Tin tức - Theo dõi mức 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 thông thường bao gồm một điện cực cảm biến và một điện cực tham chiếu, hoạt động theo nguyên lý của phương trình Nernst, điều chỉnh quá trình chuyển đổi năng lượng hóa học thành tín hiệu điện. Điện thế 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 chênh lệch điện áp đo được với giá trị của dung dịch đệm chuẩn, cho phép hiệu chuẩn chính xác và đáng tin cậy. Phương pháp đo lường này đảm bảo điều chỉnh pH ổn định trong suốt quá trình lên men, do đó hỗ trợ hoạt động tối ưu của vi sinh vật hoặc tế bào và đảm bảo chất lượng sản phẩm.

Việc sử dụng điện cực pH đúng cách đòi hỏi một số bước chuẩn bị, bao gồm kích hoạt điện cực—thường đạt được bằng cách nhúng điện cực vào nước cất hoặc dung dịch đệm pH 4—để đảm bảo độ phản hồi và độ chính xác đo lường tối ưu. Để đáp ứng các yêu cầu khắt khe của ngành công nghiệp lên men dược phẩm sinh học, điện cực pH phải thể hiện thời gian phản hồi nhanh, độ chính xác cao và độ bền trong điều kiện khử trùng nghiêm ngặt như tiệt trùng bằng hơi nước ở nhiệt độ cao (SIP). Những đặc tính 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 điều cần thiết để kiểm soát các thông số chính như nhiệt độ, oxy hòa tan, tốc độ khuấy và độ 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 polyme được nén trước, thể hiện độ ổn định đặc biệt 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 đồng nhất trên nhiều loại dịch lên men khác nhau. Công ty TNHH Thiết bị Shanghai Boqu 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 cần phải theo dõi độ pH trong quá trình lên men dược phẩm sinh học?

Trong quá trình lên men dược phẩm sinh học, việc theo dõi và kiểm soát 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 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" - phát triển và tổng hợp các hợp chất trị liệu, tương tự như cách nông dân điều chỉnh pH đất theo nhu cầu của cây trồng.

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

2. Giảm thiểu sự hình thành sản phẩm phụ và chất thải nền
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 axit hữu cơ (ví dụ, axit lactic, axit axetic) trong quá trình dị hóa glucose, làm giảm pH. Nếu không được điều chỉnh, pH thấp sẽ ức chế sự phát triển của tế bào và có thể chuyển hướng dòng trao đổi chất sang các con đường không hiệu quả, làm tăng tích tụ sản phẩm phụ. Các sản phẩm phụ này tiêu thụ các nguồn carbon và năng lượng quý giá vốn hỗ trợ quá trình tổng hợp sản phẩm mục tiêu, do đó làm giảm sản lượng tổng thể. Việc kiểm soát pH hiệu quả giúp duy trì các lộ trình trao đổi chất mong muốn và cải thiện hiệu suất quy trình.

3. Đảm bảo sự ổn định của sản phẩm và ngăn ngừa sự suy thoái
Nhiều sản phẩm dược phẩm sinh học, đặc biệt là các protein như kháng thể đơn dòng và hormone peptide, dễ bị thay 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 chất kết tủa có hại. Ngoài ra, một số sản phẩm dễ bị thủy phân hóa học hoặc phân hủy bởi enzyme trong điều kiện axit hoặc kiềm. Việc duy trì độ pH thích hợp sẽ giảm thiểu sự phân hủy 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
Từ góc độ công nghiệp, việc kiểm soát pH ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất và khả năng kinh tế. Nghiên cứu sâu rộng đã được tiến hành để xác định các điểm đặt pH lý tưởng cho các giai đoạn lên men khác nhau—chẳng hạn như giai đoạn tăng trưởng tế bào so với giai đoạn biểu hiện sản phẩm—có thể khác biệt 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 một Thông số Quy trình Quan trọng (CPP), và việc theo dõi liên tục pH đảm bảo khả năng tái tạo giữa các lô, đảm bảo tính an toàn, hiệu quả và chất lượng của các sản phẩm dược phẩm.

5. Đóng vai trò là chỉ số về tình trạng lên men
Xu hướng thay đổi pH cung cấp những thông tin giá trị về trạng thái sinh lý của môi trường nuôi cấy. Sự thay đổi pH đột ngột hoặc bất ngờ có thể báo hiệu sự nhiễm bẩn, trục trặc cảm biến, suy giảm chất dinh dưỡng hoặc bất thường về chuyển hóa. Việc 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 các lỗi mẻ nuôi cấy tốn kém.

Làm thế nào để lựa chọn cảm biến pH cho quá trình lên men trong 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 khả năng tuân thủ quy định. Việc 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 xử lý sinh học.

1. Khả năng chịu nhiệt độ và áp suất cao
Các quy trình dược phẩm sinh học thường sử dụng phương pháp tiệt trùng bằng hơi nước tại chỗ (SIP), thường 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 việc tiếp xúc nhiều lần với các điều kiện như vậy mà không bị hỏng. Lý tưởng nhất, cảm biến nên được đánh giá ở nhiệt độ ít nhất 130°C và 3–4 bar để đảm bảo biên độ an toàn. Việc bịt kín chắc chắn là rất cần thiết để ngăn ngừa sự xâm nhập của hơi ẩm, rò rỉ chất điện phân hoặc hư hỏng cơ học trong quá trình tuần hoàn nhiệt.

2. Loại cảm biến và hệ thống tham chiếu
Đây là yếu tố kỹ thuật cốt lõi ảnh hưởng đến tính ổn định lâu dài, nhu cầu bảo trì và khả năng chống bám bẩn.
Cấu hình điện cực: Điện cực tổng hợp, tích hợp cả phần tử đo và phần tử tham chiếu trong một thân, được sử dụng rộng rãi do dễ lắp đặt và xử lý.
Hệ thống tham chiếu:
• Tham chiếu chứa chất lỏng (ví dụ: dung dịch KCl): Phản hồi nhanh và độ chính xác cao nhưng cần nạp lại định kỳ. Trong quá trình SIP, điện cực có thể bị mất điện phân, và các mối nối xốp (ví dụ: gốm frit) dễ bị tắc nghẽn bởi protein hoặc các hạt, dẫn đến kết quả đo bị trôi và không đáng tin cậy.
• Gel polymer hoặc chất tham chiếu thể 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 phân, giảm bảo trì và có các mối nối lỏng rộng hơn (ví dụ: vòng PTFE) 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 lường và độ chính xác
Cảm biến phải bao phủ một phạm vi hoạt động rộng, thường là pH từ 2–12, để phù hợp với các giai đoạn quy trình khác nhau. Do độ nhạy của các hệ thống sinh học, độ chính xác đo lường phải 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 đọc cuối cùng sau khi pH thay đổi từng bước. Mặc dù điện cực dạng gel có thể phản ứng chậm hơn một chút so với điện cực chứa chất lỏng, nhưng nhìn chung chúng đáp ứng các yêu cầu động của vòng kiểm soát lên men, hoạt động theo thang thời gian hàng giờ thay vì hàng giây.

5. Khả năng tương thích sinh học
Tất cả vật liệu tiếp xúc với môi trường nuôi cấy phải không độc hại, không bị rò rỉ và trơ để tránh tác động tiêu cực đến khả năng sống của tế bào hoặc chất lượng sản phẩm. Khuyến nghị sử dụng các công thức 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. Đầu ra tín hiệu và giao diện
• Đầu ra tương tự (mV/pH): Phương pháp truyền thống sử dụng tín hiệu tương tự để truyền đến hệ thống điều khiển. 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: cảm biến MEMS hoặc cảm biến thông minh): Tích hợp vi điện tử tích hợp để truyền tín hiệu kỹ thuật số (ví dụ: qua RS485). 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, khiến thiết bị ngày càng được ưa chuộng trong môi trường GMP.

7. Giao diện cài đặt và vỏ bảo vệ
Cảm biến phải tương thích với cổng được chỉ định trên lò phản ứng sinh học (ví dụ: kẹp ba, phụ kiện vệ sinh). Nên sử dụng ống bọc hoặc tấm chắn bảo vệ để tránh hư hỏng cơ học trong quá trình xử lý hoặc vận hành và giúp việc thay thế dễ dàng hơn mà không ảnh hưởng đến tính vô trùng.