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Single-Use-Separatoren für die Biopharmazie

Hohe Trenneffizienz für die Produktion im kleinen Maßstab
Single-Use-Separatoren für die Biopharmazie

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Tierische Zellkulturen spielen bei der Entwicklung und Herstellung von Arzneimitteln in der biopharmazeutischen Industrie eine Schlüsselrolle. Während die Prozesse selbst immer häufiger in kleineren Single-Use-Reaktoren realisiert werden, die fast vollständig aus Kunststoff bestehen, waren die für die Ernteprozesse eingesetzten Tellerzentrifugen bisher nicht als Einwegausführung verfügbar. Mit dem Single-Use-Separator Cultureone schafft Alfa Laval hier Abhilfe.

Die Produktqualität und -ausbeute bei der biopharmazeutischen Produktion mithilfe von Zellkulturen hängen maßgeblich vom Prozessschritt der Zellernte ab. Ziel ist es, die im Bioreaktor kultivierten Zellen aus der Klarphase, in der sich das eigentliche Produkt befindet, möglichst sauber und intakt abzutrennen. Aus der geklärten Flüssigkeit lassen sich später die Zielproteine für die angestrebten Wirkstoffe extrahieren. Die schonende Behandlung der scherempfindlichen Zellen ist dabei besonders wichtig.

Traditionell kommen bei der Zellernte große Edelstahlzentrifugen wie die Culturefuge-Reihe von Alfa Laval zum Einsatz. Sie erzielen durch ihre effiziente Trennleistung eine hohe Produktausbeute, sind jedoch in Bezug auf Kapazität und Prozessumgebung für deutlich größere Maßstäbe ausgelegt.

Großer Aufwand für kleine Batches

Um Kreuzkontaminationen zwischen der Verarbeitung verschiedener Batches zuverlässig zu vermeiden, müssen die Zentrifugen nach jeder Charge mit Chemikalien gereinigt und sterilisiert werden, was einen relevanten Zeit- und Kostenaufwand für die Anwender bedeutet. Dem gegenüber steht ein allgemeiner Trend in der Arzneimittelforschung hin zu besonders kleinen Produktionsmengen. Hintergrund ist die fortwährende Entwicklung neuer Wirkstoffe, die jedoch selten sogenannte Blockbuster sind: Medikamente wie beispielsweise gegen die Darmerkrankung Morbus Crohn werden nur in vergleichsweise geringen Mengen benötigt und daher in immer mehr und immer kleineren Batches hergestellt. Hinzu kommt, dass verschiedene Zellkulturen für unterschiedliche Medikamente nacheinander verarbeitet werden.

Single-Use-Separator Cultureone

Speziell für die Produktion dieser kleinen, häufig wechselnden Batches hat Alfa Laval die Single-Use-Zentrifuge Cultureone entwickelt. Alle produktberührenden Teile des neuartigen Separators sind aus Kunststoff gefertigt und austauschbar. Eine Kreuzkontamination zwischen den Produktionschargen ist ausgeschlossen. Neben den produktfremden Kontaktkomponenten stellt Alfa Laval auch alle Mehrzweckinstrumente sowie die Automatisierung selbst her. Die Trommelgröße ist für Batchgrößen von maximal 500 l ausgelegt und erreicht bis zu 5200 Umdrehungen pro Minute. Da Reinigung und Sterilisation vor Ort nicht mehr nötig sind, profitieren Anwender von einer erheblich verbesserten Systemdurchlaufzeit. Ebenso entfällt der Bedarf an Chemikalien, Wasser und Energie für diese Schritte. Damit vereinfacht Cultureone die Planung und den Bau neuer Anlagen in der biopharmazeutischen Industrie deutlich. Die größere Flexibilität ermöglicht Herstellern, schneller mit ihrem Produkt auf den Markt zu kommen.

Cultureone kann für eine große Bandbreite an Zelldichten und Lebendzellzahlen eingesetzt werden. Die Ausführung Cultureone Primo beispielsweise ist für eine Durchflusskapazität zwischen 50 und 200 l/h ausgelegt. Mit ihrem vollhermetischen Design mit Bodenzufuhr bietet sie schonende Produktbehandlung bei hoher Trennleistung.

Cultureone Primo ist als kompaktes Plug-and-Play-System konzipiert. Das auf Rädern montierte Skid-Design unterstützt die einfache Mobilität und den schnellen Anschluss an vor- und nachgeschalteten Geräten. Die Einheit besteht aus Skid-Rahmen, Antriebseinheit, Automatisierung mit HMI und Einwegeinsatz mit Schlauchsatz.

Erfolgsgeheimnis Spinsert

Die entscheidende Komponente der Cultureone-Separatoren ist der patentierte
Spinsert: Hierbei handelt es sich um einen austauschbaren Einsatz, der zudem alle bereits bewährten Merkmale der Separatoren von Alfa Laval wie ein vollständig hermetisches Design und die Unidisc-Technologie bietet. Spinsert umfasst die neuesten Entwicklungen von Alfa Laval für eine verbesserte Trennleistung, das gesamte Tellerpaket sowie sämtliche Einweginstrumente und Verbindungsschläuche. Die Spinsert-Einsätze für die Separatoren werden sterilisiert und gebrauchsfertig entsprechend aller geltenden industriellen GMP-Produktionsstandards geliefert. Als Werkstoffe für die Komponenten werden recycelbare biopharmazeutische Polymere eingesetzt. Am Einlass und an beiden Auslässen sorgen mechanische Dichtungen, deren Funktion als Maß für die Systemintegrität kontinuierlich überwacht wird, für sicheres Prozesscontainment. Für den Zu- und Abfluss werden biopharmazeutische Schläuche verwendet. Spinsert und Schläuche sind die einzigen Teile des Systems, die mit dem Produkt in Berührung kommen. Die komplette Baugruppe wird in einen Edelstahlbehälter
eingesetzt, der in der Antriebseinheit montiert ist.

Der Einsatz der Topstream-Technologie sorgt für eine kontinuierliche Feststoffentfernung und ermöglicht es, hohe Zelldichten zu verarbeiten und eine gleichbleibende Qualität des Zentrifugats sicherzustellen.

Arbeitsprinzip

Fermentationsbrühe aus dem Bioreaktor gelangt über einen sterilen Anschluss in das System. Die Zuleitung ist mit einer Einweg-Zentrifugalpumpe und einem Durchflussmesser ausgestattet. Das Produkt wird von unten in den Separatortrommeleinsatz geleitet. Die Fest-Flüssig-Trennung erfolgt via Zentrifugalkraft, die die Feststoffe zur Peripherie hin bewegt. Die geklärte Flüssigkeit wird kontinuierlich über einen Einwegschlauch und einen weiteren sterilen Anschluss ausgeleitet. Abgeschiedene Feststoffe bewegen sich zur Peripherie des Spinserts und treten als konzentrierter Feststoffstrom aus dem Separator aus. Eine Verdrängerpumpe stellt dabei einen kontrollierten und gleichmäßigen Ablauf sicher.

Temperatur und Druck sowohl der Fermentationsbrühe wie auch der geklärten Flüssigkeit und des Feststoffstroms werden kontinuierlich überwacht.

Bewährte Technologie

Wie die großen Zentrifugen Culturefuge von Alfa Laval folgt auch Cultureone einem vollständig hermetischen Designkonzept zur besonders schonenden Verarbeitung von Zellkulturen. Dies ermöglicht die sterile Behandlung des Systems. Darüber hinaus verhindert der Aufbau die Entstehung einer Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche im Separator, da die Fermentationsbrühe nicht wie herkömmlich von oben, sondern über einen hermetischen Zulauf von unten in das System geleitet wird. Luft im Innern kann über den Auslauf entweichen und die Separatortrommel komplett gefüllt werden. Die Skalierbarkeit der Separatoren erlaubt Anwendern, erst Testreihen in der Kleinanlage vorzunehmen und anschließend für die Erweiterung der Produktion auf die großen Culturefuge-Anlagen umzusteigen.

Alfa Laval Mid Europe GmbH, Glinde


Autor: Doug Osman

Direktor Food & Life Science Technology,

Alfa Laval

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