pH 전극은 발효 과정에서 중요한 역할을 하며, 주로 발효액의 산도와 알칼리도를 모니터링하고 조절하는 역할을 합니다. 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 활성과 직접적인 관련이 있습니다. pH 값은 측정된 전압 차이를 표준 완충 용액의 전압 차이와 비교하여 결정되므로 정확하고 신뢰할 수 있는 교정이 가능합니다. 이러한 측정 방식은 발효 과정 전반에 걸쳐 안정적인 pH 조절을 보장하여 최적의 미생물 또는 세포 활동을 지원하고 제품 품질을 보장합니다.
pH 전극을 올바르게 사용하려면 최적의 반응성과 측정 정확도를 보장하기 위해 전극 활성화(일반적으로 증류수 또는 pH 4 완충 용액에 전극을 담그는 방식)를 포함한 여러 준비 단계가 필요합니다. 바이오 의약품 발효 산업의 엄격한 요구를 충족하기 위해 pH 전극은 고온 증기 멸균(SIP)과 같은 엄격한 멸균 조건에서도 빠른 반응 시간, 높은 정밀도, 그리고 견고성을 유지해야 합니다. 이러한 특성은 멸균 환경에서 안정적인 성능을 보장합니다. 예를 들어, 글루탐산 생산에서는 온도, 용존 산소량, 교반 속도, pH 자체와 같은 주요 매개변수를 제어하기 위해 정밀한 pH 모니터링이 필수적입니다. 이러한 변수의 정확한 조절은 최종 제품의 수율과 품질에 직접적인 영향을 미칩니다. 고온 내성 유리 멤브레인과 사전 가압된 폴리머 겔 기준 시스템을 갖춘 특정 첨단 pH 전극은 극한의 온도 및 압력 조건에서도 탁월한 안정성을 보여주므로 생물학적 및 식품 발효 공정의 SIP 응용 분야에 특히 적합합니다. 또한, 강력한 방오 기능으로 다양한 발효액에서 일관된 성능을 보장합니다. Shanghai Boqu Instrument Co., Ltd.는 다양한 전극 커넥터 옵션을 제공하여 사용자 편의성과 시스템 통합 유연성을 향상시킵니다.
생물의약품의 발효 과정에서 pH 모니터링이 필요한 이유는 무엇입니까?
생물약학 발효에서 pH의 실시간 모니터링 및 제어는 성공적인 생산과 항생제, 백신, 단일클론항체, 효소와 같은 목표 제품의 수율 및 품질 극대화에 필수적입니다. 본질적으로 pH 제어는 미생물이나 포유류 세포가 "살아있는 공장"처럼 기능하여 치료제를 성장시키고 합성할 수 있는 최적의 생리적 환경을 조성합니다. 이는 농부가 작물의 필요에 따라 토양 pH를 조절하는 방식과 유사합니다.
1. 최적의 세포 활동 유지
발효는 복잡한 생체 분자를 생성하기 위해 살아있는 세포(예: CHO 세포)에 의존합니다. 세포 대사는 환경 pH에 매우 민감합니다. 모든 세포 내 생화학 반응을 촉매하는 효소는 최적 pH 범위가 좁습니다. 이 범위를 벗어나면 효소 활성이 크게 감소하거나 변성을 일으켜 대사 기능이 손상될 수 있습니다. 또한, 포도당, 아미노산, 무기염과 같은 세포막을 통한 영양소 흡수는 pH에 따라 달라집니다. 최적이 아닌 pH 수준은 영양소 흡수를 방해하여 최적이 아닌 성장 또는 대사 불균형을 초래할 수 있습니다. 더욱이, 극단적인 pH 값은 세포막의 완전성을 손상시켜 세포질 누출이나 세포 용해를 초래할 수 있습니다.
2. 부산물 형성 및 기질 낭비 최소화
발효 과정에서 세포 대사는 산성 또는 염기성 대사산물을 생성합니다. 예를 들어, 많은 미생물은 포도당 분해 과정에서 유기산(예: 젖산, 아세트산)을 생성하여 pH를 낮춥니다. pH가 낮게 유지되지 않으면 세포 성장이 억제되고 대사 흐름이 비생산적인 경로로 이동하여 부산물 축적이 증가할 수 있습니다. 이러한 부산물은 목표 생성물 합성에 필요한 귀중한 탄소 및 에너지 자원을 소모하여 전체 수율을 감소시킵니다. 효과적인 pH 조절은 원하는 대사 경로를 유지하고 공정 효율을 향상시키는 데 도움이 됩니다.
3. 제품 안정성 확보 및 품질 저하 방지
많은 생물의약품, 특히 단일클론항체와 펩타이드 호르몬과 같은 단백질은 pH에 의해 유도되는 구조적 변화에 취약합니다. 안정적인 pH 범위를 벗어나면 이러한 분자는 변성, 응집 또는 불활성화되어 유해한 침전물을 형성할 수 있습니다. 또한, 일부 제품은 산성 또는 알칼리성 조건에서 화학적 가수분해 또는 효소 분해되기 쉽습니다. 적절한 pH를 유지하면 제조 과정에서 제품 분해를 최소화하여 효능과 안전성을 유지할 수 있습니다.
4. 프로세스 효율성을 최적화하고 배치 간 일관성을 보장합니다.
산업적 관점에서 pH 조절은 생산성과 경제적 타당성에 직접적인 영향을 미칩니다. 세포 성장과 제품 발현 등 다양한 발효 단계에 대한 이상적인 pH 설정값을 찾기 위한 광범위한 연구가 수행되고 있으며, 이러한 설정값은 상당히 다를 수 있습니다. 동적 pH 조절은 단계별 최적화를 가능하게 하여 바이오매스 축적과 제품 역가를 극대화합니다. 또한, FDA 및 EMA와 같은 규제 기관은 일관된 공정 매개변수가 의무적인 우수 제조 기준(GMP)을 엄격히 준수하도록 요구합니다. pH는 중요 공정 매개변수(CPP)로 인정받고 있으며, 지속적인 모니터링을 통해 배치 전체의 재현성을 보장하고 의약품의 안전성, 효능 및 품질을 보장합니다.
5. 발효 건강의 지표로 활용
pH 변화 추세는 배양액의 생리적 상태에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다. 갑작스럽거나 예상치 못한 pH 변화는 오염, 센서 오작동, 영양소 고갈 또는 대사 이상을 나타낼 수 있습니다. pH 추세를 기반으로 조기에 감지하면 적시에 작업자 개입이 가능해져 문제 해결이 용이해지고, 고비용의 배치 실패를 예방할 수 있습니다.
생물의약품의 발효 공정에 적합한 pH 센서는 어떻게 선택해야 합니까?
생물의약품 발효에 적합한 pH 센서를 선택하는 것은 공정 신뢰성, 데이터 무결성, 제품 품질 및 규정 준수에 영향을 미치는 중요한 엔지니어링 결정입니다. 센서 성능뿐만 아니라 전체 생물공정 워크플로우와의 호환성까지 고려하여 체계적으로 선택해야 합니다.
1. 고온 및 고압 저항성
생물제약 공정에서는 일반적으로 현장 증기 멸균(SIP)을 사용하며, 일반적으로 121°C, 1~2bar 압력에서 20~60분 동안 멸균합니다. 따라서 모든 pH 센서는 이러한 조건에 반복적으로 노출되어도 고장 없이 견뎌야 합니다. 이상적으로는 센서가 최소 130°C, 3~4bar의 온도 범위에서 작동하여 안전 마진을 확보해야 합니다. 열 사이클링 중 습기 유입, 전해질 누출 또는 기계적 손상을 방지하기 위해서는 견고한 밀봉이 필수적입니다.
2. 센서 종류 및 기준 시스템
이는 장기적 안정성, 유지 관리 필요성, 내오염성에 영향을 미치는 핵심적인 기술적 고려 사항입니다.
전극 구성: 측정 요소와 기준 요소를 하나의 본체에 통합한 복합 전극은 설치와 취급이 용이하기 때문에 널리 채택됩니다.
참조 시스템:
• 액체가 채워진 기준 용액(예: KCl 용액): 빠른 반응 속도와 높은 정확도를 제공하지만 주기적인 재충전이 필요합니다. SIP(Single-In-Placement) 중 전해질 손실이 발생할 수 있으며, 다공성 접합부(예: 세라믹 프릿)는 단백질이나 미립자로 인해 막히기 쉬워 드리프트 및 측정값 신뢰성 저하를 초래합니다.
• 폴리머 겔 또는 고체 참조: 최신 생물반응기에서 점점 더 선호되고 있습니다. 이 시스템은 전해질 보충이 필요 없고, 유지 보수가 적으며, 파울링에 강한 더 넓은 액체 접합부(예: PTFE 링)를 갖추고 있습니다. 복잡하고 점성이 높은 발효 배지에서 탁월한 안정성과 긴 수명을 제공합니다.
3. 측정 범위 및 정확도
센서는 다양한 공정 단계를 수용할 수 있도록 일반적으로 pH 2~12의 넓은 작동 범위를 포괄해야 합니다. 생물학적 시스템의 민감도를 고려할 때, 측정 정확도는 ±0.01~±0.02 pH 단위 이내여야 하며, 고해상도 신호 출력을 통해 뒷받침되어야 합니다.
4. 응답 시간
반응 시간은 일반적으로 t90으로 정의되는데, 이는 pH 단계 변화 후 최종 측정값의 90%에 도달하는 데 걸리는 시간입니다. 겔형 전극은 액체 충전형 전극보다 반응 속도가 약간 느릴 수 있지만, 일반적으로 초 단위가 아닌 시간 단위로 작동하는 발효 제어 루프의 동적 요구 사항을 충족합니다.
5. 생체적합성
세포 생존율이나 제품 품질에 부정적인 영향을 미치지 않도록 배양 배지와 접촉하는 모든 물질은 무독성, 비침출성, 불활성이어야 합니다. 내화학성과 생체적합성을 보장하기 위해 생물공정 분야에 적합하게 설계된 특수 유리 제제를 사용하는 것이 좋습니다.
6. 신호 출력 및 인터페이스
• 아날로그 출력(mV/pH): 제어 시스템에 아날로그 전송을 사용하는 기존 방식입니다. 비용 효율적이지만 장거리에서는 전자기 간섭 및 신호 감쇠에 취약합니다.
• 디지털 출력(예: MEMS 기반 또는 스마트 센서): 온보드 마이크로일렉트로닉스를 통합하여 디지털 신호를 전송합니다(예: RS485). 뛰어난 노이즈 내성을 제공하고, 장거리 통신을 지원하며, 교정 이력, 일련 번호 및 사용 로그를 저장할 수 있습니다. FDA 21 CFR Part 11과 같은 전자 기록 및 서명 관련 규제 표준을 준수하므로 GMP 환경에서 점점 더 선호되고 있습니다.
7. 설치 인터페이스 및 보호 하우징
센서는 바이오리액터의 지정된 포트(예: 트라이클램프, 위생 피팅)와 호환되어야 합니다. 취급 또는 작동 중 기계적 손상을 방지하고 멸균 상태를 손상시키지 않으면서 교체를 용이하게 하기 위해 보호 슬리브 또는 가드를 사용하는 것이 좋습니다.
게시 시간: 2025년 9월 22일
