pH電極は発酵プロセスにおいて重要な役割を果たし、主に発酵液の酸性度とアルカリ度を監視・調整します。pH値を連続的に測定することで、電極は発酵環境を正確に制御することができます。一般的なpH電極は、検知電極と参照電極で構成され、化学エネルギーを電気信号に変換するネルンストの原理に基づいて動作します。電極電位は、溶液中の水素イオンの活性に直接関係しています。pH値は、測定された電圧差を標準緩衝液の電圧差と比較することで決定され、正確で信頼性の高い校正が可能になります。この測定方法により、発酵プロセス全体を通して安定したpH制御が保証され、微生物や細胞の最適な活性をサポートし、製品の品質を確保します。
pH電極を適切に使用するには、最適な応答性と測定精度を確保するために、いくつかの準備手順が必要です。その一つに、電極活性化（通常は電極を蒸留水またはpH 4の緩衝液に浸漬することで行われます）があります。バイオ医薬品発酵業界の厳しい要求を満たすために、pH電極は、高温蒸気滅菌（SIP）などの厳格な滅菌条件下でも、迅速な応答時間、高精度、そして堅牢性を示す必要があります。これらの特性により、滅菌環境における信頼性の高い性能が実現します。例えば、グルタミン酸の製造においては、温度、溶存酸素、撹拌速度、そしてpH自体といった重要なパラメータを制御するために、正確なpHモニタリングが不可欠です。これらの変数を正確に制御することは、最終製品の収量と品質の両方に直接影響を及ぼします。耐熱ガラス膜と予圧ポリマーゲルリファレンスシステムを備えた特定の高度なpH電極は、極端な温度および圧力条件下でも優れた安定性を示し、特に生物学的プロセスおよび食品発酵プロセスにおけるSIPアプリケーションに適しています。さらに、強力な防汚性能により、多様な発酵液に対して一貫した性能を発揮します。上海Boqu Instrument Co., Ltd.は、ユーザーの利便性とシステム統合の柔軟性を高めるために、様々な電極コネクタオプションを提供しています。
バイオ医薬品の発酵プロセス中に pH モニタリングが必要なのはなぜですか?
バイオ医薬品発酵において、pHのリアルタイムモニタリングと制御は、抗生物質、ワクチン、モノクローナル抗体、酵素などの標的製品の生産を成功させ、収量と品質を最大化するために不可欠です。本質的に、pH制御は、微生物または哺乳類細胞（「生きた工場」として機能する）が治療用化合物を増殖・合成するための最適な生理学的環境を作り出します。これは、農家が作物の要件に応じて土壌のpHを調整するのと似ています。
1. 最適な細胞活動を維持する
発酵は、複雑な生体分子を生産するために生細胞（例：CHO細胞）に依存しています。細胞代謝は環境pHに非常に敏感です。細胞内のあらゆる生化学反応を触媒する酵素の最適pH範囲は狭く、この範囲から逸脱すると酵素活性が著しく低下したり、変性を引き起こしたりして代謝機能が損なわれる可能性があります。さらに、グルコース、アミノ酸、無機塩などの細胞膜を介した栄養素の吸収はpHに依存します。最適pHレベルを下回ると栄養素の吸収が阻害され、成長が不十分になったり、代謝の不均衡が生じたりする可能性があります。さらに、極端なpH値は細胞膜の完全性を損ない、細胞質の漏出や細胞溶解を引き起こす可能性があります。
2. 副産物の生成と基質の無駄を最小限に抑える
発酵中、細胞代謝によって酸性または塩基性代謝産物が生成されます。例えば、多くの微生物はグルコース分解中に有機酸（乳酸、酢酸など）を生成し、pHの低下を引き起こします。pHが低い状態が適切に維持されない場合、細胞の成長が阻害され、代謝フラックスが非生産的な経路へと移行し、副産物の蓄積が増加する可能性があります。これらの副産物は、本来であれば目的産物の合成を支える貴重な炭素とエネルギー資源を消費するため、全体的な収率を低下させます。効果的なpH制御は、望ましい代謝経路を維持し、プロセス効率を向上させるのに役立ちます。
3. 製品の安定性を確保し、劣化を防ぐ
多くのバイオ医薬品製品、特にモノクローナル抗体やペプチドホルモンなどのタンパク質は、pHによる構造変化の影響を受けやすいです。安定pH範囲外では、これらの分子は変性、凝集、または不活性化を起こし、有害な沈殿物を形成する可能性があります。さらに、特定の製品は酸性またはアルカリ性条件下で化学的加水分解または酵素分解を受けやすい傾向があります。適切なpHを維持することで、製造中の製品の分解を最小限に抑え、効力と安全性を維持できます。
4. プロセス効率を最適化し、バッチ間の一貫性を確保する
産業的な観点から見ると、pH制御は生産性と経済的実現可能性に直接影響を及ぼします。細胞増殖と製品発現など、大きく異なる可能性のある様々な発酵段階に最適なpH設定値を特定するために、広範な研究が行われています。動的pH制御は段階ごとの最適化を可能にし、バイオマス蓄積と製品力価を最大化します。さらに、FDAやEMAなどの規制当局は、一貫したプロセスパラメータが必須である適正製造基準（GMP）の厳格な遵守を要求しています。pHは重要工程パラメータ（CPP）として認識されており、継続的なモニタリングによりバッチ間の再現性が確保され、医薬品の安全性、有効性、品質が保証されます。
5. 発酵の健全性の指標として機能する
pHの変化傾向は、培養物の生理学的状態に関する貴重な知見をもたらします。突然または予期せぬpHの変化は、汚染、センサーの故障、栄養素の枯渇、または代謝異常の兆候である可能性があります。pHの傾向に基づく早期検知により、オペレーターはタイムリーに介入することができ、トラブルシューティングを容易にし、コストのかかるバッチの不具合を防止できます。
バイオ医薬品の発酵プロセスでは pH センサーをどのように選択すればよいですか?
バイオ医薬品発酵に適したpHセンサーの選択は、プロセスの信頼性、データの完全性、製品品質、そして規制遵守に影響を与える重要なエンジニアリング上の決定です。センサーの性能だけでなく、バイオプロセスワークフロー全体との互換性も考慮し、体系的に選択する必要があります。
1. 高温・高圧耐性
バイオ医薬品製造プロセスでは、通常、121℃、1～2barの圧力で20～60分間、原位置蒸気滅菌（SIP）が用いられます。そのため、pHセンサーは、このような条件に繰り返しさらされても故障することなく耐えなければなりません。理想的には、安全マージンを確保するため、センサーの定格は少なくとも130℃、3～4barである必要があります。熱サイクル中の水分の浸入、電解液の漏出、または機械的損傷を防ぐには、堅牢なシールが不可欠です。
2. センサーの種類と参照システム
これは、長期的な安定性、メンテナンスの必要性、および汚れに対する耐性に影響を与える中核的な技術的考慮事項です。
電極構成: 測定要素と基準要素の両方を 1 つのボディに統合した複合電極は、取り付けと取り扱いが容易なため、広く採用されています。
参照システム:
• 液体を充填したリファレンス（例：KCl溶液）：応答速度が速く、精度も高いが、定期的な補充が必要となる。SIP（SIP）中は電解質が失われる可能性があり、多孔質の接合部（例：セラミックフリット）はタンパク質や微粒子によって詰まりやすく、ドリフトや測定値の信頼性の低下につながる。
• ポリマーゲルまたは固体リファレンス：現代のバイオリアクターではますます好まれるようになっています。これらのシステムは電解質の補充が不要で、メンテナンスの負担を軽減し、汚れに強い広い液絡部（例：PTFEリング）を備えています。複雑で粘性の高い発酵培地において、優れた安定性と長寿命を実現します。
3. 測定範囲と精度
センサーは、様々なプロセス段階に対応するため、通常pH 2～12という広い動作範囲をカバーする必要があります。生物系の感受性を考慮すると、測定精度は±0.01～±0.02 pH単位以内で、高解像度の信号出力によってサポートされる必要があります。
4. 応答時間
応答時間は通常、t90（pHの段階的変化から最終測定値の90%に達するまでの時間）として定義されます。ゲル型電極は液体を充填した電極よりも応答が若干遅い場合がありますが、一般的には、秒単位ではなく時間単位で動作する発酵制御ループの動的要件を満たします。
5. 生体適合性
細胞生存率や製品品質への悪影響を避けるため、培養培地と接触するすべての材料は、無毒性、非浸出性、不活性でなければなりません。耐薬品性と生体適合性を確保するため、バイオプロセス用途向けに設計された特殊なガラス配合が推奨されます。
6. 信号出力とインターフェース
• アナログ出力（mV/pH）：制御システムへのアナログ伝送を使用する従来の方法。コスト効率は高いものの、長距離では電磁干渉や信号減衰の影響を受けやすい。
• デジタル出力（例：MEMSベースまたはスマートセンサー）：オンボードのマイクロエレクトロニクスを搭載し、デジタル信号（例：RS485経由）を送信します。優れたノイズ耐性を備え、長距離通信をサポートし、校正履歴、シリアル番号、使用ログの保存が可能です。電子記録および署名に関するFDA 21 CFR Part 11などの規制基準に準拠しているため、GMP環境でますます人気が高まっています。
7. 取り付けインターフェースと保護ハウジング
センサーは、バイオリアクターの指定ポート（例：トライクランプ、サニタリーフィッティング）に適合している必要があります。取り扱いや操作中の機械的損傷を防ぎ、無菌性を損なうことなく交換を容易にするために、保護スリーブまたはガードの使用をお勧めします。
投稿日時: 2025年9月22日
