Die Raman-Spektroskopie ist heute ein etabliertes Instrument mit einem enormen Potenzial, die Unternehmen in den Lifesciences weiter zu transformieren. Hoch automatisierte Prozesse, kombiniert mit einer Echtzeitüberwachung von Qualitätsparametern und einem sorgfältigen Risikomanagement, setzen sich immer mehr durch. Die Weiterentwicklungen in der Raman-Spektroskopie zielen darauf, biotechnologische Prozesse deutlich effizienter zu machen, die Zykluszeiten zu verkürzen und die Produktqualität von der Laborentwicklung bis zur Herstellung unter cGMP-Bedingungen zu verbessern. Mit umfassender Erfahrung in der Prozessautomatisierung und der Raman-Technologie gilt Endress+Hauser als Zuverlässiger Partner, um die Komplexität von Upstream- wie Downstream-Prozessen zu meistern. Dazu bietet das Unternehmen ein umfassendes Portfolio an Raman-Systemen sowie maßgeschneiderten globalen Service und Support.
Wie funktioniert Raman-Spektroskopie?
Die Raman-Spektroskopie gehört in den Bereich der Schwingungspektroskopie. Sie ermöglicht die Analyse der molekularen Zusammensetzung von Stoffen durch die Messung der Lichtstreuung einer Probe. Dabei wird eine Probe mit sichtbarem Licht oder Nahinfrarot-Licht bestrahlt; die chemische Zusammensetzung wird analysiert, indem Änderungen der Wellenlänge des gestreuten Lichts festgestellt werden. Diese Änderungen sind charakteristisch für die Schwingungen der jeweiligen Moleküle. Das Verfahren liefert einen molekularen Fingerabdruck, der die Identifizierung, Quantifizierung und Überwachung der jeweiligen chemischen Substanzen in einer Probe oder einem Prozess ermöglicht. Damit bietet die Raman-Spektroskopie hochspezifische Inline-Analysen in Echtzeit, wo bisher nur Offline-Messungen möglich war.
Single-Use- und Multi-Use-Verfahren in der Biotechnologie
Single-Use-Systeme, die für nur eine Charge oder einen Produktionszyklus ausgelegt sind, bevor sie ausgetauscht werden, sind in der Lifesciences-Industrie sehr gefragt. Single-Use-Bioprozessanlagen sind flexibel: Sie sind mobil und können je nach Bedarf entsorgt oder erweitert werden. Zusätzliche Reinigung, Sterilisierung und Validierung der Komponenten entfällt, Materialverbrauch, Kosten, Risiken von Kreuzkontaminationen und Herstellungszeiten können reduziert werden. Andererseits haben die Anwender mit Multi-Use-Bioreaktoren aus Glas oder Edelstahl dauerhaftere Anlagen, die in der Regel für spezifische Kapazitäten und Prozessanforderungen ausgelegt sind. Die Raman-Spektroskopie spielt in beiden Szenarien eine Rolle und passt sich der Transformation der Branche von der Chargen- zur kontinuierlichen Verarbeitung und von Multi-Use- zu Single-Use-Systemen an.
Breites Raman-Portfolio
Während eigenständige Raman-Analysatoren und -Sonden wertvolle Daten liefern können, sind für maximale Effizienz in biopharmazeutischen Produktionsverfahren umfassende Raman-Systeme erforderlich, die vom Labormaßstab bis auf die Produktionsebene skaliert werden können. Endress+Hauser erweitert kontinuierlich das Portfolio an Raman-Systemen. Das Produktspektrum umfasst spezielle Raman-Sonden und Optiken, die für Mikro- und Mini-Bioreaktoren, herkömmliche oder Single-Use-Systeme, Volumenströme und Batch- oder kontinuierliche Prozesse entwickelt wurden, außerdem robuste Analysegeräte, die auf Skalierbarkeit vom Labor bis zur Produktionsumgebung optimiert sind. Neue, einfache Kalibrierungs- und Verifizierungsverfahren runden das Raman-Portfolio des Unternehmens ab.
Eine Innovation in diesem Zusammenhang betrifft die Kombination von Endress+Hauser-Analysatoren mit Rxn-46-Sondentechnologie für biotechnologische Anlagen mit der BioPAT-Spectro-Plattform von Sartorius. Diese integrierte Technologie bietet eine ideale Schnittstelle für Prozesse mit hohem Durchsatz in Single-Use-Anwendungen im klinischen Bereich und in der kommerziellen Herstellung. Die Rxn-46-Sonde hat die gleiche Bauform, wie sie für die Ambr 15, Ambr 250 und Biostat-STR-Bioreaktoren benötigt wird. So können schnell Raman-Daten gewonnen werden, um robuste und skalierbare Modelle zu erstellen.
Integrierte Single-Use-Raman-Sonden
Eine andere Entwicklung betrifft die Möglichkeit, Raman-Technologie vorinstalliert in Single-Use-Bioreaktoren und Mischbeuteln anzubieten. Integrierte Single-Use Raman-Sonden schließen Kontaminationsrisiken aus, sie sich im Zusammenhang mit der Sterilisation von Sonden beim Endanwender und dem erforderlichen aseptischen Einsetzen ergeben. Endress+Hauser bietet einen Multi-Attribut-Sensor an, der für verschiedene Arten von Bioprozessbehältern von unterschiedlichen Anbietern geeignet ist.
Das optische Single-Use Raman-System besteht aus einem Einweg-Fitting und einer wiederverwendbaren berührungslosen Optik. Das medienberührte Einwegteil entspricht den Industriestandards und wird direkt an Anbieter von Single-Use-Systemen verkauft. Dort wird es nach einer Gamma-Sterilisation als steriler, gebrauchsfertiger Bestandteil des SUB oder Mischbeutels ausgeliefert.
Tauchoptiken mit Einweghülse
Als Ergänzung der Single-Use-Systeme hat Endress+Hauser auch eine biotechnologische Multi-Optik und einen optionalen Sleeve für Bioreaktoren im Benchtop-Maßstab eingeführt. Dieses vielseitige System optimiert den Arbeitsablauf des Anwenders, reduziert das Kontaminationsrisiko, ist wartungsfrei und ermöglicht die Integration in Single-Use Benchtop-Bioreaktoren. Die Verbindung mit dem Raman-Analysator und der Sonde erfolgt über eine speziell entwickelte Mehrwegoptik, die in einen Sleeve, eine Einweghülse, passt. Die Einweg-Biohülse macht spezielle Raman-Linsen und Sondenkomponenten überflüssig, die häufigen Sterilisationen und Probenexpositionen standhalten müssten, und löst damit das Problem der langfristigen Wiederverwendbarkeit von Komponenten, die in Kontakt mit der Probe bzw. dem Prozessmedium kommen. Die Einweg-Biohülse ist für Gammasterilisation und einmaligen Gebrauch geeignet, ist aber auch robust genug für mehrere Zyklen im Autoklaven. Mit der Bio-Multi-Optik- und dem Sleeve können biopharmazeutische Unternehmen steril und mit unverminderter spektraler Qualität arbeiten und gleichzeitig den Aufwand für Vorbereitungs- und Reinigungsarbeiten reduzieren.
Besondere Herausforderungen in Downstream-Prozessen
Downstream-Prozesse umfassen Pufferaufbereitung, Klärung, Chromatographie, Ultrafiltration/Diafiltration (UF/DF), Virusinaktivierung, Polieren, Formulierungsstabilität und einiges mehr. Während bei Upstream-Anwendungen die Raman-Technologie weit verbreitet ist, stehen Downstream-Applikationen vor ganz eigenen Herausforderungen. PAT-Lösungen werden daher langsamer umgesetzt. Effizienzverbesserungen für Downstream-Anwendungen sind unter anderem daran gescheitert, dass sie bei der Bestimmung der Stoffzusammensetzung von extraktiven Analyseverfahren abhängig sind, dass die Reaktionszeiten zu groß und die Wertebereiche zu klein sind, Hintergrundinterferenzen und Probleme mit der Genauigkeit auftreten, dass die Verfahren nicht stabil sind und Qualitätsmerkmale nicht spezifisch erfasst werden.
Optimiert für Downstream-Volumenströme
Es gibt offenbar einen Bedarf in Downstream-Prozessen, für den es bisher keine Angebote gab. Um die Lücke bei Durchflusszellensystemen in Labor- und Pilotanlagen zu schließen, hat Endress+Hauser die Raman Flow Assembly auf den Markt gebracht. Dieses Angebot ist für Downstream-Volumenströme optimiert und nutzt Signalverstärkung kombiniert mit einer rauscharmen Technologie für schnellere Ergebnisse. Die Raman Flow Assembly ist ein spezielles Werkzeug für die Raman-Spektroskopie, das für biopharmazeutische Labors und die Prozessentwicklung in den Bereichen Reinigung und Perfusion entwickelt wurde. Eine Skalierung bis zu Herstellungsprozessen nach cGMP-Vorgaben ist möglich.
Die Raman Flow Assembly besteht aus einer Micro Flow Cell und einer zugehörigen Micro Flow Bench, die mit einer Raman-Sonde und einem Analysator verbunden ist. Das System erfüllt die Geschwindigkeitsanforderungen von Downstream-Prozessen, indem es die Erfassung von Raman-Daten für Proben mit geringen Volumina und Turbulenzen optimiert. Die Micro Flow Cell ist eine speziell entwickelte Hardware-Komponente, die zur mehrmaligen Benutzung gereinigt und sterilisiert oder wahlweise nach einmaliger Benutzung entsorgt werden kann; die Anwender können hier flexibel entscheiden. Die nicht medienberührte Flow Bench verbessert den Signal-Rausch-Abstand, was für schnelle Messungen bei geringen Materialkonzentrationen ausschlaggebend ist. Mit der Raman Flow Assembly können biopharmazeutische Hersteller die Raman-Spektroskopie zur Echtzeitüberwachung, schnellen Prozessoptimierung und Prozesskontrolle für die Chromatographie und andere Downstream-Prozesse einsetzen.
Eine Reihe von praktischen Kalibrier- und Verifizierungskits bieten die notwendige Hardware zur Vereinfachung der Kalibrierung und Verifizierung von Multi-Use- und Single-Use-Optiken, Rxn-46 Sonden und der Raman Flow Assembly. Die modulare Hardware der Kits wurde entwickelt, um eine schnelle Standardisierung der Instrumente zu ermöglichen und Ausfallzeiten zu minimieren. Die Kits benötigen keine externe Stromversorgung und lassen sich daher auch vor Ort einfach einsetzen. Ein weiteres Effizienzmerkmal ist, dass der material- bzw. medienberührte Teil der Raman-Sonde, der Optik und der Durchflusszelle nicht mehr für Kalibrierungs- und Verifizierungsschritte benötigt wird, was den Arbeitsablauf vereinfacht und Risiken verringert.
Endress+Hauser AG, Reinach BL, Schweiz
Autorin: Maryann Cuellar
Life Sciences Industry Manager,
Endress+Hauser Optical Analysis
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