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Flexible PAT-Werkzeuge für eine effiziente Bioprozessentwicklung

Prof. Dr. Christoph Herwig, Head of Biochemical Engineering, TU Wien, Oesterreich

Die Produktion von heterologen Proteinen, Sekundärmetaboliten und somit die Bioprozessentwicklung stellt sich als komplexe Aufgabe dar: Der Bioprozess muss nicht nur den wirtschaftlichen Vorgaben durch eine ausreichende Produktivität genügen, sondern er muss in erster Linie die Sicherheit des Patienten und die Produktqualität sicherstellen

Zulassungsbehörden, wie beispielsweise die FDA, haben erkannt, dass das Verständnis von Produktprozessen verbessert werden muss, um die Produktqualität zu gewährleisten: dazu kann der Ansatz des Quality by Design (QbD) dienen (ICH, 2005, 2008a, b, 2009). Das QbD ist ein wichtiger Antrieb für strukturierte Prozessentwicklungsstrategien basierend auf soliden wissenschaftlichen Grundlagen anstatt von rein empirischen Werten. Dabei gilt ein Hauptaugenmerk dem besseren Verständnis von Prozessabläufen sowohl im Hinblick auf die Kommunikation an die Zulassungsbehörden als auch für wirtschaftlich-bedingte Optimierungsbemühungen.

Nach der QbD-Initiative dient die PAT (process analytical technology) als ein zentrales Werkzeug. Es handelt sich bei PAT um „Ein System für die Konstruktion, Analyse und Kontrolle von Herstellungsprozessen durch zeitlich gesteuerte Messungen von kritischen Qualitäts- und Leistungsmerkmalen mit dem Ziel, die Qualität des Endprodukts zu gewährleisten“. Für eine Anwendung der PAT bei der Bioprozessentwicklung ist ein flexibles experimentelles Umfeld erforderlich, das die folgenden Vorrausetzungen erfüllen sollte:

Schema PAT & QbD
  • Fähigkeit, unterschiedliche Sensoren für umfangreichere Echtzeitmessungen zu kombinieren und eine integrierte Datenerhebung zu ermöglichen.
  • Möglichkeit der Umwandlung des erhobenen Datenmaterials in Informationen, die zur Analyse des Effekts der Prozessparameter auf die Qualitätseigenschaften des Produkts verwendet werden können.
  • Fähigkeit zur präzisen Bewerkstelligung von Prozessänderungen, um das biologische System an seine physiologischen Grenzen zu steuern und die sich daraus ableitenden Folgen auf effiziente Weise untersuchen zu können.


Grossvolumige Datenquellen für PAT durch OPC-Funktionalität

Flexibles Bioreaktorumfeld


Die INFORS HT-Bioreaktoren Multifors 2, Labfors 5, Techfors-S, Techfors sowie die parallel Bioprozess Kontrollsoftware Iris können in einen hochapparativen Versuchsaufbau vollständig integriert werden. Als Standardinstrumente stehen In-line-Sonden für pO2, pH und Temperatur zur Verfügung. Darüber hinaus besteht eine hohe Flexibilität bezüglich der Umsetzung zusätzlicher Funktionalitäten: Zusätzliche In-line-Sonden, z.B. zur Messung der elektrischen Kapazität als Mass für Volumenmessungen an intakten Zellen (z.B. von Zulieferern wie ABER oder Fogale), Filtrationssonden (ABC, Trace oder iba Heiligenstadt) zur zellfreien Sammlung von Kulturflüssigkeit selbst bei hohen Zelldichten können in den Bioreaktoren integriert werden.

Im Peripheriebereich des Bioreaktors können zahlreiche Waagen und Pumpen angeschlossen werden, die eine Quantifizierung und Kontrolle des Zu- und Abflusses von Flüssigkeiten, wie z.B. Einsatzstoffe, Lauge, Säure oder verbrauchte Gärlösung, ermöglichen. Als Online-Werkzeuge können Abgasanalysatoren integriert werden. In Kundenlabors wurden auch anspruchsvollere Tools integriert, die mit Proben aus dem zellfreien Filtrat versorgt werden: Online-HPLC mit mehreren Detektoren sowie GC und ein Roboter mit enzymatischen photometrischen Messungen von Medienkomponenten, Substrat, Stoffwechselprodukten (Dietzsch et al., 2011), aber auch extrazellulärem Produkt (Spadiut et al., 2012).

Integrierte Datensammlung


Zur integrierten Datensammlung bei PAT-Umgebungen können INFORS HT-Bioreaktoren und Iris zahlreiche Signale direkt aufnehmen, z.B. Waage, MFCs, Gasanalysator und Pumpen. Darüber hinaus sind diese Einheiten mit einem generischen OPC-Protokoll ausgestattet, das eine einfache Anbindung des Bioreaktorsystems an das zentrale Prozessmanagementsystem des Prozessentwicklers ermöglicht, in dem gebündelte Online-Geräte wie HPLC und Gasanalyse häufig automatisiert sind. Somit gestaltet sich die Datenerhebung bei unterschiedlichen Datensignalen in einer hochentwickelten PAT-Umgebung als einfach, ausbaufähig und anpassungsfähig an verschiedene Umgebungen der Entwicklungsgruppe. 

References:
ICH, (2005), Q9, Quality Risk Management
ICH, (2008a), Q8, Pharmaceutical Development (R1)
ICH, (2008b), Q10, Pharmaceutical Quality system
ICH, (2009), Q11, Development and Manufacture of Drug Substances, Step2, www.ich.org

Dietzsch, C., Spadiut, O., Herwig, C., (2011) Multivariate analysis of an online sampling system for the determination of recombinant proteins in bioreactors. Journal of Bioscience and Bioengineering submitted.

Spadiut, O., Dietzsch, C., Herwig, C., (2012) Evaluating online sampling probes for substrate concentration and protein production by a Design of Experiments screening approach. Engineering in life Sciences DOI 10.1002/elsc.201100228.

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