Actualités - Surveillance des niveaux de pH dans le processus de fermentation biopharmaceutique

L'électrode de pH joue un rôle crucial dans le processus de fermentation, servant principalement à surveiller et à réguler l'acidité et l'alcalinité du milieu de fermentation. En mesurant en continu le pH, elle permet un contrôle précis de l'environnement de fermentation. Une électrode de pH typique se compose d'une électrode de mesure et d'une électrode de référence, fonctionnant selon le principe de l'équation de Nernst, qui régit la conversion de l'énergie chimique en signaux électriques. Le potentiel de l'électrode est directement lié à l'activité des ions hydrogène en solution. La valeur du pH est déterminée en comparant la différence de potentiel mesurée à celle d'une solution tampon standard, permettant un étalonnage précis et fiable. Cette méthode de mesure garantit une régulation stable du pH tout au long de la fermentation, favorisant ainsi une activité microbienne ou cellulaire optimale et assurant la qualité du produit.

L'utilisation optimale des électrodes de pH requiert plusieurs étapes préparatoires, notamment l'activation de l'électrode – généralement réalisée par immersion dans de l'eau distillée ou une solution tampon de pH 4 – afin de garantir une réactivité et une précision de mesure optimales. Pour répondre aux exigences rigoureuses de l'industrie de la fermentation biopharmaceutique, les électrodes de pH doivent présenter des temps de réponse rapides, une haute précision et une grande robustesse dans des conditions de stérilisation strictes, telles que la stérilisation à la vapeur à haute température (SIP). Ces caractéristiques garantissent des performances fiables en milieu stérile. Par exemple, dans la production d'acide glutamique, un contrôle précis du pH est essentiel pour maîtriser des paramètres clés tels que la température, l'oxygène dissous, la vitesse d'agitation et le pH lui-même. La régulation précise de ces variables influence directement le rendement et la qualité du produit final. Certaines électrodes de pH de pointe, dotées de membranes en verre résistantes aux hautes températures et de systèmes de référence en gel polymère pré-pressurisé, présentent une stabilité exceptionnelle dans des conditions de température et de pression extrêmes, ce qui les rend particulièrement adaptées aux applications SIP dans les procédés de fermentation biologique et alimentaire. De plus, leurs fortes propriétés anti-encrassement assurent des performances constantes dans différents milieux de fermentation. Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. propose diverses options de connecteurs d'électrodes, améliorant ainsi le confort d'utilisation et la flexibilité d'intégration du système.

Pourquoi le contrôle du pH est-il nécessaire pendant le processus de fermentation des produits biopharmaceutiques ?

En fermentation biopharmaceutique, le contrôle et la surveillance en temps réel du pH sont essentiels à la réussite de la production et à l'optimisation du rendement et de la qualité des produits cibles tels que les antibiotiques, les vaccins, les anticorps monoclonaux et les enzymes. En substance, le contrôle du pH crée un environnement physiologique optimal pour la croissance et la synthèse de composés thérapeutiques par les cellules microbiennes ou mammifères – véritables « usines vivantes » –, à l'instar des agriculteurs qui ajustent le pH du sol en fonction des besoins de leurs cultures.

1. Maintenir une activité cellulaire optimale
La fermentation repose sur des cellules vivantes (par exemple, des cellules CHO) pour produire des biomolécules complexes. Le métabolisme cellulaire est très sensible au pH du milieu. Les enzymes, qui catalysent toutes les réactions biochimiques intracellulaires, ont un pH optimal étroit ; tout écart par rapport à cet intervalle peut réduire considérablement leur activité ou provoquer leur dénaturation, altérant ainsi la fonction métabolique. De plus, l’absorption des nutriments à travers la membrane cellulaire – tels que le glucose, les acides aminés et les sels minéraux – dépend du pH. Un pH sous-optimal peut entraver l’absorption des nutriments, entraînant une croissance sous-optimale ou un déséquilibre métabolique. Par ailleurs, des valeurs de pH extrêmes peuvent compromettre l’intégrité membranaire, provoquant une fuite du contenu cytoplasmique ou la lyse cellulaire.

2. Minimiser la formation de sous-produits et les déchets de substrat
Lors de la fermentation, le métabolisme cellulaire génère des métabolites acides ou basiques. Par exemple, de nombreux micro-organismes produisent des acides organiques (acide lactique, acide acétique, etc.) lors du catabolisme du glucose, ce qui entraîne une baisse du pH. Si ce pH n'est pas corrigé, il inhibe la croissance cellulaire et peut orienter le flux métabolique vers des voies non productives, augmentant ainsi l'accumulation de sous-produits. Ces sous-produits consomment des ressources précieuses en carbone et en énergie qui, autrement, seraient nécessaires à la synthèse du produit cible, réduisant ainsi le rendement global. Un contrôle efficace du pH permet de maintenir les voies métaboliques souhaitées et d'améliorer l'efficacité du procédé.

3. Assurer la stabilité du produit et prévenir sa dégradation
De nombreux produits biopharmaceutiques, notamment les protéines telles que les anticorps monoclonaux et les hormones peptidiques, sont sensibles aux modifications structurales induites par le pH. En dehors de leur plage de pH stable, ces molécules peuvent subir une dénaturation, une agrégation ou une inactivation, pouvant entraîner la formation de précipités nocifs. De plus, certains produits sont sujets à une hydrolyse chimique ou à une dégradation enzymatique en milieu acide ou alcalin. Le maintien d'un pH approprié minimise la dégradation du produit pendant sa fabrication, préservant ainsi son efficacité et sa sécurité.

4. Optimiser l'efficacité du processus et garantir la constance d'un lot à l'autre
D'un point de vue industriel, le contrôle du pH influe directement sur la productivité et la viabilité économique. Des recherches approfondies sont menées pour identifier les points de consigne de pH optimaux pour les différentes phases de fermentation – telles que la croissance cellulaire et l'expression du produit – qui peuvent varier considérablement. Le contrôle dynamique du pH permet une optimisation spécifique à chaque étape, maximisant ainsi l'accumulation de biomasse et les titres de produit. De plus, les agences réglementaires telles que la FDA et l'EMA exigent le strict respect des Bonnes Pratiques de Fabrication (BPF), qui imposent des paramètres de procédé constants. Le pH est reconnu comme un Paramètre Critique de Procédé (PCP), et sa surveillance continue garantit la reproductibilité entre les lots, assurant ainsi la sécurité, l'efficacité et la qualité des produits pharmaceutiques.

5. Servir d'indicateur de la santé de la fermentation
L'évolution du pH fournit des informations précieuses sur l'état physiologique de la culture. Des variations soudaines ou inattendues du pH peuvent indiquer une contamination, un dysfonctionnement des capteurs, une carence en nutriments ou des anomalies métaboliques. La détection précoce basée sur l'évolution du pH permet une intervention rapide de l'opérateur, facilitant le dépannage et évitant des échecs de production coûteux.

Comment sélectionner les capteurs de pH pour le processus de fermentation dans les produits biopharmaceutiques ?

Le choix d'un capteur de pH adapté à la fermentation biopharmaceutique est une décision d'ingénierie cruciale qui influe sur la fiabilité du procédé, l'intégrité des données, la qualité du produit et la conformité réglementaire. Ce choix doit être abordé de manière systématique, en tenant compte non seulement des performances du capteur, mais aussi de sa compatibilité avec l'ensemble du flux de production biopharmaceutique.

1. Résistance aux hautes températures et à la pression
Les procédés biopharmaceutiques utilisent couramment la stérilisation à la vapeur in situ (SIP), généralement à 121 °C et sous une pression de 1 à 2 bars pendant 20 à 60 minutes. Par conséquent, tout capteur de pH doit résister à des expositions répétées à ces conditions sans défaillance. Idéalement, le capteur devrait être conçu pour fonctionner à au moins 130 °C et sous une pression de 3 à 4 bars afin de garantir une marge de sécurité. Une étanchéité robuste est essentielle pour prévenir toute infiltration d'humidité, fuite d'électrolyte ou dommage mécanique lors des cycles thermiques.

2. Type de capteur et système de référence
Il s'agit d'un aspect technique fondamental qui influe sur la stabilité à long terme, les besoins de maintenance et la résistance à l'encrassement.
Configuration des électrodes : Les électrodes composites, intégrant à la fois les éléments de mesure et de référence dans un seul corps, sont largement utilisées en raison de leur facilité d'installation et de manipulation.
Système de référence :
• Référence liquide (ex. : solution de KCl) : offre une réponse rapide et une grande précision, mais nécessite un remplissage périodique. Lors de la stérilisation en profondeur (SIP), une perte d’électrolyte peut survenir, et les jonctions poreuses (ex. : frittes en céramique) sont susceptibles de s’encrasser par des protéines ou des particules, ce qui entraîne une dérive et des mesures peu fiables.
• Gel polymère ou référence à l'état solide : de plus en plus privilégiés dans les bioréacteurs modernes, ces systèmes éliminent le besoin de réapprovisionnement en électrolyte, réduisent la maintenance et présentent des jonctions liquides plus larges (par exemple, des anneaux en PTFE) qui résistent à l'encrassement. Ils offrent une stabilité supérieure et une durée de vie plus longue dans les milieux de fermentation complexes et visqueux.

3. Plage de mesure et précision
Le capteur doit couvrir une large plage de fonctionnement, généralement de pH 2 à 12, afin de s'adapter aux différentes étapes du procédé. Compte tenu de la sensibilité des systèmes biologiques, la précision de mesure doit être de l'ordre de ±0,01 à ±0,02 unité de pH, et être assurée par un signal de sortie haute résolution.

4. Temps de réponse
Le temps de réponse est généralement défini comme t90 — le temps nécessaire pour atteindre 90 % de la valeur finale après une variation brusque du pH. Bien que les électrodes à gel puissent présenter un temps de réponse légèrement plus long que les électrodes à liquide, elles répondent généralement aux exigences dynamiques des boucles de régulation de fermentation, qui fonctionnent sur des échelles de temps horaires plutôt que de secondes.

5. Biocompatibilité
Tous les matériaux en contact avec le milieu de culture doivent être non toxiques, non lixiviables et inertes afin d'éviter tout effet néfaste sur la viabilité cellulaire ou la qualité du produit. L'utilisation de formulations de verre spécifiques, conçues pour les applications de bioprocédés, est recommandée pour garantir la résistance chimique et la biocompatibilité.

6. Sortie de signal et interface
• Sortie analogique (mV/pH) : Méthode traditionnelle utilisant une transmission analogique vers le système de contrôle. Économique, mais sensible aux interférences électromagnétiques et à l’atténuation du signal sur de longues distances.
• Sortie numérique (ex. : capteurs MEMS ou intelligents) : intègre une microélectronique embarquée pour la transmission de signaux numériques (ex. : RS485). Offre une excellente immunité au bruit, prend en charge les communications longue distance et permet le stockage de l’historique d’étalonnage, des numéros de série et des journaux d’utilisation. Conforme aux normes réglementaires telles que la norme FDA 21 CFR Part 11 relative aux enregistrements et signatures électroniques, elle est de plus en plus privilégiée dans les environnements BPF.

7. Interface d'installation et boîtier de protection
Le capteur doit être compatible avec le port prévu à cet effet sur le bioréacteur (par exemple, raccord Tri-Clamp, raccord sanitaire). L’utilisation de gaines ou de protections est recommandée afin de prévenir tout dommage mécanique lors de la manipulation ou de l’utilisation et de faciliter le remplacement sans compromettre la stérilité.