Kaum ein Messprinzip ist in der Prozessindustrie so weit verbreitet wie die elektrochemische pH-Messung. In der pharmazeutischen Produktion spielt der pH-Wert eine kritische Rolle: Er beeinflusst die chemische Stabilität von Wirkstoffen, die Wirksamkeit von Puffersystemen, die Qualität von Injektionslösungen sowie mikrobiologische Sicherheitsparameter. Ebenso ist er in der Kosmetikproduktion – etwa bei der Herstellung von Cremes, Emulsionen oder Shampoos – ein wesentlicher Qualitäts- und Sicherheitsparameter. Die korrekte, rückverfolgbare und GMP-konforme Messung des pH-Werts ist daher eine Grundvoraussetzung für eine reproduzierbare Prozessführung.
Trotz der scheinbaren Simplizität des Messwerts – einer einzelnen Zahl auf einer Skala von 0 bis 14 – ist die pH-Messtechnik in der Praxis anspruchsvoll. Sensoreibau, Kalibrierstrategien, Reinigbarkeit und die Integration in Prozessleitsysteme erfordern ein differenziertes Verständnis der zugrunde liegenden Physik und der regulatorischen Anforderungen.
Elektrochemische Grundlagen der pH-Messung
Der pH-Wert ist definiert als negativer dekadischer Logarithmus der Wasserstoffionenaktivität in einer wässrigen Lösung. Die industriell dominante Messmethode basiert auf der potentiometrischen Messung mit einer Glaselektrode. Die pH-sensitive Glasmembran – in der Regel aus einem speziellen Lithium- oder Natrium-dotierten Silikatglas – entwickelt in Abhängigkeit von der Wasserstoffionenaktivität ein elektrisches Potential, das gegenüber einer Referenzelektrode mit definiertem, konstantem Potential gemessen wird. Dieses Messprinzip ist in der Norm DIN 19268 sowie in den einschlägigen Pharmakopöe-Kapiteln (Ph. Eur. 2.2.3, USP <791>) beschrieben.
Die Nernst-Gleichung beschreibt den theoretischen Zusammenhang zwischen Ionenaktivität und Membranpotential. Bei 25 °C beträgt die theoretische Steilheit der Glaselektrode –59,16 mV pro pH-Einheit. In der Praxis weicht die tatsächliche Steilheit je nach Alterungszustand und Sensortyp davon ab und wird bei der Kalibrierung ermittelt. Die Referenzelektrode – meist auf Basis des Systems Silber/Silberchlorid in einer Kaliumchlorid-Elektrolytlösung – stellt den stabilen Bezugspunkt für die Potentialdifferenz bereit. Das Diaphragma, über das der ionische Kontakt zwischen Referenzelektrode und Messlösung hergestellt wird, ist eine der kritischsten Komponenten: Verstopfungen, Vergiftung durch Probenmatirix oder zu hoher Elektrolytaustrag können das Messsignal erheblich verfälschen.
Sensorbauformen für die pharmazeutische Prozessumgebung
Für den Online-Einsatz in der pharmazeutischen Produktion werden pH-Sensoren überwiegend als kombinierte Einstabmessketten (Glaselektrode und Referenzelektrode in einem Gehäuse) eingesetzt. Inline-Sensoren sind in der Regel für Armaturengehäuse nach Hygiene-Design ausgelegt – mit Anschlüssen nach DIN 11851, Clamp nach ISO 2852 oder varianten des Ingold-Anschlusses. Entscheidend ist die Konformität mit den Anforderungen der EHEDG-Richtlinien und der 3-A-Standards, die glatte, totraumfreie Oberflächen sowie CIP- und SIP-Fähigkeit vorschreiben.
