Qualitätsmessungen für pharmazeutische Inline-Anwendungen
Le itf ad en M es su ns ic he rh ei t
Arbeitsprinzipien und -verfahren für optimale Ergebnisse Optische Sensoren für
gelösten Sauerstoff pH-Sensoren
Tipps zur Verringerung der Messunsicherheit
Ihrer Sauerstoff- und pH-Messsysteme
Inhaltsverzeichnis
1. Einführung 1
2. Genauigkeit und Präzision 1
3. Kalibrierung 3
4. Wie genau ist eine pH-Messung? 6 5. Genauigkeit von Gelöstsauerstoff-Sensoren 9
6. Fazit 12
1. Einführung
Hochwertige und hochwirksame Produkte sowie effiziente Produktion sind die wichtigsten Ziele in der pharmazeutischen Fertigung. Zur Erreichung dieser Ziele bedarf es stabiler und vorhersagbarer Produktionsprozesse auf einem einheitlich hohen Leistungsniveau.
Zur Gewährleistung der konsequenten Einhaltung von Prozessbedingungen spielt die Prozessanalytik mit Inline-Sensoren eine wesentliche Rolle bei der Produktionsüberwachung. Die Zuverlässigkeit der
Sensordaten hängt dabei natürlich mit der Messgenauigkeit der Sensoren zusammen.
Genauigkeit hängt allerdings nicht allein von der Verwendung hochwertiger Sensoren ab. Auch die Art und Weise der Sensorwartung und -kalibrierung haben erheblichen Einfluss auf die Zuverlässigkeit eines Messfühlers. Insbesondere für Fermentationsprozesse und für die Zellkultivierung ist es von entscheidender Bedeutung, dass ein Sensor kontinuierlich zuverlässige Messergebnisse für einen gesamten Batch liefert.
Dieser Leitfaden macht Sie mit bewährten Arbeitsverfahren vertraut und beinhaltet Empfehlungen für die Wartung von Inlinesensoren für pH-Wrt und gelösten Sauerstoff, um jederzeit eine hohe
Messzuverlässigkeit zu gewährleisten.
2. Genauigkeit und Präzision
Während Genauigkeit den Grad der Übereinstimmung zwischen angezeigtem und richtigem Wert bezeichnet, beschreibt die Präzision die Wiederholgenauigkeit der Messung.
Wenn eine Messung präzise ist, bedeutet das nicht unbedingt, dass sie auch genau ist. Je nach erforderlichem Grad der Präzision kann sogar das Gegenteil der Fall sein. Hohe Genauigkeit lässt sich daher als Wiedergabe des wahren Wertes mit hoher Präzision definieren.
Wahrscheinlichkeitsdichte
Genauigkeit Richtigkeit
Referenzwert Messwert
Wert
In Fermentationsanwendungen oder Zellkulturen ist oft nur ein einziger pH- oder Gelöstsauerstoff-Sensor installiert. Die Übereinstimmung zwischen Messwert und wahrem Wert lässt sich in solchen Situationen nicht nachweisen (sofern nicht auch eine Offline-Messung erfolgt). Eine bis auf eine Dezimalstelle genaue pH-Messung ist jedoch für die meisten Anwendungen ausreichend präzise. Erst wenn mindestens zwei pH- oder Gelöstsauerstoff-Sensoren redundant installiert sind, können wir den übermittelten Werten vertrauen.
Doppelte Messungen sind daher in anspruchsvollen Säugetierzellkulturen gängige Praxis.
In biopharmazeutischen Prozessen sind pH- oder Sauerstoff-Referenzwerte in der Regel nicht hochpräzise.
Um diese Werte herum existiert ein akzeptabler Bereich, der entweder durch bestimmte Vorschriften (z. B.
der USP) oder durch Herstellervorgaben festgelegt wird. Das Konzept der Quality by Design (QbD) beruht eher auf akzeptablen Bereichen als auf einem einzelnen Referenzwert. Diese Design-Space-Orientierung ermöglicht Flexibilität in der Herstellung.
Ein akzeptabler Bereich legt nahe, dass die Sensorgenauigkeit nicht von entscheidender Bedeutung ist.
Wenn jedoch ein Sensor fehlerhafte Werte meldet, lässt sich unmöglich bestimmen, ob eine Messung innerhalb des akzeptablen Bereichs liegt oder nicht.
Leistungsparameter (Produktqualität usw.)
Design Space
Prozessvalidierung Akzeptanzbereich
Akzeptabler Bereich
Betriebsparameter (pH, gelöster Sauerstoff usw.) Operating Space
Akzeptabler Bereich nach QbD
Beispiel: pH-Überwachung bei der Fermentation
In Zellkulturen und Fermentationsprozessen sind einheitlich optimale Wachstumsbedingungen innerhalb eines gesamten Batches notwendig, um geringe Ausbeute, längere Batchzeiten und unerwünschte Nebenprodukte zu vermeiden.
Zellkonz. Laktatkonz.
Zeit Zeit
pH 7,0
pH 7,3
pH 7,3 pH 7,0
Wie aus den Kurven hervorgeht, führt ein gleichbleibender pH-Wert von 7,0 gegenüber einem Wert von 7,3 zu einer erhöhten Zellkonzentration und verringerter Laktatkonzentration (Milchsäure beeinträchtigt die Qualität des Endprodukts und erschwert die Reinigungsschritte).
3. Kalibrierung
Kalibrierung ist der Vergleich eines Kalibrierstandards bekannten Werts und bekannter Unsicherheit (z. B. pH-Puffer) mit einem Messwert unbekannter Unsicherheit (z. B. pH-Messsystem), um Abweichungen des Vergleichsobjekts zu erkennen, zu korrelieren, zu melden oder zu korrigieren.
Optimaler
Bereich Sollwert
Zeit
Vorteile der Kalibrierung
pH- und Sauerstoff-Sensoren sind herstellerseitig bestimmten Genauigkeitsklassen zugeordnet. Diese Genauigkeit lässt sich jedoch nur einhalten, wenn die Sensoren regelmäßig und ordnungsgemäß gewartet werden. Des Weiteren ist die Kalibrierung unerlässlich für die Einhaltung der Bestimmungen nationaler und internationaler Arzneibücher.
Probleme bei der Sensorkalibrierung
Häufig wird bei pH-Sensoren folgendermaßen vorgegangen: Ein kalibrierter pH-Sensor wird an einem Bioreaktor montiert. Nach der Sterilisation des Bioreaktors, dem Befüllen mit Nährmedien und der Inoku- lation kann der Batch gestartet werden. Zur Überprüfung des gemessenen pH-Wertes wird eine Probe entnommen und zur Messung ins Labor geschickt. Wenn der im Labor gemessene pH-Wert vom inline im Bioreaktor gemessenen pH-Wert abweicht, wird der pH-Transmitter justiert, um eine Prozesskalibrierung vorzunehmen.
Die oben beschriebene Vorgehensweise ist in zugelassenen Standardarbeitsanweisungen (Standard Opera- ting Procedures, SOP) formuliert. Sie gilt jedoch nur dann, wenn die pH-Messung des Labors korrekt ist. Um dies zu erreichen, muss die Probe im Labor bei derselben Temperatur wie im Bioreaktor gemessen werden.
Außerdem ist nur eine minimale Zeitverzögerung zwischen Probenahme und Labormessung erlaubt. Dies läuft der tatsächlichen Praxis in vielen pharmazeutischen Unternehmen zuwider. Manchmal erfolgt die Labormessung bei Umgebungstemperatur oder thermostatgeregelt bei 25 °C. In anderen Situationen nutzt das Labor den Umstand, dass die meisten pH-Sensoren über einen eingebauten Temperaturfühler verfügen und dass das angeschlossene Messgerät oder der Transmitter eine Temperaturkompensation ermöglicht.
Für eine ordnungsgemäße Kalibrierung und somit auch für eine genaue pH-Messung sollte die Probentem- peratur jedoch genau der Prozesstemperatur entsprechen. Der Grund hierfür liegt darin, dass es bei der pH-Messung zwei verschiedene Temperaturabhängigkeiten gibt: zum einen die Temperaturabhängigkeit der chemischen Gleichgewichte im Medium und zum anderen die Temperaturabhängigkeit des pH-Sensors.
Chemische Gleichgewichte sind temperaturabhängig
Chemische Gleichgewichte sind dynamisch und reagieren daher auf Änderungen in den Bedingungen.
Gleichgewichte lassen sich mit der temperaturabhängigen Gleichgewichtskonstante K ausdrücken.
Temp. (°C) pH + 0,02 Temp. (°C) pH + 0,02
0 7,12 50 6,97
5 7,09 55 6,98
10 7,06 60 6,98
15 7,04 65 6,99
20 7,02 70 7,00
25 7,00 75 7,02
30 6,99 80 7,04
35 6,98 85 7,06
40 6,97 90 7,09
45 6,97 95 7,12
Pufferlösung pH 7,00 Temperaturabhängigkeit
Die Temperaturabhängigkeit der Medien im Bioreaktor ist in der Regel nicht bekannt. Was jedoch bekannt ist, ist die Temperaturabhängigkeit der Pufferlösungen. Jedes Etikett einer pH-Pufferflasche zeigt den genauen Wert bei unterschiedlichen Temperaturen.
In den meisten Transmittern sind verschiedene pH-Kalibrierpufferdaten gespeichert, sodass für eine einwandfreie Kalibrierung der entsprechende Puffer am Transmitter ausgewählt werden muss.
Die automatische Temperaturkompensation in Transmittern und Labormessgeräten steht in keinem Zusammenhang mit der Temperaturabhängigkeit chemischer Gleichgewichte.
Die Ausgabe eines pH-Sensors ist temperaturabhängig.
Die internen Vorgänge in einem pH-Sensor beruhen auf potentiometrischen Prinzipien. Die Ausgabe eines pH-Einstabmesskette (pH- und Bezugselektroden) ist in erster Linie der Potentialunterschied zwischen der pH-empfindlichen Glaselektrode und der Bezugselektrode. Dieser Potentialunterschied, auch als Zellpotenti- al bezeichnet, wird in Volt gemessen. Die Temperaturabhängigkeit dieses Zellpotentials wird durch die Nernst-Gleichung beschrieben.
E = E0 + 2,303 x R x T / F x log (aH+) oder
E = E0 - 2,303 x R X T / F x pH
Der Faktor 2,303 x R x T / F wird als Steilheit (V/pH) bezeichnet.
R = Gaskonstante 8.314 J K-1 mol-1 F = Faraday-Konstante 96485 A s mol-1 Beispiele:
Bei 25 °C (298,15 °K) Steilheit = 2,303 x 8,314 x 298,15 / 96485 = 0,05917 V/pH oder 59,17 mV/pH Bei 35 °C Steilheit = 61,15 mV/pH
Die anhand der Nernst-Gleichung berechnete Steilheit lässt sich also als Steilheit von 100 % ausdrücken.
Ein tatsächlicher pH-Sensor zeigt eine geringere Steilheit. Das Abnahmekriterium für einen neuen pH-Sensor von METTLER TOLEDO ist eine Steilheit von über 98 %. Nach Exposition des Sensors im Prozess nimmt die Steilheit leicht ab.
Die Temperaturabhängigkeit der Steilheit bei verschiedenen Temperaturen wird automatisch im pH-Trans- mitter oder im pH-Messgerät im Labor kompensiert. Diese automatische Temperaturkompensation (ATC) erfolgt während Kalibrierung und Messung durch den eingebauten Temperaturfühler. Die ATC-Funktion kann auch deaktiviert werden.
Dies alles bedeutet, dass die Temperaturkompensation der Steilheit in keinem Zusammenhang mit der Temperaturabhängigkeit der chemischen Gleichgewichte bestimmter Medien steht.
Zusammenfassung
Für einen korrekten Vergleich der pH-Messung mit Inline- und Offline-Geräten müssen die Messtempera- turen identisch sein. In einigen Fällen ist der Temperaturkoeffizient ziemlich klein, sodass sich selbst bei unterschiedlichen Messtemperaturen eine korrekte Messung erreichen lässt.
Praktische Hinweise
Messen Sie eine Probe im Labor bei unterschiedlichen Temperaturen mit aktivierter ATC-Funktion. Wenn Sie keine Abweichungen zwischen den angezeigten pH-Werten feststellen, können Sie die Messungen bei unterschiedlichen Temperaturen sicher vergleichen. Dies gilt allerdings nur, wenn die Zusammensetzung der Medien von Batch zu Batch unverändert bleibt.
Proben aus Bioprozessen enthalten oft CO2. Wenn CO2 aus der Probe entweicht, kann eine
pH-Verschiebung auftreten. Daher sind eine gute Probenahmetechnik und eine schnelle pH-Messung im Labor unverzichtbar.
4. Wie genau ist eine pH-Messung?
Aufbau einer herkömmlichen pH-Messstelle
Eine herkömmliche pH-Messstelle besteht aus einer pH-Einstabmesskette, die über ein Kabel an ein pH-Messinstrument (pH-Meter, pH-Transmitter) angeschlossen ist.
Ein herkömmlicher pH-Sensor besteht aus einer pH-empfindlichen Glaselektrode und einer Bezugselektrode.
Die Quellschicht auf dem pH-empfindlichen Glas erzeugt ein pH-abhängiges Potential, welches hinter dem pH-empfindlichen Glas (mitunter auch als Glasmembran bezeichnet) in einem definierten Innenpuffer gemessen werden kann. Über ein Ableitelement wird dieses Potential aus der Elektrode abgeleitet.
HA465-50-S7 analog pH sensor
Die Bezugselektrode, die einen Bezugselektrolyten enthält, ist über eine Flüssigkeitsbrücke (z. B. ein Keramikdiaphragma) mit dem Medium oder der Probe verbunden. Idealerweise ist das Potential der Bezugselektrode pH-unabhängig.
Wie bereits erwähnt ist der Potentialunterschied zwischen der pH-Glaselektrode und der Bezugselektrode der primäre Signalausgang einer pH-Einstabmesskette. Das Signal besitzt eine äußerst hohe Impedanz (100–500 MOhm) und eine Spannung von weniger als ± 800 mV. Die meisten pH-Sensoren erzeugen eine Spannung von 0 mV bei 25 °C und einem pH-Wert von 7. Die pH-Abhängigkeit dieser Spannung lässt sich durch die Nernst-Gleichung beschreiben. Diese Gleichung erklärt zudem die Temperaturabhängigkeit von pH-Sensoren. Diese Temperaturabhängigkeit lässt sich kompensieren, wenn das pH-Messinstrument über die oben genannte automatische Temperaturkompensation (ATC) verfügt, idealerweise basierend auf einem eingebauten Temperaturfühler in der pH-Einstabmesskette. Es ist ein weit verbreitetes Missverständnis, dass die ATC-Funktion keine temperaturabhängige Änderung des pH-Wertes der Lösung kompensiert.
Das pH-Messinstrument muss einen Eingangswiderstand von mehr als 1 TeraOhm besitzen. Mit moderner Elektronik ist dies eine weitaus einfachere Aufgabe als noch vor 50 Jahren. Das pH-Messinstrument wan- delt das mV-Signal in einen pH-Wert um, dient jedoch auch zur Kalibrierung und Justierung auf Grundlage von Messungen in pH-Pufferlösungen. Der Ausdruck «pH-Sensorkalibrierung» ist irreführend. Nicht der Sensor wird kalibriert, sondern das angeschlossene Instrument (Transmitter oder Messgerät), das auf den Ausgang des pH-Sensors eingestellt wird.
Messunsicherheit eines Standard-pH-Sensors
Jeder pH-Sensor muss mit Pufferlösungen auf das jeweilige Instrument abgestimmt werden. Eine Standard- pH-Elektrode lässt sich nicht vorkalibrieren, daher ist nicht möglich, einen Genauigkeitswert zuzuordnen.
Die Bestimmung der Messunsicherheit erfordert die gleichzeitige Verwendung des Sensors, des pH-Messin- struments und der Pufferlösungen. Nur bei gleichzeitiger Verwendung lässt sich die Messunsicherheitermit- teln. Daher besitzt kein Standard-pH-Sensor eine von vornherein definierte Messunsicherheit.
Aufbau einer ISM
®-pH-Messschleife
Intelligent Sensor Management (ISM) ist METTLER TOLEDOs digitale Technologie für analytische Inline-Sensoren. Eine ISM-pH-Messstelle besteht aus einer pH-Einstabmesskette mit eingebautem A/D-Wandler und Speicher, der über ein Kabel an ein pH-Messinstrument angeschlossen ist, welches das Digitalsignal empfangen kann.
Der analoge Teil des pH-Sensors ist – wie oben beschrieben – identisch mit Standard-pH-Sensoren.
Der Unterschied liegt im Sensorkopf, der den A/D-Wandler und einen Mikroprozessor enthält. Das Ausgangssignal von ISM-Sensoren ist digital. Es handelt sich um ein äußerst stabiles niederohmiges Signal. Feuchtigkeit, die analoge Signale beeinträchtigen kann, stellt kein Problem dar. Außerdem lassen sich längere Kabel installieren.
Der Mikroprozessor des ISM-Sensors bietet die Möglichkeit, Kalibrierdaten aufzuzeichnen und abzuspeichern. Dies bedeutet, dass keine Prozesskalibrierung von ISM-Sensoren erforderlich ist. Stattdessen lassen sie sich an jedem be- liebigen Ort bequem mit Hilfe eines ISM-Transmitters oder der iSense PC-Software von METTLER TOLEDO kalibrieren.
Nach der Kalibrierung kann der pH-Sensor bis zum nächsten Einsatz gelagert werden.
Sobald ein vorkalibrierter ISM-pH-Sensor in einem Prozess installiert wird, werden die Kalibrierdaten automatisch vom angeschlossenen ISM-Transmitter ausgelesen, der sich dar- aufhin ohne ein Eingreifen des Benutzers selbsttätig justiert.
Die für die Kalibrierung verwendeten pH-Pufferlösungen sind mit einer bestimmten Messunsicherheit auf anerkannte Stan- dards (z. B. NIST) rückführbar. Daher lassen sich ISM-pH- Sensoren einer bestimmten Genauigkeitsklasse zuordnen.
Anforderungen an hochwertige pH-Sensoren
Elektrode ausgelegt für Bioprozesse sterilisierbar, autoklavierbar
pH-empfindliches Glas minimale Nullpunktverschiebung nach Sterilisation oder CIP Flüssigkeitsbrücke (Diaphragma) minimale Verstopfung während der Fermentation, leicht zu reinigen Bezugselektrolyt frei von Silberionen, mit eiweißhaltigen Medien verträglich
Fehleranalyse für Sensoren, Puffer und Messgeräte
In der Fehleranalyse erhält man den Größtfehler durch Addition aller möglichen Fehler in einer Richtung ohne jegliche Kompensation.
pH-Elektrode
Messwert 7,20 pH
Diffusionspotential 1 mV Fehler durch Diff.-Pot. -0,02 pH Steilheit 25 °C 98 %
pH-Pufferlösungen
Technische Puffer +/- 0,02 pH
pH-Transmitter Temperaturfühler
Unsicherheit Mess. +/- 0,02 pH Unsicherheit Strom +/- 0,050 mA Skalierung 4 mA 2 pH Skalierung 20 mA 12 pH
Auflösung 0,63 pH/mA
1,6000 mA/pH Stromausgang 12,320 mA Unsicherheit Ausgang +/- 0,050 mA
+/- 0,03 pA
Temperatur 37 °C
Fehler Temp.-Mess. -2 °C Steilheit 25 °C, praktisch -57,98 mV/pH Steilheit 37 °C, praktisch -60,31 mV/pH Steilheit mit Temp.-Fehler -59,92 mV/pH Temperaturfehler +/- 0,00 pH ISM
Digitale ISM-Kommunikation 0,01 pH
0,01 pH
Abgeschätzter Größtfehler Unsicherheit pH-Elektrode +/- 0,02 pH Unsicherheit Puffer +/- 0,02 pH Unsicherheit Temperatur +/- 0,00 pH Unsicherheit Transmitter +/- 0,02 pH Unsicherheit Stromausgang +/- 0,03 pH
Unsicherheit gesamt +/- 0,09 pH +/- 0,04 mit ISM
Mit ISM-pH-Transmittern werden die Messunsicherheit sowie die Unsicherheit des Ausgangssignals besei- tigt. Wie oben ersichtlich lässt sich der Größtfehler von ± 0,09 pH auf ± 0,04 pH reduzieren.
5. Genauigkeit von Gelöstsauerstoff-Sensoren
Amperometrische Sauerstoffsensoren
Diese Art von Sensoren arbeitet nach folgendem Messprinzip. Sauerstoff diffundiert durch eine semipermeable Membran und wird an einer Kathode mit definiertem Potential reduziert. Der Reduktionsstrom ist proportional dem Sauerstoffpartial- druck im Medium.
I = K * A * D * S * 1/d * pO2
Das Verhältnis zwischen Sensorstrom «I» und Partialdruck gilt nur für eine gleichbleibende Membrandicke. Während der Sterilisation wird die Membran leicht gedehnt, was zu einem höheren Sensorstrom führt. Dieser Effekt wird mit jedem Sterilisationszyklus verringert. Kleine Handhabungsfehler beim Austausch der Membran – wie etwa Nichtentfernen von Elektrolyttropfen vom Schaft des Membranmoduls – können zu kleineren Durchdringungen der Membran führen.
Dies kann die Genauigkeit entscheidend beeinflussen, da die Membrandicke verändert wurde.
Linearität des Sensorsignals pO2 < 0,21 bar ± 1 %
Stabilität des Reststroms und der Steilheit (Luftstrom) normalerweise < 2 %/Woche
Optische Gelöstsauerstoff-Sensoren
Die optische Sauerstoffmesstechnik beruht auf dem Prinzip der Fluoreszenzlichtlöschung. Im Gegensatz zum amperometrischen Sensor, der den Sauerstoffreduktionsstrom misst, wird beim optischen Verfahren die Energieübertragung zwischen einem fluoreszierenden Chromophor (Fluorophor) und Sauerstoff gemessen.
Für weiterführende Informationen laden Sie bitte unseren Leitfaden zu bewährten Arbeitsverfahren für optische Gelöstsauerstoff-Sensoren herunter unter www.mt.com/Optical-GoP-Guide
Optische Sensoren enthalten weder Elektrolyt noch austauschbare Membranen. Bei Sensoren der Reihe InPro 6860i von METTLER TOLEDO hängt die Lebensdauer des Sauerstoff-Sensorelements, der so ge- nannten OptoCap, vom Ausmaß der Lichtexposition ab. Die OptoCap ist die einzige Sensorkomponente, die regelmäßig ausgetauscht werden muss. In Fermentationsanwendungen ist normalerweise von einer Lebensdauer von mehr als sechs Monaten auszugehen.
Amperometrischer Sauerstoff-Sensor mit Membranmodul
(Schnittansicht)
Optischer Sauerstoff-Sensor InPro 6860i mit austauschbarem
Sauerstoff-Sensorelement OptoCap
Optischer Sauerstoff-Sensor
InPro 6860i
Dank der zugrunde liegenden Messtechnik werden mit optischen Sensoren typische Handhabungsfehler vermeiden, wie sie bei amperometrischen Sensoren auftreten. Auch der Wartungsbedarf ist erheblich geringer als bei amperometrischen Sensoren.
Ein weiterer bedeutender Vorteil der Konstruktion des InPro 6860i ist seine äußerst geringe Messwertdrift. Diese ist um das Vier- bis Fünffache geringer als bei typischen amperometrischen Sensoren (< 0,5 %/Woche).
Stabilitätskontrolle bei optischen Gelöstsauerstoff-Sensoren
Der Abbau des Fluorophors verläuft über die gesamte Lebensdauer einer OptoCap hinweg äußerst l inear. Durch gelegentliche Kalibrierung lässt sich die bei normaler Sensoralterung auftretende Messwertdrift korrigieren. Der InPro 6860i nutzt einen eigens entwickelten Algorithmus zur Überwachung der Abtastrate, der Sauerstoffkonzentration und der Prozesstemperatur, um durch den Abbau des Fluorophors bedingte Verschiebungen der phi-Werte zu kompensieren. Diese so genannte Stabilitätskontrolle sorgt für eine Stabilisierung der Sauerstoffmessung sowie für eine deutliche Verringerung des Kalibrierbedarfs.
Der Algorithmus der Stabilitätskontrolle ist lernfähig und berücksichtigt die prozessabhängige Alterung des Sensors. Durch eine Einpunktkalibrierung an Luft nach einer Reihe von Batches vergleicht der Sensor die berechnete phi-Verschiebung mit der kalibrierten phi-Verschiebung, um den späteren Fluorophorabbau zu kompensieren. Daher ist die Sensordrift nur minimal. Dies stellt einen bedeutenden Vorteil für Batches mit Langzeit-Zellkulturen dar.
Kalibrierung
Das gängigste Kalibrierverfahren ist die einfache Kalibrierung des Sensors an der Luft. Bei Fermentationsan- wendungen oder in Zellkulturen erfolgt die Kalibrierung nach Sterilisation in luftgesättigten Medien.
Dieses Verfahren kann sowohl für amperometrische als auch für optische Sensoren verwendet werden.
Zweipunktkalibrierung
Viele pharmazeutische Unternehmen schreiben in ihren Standardarbeitsanweisungen eine
Zweipunktkalibrierung vor. Neben der Kalibrierung auf hohe Sauerstoffkonzentration (Luftsättigung) muss auch eine Nullpunktkalibrierung vorgenommen werden.
Optische Gelöstsauerstoff-Sensoren erfordern bei jedem Austausch der OptoCap eine Zweipunktkalibrierung.
Zur Gewährleistung einer korrekten Kalibrierung sollte Stickstoffgas oder ein anderes sauerstofffreies Medium mit einem Reinheitsgrad von mindestens 99,99 % verwendet werden, um den Nullpunkt (phi = 0) zu erhalten. Anschließend wird der Sensor an die Luft gehalten, um den zweiten Punkt (phi = 100) zu erhalten. Die Zweipunktkalibrierung wird entweder an einem METTLER TOLEDO Transmitter oder auf einem Computer mit iSense-Software durchgeführt. Die resultierende Kalibrierkurve wird im Sensor abgespeichert und dient als ständige Referenz für die Messungen des Sensors.
Für die normale Verwendung ist keine Nullpunktkalibrierung erforderlich. Es ist zu beachten, dass eine fehlerhafte Nullpunktkalibrierung mit einem undefinierten sauerstofffreien Medium die Genauigkeit beeinträchtigt. Einige Anwender führen eine Nullpunktkalibrierung während der Sterilisation durch in der Annahme, dass der Bioreaktor sauerstofffrei sei. Eine solche Vorgehensweise ist jedoch nicht zu empfehlen, da die Messtemperatur sehr stark vom vorgeschriebenen Bereich abweicht. Dies führt zu äußerst
ungenauen Messungen.
Einpunktkalibrierung
Durch eine Einpunktkalibrierung wird entweder die Steilheit (bei amperometrischen Sensoren) oder ein neuer phi-100-Wert (bei optischen Sensoren) festgelegt. Die Einpunktkalibrierung ermöglicht das Kalibrieren von Sensoren an der Luft mit Messeinstellung bei 100 % und bei örtlichem Luftdruck.
Prozesskalibrierung
Im Gegensatz zu Einpunktkalibrierungen werden Prozesskalibrierungen mit einem Sensor in situ im Reaktor durchgeführt. Bei optischen Sensoren wird mit der Prozesskalibrierung ein neuer phi-100-Wert durch Abgleich mit der gespeicherten Kalibrierkurve festgelegt, um eine neue Kurve zu erstellen. Da Kalibrierkurven für optische Sensoren nicht linear sind, müssen Einpunktkalibrierungen in Behältern mit Gasraum alle Systemdrücke und Risiken, die die Genauigkeit der gesamten Kurve beeinträchtigen könnten, genauestens berücksichtigen. Aufgrund dieser Tatsache empfiehlt sich für die meisten Post-SIP- Anwendungen die Durchführung einer Einpunkt-Prozessskalierung anstelle einer Prozesskalibrierung.
Prozessskalierung
Im Gegensatz zur Einpunkt-Prozesskalibrierung wird bei der Prozessskalierung der Messwert auf einen gewünschten Wert eingestellt, ohne irgendwelche Änderungen an der Kalibrierkurve vorzunehmen.
Auf diese Weise lassen sich der tatsächliche Prozessdruck und der Löslichkeitsfaktor des Sauerstoffs ignorieren und eine höhere Genauigkeit erzielen.
6. Fazit
In Bioprozessanwendungen ist die Aufrechterhaltung möglichst konstanter Kulturparameter innerhalb eines akzeptablen Bereichs um die optimalen Sollwerte ausschlaggebend für eine effiziente und konsistente Produktion bei minimaler Bildung von Nebenprodukten.
Folgende Punkte sind zu beachten, um mit Inlinesensoren für pH-Wert und gelösten Sauerstoff die geringstmögliche Messunsicherheit zu erzielen:
1. Wählen Sie Sensoren, die für Bioprozesse und SIP/CIP-Bedingungen entwickelt wurden. Wählen Sie für die pH-Bestimmung Sensoren mit A41-Glasmembran und druckbeaufschlagtem flüssigem Bezugselektrolyten. Für Gelöstsauerstoff-Sensoren empfehlen wir optische Sensoren.
2. Der Sensor muss vor der Kalibrierung gereinigt werden.
3. Die Kalibrierung ist für die Gewährleistung der Messgenauigkeit unerlässlich. Halten Sie konsequent die zugelassenen Kalibrierverfahren ein. Verwenden Sie für pH-Sensoren stets frische Puffer. Führen Sie die Nullpunktkalibrierung von Gelöstsauerstoff-Sensoren nur mit definierten sauerstofffreien Medien durch.
4. Messen Sie den pH-Wert im Labor bei derselben Temperatur, bei der Sie auch die Prozesskalibrierung vornehmen.
5. Fehler aufgrund unsachgemäßer Handhabung oder fehlerhafter Puffer haben eine geringe Genauigkeit als unmittelbare Folge.
Intelligent Sensor Management (ISM) kann die Sensorgenauigkeit verbessern.
1. ISM bietet ein äußerst stabiles Digitalsignal, sodass viele Fehler vermieden werden können, die oft mit analoger Signalübertragung einhergehen.
2. Kalibrierungen lassen sich dank iSense-Software offline und ohne Handhabungsfehler an jedem beliebigen Ort abseits des Produktionsbereichs durchführen.
3. Optische Gelöstsauerstoff-Sensoren mit ISM sind nahezu wartungsfrei. Weniger Handhabung sorgt für höhere Genauigkeit.
4. Die Vordiagnose vor einem Batch garantiert eine durchgehend zuverlässige Sensorfunktion.
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Messung von pH-Wert und Sauerstoff in Theorie und Praxis
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Leitfaden zur pH-Messung – Theorie und Praxis der pH-Anwendungen
Pharma-Leitfaden «Höchste Leistung bei der Prozesskontrolle von Bioreaktoren»
Leitfaden für die Sauerstoffmessung:
Bewährte Arbeitsverfahren bei optischen Sensoren für gelösten Sauerstoff
Leitfaden Pharmawasser zu Einhaltung gesetzlicher Vorschriften, Wasseranalyse und Freigabe in Echtzeit
Pharmazeutische Industrie
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