Znaczenie monitorowania tlenu rozpuszczonego

Zapotrzebowanie na lepsze monitorowanie parametrów hodowli komórkowych jest napędzane potrzebą poprawy wydajności i produktywności, utrzymania jakości i spójności oraz spełnienia wymogów regulacyjnych. Monitorowanie pH i tlenu rozpuszczonego jest standardem w hodowlach komórkowych, ponieważ parametry te mogą znacząco wpływać na wzrost i produktywność komórek w bioreaktorze. Technologia analizy procesowej została zdefiniowana przez FDA jako mechanizm projektowania, analizowania i kontrolowania procesów produkcji farmaceutycznej poprzez pomiar krytycznych parametrów procesu lub CPP, które wpływają na krytyczne atrybuty jakości. Zarówno pH, jak i tlen rozpuszczony są uważane za pierwotne CPP. W ostatnich latach kolejnym mierzonym parametrem jest rozpuszczony dwutlenek węgla, który jest również uważany za CPP w wielu zastosowaniach związanych z hodowlą komórkową i fermentacją. Czujniki muszą dostarczać wiarygodne, powtarzalne pomiary z minimalnym dryftem, zwłaszcza w długotrwałych procesach (np. perfuzji). Dryft wymusza częstsze kalibracje, co zwiększa nakład pracy techników, a czynniki procesowe (mieszanie, napowietrzanie, pęcherzyki) dodatkowo zaburzają odczyty tlenu. W efekcie rośnie zmienność procesu, zagrażając powtarzalności i wydajności partii, dlatego kluczowa jest niezawodna technologia czujników i ich kwalifikacja.

Metody pomiaru – pobieranie próbek vs. czujniki in-line

Próbkowanie (off-line) 

• Wymaga pobierania i transportu próbki do analizatora.

• Często obarczone jest błędem reprezentatywności oraz zwiększonym nakładem pracy i czasem analityków.

Czujniki in-line (on-line)

• Montowane są bezpośrednio w obiegu bioreaktora, mierzą pO₂ i pCO₂ w czasie rzeczywistym.

• Eliminują etap pobierania próbek, redukując pracochłonność i źródła błędów pomiarowych.

• Pozwalają na ciągłą, precyzyjną kontrolę warunków hodowli.

Przykłady rozwiązań problemów klientów

Dużym trendem w bioprodukcji jest zwiększanie wydajności na daną objętość. Idzie to w parze z uzyskaniem wysokiego miana i wyższych stężeń produktu w hodowli. Aby zwiększyć wydajność produkcji, optymalizacja dostarczania substratów i tlenu do komórek staje się o wiele bardziej kluczowa. Niski dryft czujnika i prawidłowa kalibracja to elementy, z którymi zwykle można sobie poradzić dzięki odpowiedniemu doborowi czujnika i szkoleniu. Poważnym problemem mogą być jednak czynniki zakłócające pomiar. Te wywoływane mogą być przez pęcherzyki powietrza przylegające do powierzchni czujnika. Ten proces przylegania i uwalniania pęcherzyków powietrza lub tlenu powoduje powstanie nieprecyzyjnego sygnału pomiarowego, który może zmieniać się do +/- 20%. W większości przypadków rozwiązano ten problem poprzez dodanie uśredniającego modelu matematycznego, ale to oczywiście nie rozwiązało przyczyny. Klienci byli przekonani, że problemem był uszkodzony czujnik, jednakże analizując dane, udało się ustalić, że te działały prawidłowo, a przyczyną były pęcherzyki powietrza przylegające do powierzchni czujnika. Stal nierdzewna, z której był wykonany czujnik, działa hydrofobowo w stosunku do mediów, a energia powierzchniowa była wystarczająca, aby przyciągnąć pęcherzyki, w których ciśnienie parcjalne tlenu jest znacznie wyższe niż w pożywce do hodowli komórkowych. Aby rozwiązać ten problem, METTLER TOLEDO stworzył czujnik wykonany z materiału, który działa hydrofilowo i pęcherzyki do niego nie przylegają. Dzięki temu sygnał pomiarowy jest precyzyjny i stabilny, a klienci są w stanie znacznie lepiej zarządzać procesem napowietrzania. 

Jakie inne środki mogą pomóc w zapewnieniu, że czujniki mierzące pH, CO₂ i tlen rozpuszczony pozostaną funkcjonalne i dokładne?

Idealnym rozwiązaniem są czujniki, które mają minimalny dryft i mierzą bardzo dokładnie. Innym dobrym przykładem jest nasza technologia zarządzania inteligentnymi czujnikami pomiarowymi (ISM), która znacznie zwiększa użyteczność i wygodę klienta w porównaniu z czujnikami analogowymi.

Jak technologia cyfrowa ISM wypada w porównaniu z technologią analogową?

Czujniki analogowe wysyłają sygnał, który może być zakłócony przez pobliski szum elektromagnetyczny. Dodatkowo wymaga kalibracji na miejscu. Z drugiej strony czujniki ISM mają wbudowany mikroprocesor, a czip w nim umieszczony sam przetwarza sygnał analogowy na wartość pomiarową i przekazuje ją cyfrowo. Co więcej, szumy elektromagnetyczne nie mają na niego wpływu, a kalibracja może być wykonywana na odległość. Dodatkowo ISM oferuje narzędzia diagnostyki predykcyjnej, która informuje użytkownika o zbliżającej się kalibracji lub wymianie czujnika. Optyczny czujnik tlenu rozpuszczonego InPro® 6860i jest wyposażony w rozwiązanie, które eliminuje szumy sygnału powodowane przez pęcherzyki powietrza/tlenu.

OptoCap™ to wymienna końcówka czujnika, która zawiera wrażliwy na tlen fluorofor. W procesach, w których problemem jest niestabilny pomiar tlenu, zastosowanie Anti-Bubble OptoCap zapewnia bardzo wysoką stabilność sygnału pomiarowego.

Antypęcherzykowy OptoCap posiada trzy funkcje, które zapobiegają gromadzeniu się pęcherzyków na końcówce czujnika. Po pierwsze, końcówka jest nachylona pod kątem 30°, dlatego pęcherzyki nie mogą się gromadzić. Po drugie, nasadka jest poddawana obróbce mechanicznej, aby nadać jej hydrofilną powierzchnię, która silnie przyciąga cząsteczki wody i pomaga zapobiegać przywieraniu pęcherzyków. Po trzecie, nasadka ma warstwę PTFE pokrywającą obszar pomiaru, która zapobiega przyczepianiu się materiału stałego, co mogłoby zmniejszyć czułość pomiaru lub zapewnić miejsca na uwięzienie pęcherzyków. Nasadka ze stali nierdzewnej 316L i powłoka PTFE są jedynymi materiałami, które mają kontakt z pożywką fermentacyjną/hodowlaną, a oba materiały posiadają certyfikat USP klasy VI.