Optimisation des processus pour les bioreacteurs

De nombreux préparations dans l'industrie pharmaceutique sont extrêmement sensibles et nécessitent une planification précise des processus de fabrication. La plupart des erreurs lors de la production de médicaments se produisent cependant dans la phase initiale et entraînent des modifications coûteuses et longues lors du passage à l'échelle. Au début du processus de développement, il est rarement réfléchi à la manière dont une étape de travail spécifique pourra être intégrée ultérieurement dans une grande installation de production. C'est pourquoi ZETA accompagne ses clients tout au long du processus de fabrication — du laboratoire aux différentes phases cliniques jusqu'à la production industrielle. Ainsi, la mise sur le marché des produits est réalisée dans les plus brefs délais. (Source : ZETA Biopharma GmbH)

Le bioreacteur présenté à l'ACHEMA est le modèle de réduction d'échelle d'un fermenteur bactérien avec un rapport hauteur/diamètre typique de 2:1 et est équipé de la nouvelle technologie de capteurs pour la mesure de la kLa. (Source : ZETA Biopharma GmbH)

Le bioreacteur présenté lors de l'ACHEMA est le modèle de réduction d'échelle d'un fermenteur bactérien avec un rapport hauteur/diamètre typique de 2:1 et est équipé de la nouvelle technologie de capteurs pour la mesure de la kLa. (Source : ZETA Biopharma GmbH)

La mesure dans le bioréacteur est réalisée à l'aide d'une électrode, qui est connectée directement au réacteur via une cellule de débit passant par une bride. Cette méthode est particulièrement adaptée aux installations existantes, car elle permet de prélever des échantillons depuis presque n'importe quel point à l'intérieur du fermenteur. (Source : ZETA Biopharma GmbH)

En collaboration avec Boehringer Ingelheim et l'Université de Hambourg-Harburg, ZETA a développé un nouveau type d'agitateur pour des volumes de réservoir allant jusqu'à 30 000 litres. Lors de l'ACHEMA, il sera présenté comme un modèle de réduction d'échelle dans le bioreacteur présenté sur place. Il peut également être utilisé avec des modifications appropriées, telles qu'un double stockage, pour de grands bioreacteurs industriels avec un volume de travail de 15 m³ et des volumes de réservoir allant jusqu'à 30 000 l. (Source : ZETA Biopharma GmbH)

En collaboration avec Boehringer Ingelheim et l'Université de Hambourg-Harburg, ZETA a développé un nouveau type d'agitateur pour des contenants d'une capacité allant jusqu'à 30 000 litres. Lors de l'ACHEMA, il sera présenté comme un modèle de réduction d'échelle à l'intérieur du bioreacteur présenté sur place. Il peut également, avec des modifications appropriées telles qu'un double stockage, être utilisé pour de grands bioreacteurs industriels avec un volume de travail de 15 m³ et des contenants pouvant atteindre 30 000 litres. (Source : ZETA Biopharma GmbH)

« Dans l'industrie pharmaceutique, la sécurité des médicaments et donc des patients doit toujours être assurée », rapporte Thomas Maischberger, ingénieur de processus et développeur de projets chez ZETA Biopharma GmbH. « C'est pourquoi des institutions et des autorités de régulation telles que la FDA ou l'EMA demandent aux exploitants d'installations biopharmaceutiques de mieux comprendre leurs processus sur une base scientifique. C'est pourquoi, dans le cadre d'une étude sur la valeur kLa, ZETA a développé une nouvelle technologie de capteurs qui rend le processus biotechnologique plus transparent. » (Source : ZETA Biopharma GmbH)

Au cours des dernières années, le secteur pharmaceutique a renforcé l'amélioration et la capacité de performance des cultures cellulaires biologiques, ce qui oblige les technologies d'installation des bioréacteurs et leur gestion de processus à répondre à des exigences de plus en plus élevées. Pour des préparations fonctionnelles, un coefficient de transfert de masse volumétrique élevé (kLa) est particulièrement essentiel. Jusqu'à présent, les capteurs d'oxygène standard étaient extrêmement lents pour mesurer ce paramètre et leur positionnement dans le processus était fortement limité. C'est pourquoi ZETA Biopharma GmbH a développé, dans le cadre d'une étude, une nouvelle méthode de mesure du kLa, qui sera présentée lors de l'ACHEMA 2018 cette année à l'aide d'un bioréacteur en application pratique. L'installation est équipée de deux capteurs d'oxygène optiques très sensibles et à réponse rapide, permettant de mesurer des valeurs de kLa allant jusqu'à 2 000 h^-1 à n'importe quelle position. Étant donné que le bioréacteur peut être adapté à différentes géométries d'agitateur et types d'aération, il sert de modèle efficace de réduction d'échelle pour la fermentation bactérienne ainsi que la culture de cellules animales, même dans des installations de production plus grandes, et aide à optimiser l'introduction de gaz dans la phase liquide.

Dans les systèmes biologiques tels qu'un bioréacteur, de nombreux facteurs peuvent influencer la croissance d'une culture cellulaire, mais leur impact individuel ne peut souvent pas être évalué. De cette manière, le processus devient une boîte noire difficile à prévoir. « Dans le secteur pharmaceutique, la sécurité des médicaments et donc des patients doit toujours être garantie », explique Thomas Maischberger, ingénieur de processus et développeur de projets chez ZETA Biopharma GmbH. « C'est pourquoi des institutions et autorités de régulation telles que la FDA ou l'EMEA demandent aux exploitants d'installations biopharmaceutiques de mieux comprendre leurs processus sur une base scientifique. C'est pourquoi, dans le cadre d'une étude sur la valeur de kLa, nous avons développé une nouvelle technologie de capteurs qui rend le processus biotechnologique plus transparent. » Grâce à cette méthode, il est possible de mesurer la valeur de kLa à différentes phases du processus et à différentes positions dans le récipient.

Une croissance cellulaire élevée grâce à un taux d'oxygène optimal dans le gel

Lors de la conception de bioréacteurs, le taux de transfert d'oxygène et, en particulier, le coefficient de transfert de masse volumétrique (kLa) sont importants. Il décrit l'efficacité avec laquelle l'oxygène peut être introduit dans un bioréacteur dans des conditions de processus données et dissous dans le milieu. « Ce kLa est d'une grande importance dans tout processus biotechnologique, car il indique à quel point les micro-organismes dans l'installation peuvent être alimentés en gaz », explique Maischberger. « Souvent, l'oxygène dans le gel est l'élément limitant dans les fermentations microbiologiques. Par exemple, la saturation en air critique pour les bactéries et levures se situe entre 10 et 50 %. » Pour une croissance cellulaire optimale et une production maximale, il est donc essentiel de maintenir la teneur en oxygène dans le gel au-dessus de cette valeur, en l'aérant avec de l'air ou de l'oxygène pur via un spargeur. Lors d'un processus biotechnologique très efficace, le taux de transfert de masse d'oxygène de la bulle de gaz au milieu (OTR – taux de transfert d'oxygène) doit être égal ou supérieur au taux auquel les cellules en croissance consomment l'oxygène (OUR – taux d'absorption d'oxygène).

Lors de l'extension des installations et de la fabrication de nouveaux réacteurs, la détermination précise et rapide de la valeur de kLa devient de plus en plus centrale dans la planification procédée et mécanique. Dès que cette valeur peut être déterminée de manière fiable, il est également garanti que la valeur critique pour la teneur en oxygène dans le gel peut toujours être assurée. Au cours de leur étude, ZETA a découvert que les capteurs d'oxygène standard utilisés jusqu'à présent ne peuvent pas déterminer la teneur en oxygène dans le gel assez rapidement pour permettre une mesure en temps réel. « Cela est dû à leur membrane épaisse, conçue principalement pour la robustesse et la sécurité du processus », explique Maischberger. « Cependant, cela ralentit considérablement la diffusion des molécules d'oxygène par rapport à ceux que nous avons utilisés dans notre étude sur le kLa. » De plus, la mesure avec des capteurs conventionnels se faisait généralement à un seul point du récipient – le cercle de sonde. Mais aucun réacteur n'atteint un mélange optimal, ce qui entraîne une distribution inégale du milieu, créant des zones saturées différentes. Cela peut fausser le résultat de la mesure.

Détermination de la valeur de kLa à n'importe quel point dans le bioréacteur

« C'est pourquoi nous avons étudié les possibilités d'améliorer la mesure de ce paramètre », poursuit Maischberger. « Grâce à notre expertise issue de plusieurs années de pratique et à l'application réussie dans notre laboratoire interne ainsi que dans des installations industrielles de grande envergure, nous avons pu développer la méthodologie expérimentale appropriée. » Pour déterminer la valeur de kLa, les spécialistes en solutions de ZETA ont ajusté de manière itérative différents modèles de calcul aux courbes de teneur en oxygène dans le gel mesurées expérimentalement, afin d'identifier le meilleur modèle d'extension ou de réduction d'échelle. Ils ont pris en compte non seulement la valeur de kLa, mais aussi le temps de réponse des capteurs d'oxygène et le délai mort, c'est-à-dire le temps entre le changement de signal à l'entrée du système et la réponse du signal à la sortie du système.

Pour caractériser chaque zone, il est nécessaire de prélever des échantillons représentatifs à partir d'un maximum de points dans le récipient. Cela permet de représenter de manière globale les conditions physiques dans le réacteur. Dans le cadre de l'étude sur le kLa, ZETA a développé une technologie de capteurs pour la méthode dite Dynamic Startup Method (DSM). Elle détermine la valeur de kLa à partir des différences de concentration dans le temps. Dans un premier temps, l'oxygène dans le gel du bioréacteur est complètement éliminé chimiquement ou physiquement, puis réintroduit de manière ciblée par l'injection d'air. Cela permet de déterminer de manière contrôlée la valeur de kLa à des endroits critiques dans le récipient. La mesure dans le bioréacteur est réalisée à l'aide d'une électrode connectée directement au réacteur via une cellule de débit. Cette méthode est particulièrement adaptée aux installations existantes, car elle permet de prélever des échantillons à partir de presque n'importe quel point à l'intérieur du fermenter.

Un bioréacteur de réduction d'échelle permettant une optimisation efficace du processus

Le bioréacteur présenté lors de l'ACHEMA est équipé de cette technologie de capteurs. Il s'agit du modèle de réduction d'échelle d'un fermentateur bactérien avec un rapport hauteur/diamètre typique de 2:1. La bride d'agitateur spécialement conçue permet d'accueillir différents types et géométries d'agitateur. La mesure du couple intégrée permet d'évaluer la puissance fournie par différents types d'agitateur sous diverses conditions d'aération. Les disjoncteurs peuvent également être modifiés pour déterminer leur influence sur le temps de mélange et la puissance fournie. L'agitateur magnétique minimise le risque de contamination et assure une distribution homogène des bulles de gaz. Avec des modifications appropriées, comme un double roulement, il peut également être utilisé pour de grands réacteurs industriels d'un volume de 15 m³ et d'une capacité jusqu'à 30 000 litres.

Le bioréacteur PAT sera présenté au public avec cette nouvelle technologie de mesure lors de l'ACHEMA 2018 à Francfort-sur-le-Main, dans le hall 9.1, stand D10. La valeur de kLa calculée sera affichée et calculée en temps réel via une augmentation de la concentration d'oxygène actuelle sur l'écran. Il sera ainsi possible de suivre en direct l'influence de la puissance de l'agitateur et du taux d'aération sur la valeur de kLa. Sur le stand, le système d'agitateur magnétique intégré dans le bioréacteur sera également présenté par une vidéo à intervalles réguliers. Pour toute question concernant l'étude sur le kLa, le bioréacteur PAT ou l'agitateur magnétique, Nicole Zangl (responsable produit chez ZETA pour la technologie des agitateurs) et Alexander Lausecker (responsable des ventes chez ZETA) seront disponibles. De plus, les clients pourront analyser leur processus complet dans le cadre du Solution Path avec l'aide d'un écran tactile.