Berita - Pemantauan Tingkat pH dalam Proses Fermentasi Biofarmasi

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

Penggunaan elektroda pH yang tepat memerlukan beberapa langkah persiapan, termasuk aktivasi elektroda—biasanya dilakukan dengan merendam elektroda dalam air suling atau larutan buffer pH 4—untuk memastikan responsivitas 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 di lingkungan steril. Misalnya, dalam produksi asam glutamat, pemantauan pH yang tepat sangat penting untuk mengontrol parameter kunci seperti suhu, oksigen terlarut, kecepatan pengadukan, dan pH itu sendiri. Pengaturan variabel-variabel ini secara akurat secara langsung memengaruhi hasil dan kualitas produk akhir. Beberapa elektroda pH canggih, yang memiliki membran kaca tahan suhu tinggi dan sistem referensi gel polimer pra-tekanan, menunjukkan stabilitas luar biasa dalam kondisi suhu dan tekanan ekstrem, sehingga sangat cocok untuk aplikasi SIP dalam proses fermentasi biologis dan makanan. Selain itu, kemampuan anti-pengotoran 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 untuk memaksimalkan hasil dan kualitas produk target seperti antibiotik, vaksin, antibodi monoklonal, dan enzim. Pada intinya, pengendalian pH menciptakan lingkungan fisiologis yang optimal bagi sel mikroba atau mamalia—yang berfungsi sebagai "pabrik hidup"—untuk tumbuh dan mensintesis senyawa terapeutik, analog dengan bagaimana petani menyesuaikan pH tanah sesuai dengan kebutuhan tanaman.

1. Mempertahankan aktivitas seluler yang optimal
Fermentasi bergantung pada sel hidup (misalnya, sel CHO) untuk menghasilkan biomolekul kompleks. Metabolisme sel sangat sensitif terhadap pH lingkungan. Enzim, yang mengkatalisis semua reaksi biokimia intraseluler, memiliki pH optimum yang sempit; penyimpangan dari kisaran ini dapat secara signifikan mengurangi aktivitas enzimatik atau menyebabkan denaturasi, sehingga mengganggu fungsi metabolisme. Selain itu, penyerapan nutrisi melalui membran sel—seperti glukosa, asam amino, dan garam anorganik—bergantung pada pH. Tingkat pH suboptimal dapat menghambat penyerapan nutrisi, yang menyebabkan pertumbuhan suboptimal atau ketidakseimbangan metabolisme. Lebih jauh lagi, nilai pH 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, menyebabkan penurunan pH. Jika tidak dikoreksi, pH rendah menghambat pertumbuhan sel dan dapat menggeser aliran metabolisme ke jalur yang tidak produktif, meningkatkan akumulasi produk sampingan. Produk sampingan ini mengonsumsi sumber daya karbon dan energi yang berharga yang seharusnya mendukung sintesis produk target, sehingga mengurangi hasil keseluruhan. Pengendalian 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 disebabkan oleh pH. Di luar kisaran pH stabilnya, molekul-molekul ini dapat mengalami denaturasi, agregasi, atau inaktivasi, yang berpotensi membentuk endapan berbahaya. Selain itu, produk-produk tertentu rentan terhadap hidrolisis kimia atau degradasi enzimatik dalam kondisi asam atau basa. Mempertahankan pH yang tepat meminimalkan degradasi produk selama proses manufaktur, sehingga menjaga potensi dan keamanannya.

4. Mengoptimalkan efisiensi proses dan memastikan konsistensi antar batch.
Dari sudut pandang industri, pengendalian pH secara langsung memengaruhi produktivitas dan kelayakan ekonomi. Penelitian ekstensif dilakukan untuk mengidentifikasi titik pengaturan 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 kadar produk. Lebih lanjut, badan pengatur seperti FDA dan EMA mensyaratkan kepatuhan ketat terhadap Praktik Manufaktur yang Baik (GMP), di mana parameter proses yang konsisten adalah wajib. pH diakui sebagai Parameter Proses Kritis (CPP), dan pemantauannya secara terus-menerus memastikan reproduktivitas antar batch, menjamin keamanan, khasiat, dan kualitas produk farmasi.

5. Berfungsi sebagai indikator kesehatan fermentasi
Tren perubahan pH memberikan wawasan berharga tentang keadaan fisiologis kultur. Pergeseran pH yang tiba-tiba atau tidak terduga dapat menandakan kontaminasi, kerusakan sensor, kekurangan nutrisi, atau anomali metabolisme. Deteksi dini berdasarkan tren pH memungkinkan intervensi operator tepat waktu, memfasilitasi pemecahan masalah dan mencegah kegagalan batch yang mahal.

Bagaimana seharusnya sensor pH dipilih untuk proses fermentasi dalam biofarmasi?

Memilih sensor pH yang tepat untuk fermentasi biofarmasi merupakan keputusan teknik penting yang memengaruhi keandalan proses, integritas data, kualitas produk, dan kepatuhan terhadap peraturan. Pemilihan harus didekati secara sistematis, dengan mempertimbangkan tidak hanya kinerja sensor tetapi juga kompatibilitas dengan seluruh alur kerja bioproses.

1. Tahan terhadap 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, sensor pH apa pun harus mampu menahan paparan berulang terhadap kondisi tersebut tanpa mengalami kegagalan. Idealnya, sensor harus memiliki rating minimal 130°C dan 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 perawatan, dan ketahanan terhadap pengotoran.
Konfigurasi elektroda: Elektroda komposit, yang mengintegrasikan elemen pengukuran dan referensi dalam satu badan, banyak digunakan karena kemudahan pemasangan dan penanganannya.
Sistem referensi:
• Referensi berisi cairan (misalnya, larutan KCl): Menawarkan respons cepat dan akurasi tinggi tetapi memerlukan pengisian ulang secara berkala. Selama SIP, kehilangan elektrolit dapat terjadi, dan sambungan berpori (misalnya, frit keramik) rentan terhadap penyumbatan oleh protein atau partikel, yang menyebabkan penyimpangan dan pembacaan yang tidak dapat diandalkan.
• Gel polimer atau referensi padat: Semakin banyak digunakan dalam bioreaktor modern. Sistem ini menghilangkan kebutuhan akan penggantian 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 dan akurasi pengukuran
Sensor tersebut 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, didukung oleh keluaran sinyal resolusi tinggi.

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

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

6. Keluaran sinyal dan antarmuka
• Keluaran analog (mV/pH): Metode tradisional menggunakan transmisi analog ke sistem kontrol. Hemat biaya tetapi rentan terhadap interferensi elektromagnetik dan pelemahan sinyal pada jarak jauh.
• Keluaran digital (misalnya, berbasis MEMS atau sensor pintar): Menggabungkan mikroelektronik terintegrasi 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 banyak digunakan di lingkungan GMP.

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