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In situ-Bioprozessüberwachung mit nicht-invasiver PAT

In-situ-Bioprozessüberwachung ohne Beeinträchtigung der sterilen Barriere
Komponenten für die nicht-invasive PAT

Die Kontrolle von Schlüsselparametern unter sterilen Bedingungen in Echtzeit und inline, d. h. direkt im Reaktor, ermöglicht es, die Ressourceneffizienz zu steigern und die Produktausbeute und -qualität zu optimieren. Mit diesem Ziel entwickelte Schott die Viewport-Sensoraufnehmer für die praktikable Anwendung der nicht-invasiven Prozessanalysetechnik (PAT). Die Technologie ermöglicht das kontinuierliche Monitoring einer Vielzahl von Prozessparametern und die Automatisierung der Prozesse.

Die Viewport-PAT-Komponenten von Schott ermöglichen spektroskopische Messungen über hermetisch abgedichtete optische Fenster. Montiert auf Standard-Ports am Reaktor, halten sie die sterile Barriere aufrecht und ermöglichen den Einsatz einer Vielzahl von Sonden. Da der manuelle Probenzug für die Offline-Analytik im Labor entfällt, wird das Risiko von Kontaminationen minimiert.

Beim Offline-Monitoring besteht selbst in Reinraum-Umgebung das Restrisiko einer Kontamination des Bioreaktorinhalts. Zudem werden die relevanten Parameter nicht kontinuierlich überwacht. Stattdessen werden punktuelle Messungen durchgeführt, die nur kurze Momentaufnahmen aus dem Reaktor repräsentieren. Jeder Probenzug ist zudem mit einem Verlust von Material verbunden.

Werden derzeitige Messsysteme für das Inline Monitoring in Anlagen zur sterilen Produktion genutzt, können diese während des laufenden Prozesses nicht getauscht oder zur Re-Kalibrierung entfernt werden. Demzufolge führt ein technisches Problem der Messsonde direkt zum Verlust der Kontrolle über den Parameter. Zudem werden hohe Material-Anforderungen an die Messsonde gestellt, die sich negativ auf die Kosten auswirken: Da die Sonde sich bei konventionellen Systemen im direkten Kontakt mit dem Prozessmedium befindet, muss sie sowohl autoklavierbar als auch chemisch inert sein und über einen breiten Temperatur-, Druck- und pH-Bereich eine konstante Funktionalität aufweisen, ohne Beeinträchtigung der Messqualität.

Der Einsatz der Viewport-Sensoraufnahmen ermöglicht eine neue Herangehensweise. Dieselben Messungen werden damit nicht-invasiv durchgeführt. Durch das hermetisch abgedichtete Fenster haben die Messgeräte keinen direkten Kontakt zum Reaktorinhalt. Sie können während der Produktion ausgetauscht werden, ohne die Sterilität zu gefährden. Damit sinkt auch die Hürde, Sensoren in die Bioprozessführung zu integrieren. Abweichungen der gemessenen Parameter können unmittelbar und ohne Materialverlust identifiziert und korrigiert werden.

Montiert auf Labor-, Pilot- und Produktionsreaktoren, erfolgt die Sterilisierung des Viewport gemeinsam mit dem Reaktor vor dem Produktionslauf.

Passend für viele Bioreaktoren wurden drei Ausführungen konstruiert: Der Viewport Ingold für Edelstahl-Bioreaktoren und die Variante PG 13.5, insbesondere für Benchtop-Bioreaktoren, sind autoklavierbar. Für die einmalige Anwendung eignet sich die Single-Use-Ausführung, die über einen Polymer-Flansch zur Anbringung an Single-Use-Bags verfügt. Die Produktfamilie ermöglicht die Skalierung von der Prozessentwicklung bis hin zum Produktionsmaßstab.

Einsatz bei einer Hefe-Kultivierung

In Zusammenarbeit mit der TU München wurde die Performance einer Inline-Raman-Sonde im nicht-invasiven Setting durch Einsatz des Viewport anhand einer Hefezellen-Kultivierung zur intrazellulären Lipidproduktion getestet.

Raman-Spektroskopie ist eine optische Messmethode, die auf der Wechselwirkung von monochromatischem Licht und Materie basiert. Dabei kommt es zur Anregung von Molekülschwingungen und Änderung der Energie der gestreuten Photonen. Das Raman-Spektrum ist eine Darstellung dieser Energieänderung und kann als chemischer Fingerabdruck der gemessenen Substanz interpretiert werden. Mittels Laboranalytik, wie sie auch bei Offline Analysen zur Anwendung kommt, wurde zur quantitativen Bestimmung der Zielparameter, hier Biomassebildung, Glukoseverbrauch und Lipidproduktion, ein PLS-Datenmodell (Partial
least squares) erstellt. Mit Hilfe des Modells wurden anstatt einer unspezifischen Messung (z. B. Trübungsmessung) mehrere Zielparameter spezifisch bestimmt.

Im konkreten Use Case wurde Glukose als Kohlenstoff-Quelle in einem Bioreaktor vorgelegt und anschließend in einer Fed-Batch-Kultivierung in zwei unterschiedlichen Feed-Raten zugeführt. Zu hohe Glukosekonzentrationen können die Zellaktivität hemmen; eine gezielte Prozesssteuerung wirkt dem entgegen und optimiert überdies die Lipidausbeute. Während der gesamten Kultivierung wurden Raman-Spektren in einer Messfrequenz von zwei Minuten aufgenommen. Anhand des PLS-Modells ergibt sich ein dynamisches Bild der chemischen Zusammensetzung während des gesamten Prozessverlaufs, in diesem Fall der Konzentrationsverläufe. Die aus den Spektren abgeleiteten Informationen können in weiterer Folge über einen Feedback-Loop zur direkten Prozesskontrolle verwendet werden.

Zudem wurde gemessen, wie das Substrat Glukose von den Zellen verstoffwechselt wird. Die Glukose-Konzentration fällt, bis nach 24 h die Dosierpumpen angesteuert werden und der Glukose-Feed startet. Nach 72 h wird der Feed halbiert, da die Produktbildung ihr Plateau erreicht.

Technologie mit großem Potenzial

Die Zuverlässigkeit und das Potenzial des Viewport zur nicht-invasiven PAT konnte in dieser Anwendung demonstriert werden. Der mögliche Einsatzbereich beschränkt sich dabei nicht auf Hefezellen, auch anspruchsvolle Organismen wie Säugetier-Zellkulturen oder Kultivierungen unter extremen Prozessbedingungen (extreme pH-Werte, Temperaturen oder Drücke) sind in-line überwachbar. Auch können weitere Messverfahren wie Fluoreszenz-Spektroskopie zur Anwendung kommen.

Bereits vor dem eigentlichen Produktionslauf bieten die nicht-invasiven PAT-Komponenten attraktive Lösungen für ein besseres Ressourcen-Management: Das Optimierungspotenzial eines Parameters kann in einem vorab generierten, digitalen Zwilling des Prozesses simuliert und evaluiert werden, um Aufwand und Nutzen bereits vor der Implementierung besser abschätzen zu können. Wird der Viewport bei Zulassungsverfahren berücksichtigt, kann die Prozesskontrolle ohne aufwendige Re-Validierung erweitert werden.

www.prozesstechnik-online.de

Suchwort: Schott


Autorin: Dr. Karin Wieland

Prozessintensivierung,
Competence Center Chase


Autor: Christian Ott

Manager R&D Biotech,
Schott

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