Während der Produktentwicklung oder Prozessoptimierung in Entwicklungslaboren wird die optische Dichte bisher meist offline bestimmt, um dadurch Rückschlüsse auf den Prozessfortschritt, die Zellzahl oder die Biomasse abzuleiten. Die im Jahr 2002 von der FDA gestartete PAT-Initiative (Process Analytical Technology) fordert jedoch Online-Messungen von kritischen und qualitätsrelevanten Prozessparametern, verbunden mit dem Ziel, die endgültige Produktqualität zu gewährleisten. Es ist daher sinnvoll und wichtig, entscheidende Parameter wie die optische Dichte, aus denen wichtige Rückschlüsse auf den Prozessverlauf gezogen werden, bereits im Stadium der Produktentwicklung ständig verfügbar zu haben. Hat man diese Parameter während der Produktentwicklung oder Optimierung kontinuierlich aufgenommen, wird die Umsetzung im großen Prozessmaßstab vereinfacht.
Ein Sensor für alle Anwendungen
Der von Exner eigens für diese Anwendungen entwickelte NIR-Sensor Excell230 erfüllt alle Anforderungen zur Messung im kleinen Labormaßstab, aber auch in großen Produktionsprozessen. Durch seine Bauform mit nur 12 mm Durchmesser passt er in die meisten Entwicklungsfermenter. Eingebaut in einen 12-mm-Port in der Deckelplatte, erfolgt die Prozessüberwachung und Steuerung wie bei einer pH- oder Sauerstoffmessung. Der gleiche Sensor wird über Standardarmaturen auch in großen Produktionsprozessen eingesetzt und liefert dort zuverlässig die gleichen Werte wie die zugrundeliegende Labormessung. Damit sind die Zeiten vorbei, in denen erst mühselig Korrelationen zwischen der im Labor eingesetzten und der im Prozess installierten Messtechnik ermittelt werden mussten.
Durch die Messung im nahinfraroten (NIR) Wellenlängenbereich werden Farbeinflüsse ausgeschaltet und für die meisten Zellen optimale Absorptionen erzielt. Der Sensor erfüllt alle Anforderungen an ein PAT-Gerät und die Messung erfolgt online. Der Sensor ist robust, die Handhabung einfach und eine unmittelbare und unkomplizierte Überprüfung/Kalibrierung des Sensors ist mithilfe von rückführbaren Kalibrierfiltern möglich. Durch den integrierten Messverstärker wird der Sensor einfach per Modbus, USB-Anschluss oder eine Kommunikationsschnittstelle mit 4…20 mA mit dem Prozessleitsystem verbunden und die Messung kann starten. Kalibrierdaten und alle notwendigen Einstellungen werden intern abgespeichert. Vor und nach dem Einsatz ist jeweils eine Funktionsüberprüfung mit entsprechenden Kalibrierfiltern möglich. Damit erhält der Anwender die Sicherheit, dass alle aufgenommenen Messwerte während des Prozesses richtig und nachvollziehbar sind. Selbstverständlich ist hierbei, dass der Sensor sowohl im Prozess sterilisiert werden kann als auch insgesamt autoklavierbar ist. Ein positiver EHEDG-Bericht über die Sterilisierbarkeit im Prozess liegt vor.
Einsatzbereiche des Sensors
Einsetzbar ist der optische Sensor zur einfachen Bestimmung des Zellwachstums und der Zelldichte in den unterschiedlichsten Prozessen. Dabei kann es sich um Säugetierzellen zur Herstellung von monokularen Antikörpern und Bakterienzellen zur Produktion von Toxinen, Impfstoffen, Enzymen, Therapeutika oder Lebensmitteln handeln. Aber auch Hefezellen, Pilzzellen oder Mikroalgen werden mithilfe der optischen Dichte überwacht und optimiert. Man erhält durch Ermittlung der optischen Dichte einen reproduzierbaren Rückschluss auf die Gesamtzellzahl in dem gemessenen Medium. Während der Produktentwicklung im Labor lässt sich die tatsächliche Wachstumskurve aufnehmen, anhand derer sowohl die Produktentwicklung weiter optimiert werden kann als auch im späteren Produktionsprozess eine sichere Prozessführung gewährleistet wird.
Durch den Einsatz des gleichen Sensors im Labor und in der späteren Produktion können die in der Entwicklung ermittelten Prozessparameter einfach übernommen werden, wodurch die Prozessführung vereinfacht, die Reproduzierbarkeit deutlich verbessert und Qualität sowie Quantität des Prozessausstoßes erhöht werden.
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Detlef Exner
Geschäftsführer, Exner Process Equipment
