Bioreaktorok folyamatoptimalizálása

Számos készítmény a gyógyszeriparban rendkívül érzékeny, és alapos tervezést igényel a gyártási folyamatokban. A gyógyszergyártás során a legtöbb hiba azonban a korai szakaszban történik, és költséges, időigényes változtatásokat okoz a skálázás során. A fejlesztési folyamat elején ritkán gondolkodnak azon, hogyan lehet egy adott munkafolyamatot később beilleszteni egy nagyobb gyártóberendezésbe. A ZETA ezért tanácsadással támogatja ügyfeleit a teljes gyártási folyamat során – a laboratóriumtól a különböző klinikai szakaszokon át egészen az ipari gyártásig. Így a termékek piaci érettsége a lehető legrövidebb idő alatt elérhető. (Forrás: ZETA Biopharma GmbH)

A az ACHEMA-n bemutatott bioreaktor a baktérium fermentor skálázási modellje, amelynek tipikus magasság/átmérő aránya 2:1, és az új érzékelővel van felszerelve a kLa méréséhez. (Forrás: ZETA Biopharma GmbH)

A az ACHEMA-n bemutatott bioreaktor a baktérium fermentor skálázási modellje, melynek tipikus magasság/átmérő aránya 2:1, és rendelkezik az új érzékelőkkel a kLa méréséhez. (Forrás: ZETA Biopharma GmbH)

A bioreaktorban végzett mérés egy elektróda segítségével történik, amely egy áramlásmérő cellán keresztül közvetlenül a reaktorhoz csatlakozik egy csövön keresztül. Ez a módszer különösen alkalmas meglévő berendezések esetén, mivel így szinte bármely pontból a fermenter belsejéből minták vehetők. (Forrás: ZETA Biopharma GmbH)

Együtt a Boehringer Ingelheim és a TU Hamburg-Harburg cégekkel a ZETA kifejlesztett egy új keverőtípust, amely akár 30 000 literes tartályméretekhez is alkalmas. Az ACHEMA kiállításon egy skálázási modellként mutatják be, amely a helyszínen bemutatott bioreaktor része. Megfelelő módosításokkal, például dupla tárolással, nagy ipari bioreaktorokhoz is használható, amelyek 15 m3-es munkaterülettel és akár 30 000 literes tartályméretekkel rendelkeznek. (Forrás: ZETA Biopharma GmbH)

Együtt a Boehringer Ingelheim és a TU Hamburg-Harburg cégekkel a ZETA egy új keverőtípust fejlesztett ki, amely akár 30 000 literes tartályméretekhez is alkalmas. Az ACHEMA kiállításon mint méretezés-levonási modell mutatják be, amely a helyszínen bemutatott bioreaktor része. Megfelelő módosításokkal, például dupla tárolással, nagy ipari bioreaktorokhoz is alkalmazható, amelyek munkaterülete 15 m3 és tartályméretei akár 30 000 liter is lehetnek. (Forrás: ZETA Biopharma GmbH)

„A gyógyszeriparban mindig biztosítani kell a gyógyszerek és így a betegek biztonságát” – mondja Thomas Maischberger, folyamatmérnök és projektfejlesztő a ZETA Biopharma GmbH-nál. „Ezért olyan intézmények és felügyeleti szervek, mint az FDA vagy az EMEA, arra kérik a biogyártó létesítmények üzemeltetőit, hogy tudományos alapokon jobban értsék folyamataikat. Ezért fejlesztettünk ki a ZETA-val egy új érzékelőrendszert a kLa-érték vizsgálata során, amely átláthatóbbá teszi a biotechnológiai folyamatokat.” (Forrás: ZETA Biopharma GmbH)

Az elmúlt években a gyógyszeriparban előtérbe került a biológiai sejtkultúrák őssejtjavítása és teljesítőképességének növelése, ezáltal a bioreaktorok berendezéstechnológiájának és folyamatirányításának egyre magasabb követelményeket kell megfelelnie. A működőképes készítmények esetében különösen fontos a magas térfogati tömegszállítási együttható (kLa). A korábbi szabványos oxigénszenzorok azonban rendkívül lassan mérték ezt a paramétert, és erősen korlátozottak voltak pozíciójuk szempontjából a folyamatban. Ezért a ZETA Biopharma GmbH egy tanulmány keretében kifejlesztett egy új módszert a kLa mérésére, amelyet a 2018-as ACHEMA kiállításon egy bioreaktor segítségével mutatnak be a gyakorlatban. A berendezés két rendkívül érzékeny és gyorsan reagáló optikai oxigénszenzorral van felszerelve, így bármilyen pozícióban mérhető vele akár 2000 h^-1 érték is. Mivel a bioreaktor különböző keverőgeometriai kialakításokra és gázbeviteli módokra szabható, hatékony méretnövelő modellként szolgál baktériumfermentációhoz és állati sejtkultúrák tenyésztéséhez nagyobb gyártóberendezésekben is, és segít a gázbeviteli folyamat optimalizálásában a folyadékfázisba.

A biológiai rendszerekben, mint például egy bioreaktor, számos tényező van, amelyek egyedi hatása a sejtkultúra növekedésére gyakran nem értékelhető ki. Így a folyamat fekete dobozzá válik, és nehezen számítható ki. „A gyógyszeriparban azonban mindig biztosítani kell a gyógyszer- és így a betegbiztonságot” – mondja Thomas Maischberger, a ZETA Biopharma GmbH folyamatmérnöke és projektfejlesztője. „Ezért az intézmények és felügyeleti szervek, mint az FDA vagy az EMEA, arra kérik a biopharma üzemeltetőket, hogy tudományos alapon jobban értsék folyamataikat. Ezért fejlesztettünk ki egy új érzékelőrendszert a kLa érték mérésére, amely átláthatóbbá teszi a biotechnológiai folyamatokat.” Ezzel a módszerrel lehetőség van a kLa érték mérésére különböző folyamatfázisokban és pozíciókban a tartályban.

Magas sejtnövekedés az optimális gélkép oxigénszinttel

A bioreaktorok tervezésekor az oxigénátviteli sebesség, különösen a térfogati tömegszállítási együttható (kLa) fontos. Ez írja le, hogy milyen hatékonyan juttatható be oxigén egy bioreaktorba adott folyamatfeltételek mellett, és oldódik meg a közegben. „Ez a kLa érték minden biotechnológiai folyamatban nagy jelentőséggel bír, mivel megmutatja, hogy mennyire tudják a mikroorganizmusok ellátását gázokkal biztosítani” – magyarázza Maischberger. „Gyakran a gélkép oxigénje a limitáló tényező mikrobiológiai fermentációkban. Például a baktériumok és élesztők esetében a kritikus levegőellátottság 10–50 százalék között van.” Az optimális sejtnövekedés és maximális terméktermelés érdekében fontos, hogy a gélkép oxigénszintjét a teljes bioreaktorban ezen érték felett tartsuk, amit egy szóróberendezés segítségével levegővel vagy tiszta oxigénnel történő befúvatással érhetünk el. Egy magas hatékonyságú bioprocess esetében a gázbuborékból a közegbe történő oxigénátviteli sebesség (OTR – oxigénátviteli ráta) legyen egyenlő vagy nagyobb, mint az a sebesség, amellyel a növekvő sejtek felveszik az oxigént (OUR – oxigénfelvételi ráta).

Berendezésbővítés és új reaktorok gyártása során egyre inkább a kLa érték pontos és időben történő meghatározása kerül a folyamattechnikai és mechanikai tervezés középpontjába. Amint ez a kLa érték megbízhatóan meghatározható, biztosítható, hogy a kritikus gélkép oxigénszint mindig garantált legyen. A ZETA tanulmánya során kiderült, hogy a korábban használt szabványos oxigénszenzorok nem képesek elég gyorsan mérni a gélkép oxigénszintjét ahhoz, hogy valós idejű mérés valósuljon meg. „Ennek oka a vastag membránjuk, amely elsősorban a tartósságra és a folyamatbiztonságra van tervezve” – magyarázza Maischberger. „Ám ez a membrán jelentősen lassítja az oxigénmolekulák diffúzióját, mint azoknál a szenzoroknál, amelyeket a kLa tanulmányunkban használtunk.” Emellett a hagyományos szenzorok általában csak egy ponton mértek a tartályban – a mérőgyűrűnél. Mivel azonban egyik reaktor sem ér el tökéletes keverést, a közegben nem biztosított az egyenletes ellátás, így különböző telítettségű zónák alakulhatnak ki, ami torzíthatja a mérési eredményt.

kLa érték meghatározása bármely ponton a bioreaktorban

„Ezért vizsgáltuk meg, hogyan lehetne jobb mérési módszert kialakítani erre a paraméterre” – folytatja Maischberger. „Többéves gyakorlati tapasztalatunk és a belső műszaki laboratóriumunkban, valamint nagyipari berendezéseken végzett sikeres alkalmazásunk révén kifejlesztettük a megfelelő próbázási módszert.” A kLa érték meghatározásához a ZETA oldalspecialistái különböző számítási modelleket iteratívan igazítottak a kísérleti eredményekből származó gélkép oxigén görbékhez, hogy megtalálják a legjobb méretnövelő/csökkentő modellt. Ehhez nemcsak a kLa értéket vették figyelembe, hanem a oxigénszenzorok válaszidejét és a késleltetést is, azaz az időtartamot a rendszer bemeneti jelváltozása és a rendszer kimeneti jelválasz között.

Az egyes zónák jellemzéséhez a tartály több pontjáról reprezentatív mintákat kell venni, hogy a fizikai körülményeket egységesen ábrázolhassuk. Ennek érdekében a ZETA a kLa tanulmány keretében kifejlesztett egy érzékelőrendszert a Dynamic Startup Method (DSM) nevű módszerhez. Ez a módszer a gélkép oxigénkoncentráció változásából határozza meg a kLa értéket. Első lépésként a bioreaktorban a gélkép oxigént teljesen eltávolítják kémiai vagy fizikai módszerekkel, majd később levegő befúvatásával céltudatosan visszajuttatják. Ez lehetővé teszi a kLa érték kontrollált meghatározását a kritikus helyeken a tartályban. A mérés a bioreaktorban egy elektróda segítségével történik, amely közvetlenül a tartályba beépített áramlásmérő cellán keresztül csatlakozik a rendszerhez. Ez a módszer különösen alkalmas meglévő berendezésekhez, mivel szinte bármely pontból lehet mintát venni a fermenter belsejében.

Hatékony folyamatoptimalizálást lehetővé tevő Scale-Down bioreaktor

A kiállításon bemutatott bioreaktor a fent említett érzékelőrendszerrel van felszerelve. A bemutatott berendezés egy baktériumfermentor scale-down modellje, amelynek magasság/átmérő aránya 2:1. A különösen kialakított keverőcsatlakozó lehetővé teszi különböző keverőtervek és geometriai kialakítások alkalmazását. A beépített nyomatékmérés meghatározza a különböző keverők által leadott teljesítményt különböző gázbeviteli sebességeknél. Emellett a villáskulcsok módosíthatók, hogy meghatározhassák azok hatását a keverési időre és a teljesítményre. A mágneses keverő minimalizálja a szennyeződés kockázatát és biztosítja az egyenletes gázbuborék eloszlást. A megfelelő módosításokkal, például dupla csapágyazással, nagy ipari bioreaktorokban is használható, 15 m³ munkatérrel és akár 30 000 literes tartálymérettel.

A PAT-bioreaktor a kiállításon a 2018-as ACHEMA-n Frankfurt am Mainban, a 9.1 csarnokban, D10 standnál lesz bemutatva. A számított kLa érték a kijelzőn a jelenlegi oxigénkoncentráció növelésével lesz látható és számításra kerül. Ezáltal élőben tapasztalható a keverőteljesítmény és a gázbeviteli sebesség hatása a kLa értékre. A standon a bioreaktorba épített mágneses keverő működése filmvetítéssel lesz bemutatva rendszeresen. A kLa tanulmánnyal, a PAT-bioreaktorral vagy a mágneses keverővel kapcsolatos kérdésekre Nicole Zangl (a ZETA keverőtechnológia termékmenedzsere) és Alexander Lausecker (a ZETA értékesítési igazgatója) áll rendelkezésre. Emellett az ügyfelek közösen a ZETA csapatával a Solution Path segítségével elemezhetik teljes folyamatukat egy érintőképernyős panel segítségével.