نظارت بر سطح pH در فرآیند تخمیر زیستی دارویی

چگونه باید حسگرهای pH برای فرآیند تخمیر در زیست‌داروها انتخاب شوند؟

انتخاب یک حسگر pH مناسب برای تخمیر زیست‌دارویی، یک تصمیم مهندسی حیاتی است که بر قابلیت اطمینان فرآیند، یکپارچگی داده‌ها، کیفیت محصول و رعایت مقررات تأثیر می‌گذارد. انتخاب باید به صورت سیستماتیک انجام شود و نه تنها عملکرد حسگر، بلکه سازگاری با کل گردش کار زیست‌فرآوری نیز در نظر گرفته شود.

۱. مقاومت در برابر دما و فشار بالا
فرآیندهای بیودارویی معمولاً از استریلیزاسیون بخار درجا (SIP) استفاده می‌کنند، که معمولاً در دمای 121 درجه سانتیگراد و فشار 1 تا 2 بار به مدت 20 تا 60 دقیقه انجام می‌شود. بنابراین، هر حسگر pH باید در معرض قرار گرفتن مکرر در چنین شرایطی را بدون خرابی تحمل کند. در حالت ایده‌آل، حسگر باید حداقل برای دمای 130 درجه سانتیگراد و فشار 3 تا 4 بار درجه‌بندی شود تا حاشیه ایمنی ایجاد شود. آب‌بندی قوی برای جلوگیری از ورود رطوبت، نشت الکترولیت یا آسیب مکانیکی در طول چرخه حرارتی ضروری است.

۲. نوع حسگر و سیستم مرجع
این یک ملاحظه فنی اساسی است که بر پایداری بلندمدت، نیازهای نگهداری و مقاومت در برابر رسوب تأثیر می‌گذارد.
پیکربندی الکترود: الکترودهای کامپوزیتی که عناصر اندازه‌گیری و مرجع را در یک بدنه ادغام می‌کنند، به دلیل سهولت نصب و جابجایی، به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند.
سیستم مرجع:
• مرجع پر شده با مایع (مثلاً محلول KCl): پاسخ سریع و دقت بالایی ارائه می‌دهد اما نیاز به پر کردن دوره‌ای دارد. در طول SIP، ممکن است از دست دادن الکترولیت رخ دهد و اتصالات متخلخل (مثلاً فریت‌های سرامیکی) مستعد گرفتگی توسط پروتئین‌ها یا ذرات هستند که منجر به رانش و قرائت‌های غیرقابل اعتماد می‌شود.
• مرجع ژل پلیمری یا حالت جامد: به طور فزاینده‌ای در بیوراکتورهای مدرن ترجیح داده می‌شود. این سیستم‌ها نیاز به پر کردن مجدد الکترولیت را از بین می‌برند، نگهداری را کاهش می‌دهند و دارای اتصالات مایع پهن‌تری (مثلاً حلقه‌های PTFE) هستند که در برابر رسوب مقاومت می‌کنند. آن‌ها پایداری برتر و عمر مفید طولانی‌تری را در محیط‌های تخمیر پیچیده و چسبناک ارائه می‌دهند.

۳. محدوده و دقت اندازه‌گیری
این حسگر باید طیف عملیاتی گسترده‌ای، معمولاً pH 2 تا 12، را پوشش دهد تا بتواند مراحل مختلف فرآیند را در خود جای دهد. با توجه به حساسیت سیستم‌های بیولوژیکی، دقت اندازه‌گیری باید در محدوده ±0.01 تا ±0.02 واحد pH باشد که توسط خروجی سیگنال با وضوح بالا پشتیبانی می‌شود.

۴. زمان پاسخ
زمان پاسخ معمولاً به صورت t90 تعریف می‌شود - زمان لازم برای رسیدن به ۹۰٪ از مقدار نهایی پس از تغییر مرحله‌ای در pH. در حالی که الکترودهای نوع ژل ممکن است پاسخ کمی کندتر از الکترودهای پر شده با مایع نشان دهند، اما عموماً الزامات دینامیکی حلقه‌های کنترل تخمیر را که به جای ثانیه، در مقیاس‌های زمانی ساعتی عمل می‌کنند، برآورده می‌کنند.

۵. زیست‌سازگاری
تمام موادی که در تماس با محیط کشت هستند باید غیرسمی، غیر قابل نشت و بی‌اثر باشند تا از اثرات نامطلوب بر زیست‌پذیری سلول یا کیفیت محصول جلوگیری شود. فرمولاسیون‌های شیشه‌ای تخصصی که برای کاربردهای زیست‌فرآوری طراحی شده‌اند، برای اطمینان از مقاومت شیمیایی و زیست‌سازگاری توصیه می‌شوند.

۶. خروجی سیگنال و رابط
• خروجی آنالوگ (mV/pH): روش سنتی با استفاده از انتقال آنالوگ به سیستم کنترل. مقرون به صرفه اما آسیب پذیر در برابر تداخل الکترومغناطیسی و تضعیف سیگنال در فواصل طولانی.
• خروجی دیجیتال (مثلاً حسگرهای مبتنی بر MEMS یا هوشمند): شامل میکروالکترونیک‌های داخلی برای انتقال سیگنال‌های دیجیتال (مثلاً از طریق RS485). مصونیت عالی در برابر نویز، پشتیبانی از ارتباطات از راه دور و امکان ذخیره تاریخچه کالیبراسیون، شماره سریال‌ها و گزارش‌های استفاده. مطابق با استانداردهای نظارتی مانند FDA 21 CFR Part 11 در مورد سوابق و امضاهای الکترونیکی، و باعث محبوبیت روزافزون آن در محیط‌های GMP می‌شود.

۷. رابط نصب و محفظه محافظ
حسگر باید با دریچه‌ی تعیین‌شده روی بیوراکتور سازگار باشد (مثلاً گیره‌ی سه‌گانه، اتصالات بهداشتی). برای جلوگیری از آسیب مکانیکی در حین جابجایی یا بهره‌برداری و تسهیل تعویض آسان‌تر بدون به خطر انداختن استریل بودن، استفاده از غلاف‌ها یا محافظ‌های محافظ توصیه می‌شود.