뉴스 - 바이오 의약품 발효 공정의 pH 수준 모니터링

pH 전극은 발효 과정에서 매우 중요한 역할을 하며, 주로 발효액의 산성도와 알칼리도를 모니터링하고 조절하는 데 사용됩니다. pH 값을 지속적으로 측정함으로써 발효 환경을 정밀하게 제어할 수 있습니다. 일반적인 pH 전극은 감지 전극과 기준 전극으로 구성되며, 화학 에너지를 전기 신호로 변환하는 네른스트 방정식의 원리에 따라 작동합니다. 전극 전위는 용액 내 수소 이온의 활성도와 직접적인 관련이 있습니다. pH 값은 측정된 전압 차이를 표준 완충 용액의 전압과 비교하여 결정되며, 이를 통해 정확하고 신뢰할 수 있는 교정이 가능합니다. 이러한 측정 방식은 발효 과정 전반에 걸쳐 안정적인 pH 조절을 보장하여 미생물 또는 세포의 최적 활동을 유지하고 제품 품질을 보장합니다.

pH 전극을 올바르게 사용하려면 전극 활성화를 포함한 몇 가지 준비 단계가 필요합니다. 전극 활성화는 일반적으로 증류수 또는 pH 4 완충 용액에 전극을 담가 최적의 반응성과 측정 정확도를 확보하는 방식으로 이루어집니다. 바이오의약품 발효 산업의 엄격한 요구 사항을 충족하기 위해 pH 전극은 빠른 응답 시간, 높은 정밀도, 그리고 고온 증기 멸균(SIP)과 같은 엄격한 멸균 조건에서도 뛰어난 내구성을 보여야 합니다. 이러한 특성은 무균 환경에서 안정적인 성능을 보장합니다. 예를 들어, 글루탐산 생산에서 정확한 pH 모니터링은 온도, 용존 산소, 교반 속도, 그리고 pH 자체와 같은 주요 변수를 제어하는 데 필수적입니다. 이러한 변수들을 정확하게 조절하는 것은 최종 제품의 수율과 품질에 직접적인 영향을 미칩니다. 고온 내성 유리막과 사전 가압된 고분자 겔 기준 시스템을 특징으로 하는 특정 고급 pH 전극은 극한의 온도 및 압력 조건에서도 탁월한 안정성을 보여주므로 생물학적 및 식품 발효 공정의 SIP 적용에 특히 적합합니다. 또한, 뛰어난 오염 방지 기능 덕분에 다양한 발효액에서도 일관된 성능을 유지할 수 있습니다. 상하이 보쿠 계측기(Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd.)는 다양한 전극 커넥터 옵션을 제공하여 사용자 편의성과 시스템 통합 유연성을 향상시킵니다.

바이오의약품 발효 과정에서 pH 모니터링이 필요한 이유는 무엇입니까?

생물약제 발효에서 pH의 실시간 모니터링 및 제어는 항생제, 백신, 단클론 항체, 효소와 같은 목표 제품의 생산 및 수율과 품질을 극대화하는 데 필수적입니다. 본질적으로 pH 제어는 "살아있는 공장"으로 기능하는 미생물 또는 포유류 세포가 치료 화합물을 성장시키고 합성할 수 있는 최적의 생리적 환경을 조성하는 것으로, 농부가 작물 요구량에 따라 토양 pH를 조절하는 방식과 유사합니다.

1. 최적의 세포 활동 유지
발효는 CHO 세포와 같은 살아있는 세포를 이용하여 복잡한 생체 분자를 생성하는 과정입니다. 세포 대사는 환경 pH에 매우 민감합니다. 모든 세포 내 생화학 반응을 촉매하는 효소는 최적 pH 범위가 좁으며, 이 범위를 벗어나면 효소 활성이 크게 감소하거나 변성이 일어나 대사 기능이 손상될 수 있습니다. 또한, 포도당, 아미노산, 무기염과 같은 영양소의 세포막을 통한 흡수도 pH에 따라 달라집니다. 최적 pH보다 낮은 pH에서는 영양소 흡수가 저해되어 성장 부진이나 대사 불균형을 초래할 수 있습니다. 더욱이, 극단적인 pH 값은 세포막의 완전성을 손상시켜 세포질 누출이나 세포 용해를 일으킬 수 있습니다.

2. 부산물 생성 및 기질 폐기물 최소화
발효 과정에서 세포 대사는 산성 또는 염기성 대사 산물을 생성합니다. 예를 들어, 많은 미생물은 포도당 분해 과정에서 유기산(예: 젖산, 아세트산)을 생성하여 pH를 낮춥니다. pH가 낮아지면 세포 성장이 저해되고 대사 흐름이 비생산적인 경로로 전환되어 부산물 축적이 증가할 수 있습니다. 이러한 부산물은 목표 생성물 합성에 사용될 귀중한 탄소 및 에너지 자원을 소모하여 전체 수율을 감소시킵니다. 효과적인 pH 조절은 원하는 대사 경로를 유지하고 공정 효율을 향상시키는 데 도움이 됩니다.

3. 제품의 안정성을 확보하고 품질 저하를 방지합니다.
많은 생물약품, 특히 단클론 항체나 펩타이드 호르몬과 같은 단백질은 pH 변화에 따른 구조적 변화에 민감합니다. 안정적인 pH 범위를 벗어나면 이러한 분자들은 변성, 응집 또는 불활성화되어 유해한 침전물을 형성할 수 있습니다. 또한, 특정 제품은 산성 또는 알칼리성 조건에서 화학적 가수분해나 효소적 분해에 취약합니다. 적절한 pH를 유지하면 제조 과정에서 제품 분해를 최소화하여 효능과 안전성을 보존할 수 있습니다.

4. 공정 효율성을 최적화하고 배치 간 일관성을 보장합니다.
산업적 관점에서 pH 조절은 생산성과 경제적 타당성에 직접적인 영향을 미칩니다. 세포 성장 단계와 제품 발현 단계 등 발효 단계별로 이상적인 pH 설정값을 찾기 위한 광범위한 연구가 진행되고 있으며, 각 단계별 pH 값은 크게 다를 수 있습니다. 동적 pH 조절을 통해 단계별 최적화가 가능해지며, 이를 통해 바이오매스 축적과 제품 수율을 극대화할 수 있습니다. 또한, FDA 및 EMA와 같은 규제 기관은 엄격한 GMP(우수 의약품 제조 및 품질관리 기준) 준수를 요구하며, 일관된 공정 변수 유지가 필수적입니다. pH는 핵심 공정 변수(CPP)로 인식되고 있으며, 지속적인 pH 모니터링은 배치 간 재현성을 보장하여 의약품의 안전성, 효능 및 품질을 확보하는 데 중요한 역할을 합니다.

5. 발효 상태의 지표 역할을 합니다.
pH 변화 추이는 배양액의 생리적 상태에 대한 귀중한 정보를 제공합니다. pH의 갑작스럽거나 예상치 못한 변화는 오염, 센서 오작동, 영양분 고갈 또는 대사 이상을 나타낼 수 있습니다. pH 추이를 기반으로 한 조기 감지는 적시에 작업자의 개입을 가능하게 하여 문제 해결을 용이하게 하고 비용이 많이 드는 배치 생산 실패를 방지합니다.

바이오의약품 발효 공정에 적합한 pH 센서는 어떻게 선정해야 할까요?

바이오의약품 발효에 적합한 pH 센서를 선택하는 것은 공정 신뢰성, 데이터 무결성, 제품 품질 및 규제 준수에 영향을 미치는 중요한 엔지니어링 결정입니다. 센서 성능뿐만 아니라 전체 바이오 공정 워크플로우와의 호환성을 고려하여 체계적으로 선택해야 합니다.

1. 고온 및 고압 저항성
바이오의약품 제조 공정에서는 일반적으로 121°C의 온도와 1~2bar의 압력에서 20~60분 동안 현장 증기 멸균(SIP)을 시행합니다. 따라서 pH 센서는 이러한 조건에 반복적으로 노출되어도 고장 없이 견딜 수 있어야 합니다. 이상적으로는 안전 여유를 확보하기 위해 센서가 최소 130°C 및 3~4bar의 압력 등급을 충족해야 합니다. 열 순환 과정 중 습기 유입, 전해액 누출 또는 기계적 손상을 방지하기 위해서는 견고한 밀봉이 필수적입니다.

2. 센서 종류 및 기준 시스템
이는 장기적인 안정성, 유지보수 필요성 및 오염 저항성에 영향을 미치는 핵심적인 기술적 고려 사항입니다.
전극 구성: 측정 요소와 기준 요소가 하나로 통합된 복합 전극은 설치 및 취급이 용이하여 널리 사용됩니다.
참조 시스템:
• 액체 충전 기준(예: KCl 용액): 빠른 응답 속도와 높은 정확도를 제공하지만 주기적인 재충전이 필요합니다. SIP(정밀 주입) 과정에서 전해질 손실이 발생할 수 있으며, 다공성 접합부(예: 세라믹 프릿)는 단백질이나 미립자에 의해 막히기 쉬워 측정값의 오차 발생 및 신뢰성 저하를 초래할 수 있습니다.
• 고분자 겔 또는 고체 상태 기준 물질: 최신 생물반응기에서 점점 더 선호되고 있습니다. 이러한 시스템은 전해질 보충이 필요 없고 유지보수가 간편하며, 오염에 강한 넓은 액체 접합부(예: PTFE 링)를 특징으로 합니다. 복잡하고 점성이 높은 발효 배지에서 탁월한 안정성과 긴 수명을 제공합니다.

3. 측정 범위 및 정확도
센서는 다양한 공정 단계를 수용할 수 있도록 pH 2~12의 넓은 작동 범위를 지원해야 합니다. 생물학적 시스템의 민감도를 고려할 때, 측정 정확도는 ±0.01~±0.02 pH 단위 이내여야 하며, 고해상도 신호 출력이 이를 뒷받침해야 합니다.

4. 응답 시간
응답 시간은 일반적으로 t90으로 정의되는데, 이는 pH의 단계적 변화 후 최종 측정값의 90%에 도달하는 데 필요한 시간입니다. 젤형 전극은 액체 충전형 전극보다 응답 속도가 약간 느릴 수 있지만, 일반적으로 발효 제어 루프의 동적 요구 사항을 충족합니다. 발효 제어 루프는 초 단위가 아닌 시간 단위로 작동하기 때문입니다.

5. 생체 적합성
배양액과 접촉하는 모든 재료는 세포 생존력이나 제품 품질에 악영향을 미치지 않도록 무독성, 비용출성, 불활성이어야 합니다. 화학적 내성 및 생체 적합성을 보장하기 위해 생물 공정 응용 분야에 맞게 설계된 특수 유리 조성물을 사용하는 것이 좋습니다.

6. 신호 출력 및 인터페이스
• 아날로그 출력(mV/pH): 제어 시스템에 아날로그 신호를 전송하는 기존 방식입니다. 비용 효율적이지만 전자기 간섭에 취약하고 장거리 전송 시 신호 감쇠가 발생할 수 있습니다.
• 디지털 출력(예: MEMS 기반 또는 스마트 센서): 디지털 신호 전송을 위한 온보드 마이크로 전자 장치를 내장하고 있습니다(예: RS485). 뛰어난 잡음 내성을 제공하고 장거리 통신을 지원하며 교정 이력, 일련 번호 및 사용 기록 저장을 가능하게 합니다. 전자 기록 및 서명에 관한 FDA 21 CFR Part 11과 같은 규제 표준을 준수하므로 GMP 환경에서 점점 더 선호되고 있습니다.

7. 설치 인터페이스 및 보호 하우징
센서는 생물반응기의 지정된 포트(예: 트라이클램프, 위생 피팅)와 호환되어야 합니다. 취급 또는 작동 중 기계적 손상을 방지하고 멸균 상태를 유지하면서 센서를 쉽게 교체할 수 있도록 보호 슬리브 또는 가드를 사용하는 것이 좋습니다.