Actualités - Surveillance du pH dans le processus de fermentation biopharmaceutique

L'électrode de pH joue un rôle essentiel dans le processus de fermentation, servant principalement à surveiller et à réguler l'acidité et l'alcalinité du moût de fermentation. En mesurant le pH en continu, l'électrode permet un contrôle précis du milieu de fermentation. Une électrode de pH classique se compose d'une électrode de détection 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 dans la solution. Le pH est déterminé en comparant la différence de tension mesurée à celle d'une solution tampon standard, ce qui permet un étalonnage précis et fiable. Cette méthode de mesure assure une régulation stable du pH tout au long du processus de fermentation, favorisant ainsi une activité microbienne ou cellulaire optimale et garantissant la qualité du produit.

L'utilisation correcte des électrodes de pH nécessite plusieurs étapes préparatoires, dont leur activation, 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 strictes de l'industrie de la fermentation biopharmaceutique, les électrodes de pH doivent offrir des temps de réponse rapides, une grande précision et une grande robustesse dans des conditions de stérilisation rigoureuses, telles que la stérilisation à la vapeur à haute température (SEP). Ces caractéristiques garantissent des performances fiables en environnement stérile. Par exemple, dans la production d'acide glutamique, une surveillance précise du pH est essentielle pour contrôler 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 avancées, dotées de membranes en verre résistantes aux hautes températures et de systèmes de référence à gel polymère pré-pressurisés, présentent une stabilité exceptionnelle dans des conditions de température et de pression extrêmes, ce qui les rend particulièrement adaptées aux applications de SEP dans les procédés de fermentation biologique et alimentaire. De plus, leurs excellentes propriétés anti-encrassement garantissent des performances constantes sur divers bouillons de fermentation. Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd. propose diverses options de connecteurs d'électrodes, améliorant la commodité de l'utilisateur et la flexibilité d'intégration du système.

Pourquoi la surveillance du pH est-elle nécessaire pendant le processus de fermentation des produits biopharmaceutiques ?

En fermentation biopharmaceutique, la surveillance et le contrôle 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. Concrètement, le contrôle du pH crée un environnement physiologique optimal pour que les cellules microbiennes ou mammaliennes – véritables « usines vivantes » – puissent croître et synthétiser des composés thérapeutiques, à l'instar des agriculteurs qui ajustent le pH du sol aux besoins des cultures.

1. Maintenir une activité cellulaire optimale
La fermentation repose sur des cellules vivantes (par exemple, les cellules CHO) pour produire des biomolécules complexes. Le métabolisme cellulaire est très sensible au pH environnemental. Les enzymes, qui catalysent toutes les réactions biochimiques intracellulaires, ont des pH optima étroits ; tout écart par rapport à cette plage peut réduire significativement l'activité enzymatique ou provoquer une dénaturation, altérant ainsi la fonction métabolique. De plus, l'absorption des nutriments à travers la membrane cellulaire, comme 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. De plus, des valeurs de pH extrêmes peuvent compromettre l'intégrité de la membrane, provoquant une fuite cytoplasmique ou une lyse cellulaire.

2. Minimiser la formation de sous-produits et le gaspillage 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 (par exemple, l'acide lactique et l'acide acétique) lors du catabolisme du glucose, ce qui entraîne une baisse du pH. Non corrigé, un pH bas inhibe la croissance cellulaire et peut déplacer 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, favoriseraient 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 structurelles induites par le pH. Hors de leur plage de pH stable, ces molécules peuvent subir une dénaturation, une agrégation ou une inactivation, formant potentiellement des précipités nocifs. De plus, certains produits sont sujets à l'hydrolyse chimique ou à la dégradation enzymatique en milieu acide ou alcalin. Le maintien d'un pH approprié minimise la dégradation du produit pendant la fabrication, préservant ainsi son efficacité et sa sécurité.

4. Optimiser l'efficacité du processus et garantir la cohérence d'un lot à l'autre
D'un point de vue industriel, le contrôle du pH a un impact direct sur la productivité et la viabilité économique. Des recherches approfondies sont menées pour identifier les valeurs de consigne de pH idéales pour les différentes phases de fermentation, telles que la croissance cellulaire et l'expression du produit, qui peuvent différer 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 organismes de réglementation tels que la FDA et l'EMA exigent le strict respect des Bonnes Pratiques de Fabrication (BPF), qui imposent des paramètres de procédé cohérents. Le pH est reconnu comme un paramètre critique de procédé (PCP) et sa surveillance continue assure la reproductibilité entre les lots, garantissant 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 signaler une contamination, un dysfonctionnement du capteur, un appauvrissement en nutriments ou des anomalies métaboliques. Une détection précoce basée sur les tendances du pH permet une intervention rapide de l'opérateur, facilitant ainsi le dépannage et évitant des échecs de lots 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 technique cruciale qui affecte la fiabilité du procédé, l'intégrité des données, la qualité du produit et la conformité réglementaire. Ce choix doit être effectué de manière systématique, en tenant compte non seulement des performances du capteur, mais aussi de sa compatibilité avec l'ensemble du processus de biotraitement.

1. Résistance aux hautes températures et à la pression
Les procédés biopharmaceutiques font couramment appel à la stérilisation à la vapeur in situ (SEP), 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 une exposition répétée à de telles conditions sans défaillance. Idéalement, le capteur devrait être conçu pour une température minimale de 130 °C et 3 à 4 bars afin de garantir une marge de sécurité. Une étanchéité robuste est essentielle pour éviter toute pénétration d'humidité, toute fuite d'électrolyte ou tout dommage mécanique lors des cycles thermiques.

2. Type de capteur et système de référence
Il s’agit d’une considération technique essentielle qui affecte 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 des éléments de mesure et de référence dans un seul corps, sont largement adoptées en raison de leur facilité d'installation et de manipulation.
Système de référence:
• Référence liquide (par exemple, solution de KCl) : Offre une réponse rapide et une grande précision, mais nécessite un remplissage périodique. Lors de la SIP, une perte d'électrolyte peut se produire et les jonctions poreuses (par exemple, les frittés céramiques) sont sujettes à l'obstruction par des protéines ou des particules, ce qui entraîne des dérives et des mesures peu fiables.
• Référence à gel polymère ou à l'état solide : De plus en plus privilégiée dans les bioréacteurs modernes. Ces systèmes éliminent le besoin de réapprovisionnement en électrolytes, réduisent la maintenance et sont dotés de jonctions liquides plus larges (par exemple, anneaux en PTFE) qui résistent à l'encrassement. Ils offrent une stabilité supérieure et une durée de vie prolongée 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 comprise entre ±0,01 et ±0,02 unité de pH, avec 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 progressive du pH. Bien que les électrodes à gel puissent présenter une réponse légèrement plus lente que celles à liquide, elles répondent généralement aux exigences dynamiques des boucles de régulation de la fermentation, qui fonctionnent sur des échelles horaires plutôt que sur des échelles de temps de quelques 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. Il est recommandé d'utiliser des formulations de verre spécifiques aux applications de bioprocédés afin de garantir leur résistance chimique et leur biocompatibilité.

6. Sortie de signal et interface
Sortie analogique (mV/pH) : Méthode traditionnelle utilisant la transmission analogique au système de contrôle. Économique, mais vulnérable aux interférences électromagnétiques et à l'atténuation du signal sur de longues distances.
Sortie numérique (par exemple, capteurs MEMS ou intelligents) : intègre une microélectronique embarquée pour transmettre des signaux numériques (par exemple, via 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, ce qui en fait un choix de plus en plus prisé dans les environnements GMP.

7. Interface d'installation et boîtier de protection
Le capteur doit être compatible avec le port prévu sur le bioréacteur (par exemple, Tri-clamp, raccord sanitaire). Il est conseillé d'utiliser des manchons ou protections de protection pour éviter tout dommage mécanique lors de la manipulation ou du fonctionnement et pour faciliter le remplacement sans compromettre la stérilité.