Bioprozesse im Griff

Process Analytical Technology (PAT) gibt Pharmaunternehmen die Möglichkeit einer strukturierten, wissenschaftlichen Prozessentwicklung und unterstützt auch die Entwicklung vorausschauender Prozessszenarien, die jederzeit reevaluiert werden können, wenn Korrekturen erforderlich sind. So kann ein Produkt einer bestimmten Qualität (bzw. Reinheit) und Wirksamkeit innerhalb der kürzest möglichen Zeit und mit den geringsten Kosten hergestellt werden, und gleichzeitig werden keine Produkte hergestellt, die außerhalb der Spezifikation liegen. Eine große Herausforderung stellen biotechnologische Prozesse dar, da Zellkulturen und Fermentationen die Modellierung und multivariate Datenanalyse, wie sie für PAT erforderlich sind, sehr erschweren. Ein Hindernis war bislang, dass es keine Software gab, mit der sich PAT-Tools und die Informationen, die während der Bearbeitung und der Online-Analyse der Prozessdaten mit gespeicherten Daten gewonnen werden, in ein System integrieren lassen. Daher entwickelte und pilotierte Siemens im Rahmen eines PAT-Projekts im Labor für Prozessentwicklung am Netherlands Vaccine Institute (NVI) in Bilthoven die Software Sipat. Die Software wurde bereits genutzt, um ein echtzeitfähiges Verifizierungstool für alle kritischen Prozessattribute der Kultivierung des Bakteriums Bordetella pertussis für einen Keuchhustenimpfstoff zu generieren. Ziel des NVI-Projekts war es, alternative Methoden für die Prozessentwicklung und leistungsfähige Technologien für die Prozessüberwachung und -steuerung zu entwickeln, um die direkte Freigabe von Endprodukten ohne nachträgliche Qualitätstests zu ermöglichen. Siemens wurde aufgrund seines Know-hows in Biotechnologie und Automatisierungstechnik als Partner gewählt, so Mathieu Streefland, Projektleiter und Forscher am NVI.

Die komplexen Prozesse für das Beimpfen und das Ernten der Bakterienkulturen, die in der Biotechnologie verwendet werden, erfordern eine exakte Erfassung und Steuerung aller wichtigen Prozessparameter. Neue Entwicklungen auf dem Gebiet der In-situ-Messung ermöglichen ein komplettes Bild des Fermentationsprozesses. Sie liefern nicht nur Informationen zu einzelnen Parametern, sondern auch relative Messwerte zur Bestimmung von Abweichungen, sodass das tatsächliche Geschehen im Bioreaktor besser sichtbar wird. Das NVI-Projekt überwacht die Veränderungen von bekannten Parametern und sucht aktiv nach weiteren Größen, die die Qualität und Wirksamkeit des Endprodukts beeinflussen. Daraus lassen sich die Kontrollregimes und der gesamte Batchprozess verbessern, um eine höhere Ausbeute mit einer besseren Qualität bei geringeren Kosten zu erzielen.

Mit Sipat lassen sich die Daten erfassen und alle Informationen integrieren, die während des Prozesses und durch Online-Berechnungen gewonnen werden. Zudem unterstützt die Software den Vergleich des tatsächlichen Batchverlaufs mit dem idealen Verlauf des „Golden Batch“. Mit Sipat kann das NVI Labormodelle mit modernen Near-Infrared- und Massenspektroskopiesystemen und Probendaten kombinieren, um ein komplettes Prozessmodell zu entwickeln. Das NVI hat dadurch mehr Wissen über die kritischen Prozessparameter bei der Kultivierung von Bordetella pertussis gewonnen. Das Projekt hat erfolgreich die Machbarkeit des Ansatzes demonstriert, der nun genutzt wird, um einen Bioreaktor mit einem Volumen von 2 l für Forschungszwecke zu entwickeln. Das größere Prozesswissen wird auch das Upscaling auf kommerzielle Maßstäbe erleichtern. Das NVI plant jetzt, auch weitere Kultivierungsprozesse und andere Bereiche, wie die Gefriertrocknung oder Chromatografie, in ähnlicher Weise für PAT zu ertüchtigen.

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