أخبار - مراقبة مستويات الرقم الهيدروجيني في عملية التخمير الصيدلاني الحيوي

يلعب قطب قياس الأس الهيدروجيني دورًا حاسمًا في عملية التخمير، حيث يُستخدم بشكل أساسي لمراقبة وتنظيم حموضة وقلوية مرق التخمير. ومن خلال القياس المستمر لقيمة الأس الهيدروجيني، يُتيح القطب تحكمًا دقيقًا في بيئة التخمير. يتكون قطب قياس الأس الهيدروجيني النموذجي من قطب استشعار وقطب مرجعي، ويعمل وفقًا لمبدأ معادلة نرنست، التي تحكم تحويل الطاقة الكيميائية إلى إشارات كهربائية. يرتبط جهد القطب ارتباطًا مباشرًا بنشاط أيونات الهيدروجين في المحلول. تُحدد قيمة الأس الهيدروجيني بمقارنة فرق الجهد المقاس مع جهد محلول منظم قياسي، مما يسمح بمعايرة دقيقة وموثوقة. يضمن هذا النهج القياسي استقرار تنظيم الأس الهيدروجيني طوال عملية التخمير، وبالتالي يدعم النشاط الميكروبي أو الخلوي الأمثل ويضمن جودة المنتج.

يتطلب الاستخدام الأمثل لأقطاب قياس الأس الهيدروجيني عدة خطوات تحضيرية، بما في ذلك تنشيط القطب - والذي يتم عادةً بغمره في الماء المقطر أو محلول منظم عند درجة حموضة 4 - لضمان الاستجابة المثلى ودقة القياس. ولتلبية المتطلبات الصارمة لصناعة التخمير الصيدلاني الحيوي، يجب أن تتميز أقطاب قياس الأس الهيدروجيني بسرعة الاستجابة، ودقة عالية، ومتانة في ظل ظروف تعقيم صارمة، مثل التعقيم بالبخار عالي الحرارة. تُمكّن هذه الخصائص من أداء موثوق في البيئات المعقمة. على سبيل المثال، في إنتاج حمض الجلوتاميك، يُعدّ رصد الأس الهيدروجيني بدقة أمرًا ضروريًا للتحكم في المعايير الرئيسية مثل درجة الحرارة، والأكسجين المذاب، وسرعة التحريك، والأس الهيدروجيني نفسه. يؤثر التنظيم الدقيق لهذه المتغيرات بشكل مباشر على كل من كمية وجودة المنتج النهائي. تُظهر بعض أقطاب قياس الأس الهيدروجيني المتقدمة، التي تتميز بأغشية زجاجية مقاومة لدرجات الحرارة العالية وأنظمة مرجعية من هلام البوليمر المضغوط مسبقًا، استقرارًا استثنائيًا في ظل ظروف درجات الحرارة والضغط القصوى، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص لتطبيقات التعقيم بالبخار عالي الحرارة في عمليات التخمير البيولوجي والغذائي. علاوة على ذلك، تتيح خصائصها القوية المضادة للتلوث أداءً ثابتًا في مختلف أنواع مرق التخمير. تقدم شركة شنغهاي بوكو للأجهزة المحدودة خيارات متنوعة لموصلات الأقطاب الكهربائية، مما يعزز سهولة الاستخدام ومرونة تكامل النظام.

لماذا تعتبر مراقبة درجة الحموضة ضرورية أثناء عملية تخمير المستحضرات الصيدلانية الحيوية؟

في مجال التخمير الصيدلاني الحيوي، يُعدّ الرصد والتحكم في درجة الحموضة في الوقت الفعلي أمرًا بالغ الأهمية لنجاح الإنتاج ولتحقيق أقصى قدر من الإنتاجية والجودة للمنتجات المستهدفة، مثل المضادات الحيوية واللقاحات والأجسام المضادة وحيدة النسيلة والإنزيمات. وباختصار، يُهيئ التحكم في درجة الحموضة بيئة فسيولوجية مثالية للخلايا الميكروبية أو خلايا الثدييات - التي تعمل كـ"مصانع حية" - لتنمو وتُصنّع المركبات العلاجية، على غرار كيفية قيام المزارعين بضبط درجة حموضة التربة وفقًا لاحتياجات المحاصيل.

1. الحفاظ على النشاط الخلوي الأمثل
تعتمد عملية التخمر على الخلايا الحية (مثل خلايا CHO) لإنتاج جزيئات حيوية معقدة. وتتأثر عملية الأيض الخلوي بشدة بدرجة حموضة البيئة المحيطة. وللإنزيمات، التي تحفز جميع التفاعلات الكيميائية الحيوية داخل الخلايا، نطاق أمثل ضيق لدرجة الحموضة؛ إذ يمكن أن تؤدي الانحرافات عن هذا النطاق إلى انخفاض كبير في نشاطها أو التسبب في تلفها، مما يُضعف وظائفها الأيضية. بالإضافة إلى ذلك، فإن امتصاص العناصر الغذائية عبر غشاء الخلية - مثل الجلوكوز والأحماض الأمينية والأملاح غير العضوية - يعتمد على درجة الحموضة. وقد تعيق مستويات الحموضة غير المثلى امتصاص العناصر الغذائية، مما يؤدي إلى نمو غير مثالي أو اختلال في التوازن الأيضي. علاوة على ذلك، يمكن أن تؤدي قيم الحموضة المتطرفة إلى الإضرار بسلامة الغشاء، مما ينتج عنه تسرب سيتوبلازمي أو تحلل الخلية.

2. تقليل تكوين المنتجات الثانوية ونفايات الركيزة
أثناء عملية التخمر، ينتج عن عمليات الأيض الخلوية نواتج أيضية حمضية أو قاعدية. على سبيل المثال، تُنتج العديد من الكائنات الدقيقة أحماضًا عضوية (مثل حمض اللاكتيك وحمض الخليك) أثناء هدم الجلوكوز، مما يؤدي إلى انخفاض في درجة الحموضة. إذا لم يتم تصحيح انخفاض درجة الحموضة، فإنه يُثبط نمو الخلايا وقد يُحوّل التدفق الأيضي نحو مسارات غير منتجة، مما يزيد من تراكم النواتج الثانوية. تستهلك هذه النواتج الثانوية موارد قيّمة من الكربون والطاقة التي كان من الممكن أن تدعم تخليق المنتج المستهدف، وبالتالي تُقلل من الإنتاجية الإجمالية. يُساعد التحكم الفعال في درجة الحموضة على الحفاظ على المسارات الأيضية المطلوبة ويُحسّن كفاءة العملية.

3. ضمان استقرار المنتج ومنع تدهوره
تتأثر العديد من المنتجات الصيدلانية الحيوية، وخاصة البروتينات كالأجسام المضادة وحيدة النسيلة والهرمونات الببتيدية، بتغيرات بنيوية ناتجة عن تغيرات الرقم الهيدروجيني. فخارج نطاق الرقم الهيدروجيني المستقر، قد تتعرض هذه الجزيئات للتلف أو التكتل أو فقدان الفعالية، مما قد يؤدي إلى تكوين رواسب ضارة. إضافةً إلى ذلك، فإن بعض المنتجات عرضة للتحلل الكيميائي أو التحلل الأنزيمي في الظروف الحمضية أو القلوية. ويساهم الحفاظ على الرقم الهيدروجيني المناسب في تقليل تدهور المنتج أثناء التصنيع، وبالتالي الحفاظ على فعاليته وسلامته.

4. تحسين كفاءة العملية وضمان اتساق النتائج من دفعة إلى أخرى
من الناحية الصناعية، يؤثر التحكم في درجة الحموضة بشكل مباشر على الإنتاجية والجدوى الاقتصادية. تُجرى أبحاث مكثفة لتحديد نقاط ضبط درجة الحموضة المثالية لمراحل التخمير المختلفة، مثل نمو الخلايا مقابل إنتاج المنتج، والتي قد تختلف اختلافًا كبيرًا. يتيح التحكم الديناميكي في درجة الحموضة تحسينًا خاصًا بكل مرحلة، مما يزيد من تراكم الكتلة الحيوية وتركيز المنتج. علاوة على ذلك، تشترط الهيئات التنظيمية، مثل إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) ووكالة الأدوية الأوروبية (EMA)، الالتزام الصارم بممارسات التصنيع الجيدة (GMP)، حيث تُعد معايير العملية المتسقة إلزامية. تُعتبر درجة الحموضة من معايير العملية الحرجة (CPP)، ويضمن رصدها المستمر إمكانية تكرار النتائج بين الدفعات، مما يضمن سلامة وفعالية وجودة المنتجات الصيدلانية.

5. تُستخدم كمؤشر على صحة عملية التخمير
يُقدّم تحليل اتجاهات تغير الرقم الهيدروجيني معلومات قيّمة حول الحالة الفيزيولوجية للمزرعة. قد تُشير التحولات المفاجئة أو غير المتوقعة في الرقم الهيدروجيني إلى التلوث، أو خلل في المستشعرات، أو نقص في العناصر الغذائية، أو اضطرابات أيضية. يُتيح الكشف المبكر بناءً على اتجاهات الرقم الهيدروجيني تدخلاً فورياً من قِبل المشغل، مما يُسهّل عملية تحديد المشكلات ويمنع فشل الدفعات المكلف.

كيف ينبغي اختيار أجهزة استشعار الرقم الهيدروجيني لعملية التخمير في المستحضرات الصيدلانية الحيوية؟

يُعدّ اختيار مستشعر الرقم الهيدروجيني المناسب للتخمير الحيوي الصيدلاني قرارًا هندسيًا بالغ الأهمية، إذ يؤثر على موثوقية العملية، وسلامة البيانات، وجودة المنتج، والامتثال للوائح التنظيمية. لذا، ينبغي اتباع نهج منهجي في عملية الاختيار، مع مراعاة أداء المستشعر وتوافقه مع سير العمل الحيوي بأكمله.

1. مقاومة عالية للحرارة والضغط
تستخدم عمليات التصنيع الدوائي الحيوي عادةً التعقيم بالبخار الموضعي، عادةً عند درجة حرارة 121 درجة مئوية وضغط يتراوح بين 1 و2 بار لمدة تتراوح بين 20 و60 دقيقة. لذلك، يجب أن يتحمل أي مستشعر لدرجة الحموضة التعرض المتكرر لهذه الظروف دون أن يتعطل. من الناحية المثالية، يجب أن يكون المستشعر مصممًا لتحمل درجة حرارة لا تقل عن 130 درجة مئوية وضغط يتراوح بين 3 و4 بار لتوفير هامش أمان. يُعدّ الإحكام الجيد ضروريًا لمنع دخول الرطوبة أو تسرب الإلكتروليت أو التلف الميكانيكي أثناء دورات التسخين والتبريد.

2. نوع المستشعر ونظام المرجع
هذا اعتبار تقني أساسي يؤثر على الاستقرار على المدى الطويل، واحتياجات الصيانة، ومقاومة التلوث.
تكوين الأقطاب الكهربائية: يتم اعتماد الأقطاب الكهربائية المركبة، التي تدمج عناصر القياس والمرجع في جسم واحد، على نطاق واسع نظرًا لسهولة تركيبها والتعامل معها.
نظام مرجعي:
• محلول مرجعي مملوء بسائل (مثل محلول كلوريد البوتاسيوم): يوفر استجابة سريعة ودقة عالية، ولكنه يتطلب إعادة تعبئة دورية. أثناء عملية التعقيم بالرش، قد يحدث فقدان للإلكتروليت، كما أن الوصلات المسامية (مثل الأقراص الخزفية) عرضة للانسداد بالبروتينات أو الجسيمات، مما يؤدي إلى انحراف القراءات وعدم موثوقيتها.
• هلام البوليمر أو المرجع الصلب: يُفضّل استخدامه بشكل متزايد في المفاعلات الحيوية الحديثة. تُغني هذه الأنظمة عن الحاجة إلى تجديد الإلكتروليت، وتقلل من الصيانة، وتتميز بوصلات سائلة أوسع (مثل حلقات PTFE) تقاوم التلوث. كما توفر استقرارًا فائقًا وعمرًا تشغيليًا أطول في أوساط التخمر المعقدة واللزجة.

3. نطاق القياس ودقته
ينبغي أن يغطي المستشعر نطاق تشغيل واسع، عادةً من 2 إلى 12 درجة حموضة، لاستيعاب مراحل المعالجة المختلفة. ونظرًا لحساسية الأنظمة البيولوجية، يجب أن تكون دقة القياس في حدود ±0.01 إلى ±0.02 وحدة حموضة، مدعومةً بإخراج إشارة عالي الدقة.

4. زمن الاستجابة
يُعرَّف زمن الاستجابة عادةً بأنه t90، وهو الوقت اللازم للوصول إلى 90% من القراءة النهائية بعد تغيير مفاجئ في الرقم الهيدروجيني. ورغم أن الأقطاب الكهربائية من نوع الهلام قد تُظهر استجابة أبطأ قليلاً من الأقطاب المملوءة بالسوائل، إلا أنها تُلبي عمومًا المتطلبات الديناميكية لحلقات التحكم في التخمر، والتي تعمل على نطاق زمني بالساعة بدلاً من الثانية.

5. التوافق الحيوي
يجب أن تكون جميع المواد الملامسة لوسط الاستنبات غير سامة، وغير قابلة للتسرب، وخاملة لتجنب أي آثار سلبية على حيوية الخلايا أو جودة المنتج. يُوصى باستخدام تركيبات زجاجية متخصصة مصممة لتطبيقات المعالجة الحيوية لضمان مقاومة المواد الكيميائية والتوافق الحيوي.

6. مخرج الإشارة والواجهة
• خرج تناظري (مللي فولت/درجة حموضة): طريقة تقليدية تستخدم الإرسال التناظري إلى نظام التحكم. فعالة من حيث التكلفة ولكنها عرضة للتداخل الكهرومغناطيسي وتوهين الإشارة على مسافات طويلة.
• مخرج رقمي (مثل المستشعرات الذكية أو تلك القائمة على تقنية MEMS): يتضمن إلكترونيات دقيقة مدمجة لنقل الإشارات الرقمية (مثلًا عبر RS485). يوفر مقاومة ممتازة للتشويش، ويدعم الاتصالات بعيدة المدى، ويتيح تخزين سجلات المعايرة والأرقام التسلسلية وسجلات الاستخدام. يتوافق مع المعايير التنظيمية مثل الجزء 11 من الباب 21 من قانون اللوائح الفيدرالية الأمريكية (FDA 21 CFR Part 11) فيما يتعلق بالسجلات والتوقيعات الإلكترونية، مما يجعله مفضلًا بشكل متزايد في بيئات التصنيع الجيد (GMP).

7. واجهة التركيب والغطاء الواقي
يجب أن يكون المستشعر متوافقًا مع المنفذ المخصص له في المفاعل الحيوي (مثل: مشبك ثلاثي، وصلة صحية). يُنصح باستخدام أغطية أو واقيات لمنع التلف الميكانيكي أثناء المناولة أو التشغيل، ولتسهيل استبداله دون المساس بالتعقيم.