Prozessoptimierung bei Bioreaktoren

Zahlreiche Präparate in der Pharma-Branche sind höchst sensibel und bedürfen genauer Planung der Herstellungsprozesse. Die meisten Fehler bei der Medikamentenproduktion geschehen hierbei aber in der Frühphase und verursachen kosten- und zeitintensive Änderungen im Scale-Up. Am Anfang des Entwicklungsprozesses wird selten überlegt, wie sich ein spezifischer Arbeitsschritt später in eine große Produktionsanlage integrieren lässt. ZETA steht daher seinen Kunden beim gesamten Herstellungsprozess beratend zur Seite – vom Labor über die verschiedenen Klinik-Phasen bis in die industrielle Produktion. Somit wird die Marktreife der Produkte in kürzester Zeit erreicht. (Quelle: ZETA Biopharma GmbH)

Der auf der ACHEMA vorgeführte Bioreaktor ist das Scale-Down-Modell eines bakteriellen Fermenters mit einem typischen Höhe/Durchmesser-Verhältnis von 2:1 und verfügt über die neue Sensorik zur kLa-Messung. (Quelle: ZETA Biopharma GmbH)

Der auf der ACHEMA vorgeführte Bioreaktor ist das Scale-Down-Modell eines bakteriellen Fermenters mit einem typischen Höhe/Durchmesser-Verhältnis von 2:1 und verfügt über die neue Sensorik zur kLa-Messung. (Quelle: ZETA Biopharma GmbH)

Die Messung im Bioreaktor gelingt durch eine Elektrode, die als Durchflussmesszelle über einen Stutzen direkt mit dem Reaktor verbunden ist. Diese Methode eignet sich besonders für Bestandsanlagen, da auf diese Weise von beinahe jedem beliebigen Punkt im Fermenterinneren Proben gezogen werden können. (Quelle: ZETA Biopharma GmbH)

Gemeinsam mit Boehringer Ingelheim und der TU Hamburg-Harburg hat ZETA einen neuen Rührwerkstyp für Behältergrößen von bis zu 30.000 Liter entwickelt. Auf der ACHEMA wird er als Scale-Down-Modell innerhalb des dort vorgeführten Bioreaktors präsentiert. Er kann mit entsprechenden Modifikationen wie einer doppelten Lagerung auch für große industrielle Bioreaktoren mit einem Arbeitsvolumen von 15 m3 und Behältergrößen von bis zu 30.000 l verwendet werden. (Quelle: ZETA Biopharma GmbH)

Gemeinsam mit Boehringer Ingelheim und der TU Hamburg-Harburg hat ZETA einen neuen Rührwerkstyp für Behältergrößen von bis zu 30.000 Liter entwickelt. Auf der ACHEMA wird er als Scale-Down-Modell innerhalb des dort vorgeführten Bioreaktors präsentiert. Er kann mit entsprechenden Modifikationen wie einer doppelten Lagerung auch für große industrielle Bioreaktoren mit einem Arbeitsvolumen von 15 m3 und Behältergrößen von bis zu 30.000 l verwendet werden. (Quelle: ZETA Biopharma GmbH)

„In der Pharma-Branche muss die Medikamenten- und somit Patientensicherheit stets gewährleistet sein“, berichtet Thomas Maischberger, Process Engineer & Project Developer bei der ZETA Biopharma GmbH. „Daher fordern Institutionen und Aufsichtsbehörden wie FDA oder EMEA die Betreiber biopharmazeutischer Anlagen auf, ihre Prozesse auf wissenschaftlicher Basis besser zu verstehen. Deswegen haben wir im Rahmen einer Studie zum kLa-Wert ZETA eine neue Sensorik entwickelt, die den biotechnologischen Prozess transparenter macht.“ (Quelle: ZETA Biopharma GmbH)

In den letzten Jahren wurden in der Pharma-Branche die Stammverbesserung und Leistungsfähigkeit von biologischen Zellkulturen vorangetrieben, wodurch die Anlagentechnologie von Bioreaktoren und deren Prozessführung immer höhere Ansprüche erfüllen müssen. Für funktionsfähige Präparate ist dabei besonders ein hoher volumetrischer Massentransferkoeffizient (kLa) essenziell wichtig. Bisherige Standard-Sauerstoffsensoren waren jedoch bei der Messung dieses Parameters überaus träge und hinsichtlich ihrer Positionierung im Prozess stark eingeschränkt. Daher hat die ZETA Biopharma GmbH im Rahmen einer Studie eine neue Methode zur kLa-Messung entwickelt, die auf der diesjährigen ACHEMA 2018 mithilfe eines Bioreaktors in der praktischen Anwendung vorgestellt wird. Die Anlage ist mit zwei hochsensiblen und schnell ansprechenden optischen Sauerstoffsensoren ausgestattet und kann auf diese Weise kLa-Werte von bis zu 2.000 h-1 an jeder beliebigen Position messen. Da der Bioreaktor mit unterschiedlichen Rührwerksgeometrien und Begasungsarten angepasst werden kann, dient er als effektives Scale-Down-Modell für die bakterielle Fermentation sowie Kultivierung tierischer Zellkulturen auch in größeren Produktionsanlagen und hilft bei der Optimierung des Gaseintrags in die Flüssigphase.

In biologischen Systemen wie einem Bioreaktor gibt es zahlreiche Faktoren, deren individueller Einfluss auf das Wachstum einer Zellkultur oftmals nicht ausgewertet werden kann. Auf diese Weise wird der Prozess zu einer Black Box und schwer berechenbar. „In der Pharma-Branche muss aber die Medikamenten- und somit Patientensicherheit stets gewährleistet sein“, berichtet Thomas Maischberger, Process Engineer & Project Developer bei der ZETA Biopharma GmbH. „Daher fordern Institutionen und Aufsichtsbehörden wie FDA oder EMEA die Betreiber biopharmazeutischer Anlagen auf, ihre Prozesse auf wissenschaftlicher Basis besser zu verstehen. Deswegen haben wir im Rahmen einer Studie zum kLa-Wert eine neue Sensorik entwickelt, die den biotechnologischen Prozess transparenter macht.“ Mit dieser Methode ist die Messung des kLa-Wertes in unterschiedlichen Prozessphasen und Positionen im Behälter möglich.

Hohes Zellwachstum durch optimalen Gelöstsauerstoffgehalt

Bei der Auslegung von Bioreaktoren ist die Sauerstofftransferrate und damit speziell der volumetrische Massentransferkoeffizient (kLa) wichtig. Er beschreibt die Effizienz, mit der Sauerstoff in einen Bioreaktor unter bestimmten Prozessbedingungen eingebracht und im Medium gelöst werden kann. „Dieser kLa-Wert ist in jedem biotechnologischen Prozess von großer Bedeutung, da er angibt, wie gut die Mikroorganismen in der Anlage mit Gasen versorgt werden können“, erklärt Maischberger. „Oft ist der Gelöstsauerstoff das limitierende Element in mikrobiologischen Fermentationen. Beispielsweise liegt die kritische Luftsättigung für Bakterien und Hefen bei 10 – 50 Prozent.“ Für ein optimales Zellwachstum und eine maximale Produktbildung ist es deshalb wichtig, den Gelöstsauerstoffgehalt im gesamten Bioreaktor über diesem Wert zu halten, indem er durch einen Sparger mit Luft oder reinem Sauerstoff begast wird. Bei einem hoch effektiven Bioprozess sollte die Sauerstoffmassentransferrate von der Gasblase in das Medium (OTR – oxygen transfer rate) gleich oder größer der Rate sein, mit welcher die wachsenden Zellen den Sauerstoff aufnehmen (OUR – oxygen uptake rate).

Bei Anlagenerweiterungen und der Fertigung neuer Reaktoren rückt die präzise und zeitnahe Ermittlung des kLa-Werts immer weiter in den Mittelpunkt der verfahrenstechnischen und mechanischen Planung. Sobald sich dieser kLa-Wert zuverlässig bestimmen lässt, ist auch gewährleistet, dass der kritische Wert für den Gelöstsauerstoffgehalt stets garantiert werden kann. ZETA fand im Laufe ihrer Studie heraus, dass bisher genutzte Standard-Sauerstoffsensoren den Gelöstsauerstoffgehalt nicht schnell genug ermitteln können, um eine Messung in Echtzeit zu ermöglichen. „Dies liegt an ihrer dicken Membran, die vor allem auf Robustheit und Prozesssicherheit ausgelegt ist“, erklärt Maischberger. „Durch sie ist die Diffusion der Sauerstoffmoleküle aber merklich langsamer als bei jenen Sensoren, die wir in unserer kLa-Studie verwendet haben.“ Außerdem erfolgte die Messung durch herkömmliche Sensoren meist nur an einem Punkt des Behälters – am Sondenkranz. Da aber kein Reaktor eine optimale Vermischung erreicht, findet innerhalb des Mediums keine gleichbleibende Versorgung statt, wodurch sich unterschiedlich gesättigte Zonen herausbilden. Somit kann das Messergebnis verfälscht werden.

Ermittlung des kLa-Wertes an jedem beliebigen Punkt im Bioreaktor

„Deswegen untersuchten wir die Möglichkeiten, eine bessere Messung dieses Parameters zu erreichen“, führt Maischberger weiter aus. „Durch unser Know-how aus jahrelanger Praxis und die erfolgreiche Anwendung in unserem internen Technikum sowie in großindustriellen Anlagen konnten wir die geeignete Versuchsmethodik entwickeln.“ Um den kLa-Wert zu ermitteln, haben die Lösungsspezialisten von ZETA unterschiedliche Berechnungsmodelle an die experimentell ermittelten Gelöstsauerstoffkurven iterativ angepasst, um das beste Scale-up/Scale-down-Modell zu ermitteln. Dazu haben sie nicht nur den kLa-Wert betrachtet, sondern auch die Ansprechzeit der Sauerstoffsensoren und die Totzeit, das heißt die Zeitspanne zwischen der Signaländerung am Systemeingang sowie der Signalantwort am Systemausgang.

Um jede Zone charakterisieren zu können, müssen von möglichst vielen Stellen im Behälter repräsentativ Proben gezogen werden. Damit können die physikalischen Bedingungen im Reaktor ganzheitlich abgebildet werden. Dafür hat ZETA im Rahmen der kLa-Studie eine Sensorik für die sogenannte Dynamic Startup Method (DSM) entwickelt. Sie ermittelt den kLa-Wert aus zeitlichen Konzentrationsunterschieden. In einem ersten Schritt wird hierfür der Gelöstsauerstoff im Bioreaktor chemisch oder physikalisch vollständig entfernt und später durch Einspeisen von Luft wieder gezielt hinzugeführt. So ist eine kontrollierte Ermittlung des kLa-Wertes an kritischen Stellen innerhalb des Behälters möglich. Die Messung im Bioreaktor gelingt durch eine Elektrode, die als Durchflussmesszelle über einen Stutzen direkt mit dem Reaktor verbunden ist. Diese Methode eignet sich besonders für Bestandsanlagen, da auf diese Weise von beinahe jedem beliebigen Punkt im Fermenterinneren Proben gezogen werden können.

Scale-Down-Bioreaktor ermöglicht effektive Prozessoptimierung

Der auf der ACHEMA vorgeführte Bioreaktor ist mit dieser Sensorik ausgestattet. Bei der präsentierten Anlage handelt es sich um das Scale-Down-Modell eines bakteriellen Fermenters mit einem typischen Höhe/Durchmesser-Verhältnis von 2:1. Der speziell gefertigte Rührwerksflansch ermöglicht die Aufnahme von unterschiedlichsten Rührerdesigns und Geometrien. Die eingebaute Drehmomentmessung ermittelt den Leistungseintrag der unterschiedlichen Rührer unter verschiedenen Begasungsraten. Auch können die Strombrecher modifiziert werden, um deren Einfluss auf Mischzeit und Leistungseintrag bestimmen zu können. Das Magnetrührwerk minimiert dabei das Kontaminationsrisiko und sorgt für eine gleichmäßige Gasblasenverteilung. Es kann mit entsprechenden Modifikationen wie einer doppelten Lagerung auch für große industrielle Bioreaktoren mit einem Arbeitsvolumen von 15 m3 und Behältergrößen von bis zu 30.000 l verwendet werden.

Der PAT-Bioreaktor wird mit der neuen Messtechnik am Messestand auf der diesjährigen ACHEMA 2018 in Frankfurt am Main in Halle 9.1, Stand D10 der Öffentlichkeit präsentiert. Der errechnete kLa-Wert wird dabei über eine Steigerung der aktuellen Sauerstoffkonzentration am Display angezeigt und berechnet. Somit kann die Beeinflussung der Rührerleistung und Begasungsrate auf den kLa-Wert live erlebt werden. Auch wird am Messestand das im Bioreaktor eingebaute Magnetrührwerk durch eine Filmvorführung in regelmäßigen Abständen vorgestellt. Für Fragen zur kLa-Studie, dem PAT-Bioreaktor oder dem Magnetrührwerk stehen Nicole Zangl (Produktmanagerin ZETA Rührwerkstechnologie) und Alexander Lausecker (ZETA Head of Sales) der ZETA Biopharma GmbH, zur Verfügung. Außerdem können Kunden gemeinsam mit dem ZETA-Team ihren gesamten Prozess im Solution Path dank eines Touch-Pads analysieren.