Berita - Pemantauan Tingkat pH dalam Proses Fermentasi Biofarmasi

Elektroda pH memainkan peran penting dalam proses fermentasi, terutama untuk memantau dan mengatur keasaman dan alkalinitas kaldu fermentasi. Dengan mengukur nilai pH secara terus-menerus, elektroda ini memungkinkan kontrol yang presisi terhadap lingkungan fermentasi. Elektroda pH umumnya terdiri dari elektroda penginderaan dan elektroda referensi, yang beroperasi berdasarkan prinsip persamaan Nernst, yang mengatur konversi energi kimia menjadi sinyal listrik. Potensial elektroda berkaitan langsung dengan aktivitas ion hidrogen dalam larutan. Nilai pH ditentukan dengan membandingkan perbedaan tegangan terukur dengan larutan penyangga standar, sehingga memungkinkan kalibrasi yang akurat dan andal. Pendekatan pengukuran ini memastikan pengaturan pH yang stabil selama proses fermentasi, sehingga mendukung aktivitas mikroba atau sel yang optimal dan menjamin kualitas produk.

Penggunaan elektroda pH yang tepat memerlukan beberapa langkah persiapan, termasuk aktivasi elektroda—biasanya dicapai dengan merendam elektroda dalam air suling atau larutan penyangga pH 4—untuk memastikan respons dan akurasi pengukuran yang optimal. Untuk memenuhi tuntutan ketat industri fermentasi biofarmasi, elektroda pH harus menunjukkan waktu respons yang cepat, presisi tinggi, dan ketahanan dalam kondisi sterilisasi yang ketat seperti sterilisasi uap suhu tinggi (SIP). Karakteristik ini memungkinkan kinerja yang andal dalam lingkungan steril. Misalnya, dalam produksi asam glutamat, pemantauan pH yang presisi sangat penting untuk mengendalikan parameter kunci seperti suhu, oksigen terlarut, kecepatan agitasi, dan pH itu sendiri. Pengaturan yang akurat terhadap variabel-variabel ini secara langsung memengaruhi hasil dan kualitas produk akhir. Elektroda pH canggih tertentu, yang dilengkapi membran kaca tahan suhu tinggi dan sistem referensi gel polimer pra-tekanan, menunjukkan stabilitas yang luar biasa dalam kondisi suhu dan tekanan ekstrem, sehingga sangat cocok untuk aplikasi SIP dalam proses fermentasi biologis dan pangan. Lebih lanjut, kemampuan anti-foulingnya yang kuat memungkinkan kinerja yang konsisten di berbagai kaldu fermentasi. Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. menawarkan berbagai pilihan konektor elektroda, meningkatkan kenyamanan pengguna dan fleksibilitas integrasi sistem.

Mengapa pemantauan pH diperlukan selama proses fermentasi biofarmasi?

Dalam fermentasi biofarmasi, pemantauan dan pengendalian pH secara real-time sangat penting untuk keberhasilan produksi dan memaksimalkan hasil serta kualitas produk target seperti antibiotik, vaksin, antibodi monoklonal, dan enzim. Intinya, pengendalian pH menciptakan lingkungan fisiologis yang optimal bagi sel mikroba atau mamalia—berfungsi sebagai "pabrik hidup"—untuk menumbuhkan dan mensintesis senyawa terapeutik, serupa dengan bagaimana petani menyesuaikan pH tanah sesuai kebutuhan tanaman.

1. Menjaga aktivitas seluler yang optimal
Fermentasi bergantung pada sel hidup (misalnya, sel CHO) untuk menghasilkan biomolekul kompleks. Metabolisme seluler sangat sensitif terhadap pH lingkungan. Enzim, yang mengkatalisis semua reaksi biokimia intraseluler, memiliki pH optimum yang sempit; penyimpangan dari rentang ini dapat secara signifikan mengurangi aktivitas enzimatik atau menyebabkan denaturasi, yang mengganggu fungsi metabolisme. Selain itu, penyerapan nutrisi melalui membran sel—seperti glukosa, asam amino, dan garam anorganik—bergantung pada pH. Tingkat pH yang suboptimal dapat menghambat penyerapan nutrisi, yang menyebabkan pertumbuhan suboptimal atau ketidakseimbangan metabolisme. Lebih lanjut, nilai pH yang ekstrem dapat mengganggu integritas membran, yang mengakibatkan kebocoran sitoplasma atau lisis sel.

2. Meminimalkan pembentukan produk sampingan dan limbah substrat
Selama fermentasi, metabolisme sel menghasilkan metabolit asam atau basa. Misalnya, banyak mikroorganisme menghasilkan asam organik (misalnya, asam laktat, asam asetat) selama katabolisme glukosa, yang menyebabkan penurunan pH. Jika tidak dikoreksi, pH rendah menghambat pertumbuhan sel dan dapat mengalihkan aliran metabolisme ke jalur non-produktif, sehingga meningkatkan akumulasi produk sampingan. Produk sampingan ini mengonsumsi sumber daya karbon dan energi berharga yang seharusnya mendukung sintesis produk target, sehingga mengurangi hasil keseluruhan. Kontrol pH yang efektif membantu mempertahankan jalur metabolisme yang diinginkan dan meningkatkan efisiensi proses.

3. Memastikan stabilitas produk dan mencegah degradasi
Banyak produk biofarmasi, terutama protein seperti antibodi monoklonal dan hormon peptida, rentan terhadap perubahan struktural yang diinduksi pH. Di luar rentang pH stabilnya, molekul-molekul ini dapat mengalami denaturasi, agregasi, atau inaktivasi, yang berpotensi membentuk endapan berbahaya. Selain itu, produk tertentu rentan terhadap hidrolisis kimia atau degradasi enzimatik dalam kondisi asam atau basa. Mempertahankan pH yang tepat meminimalkan degradasi produk selama proses produksi, sehingga menjaga potensi dan keamanannya.

4. Mengoptimalkan efisiensi proses dan memastikan konsistensi antar batch
Dari sudut pandang industri, pengendalian pH berdampak langsung pada produktivitas dan kelayakan ekonomi. Penelitian ekstensif dilakukan untuk mengidentifikasi titik setel pH ideal untuk berbagai fase fermentasi—seperti pertumbuhan sel versus ekspresi produk—yang mungkin berbeda secara signifikan. Pengendalian pH dinamis memungkinkan optimasi spesifik tahap, memaksimalkan akumulasi biomassa dan titer produk. Lebih lanjut, badan pengatur seperti FDA dan EMA mewajibkan kepatuhan ketat terhadap Cara Pembuatan Produk yang Baik (CPOB), yang mewajibkan parameter proses yang konsisten. pH diakui sebagai Parameter Proses Kritis (PPK), dan pemantauan berkelanjutannya memastikan reproduktifitas di seluruh batch, menjamin keamanan, efikasi, dan kualitas produk farmasi.

5. Berfungsi sebagai indikator kesehatan fermentasi
Tren perubahan pH memberikan wawasan berharga tentang kondisi fisiologis kultur. Perubahan pH yang tiba-tiba atau tak terduga dapat menandakan kontaminasi, malfungsi sensor, deplesi nutrisi, atau anomali metabolik. Deteksi dini berdasarkan tren pH memungkinkan intervensi operator yang tepat waktu, memfasilitasi pemecahan masalah, dan mencegah kegagalan batch yang merugikan.

Bagaimana sensor pH harus dipilih untuk proses fermentasi dalam biofarmasi?

Pemilihan sensor pH yang tepat untuk fermentasi biofarmasi merupakan keputusan rekayasa penting yang memengaruhi keandalan proses, integritas data, kualitas produk, dan kepatuhan terhadap peraturan. Pemilihan ini harus dilakukan secara sistematis, tidak hanya mempertimbangkan kinerja sensor tetapi juga kompatibilitasnya dengan keseluruhan alur kerja bioproses.

1. Tahan suhu dan tekanan tinggi
Proses biofarmasi umumnya menggunakan sterilisasi uap in-situ (SIP), biasanya pada suhu 121°C dan tekanan 1–2 bar selama 20–60 menit. Oleh karena itu, setiap sensor pH harus tahan terhadap paparan berulang terhadap kondisi tersebut tanpa kegagalan. Idealnya, sensor harus memiliki peringkat minimal 130°C dan tekanan 3–4 bar untuk memberikan margin keamanan. Penyegelan yang kuat sangat penting untuk mencegah masuknya kelembapan, kebocoran elektrolit, atau kerusakan mekanis selama siklus termal.

2. Jenis sensor dan sistem referensi
Ini adalah pertimbangan teknis inti yang memengaruhi stabilitas jangka panjang, kebutuhan pemeliharaan, dan ketahanan terhadap pengotoran.
Konfigurasi elektroda: Elektroda komposit, yang mengintegrasikan elemen pengukuran dan referensi dalam satu badan, diadopsi secara luas karena kemudahan pemasangan dan penanganan.
Sistem referensi:
• Referensi berisi cairan (misalnya, larutan KCl): Memberikan respons cepat dan akurasi tinggi, tetapi perlu diisi ulang secara berkala. Selama SIP, kehilangan elektrolit dapat terjadi, dan sambungan berpori (misalnya, frit keramik) rentan tersumbat oleh protein atau partikulat, yang menyebabkan penyimpangan dan pembacaan yang tidak dapat diandalkan.
• Gel polimer atau referensi solid-state: Semakin banyak digunakan dalam bioreaktor modern. Sistem ini menghilangkan kebutuhan pengisian elektrolit, mengurangi perawatan, dan memiliki sambungan cairan yang lebih lebar (misalnya, cincin PTFE) yang tahan terhadap pengotoran. Sistem ini menawarkan stabilitas yang unggul dan masa pakai yang lebih lama dalam media fermentasi yang kompleks dan kental.

3. Rentang pengukuran dan akurasi
Sensor harus mencakup rentang operasional yang luas, biasanya pH 2–12, untuk mengakomodasi berbagai tahapan proses. Mengingat sensitivitas sistem biologis, akurasi pengukuran harus berada dalam kisaran ±0,01 hingga ±0,02 unit pH, yang didukung oleh keluaran sinyal beresolusi tinggi.

4. Waktu respons
Waktu respons umumnya didefinisikan sebagai t90—waktu yang dibutuhkan untuk mencapai 90% dari pembacaan akhir setelah perubahan pH bertahap. Meskipun elektroda tipe gel mungkin menunjukkan respons yang sedikit lebih lambat daripada elektroda berisi cairan, elektroda ini umumnya memenuhi persyaratan dinamis loop kontrol fermentasi, yang beroperasi dalam skala waktu per jam, bukan detik.

5. Biokompatibilitas
Semua bahan yang bersentuhan dengan media kultur harus tidak beracun, tidak larut, dan inert untuk menghindari efek buruk pada viabilitas sel atau kualitas produk. Formulasi kaca khusus yang dirancang untuk aplikasi bioproses direkomendasikan untuk memastikan ketahanan kimia dan biokompatibilitas.

6. Output sinyal dan antarmuka
• Keluaran analog (mV/pH): Metode tradisional yang menggunakan transmisi analog ke sistem kontrol. Hemat biaya, tetapi rentan terhadap interferensi elektromagnetik dan redaman sinyal pada jarak jauh.
• Keluaran digital (misalnya, sensor berbasis MEMS atau sensor pintar): Dilengkapi mikroelektronika internal untuk mengirimkan sinyal digital (misalnya, melalui RS485). Memberikan kekebalan terhadap gangguan yang sangat baik, mendukung komunikasi jarak jauh, dan memungkinkan penyimpanan riwayat kalibrasi, nomor seri, dan log penggunaan. Mematuhi standar peraturan seperti FDA 21 CFR Bagian 11 mengenai catatan dan tanda tangan elektronik, sehingga semakin diminati di lingkungan GMP.

7. Antarmuka instalasi dan rumah pelindung
Sensor harus kompatibel dengan port yang ditentukan pada bioreaktor (misalnya, tri-clamp, fitting sanitasi). Selongsong atau pelindung disarankan untuk mencegah kerusakan mekanis selama penanganan atau pengoperasian dan untuk memudahkan penggantian tanpa mengurangi sterilitas.