩm mục tiêu như kháng sinh, vắc-xin, kháng thể đơn dòng và enzyme. Về bản chất, việc kiểm soát độ pH tạo ra một môi trường sinh lý tối ưu cho các tế bào vi sinh vật hoặc động vật có vú—hoạt động như những "nhà máy sống"—để phát triển và tổng hợp các hợp chất trị liệu, tương tự như cách nông dân điều chỉnh độ pH của đất theo nhu cầu của cây trồng.

1. Duy trì hoạt động tế bào tối ưu
Quá trình lên men dựa vào các tế bào sống (ví dụ: tế bào CHO) để sản xuất các phân tử sinh học phức tạp. Quá trình trao đổi chất của tế bào rất nhạy cảm với độ pH của môi trường. Các enzyme, chất xúc tác cho tất cả các phản ứng sinh hóa nội bào, có phạm vi pH tối ưu hẹp; sự sai lệch khỏi phạm vi này có thể làm giảm đáng kể hoạt động của enzyme hoặc gây biến tính, làm suy giảm chức năng trao đổi chất. Ngoài ra, sự hấp thụ chất dinh dưỡng qua màng tế bào—như glucose, axit amin và muối vô cơ—cũng phụ thuộc vào pH. Mức pH không tối ưu có thể cản trở sự hấp thụ chất dinh dưỡng, dẫn đến sự tăng trưởng không tối ưu hoặc mất cân bằng trao đổi chất. Hơn nữa, giá trị pH quá cao hoặc quá thấp có thể làm tổn hại tính toàn vẹn của màng tế bào, dẫn đến rò rỉ tế bào chất hoặc vỡ tế bào.

2. Giảm thiểu sự hình thành sản phẩm phụ và chất thải nguyên liệu.
Trong quá trình lên men, quá trình trao đổi chất của tế bào tạo ra các chất chuyển hóa có tính axit hoặc bazơ. Ví dụ, nhiều vi sinh vật tạo ra các axit hữu cơ (ví dụ: axit lactic, axit axetic) trong quá trình dị hóa glucose, gây ra sự giảm độ pH. Nếu không được điều chỉnh, độ pH thấp sẽ ức chế sự phát triển của tế bào và có thể làm chuyển hướng dòng trao đổi chất sang các con đường không hiệu quả, làm tăng sự tích tụ các sản phẩm phụ. Những sản phẩm phụ này tiêu thụ các nguồn carbon và năng lượng quý giá lẽ ra sẽ hỗ trợ quá trình tổng hợp sản phẩm mục tiêu, do đó làm giảm năng suất tổng thể. Kiểm soát độ pH hiệu quả giúp duy trì các con đường trao đổi chất mong muốn và cải thiện hiệu quả quy trình.

3. Đảm bảo tính ổn định của sản phẩm và ngăn ngừa sự xuống cấp.
Nhiều sản phẩm dược phẩm sinh học, đặc biệt là các protein như kháng thể đơn dòng và hormone peptide, dễ bị biến đổi cấu trúc do pH. Ngoài phạm vi pH ổn định, các phân tử này có thể bị biến tính, kết tụ hoặc bất hoạt, có khả năng tạo thành các kết tủa có hại. Thêm vào đó, một số sản phẩm dễ bị thủy phân hóa học hoặc phân hủy enzym trong điều kiện axit hoặc kiềm. Duy trì pH thích hợp giúp giảm thiểu sự suy thoái sản phẩm trong quá trình sản xuất, bảo toàn hiệu lực và độ an toàn.

4. Tối ưu hóa hiệu quả quy trình và đảm bảo tính nhất quán giữa các lô sản phẩm.
Từ góc độ công nghiệp, kiểm soát pH ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất và tính khả thi về kinh tế. Nhiều nghiên cứu được tiến hành để xác định điểm pH lý tưởng cho các giai đoạn lên men khác nhau—chẳng hạn như tăng trưởng tế bào so với biểu hiện sản phẩm—có thể khác nhau đáng kể. Kiểm soát pH động cho phép tối ưu hóa theo từng giai đoạn cụ thể, tối đa hóa sự tích lũy sinh khối và nồng độ sản phẩm. Hơn nữa, các cơ quan quản lý như FDA và EMA yêu cầu tuân thủ nghiêm ngặt Thực hành Sản xuất Tốt (GMP), trong đó các thông số quy trình nhất quán là bắt buộc. pH được công nhận là Thông số Quy trình Quan trọng (CPP), và việc giám sát liên tục pH đảm bảo tính khả thi giữa các lô sản phẩm, đảm bảo an toàn, hiệu quả và chất lượng của các sản phẩm dược phẩm.

5. Dùng làm chỉ thị cho tình trạng lên men
Xu hướng thay đổi độ pH cung cấp những thông tin quý giá về trạng thái sinh lý của môi trường nuôi cấy. Sự thay đổi đột ngột hoặc bất ngờ về độ pH có thể báo hiệu sự nhiễm bẩn, trục trặc cảm biến, cạn kiệt chất dinh dưỡng hoặc bất thường về trao đổi chất. Phát hiện sớm dựa trên xu hướng pH cho phép người vận hành can thiệp kịp thời, tạo điều kiện thuận lợi cho việc khắc phục sự cố và ngăn ngừa những thất bại tốn kém trong quá trình nuôi cấy.

Nên lựa chọn cảm biến pH như thế nào cho quá trình lên men trong sản xuất dược phẩm sinh học?

Việc lựa chọn cảm biến pH phù hợp cho quá trình lên men dược phẩm sinh học là một quyết định kỹ thuật quan trọng, ảnh hưởng đến độ tin cậy của quy trình, tính toàn vẹn dữ liệu, chất lượng sản phẩm và việc tuân thủ quy định. Quá trình lựa chọn cần được thực hiện một cách có hệ thống, không chỉ xem xét hiệu suất của cảm biến mà còn cả khả năng tương thích với toàn bộ quy trình sinh học.

1. Khả năng chịu nhiệt độ và áp suất cao
Các quy trình sản xuất dược phẩm sinh học thường sử dụng phương pháp tiệt trùng bằng hơi nước tại chỗ (SIP), điển hình là ở nhiệt độ 121°C và áp suất 1–2 bar trong 20–60 phút. Do đó, bất kỳ cảm biến pH nào cũng phải chịu được sự tiếp xúc lặp đi lặp lại với các điều kiện như vậy mà không bị hỏng. Lý tưởng nhất, cảm biến nên được đánh giá ở mức nhiệt độ ít nhất 130°C và áp suất 3–4 bar để đảm bảo an toàn. Việc niêm phong chắc chắn là rất cần thiết để ngăn ngừa sự xâm nhập của hơi ẩm, rò rỉ chất điện giải hoặc hư hỏng cơ học trong quá trình chu kỳ nhiệt.

2. Loại cảm biến và hệ thống tham chiếu
Đây là một yếu tố kỹ thuật cốt lõi ảnh hưởng đến độ ổn định lâu dài, nhu cầu bảo trì và khả năng chống bám bẩn.
Cấu hình điện cực: Điện cực phức hợp, tích hợp cả phần tử đo và phần tử tham chiếu trong cùng một thân, được sử dụng rộng rãi do dễ lắp đặt và thao tác.
Hệ quy chiếu:
• Mẫu chuẩn chứa chất lỏng (ví dụ: dung dịch KCl): Cung cấp phản hồi nhanh và độ chính xác cao nhưng cần được bổ sung định kỳ. Trong quá trình SIP, có thể xảy ra hiện tượng mất chất điện giải, và các mối nối xốp (ví dụ: tấm lọc gốm) dễ bị tắc nghẽn bởi protein hoặc các hạt, dẫn đến hiện tượng trôi lệch và kết quả đo không đáng tin cậy.
• Gel polymer hoặc chất tham chiếu trạng thái rắn: Ngày càng được ưa chuộng trong các lò phản ứng sinh học hiện đại. Các hệ thống này loại bỏ nhu cầu bổ sung chất điện giải, giảm chi phí bảo trì và có các mối nối chất lỏng rộng hơn (ví dụ: vòng PTFE) giúp chống bám bẩn. Chúng mang lại độ ổn định vượt trội và tuổi thọ cao hơn trong môi trường lên men phức tạp, nhớt.

3. Phạm vi đo và độ chính xác
Cảm biến cần có phạm vi hoạt động rộng, điển hình là pH 2–12, để phù hợp với các giai đoạn xử lý khác nhau. Do tính nhạy cảm của các hệ thống sinh học, độ chính xác đo lường cần nằm trong khoảng ±0,01 đến ±0,02 đơn vị pH, được hỗ trợ bởi tín hiệu đầu ra có độ phân giải cao.

4. Thời gian phản hồi
Thời gian đáp ứng thường được định nghĩa là t90—thời gian cần thiết để đạt 90% giá trị đo cuối cùng sau khi pH thay đổi đột ngột. Mặc dù điện cực dạng gel có thể có thời gian đáp ứng chậm hơn một chút so với điện cực dạng lỏng, nhưng nhìn chung chúng đáp ứng được các yêu cầu động học của các vòng điều khiển quá trình lên men, hoạt động theo thang thời gian hàng giờ chứ không phải giây.

5. Khả năng tương thích sinh học
Tất cả các vật liệu tiếp xúc với môi trường nuôi cấy phải không độc hại, không thôi nhiễm và trơ để tránh ảnh hưởng xấu đến khả năng sống sót của tế bào hoặc chất lượng sản phẩm. Nên sử dụng các loại thủy tinh chuyên dụng được thiết kế cho các ứng dụng xử lý sinh học để đảm bảo khả năng kháng hóa chất và tương thích sinh học.

6. Ngõ ra tín hiệu và giao diện
• Ngõ ra tương tự (mV/pH): Phương pháp truyền thống sử dụng tín hiệu tương tự để truyền đến hệ thống điều khiển. Phương pháp này tiết kiệm chi phí nhưng dễ bị nhiễu điện từ và suy giảm tín hiệu trên khoảng cách xa.
• Đầu ra kỹ thuật số (ví dụ: dựa trên MEMS hoặc cảm biến thông minh): Tích hợp vi mạch điện tử trên bo mạch để truyền tín hiệu kỹ thuật số (ví dụ: qua RS485). Cung cấp khả năng chống nhiễu tuyệt vời, hỗ trợ giao tiếp đường dài và cho phép lưu trữ lịch sử hiệu chuẩn, số sê-ri và nhật ký sử dụng. Tuân thủ các tiêu chuẩn quy định như FDA 21 CFR Phần 11 về hồ sơ và chữ ký điện tử, ngày càng được ưa chuộng trong môi trường GMP.

7. Giao diện lắp đặt và vỏ bảo vệ
Cảm biến phải tương thích với cổng được chỉ định trên thiết bị phản ứng sinh học (ví dụ: khớp nối ba chấu, khớp nối vệ sinh). Nên sử dụng ống bảo vệ hoặc tấm chắn để tránh hư hỏng cơ học trong quá trình thao tác hoặc vận hành và để dễ dàng thay thế mà không ảnh hưởng đến độ vô trùng.