Optimalizace procesů u bioreaktorů

Mnoho přípravků v farmaceutickém průmyslu je vysoce citlivých a vyžaduje přesnější plánování výrobních procesů. Většina chyb při výrobě léků však nastává v rané fázi a způsobuje nákladné a časově náročné změny při škálování. Na začátku vývojového procesu se zřídka uvažuje o tom, jak lze konkrétní pracovní krok později integrovat do velké výrobní linky. ZETA proto svým zákazníkům poskytuje poradenskou podporu po celém výrobním procesu – od laboratoře přes různé klinické fáze až po průmyslovou výrobu. Tím je zajištěno dosažení tržní způsobilosti produktů v co nejkratším čase. (Zdroj: ZETA Biopharma GmbH)

Bioreaktor představený na ACHEMA je model zmenšeného měřítka bakteriálního fermentoru s typickým poměrem výšky k průměru 2:1 a je vybaven novou senzorikou pro měření kLa. (Zdroj: ZETA Biopharma GmbH)

Bioreaktor představený na ACHEMA je model zmenšeného měřítka bakteriálního fermentoru s typickým poměrem výšky k průměru 2:1 a je vybaven novou senzorikou pro měření kLa. (Zdroj: ZETA Biopharma GmbH)

Měření v bioreaktoru je možné pomocí elektrody, která je jako průtokoměr přímo spojena s reaktorem přes výstup. Tato metoda je obzvláště vhodná pro stávající zařízení, protože je možné odebrat vzorky téměř z jakéhokoli místa uvnitř fermentoru. (Zdroj: ZETA Biopharma GmbH)

Společně s Boehringer Ingelheim a TU Hamburg-Harburg vyvinula společnost ZETA nový typ míchadla pro nádoby o objemech až 30 000 litrů. Na veletrhu ACHEMA bude představen jako model zmenšeného měřítka v rámci zde představeného bioreaktoru. S odpovídajícími úpravami, například s dvojím uložením, může být také použit pro velké průmyslové bioreaktory s pracovním objemem 15 m3 a velikostmi nádob až do 30 000 l. (Zdroj: ZETA Biopharma GmbH)

Společně s Boehringer Ingelheim a TU Hamburg-Harburg vyvinula společnost ZETA nový typ míchadla pro nádoby o objemu až 30 000 litrů. Na veletrhu ACHEMA bude představen jako model pro zmenšené měřítko v rámci zde prezentovaného bioreaktoru. S odpovídajícími úpravami, například s dvojím uložením, může být také použit pro velké průmyslové bioreaktory s pracovním objemem 15 m³ a velikostí nádrže až 30 000 l. (Zdroj: ZETA Biopharma GmbH)

„V farmaceutickém průmyslu musí být vždy zajištěna bezpečnost léků a tím i pacientů,“ uvádí Thomas Maischberger, Process Engineer & Project Developer ve společnosti ZETA Biopharma GmbH. „Proto instituce a regulační orgány, jako FDA nebo EMEA, vyzývají provozovatele bioprodukčních zařízení, aby lépe porozuměli svým procesům na vědecké úrovni. Proto jsme v rámci studie o kLa-hodnotě vyvinuli novou sensorickou technologii, která činí biotechnologický proces transparentnější.“ (Zdroj: ZETA Biopharma GmbH)

V posledních letech v farmaceutickém průmyslu došlo k pokroku v oblasti zlepšení základních vlastností a výkonu biologických buněčných kultur, což klade stále vyšší nároky na technologii zařízení bioreaktorů a jejich řízení procesů. U funkčních přípravků je zvláště důležitý vysoký objemový koeficient přenosu hmoty (kLa). Dosavadní standardní senzory kyslíku však byly při měření tohoto parametru velmi pomalé a jejich umístění v procesu bylo výrazně omezené. Proto společnost ZETA Biopharma GmbH v rámci studie vyvinula novou metodu měření kLa, která bude představena na letošní akci ACHEMA 2018 za pomoci bioreaktoru v praktickém použití. Zařízení je vybaveno dvěma vysoce citlivými a rychle reagujícími optickými senzory kyslíku a může tak měřit hodnoty kLa až do 2 000 h^-1 na libovolném místě. Jelikož lze bioreaktor přizpůsobit různým geometrickým tvarům míchadel a způsobům aerace, slouží jako efektivní model pro zmenšené měřítko bakteriální fermentace a kultivace živočišných buněčných kultur i ve větších výrobních zařízeních a pomáhá optimalizovat vstup plynu do kapalné fáze.

V biologických systémech, jako je bioreaktor, existuje mnoho faktorů, jejichž individuální vliv na růst buněčné kultury často nelze vyhodnotit. Tím se proces stává tzv. černou skříňkou a je obtížně předvídatelný. „V farmaceutickém průmyslu však musí být vždy zajištěna bezpečnost léků a tím i pacientů,“ uvádí Thomas Maischberger, Process Engineer & Project Developer ve společnosti ZETA Biopharma GmbH. „Proto instituce a regulační orgány, jako jsou FDA nebo EMEA, vyzývají provozovatele biotechnologických zařízení, aby lépe porozuměli svým procesům na vědecké úrovni. Proto jsme v rámci studie hodnoty kLa vyvinuli nový senzorický systém, který činí biotechnologický proces transparentnější.“ S touto metodou je možné měřit hodnotu kLa v různých fázích procesu a na různých místech v nádrži.

Vysoký růst buněk díky optimálnímu obsahu kyslíku v gelu

Při návrhu bioreaktorů je důležitá rychlost přenosu kyslíku a tím i speciálně objemový koeficient přenosu hmoty (kLa). Popisuje efektivitu, s jakou je kyslík do bioreaktoru za určitých podmínek procesu zaváděn a rozpouštěn v médiu. „Tato hodnota kLa je v každém biotechnologickém procesu velmi důležitá, protože udává, jak dobře jsou mikroorganismy v zařízení zásobovány plyny,“ vysvětluje Maischberger. „Často je limitujícím prvkem v gelovém obsahu kyslíku v mikrobiologických fermentacích. Například kritická nasycenost vzduchu pro bakterie a kvasinky je mezi 10 a 50 procenty.“ Pro optimální růst buněk a maximální tvorbu produktu je proto důležité udržovat obsah kyslíku v gelu v celém bioreaktoru nad touto hodnotou, a to aerací pomocí spargéru s vzduchem nebo čistým kyslíkem. U vysoce efektivního bioprocesu by měla být rychlost přenosu kyslíku z plynové bubliny do média (OTR – oxygen transfer rate) rovna nebo vyšší než rychlost, s jakou buňky kyslík spotřebovávají (OUR – oxygen uptake rate).

Při rozšiřování zařízení a výrobě nových reaktorů se stále více klade důraz na přesné a včasné stanovení hodnoty kLa, které je klíčové pro procesní a mechanické plánování. Jakmile je možné tuto hodnotu spolehlivě určit, je zaručeno, že kritická hodnota obsahu kyslíku v gelu bude vždy dodržena. Společnost ZETA během své studie zjistila, že dosavadní standardní senzory kyslíku nedokážou dostatečně rychle určit obsah kyslíku v gelu, aby bylo možné měřit v reálném čase. „To je způsobeno jejich silnou membránou, která je navržena především pro robustnost a bezpečnost procesu,“ vysvětluje Maischberger. „Díky ní je difuze kyslíkových molekul výrazně pomalejší než u senzorů, které jsme použili v naší studii kLa.“ Navíc měření pomocí běžných senzorů probíhalo často pouze na jednom místě v nádrži – na sondovém věnci. Vzhledem k tomu, že žádný reaktor nedosahuje dokonalého promíchání, nedochází uvnitř média ke stálé zásobě, což vede k tvorbě různě nasycených zón. To může zkreslit výsledky měření.

Stanovení hodnoty kLa na libovolném místě v bioreaktoru

„Proto jsme zkoumali možnosti, jak dosáhnout přesnějšího měření tohoto parametru,“ pokračuje Maischberger. „Díky našim znalostem z dlouholeté praxe a úspěšné aplikaci v našem interním technickém centru i ve velkých průmyslových zařízeních jsme vyvinuli vhodnou metodiku pokusu.“ Aby bylo možné určit hodnotu kLa, upravili odborníci společnosti ZETA různé výpočetní modely na základě experimentálně získaných křivek obsahu kyslíku v gelu, a to iterativně, aby našli nejlepší model pro škálování. Při tom sledovali nejen hodnotu kLa, ale i odezvu senzorů kyslíku a tzv. dead time – dobu mezi změnou signálu na vstupu systému a jeho odpovědí na výstupu.

Pro charakterizaci každé zóny je nutné odebrat reprezentativní vzorky z co nejvíce míst v nádrži. Tím lze komplexně zachytit fyzikální podmínky v reaktoru. Proto společnost ZETA v rámci studie kLa vyvinula senzory pro tzv. dynamickou startovací metodu (DSM). Ta určuje hodnotu kLa na základě časových rozdílů koncentrací. Nejprve je v tomto procesu gelový obsah kyslíku v bioreaktoru chemicky nebo fyzikálně úplně odstraněn a následně je znovu cíleně doplňován vzduchem. Tím je možné přesně určit hodnotu kLa na kritických místech uvnitř nádrže. Měření v bioreaktoru probíhá pomocí elektrody, která je jako průtoková buňka přímo spojena s reaktorem přes trubku. Tato metoda je vhodná zejména pro stávající zařízení, protože umožňuje odebírat vzorky téměř z jakéhokoliv místa uvnitř fermentoru.

Model zmenšeného bioreaktoru umožňuje efektivní optimalizaci procesu

Bioreaktor představený na akci ACHEMA je vybaven touto senzorovou technologií. Jedná se o model zmenšeného bakteriálního fermentoru s poměrem výšky a průměru 2:1. Speciálně vyrobený míchací příruba umožňuje použití různých typů a geometrie míchadel. Zabudované měření momentu zjišťuje výkon různých míchadel při různých rychlostech aerace. Také lze upravit stykače, aby bylo možné určit jejich vliv na dobu mísení a výkon. Magnetické míchadlo minimalizuje riziko kontaminace a zajišťuje rovnoměrné rozložení plynů. S vhodnými úpravami, například s dvojitým uložením, je možné jej použít i pro velké průmyslové bioreaktory s objemem 15 m³ a nádrží o objemu až 30 000 l.

Bioreaktor PAT bude s touto novou měřící technologií představen na stánku na letošní akci ACHEMA 2018 ve Frankfurtu nad Mohanem, hala 9.1, stánek D10. Vypočtená hodnota kLa bude zobrazena na displeji spolu s aktuální koncentrací kyslíku, kterou bude systém automaticky vypočítávat. Tím bude možné sledovat živě vliv výkonu míchadel a aerace na hodnotu kLa. Na stánku bude také předveden magnetický míchací systém zabudovaný v bioreaktoru prostřednictvím filmové prezentace. Na otázky ohledně studie kLa, PAT bioreaktoru nebo magnetického míchadla jsou k dispozici Nicole Zangl (produktová manažerka technologie míchadel ZETA) a Alexander Lausecker (zástupce vedoucí prodeje ZETA). Zákazníci si také budou moci společně s týmem ZETA analyzovat celý svůj proces pomocí řešení Solution Path na dotykovém panelu.