AN_Precice and Reliable pH Measurement in the

AN_Precice and Reliable pH Measurement in the

INGOLD
Nota aplikacyjna
Wiodące rozwiązanie do kontroli
procesów przemysłowych
Łatwa kontrola tlenu w bioreaktorach
za pomocą technologii optycznej
Pomyślna fermentacja wymaga dokładnej kontroli
właściwości fizykochemicznych czynnika, takich
jak rozpuszczony tlen. Ze względu na długi czas
przetwarzania serii niezbędne są czujniki wymagające niewielkich nakładów na konserwację przy
zachowaniu minimalnego dryfu. Czujniki rozpuszczonego tlenu oparte na technologii optycznej są
doskonałym rozwiązaniem.
Wprowadzenie
Kontrola procesu podczas fermentacji umożliwia zachowanie
jednakowych warunków dla zawieszonych komórek lub mikroorganizmów. Dotyczy to monitorowania i kontrolowania
środowiska fizykochemicznego, na przykład poziomu pH,
rozpuszczonego tlenu i rozpuszczonego dwutlenku węgla.
Brak kontroli nad tymi parametrami może mieć negatywny
wpływ na końcową jakość produktu. Bezpośredni pomiar pozwala zachować optymalny stan hodowli.
Hodowle komórek wymagają tlenu do wytwarzania energii z
węgla organicznego. Ze względu na słabą rozpuszczalność
tlenu w wodzie należy dokładnie sterować przepływem tlenu
(powietrza) tak, aby nie był on czynnikiem negatywnie wpływającym na proces. Z kolei zbyt duża ilość tlenu w bioreaktorze może nieodwracalnie negatywnie wpłynąć na stan hodowli oraz powoduje nadmierne zużycie energii.
Łatwa kontrola tlenu w bioreaktorach
W porównaniu z fermentacją mikrobiologiczną komórki ssaków
są większe, rosną wolniej oraz są bardziej wrażliwe. Stężenie
produktu (miano) jest zazwyczaj bardzo małe, a toksyczne metabolity, takie jak amon i mleczan, wytwarzane są wraz z rozwojem. Bioreaktor przeznaczony dla komórek ssaków wymaga odpowiednio kontrolowanych, jednorodnych warunków (właściwych wartości temperatury, pH, rozpuszczonego tlenu i
potencjału redoks). Z powodu wolnego rozwoju przetwarzanie
serii może trwać do trzech tygodni. Dlatego wbudowane czujniki
muszą być bardzo stabilne podczas całego procesu.
Optyczny czujnik rozpuszczonego tlenu
Czujniki korzystające z optycznej technologii pomiaru tlenu
rozpuszczonego oferują znaczące korzyści w porównaniu z
technologią amperometryczną, jak pokazano w tabeli 1.
Czujniki METTLER TOLEDO InPro 6870 i oraz InPro 6880 i to
optyczne czujniki tlenu spełniające wymagania przemysłu farmaceutycznego. Sercem czujników jest warstwa wrażliwa na
obecność tlenu, zawierająca unieruchomione cząsteczki substancji markerowej. Pochłaniają one światło emitowane przez
diodę LED i mają zdolność uwalniania tej energii w postaci
światła o różnej długości fali (fluorescencja). Różnica czasu
między pochłonięciem światła a emisją jest uzależniona od ciśnienia cząsteczkowego tlenu znajdującego się w medium. Zamiast korpusu membrany, korpusu wewnętrznego i elektrolitu,
znajdujących się w czujnikach amperometrycznych, w czujniKwas
kach optycznych należy wymieniać co pewien czas tylko jedną
część: OptoCap, czyli element zawierający warstwę wrażliwą na
obecność tlenu.
Prosta kalibracja optycznych czujników tlenu rozpuszczonego
Kalibracja czujnika jest często przeprowadzana po zakończeniu
cyklu sterylizacji w celu uzyskania odtwarzalnej wartości początkowej, np. 100% nasycenia powietrza lub dowolnej innej
wartości. W przypadku czujników amperometrycznych nachylenie jest dostosowywane podczas kalibracji. Regulacja nachylenia czujników optycznych może mieć negatywny wpływ na rzeczywiste dane kalibracji czujnika, ponieważ żądana wartość
może nie odzwierciedlać rzeczywistej wartości nasycenia tlenu.
W celu uzyskania rzeczywistej wartości dla tlenu należy przeprowadzić pomiar ciśnienia i zasolenia procesu. Zastosowanie
czujników optycznych przez użytkowników, którzy wcześniej
korzystali z czujników amperometrycznych, może być na początku trudne i mogą oni stosować obecną standardową procedurę. Dzięki możliwości kalibracji procesowej czujniki InPro
6870 i oraz InPro 6880 i można dostosowywać do wybranej
wartości bez konieczności zmiany ciśnienia procesu. W przypadku czujników amperometrycznych ta procedura różni się
tylko pod jednym względem. Zamiast korekty nachylenia należy przeprowadzić kalibrację procesową. Jeśli wybrano skalowanie, krzywa kalibracji czujnika pozostanie niezmieniona, ale
zostanie wyskalowany sygnał wyjściowy czujnika.
Zasada
Powietrze
pH
Tlen rozpuszczony
Typowy system kontroli bioreaktora
Zmętnienie
2
METTLER TOLEDO — Nota aplikacyjna
CO2
Łatwa kontrola tlenu w bioreaktorach
Technologia amperometryczna
Technologia optyczna
Zalety technologii optycznej
Średni poziom dryftu.
Bardzo niski dryft i krótszy
czas reakcji.
Doskonałe rozwiązanie do długiego
przetwarzania serii.
Częste wymiany membrany
i elektrolitu.
Ryzyko wycieku elektrolitu.
Bez elektrolitu.
Niskie koszty konserwacji (wymiana
elementu OptoCap po 6–7 miesiącach).
Brak ryzyka wycieku elektrolitu.
6-godzinna polaryzacja wstępna
przed przeprowadzeniem
kalibracji i pomiaru.
Brak konieczności
polaryzacji.
Gotowość pomiarowa nawet po autoklawowaniu i podłączeniu do przetwornika. Produkt od
razu gotowy do pracy. Wysoka sprawność.
Tabela 1. Technologia amperometryczna a optyczna
Żywotność elementu OptoCap
W celu ograniczenia obciążenia elementu OptoCap i zmaksymalizowania jego żywotności należy zmniejszyć szybkość próbkowania. W przypadku korzystania z najnowszego oprogramowania sprzętowego czujników InPro 6870i oraz InPro 6880i zmiany szybkości próbkowania w zakresie od 1 do 20 s nie mają
wpływu na czas reakcji, ponieważ system nie uśrednia pomiarów
(zalecana szybkość próbkowania w zastosowaniach biotechnologicznych wynosi od 10 do 30 s). Pomiar tlenu nie jest wymagany
podczas sterylizacji i procedury CIP. Podczas tych procesów pomiar jest wyłączony, co dodatkowo zwiększa żywotność elementu OptoCap.
• Czujnik tlenu InPro 6860i
— Technologia optyczna
— S mukła konstrukcja umożliwiająca łatwy montaż w bioreaktorach laboratoryjnych
— Duży zakres wartości wyjściowych (nA lub 4–20 mA albo
cyfrowy czujnik ISM)
• Przetwornik M800
— Wieloparametrowy i wielokanałowy
— Kolorowy ekran dotykowy ułatwiający obsługę
Więcej informacji można uzyskać na następującej stronie:
4www.mt.com/pro_pharma
Wnioski
Zachowanie idealnych warunków podczas fermentacji komórek
ssaków wymaga kontroli wielu parametrów, łącznie z rozpuszczonym tlenem. Czas reakcji i dryft czujników tlenu METTLER
TOLEDO InPro 6870 i oraz InPro 6880 i są znacznie lepsze niż w
przypadku czujników amperometrycznych. Czas przetwarzania
serii komórek ssaków i hodowli alg jest długi, dlatego niski dryft
i niskie koszty konserwacji są istotnymi zaletami czujników
optycznych.
Mettler-Toledo AG
Process Analytics
Im Hackacker 15
CH-8902 Urdorf
Szwajcaria
© 09/2011
www.mt.com/pro
Więcej informacji