Ottimizzazione dei processi nei bioreattori

Numerosi preparati nel settore farmaceutico sono estremamente sensibili e richiedono una pianificazione più accurata dei processi di produzione. La maggior parte degli errori nella produzione di farmaci si verifica nella fase iniziale e provoca modifiche costose e che richiedono molto tempo durante lo scale-up. All'inizio del processo di sviluppo si riflette raramente su come un singolo passaggio di lavoro possa essere integrato successivamente in un grande impianto di produzione. ZETA supporta quindi i propri clienti durante l'intero processo di produzione — dal laboratorio alle diverse fasi cliniche fino alla produzione industriale. In questo modo si raggiunge la maturità commerciale dei prodotti nel minor tempo possibile. (Fonte: ZETA Biopharma GmbH)

Il bioreattore presentato all'ACHEMA è il modello di scala ridotta di un fermentatore batterico con un rapporto altezza/diametro tipico di 2:1 e dispone della nuova sensoristica per la misurazione della kLa. (Fonte: ZETA Biopharma GmbH)

Il bioreattore presentato all'ACHEMA è il modello di scala ridotta di un fermentatore batterico con un rapporto altezza/diametro tipico di 2:1 e dispone delle nuove sonde per la misurazione della kLa. (Fonte: ZETA Biopharma GmbH)

La misurazione nel bioreattore avviene tramite un elettrodo, che funge da cella di misura del flusso ed è collegato direttamente al reattore tramite un beccuccio. Questo metodo è particolarmente adatto per impianti esistenti, poiché permette di prelevare campioni da quasi qualsiasi punto all'interno del fermentatore. (Fonte: ZETA Biopharma GmbH)

Insieme a Boehringer Ingelheim e alla TU Hamburg-Harburg, ZETA ha sviluppato un nuovo tipo di agitatore per contenitori di dimensioni fino a 30.000 litri. Alla ACHEMA verrà presentato come modello di scala ridotta all'interno del bioreattore esposto. Può essere utilizzato, con modifiche appropriate come un doppio alloggiamento, anche per grandi bioreattori industriali con un volume di lavoro di 15 m3 e dimensioni del contenitore fino a 30.000 litri. (Fonte: ZETA Biopharma GmbH)

Insieme a Boehringer Ingelheim e alla TU Hamburg-Harburg, ZETA ha sviluppato un nuovo tipo di agitatore per contenitori di dimensioni fino a 30.000 litri. Alla ACHEMA verrà presentato come modello di scala ridotta all’interno del bioreattore esposto. Può essere utilizzato, con modifiche appropriate come un doppio alloggiamento, anche per grandi bioreattori industriali con un volume di lavoro di 15 m3 e dimensioni del contenitore fino a 30.000 l. (Fonte: ZETA Biopharma GmbH)

«Nell'industria farmaceutica, la sicurezza dei farmaci e quindi dei pazienti deve essere sempre garantita», riferisce Thomas Maischberger, Process Engineer & Project Developer presso ZETA Biopharma GmbH. «Per questo motivo, istituzioni e autorità di vigilanza come FDA o EMEA chiedono agli operatori di impianti biotecnologici di comprendere meglio i loro processi sulla base scientifica. Per questo motivo, nell'ambito di uno studio sul valore kLa, ZETA ha sviluppato un nuovo sistema di sensori che rende il processo biotecnologico più trasparente.» (Fonte: ZETA Biopharma GmbH)

Negli ultimi anni nel settore farmaceutico si è avanzato nel miglioramento e nella capacità di prestazione delle colture cellulari biologiche, richiedendo sempre più alte prestazioni nelle tecnologie degli impianti di bioreattori e nella gestione dei processi. Per i preparati funzionali, è particolarmente essenziale un alto coefficiente di trasferimento di massa volumetrico (kLa). Tuttavia, i sensori di ossigeno standard finora utilizzati erano estremamente lenti nella misurazione di questo parametro e molto limitati nella loro posizione nel processo. Per questo motivo, ZETA Biopharma GmbH ha sviluppato nell’ambito di uno studio un nuovo metodo di misurazione del kLa, che sarà presentato in applicazione pratica durante l’ACHEMA 2018 di quest’anno con l’ausilio di un bioreattore. L’impianto è dotato di due sensori ottici di ossigeno altamente sensibili e rapidi nella risposta, in grado di misurare valori di kLa fino a 2000 h-1 in qualsiasi posizione. Poiché il bioreattore può essere adattato a diverse geometrie di agitatori e tipi di aerazione, funge da modello di scala ridotta efficace per la fermentazione batterica e la coltivazione di cellule animali anche in impianti di produzione più grandi, contribuendo all’ottimizzazione dell’introduzione di gas nel liquido.

Nei sistemi biologici come un bioreattore, ci sono numerosi fattori il cui impatto individuale sulla crescita di una coltura cellulare spesso non può essere valutato. In questo modo, il processo diventa una scatola nera e difficile da calcolare. "Nel settore farmaceutico, però, la sicurezza dei medicinali e quindi dei pazienti deve essere sempre garantita", riferisce Thomas Maischberger, Process Engineer & Project Developer presso ZETA Biopharma GmbH. "Per questo motivo, istituzioni e autorità di regolamentazione come FDA o EMEA chiedono agli operatori di impianti biotecnologici di comprendere meglio i propri processi sulla base scientifica. Per questo motivo, abbiamo sviluppato nell’ambito di uno studio sul valore di kLa una nuova tecnologia di sensori che rende il processo biotecnologico più trasparente". Con questo metodo, è possibile misurare il valore di kLa in diverse fasi del processo e in diverse posizioni nel contenitore.

Elevata crescita cellulare grazie a un contenuto ottimale di ossigeno nel gel

Nella progettazione di bioreattori, è importante il tasso di trasferimento di ossigeno e, in particolare, il coefficiente di trasferimento di massa volumetrico (kLa). Esso descrive l’efficienza con cui l’ossigeno viene introdotto in un bioreattore in determinate condizioni di processo e può essere disciolto nel mezzo. "Questo valore di kLa è di grande importanza in ogni processo biotecnologico, poiché indica quanto bene i microrganismi nel sistema possano essere alimentati con gas", spiega Maischberger. "Spesso, l’ossigeno nel gel è l’elemento limitante nelle fermentazioni microbiologiche. Ad esempio, la saturazione critica di aria per batteri e lieviti si aggira tra il 10 e il 50 percento". Per una crescita cellulare ottimale e una massima produzione di prodotto, è quindi importante mantenere il contenuto di ossigeno nel gel nel bioreattore sopra questo valore, aerandolo con aria o ossigeno puro tramite uno sparger. In un processo biologico altamente efficiente, il tasso di trasferimento di massa di ossigeno dalla bolla gassosa al mezzo (OTR – oxygen transfer rate) dovrebbe essere uguale o superiore al tasso di consumo di ossigeno delle cellule in crescita (OUR – oxygen uptake rate).

Durante espansioni di impianto e la produzione di nuovi reattori, la determinazione precisa e tempestiva del valore di kLa diventa sempre più centrale nella pianificazione di processo e meccanica. Una volta che questo valore può essere determinato con affidabilità, si garantisce anche che il valore critico di contenuto di ossigeno nel gel possa essere sempre rispettato. Durante il proprio studio, ZETA ha scoperto che i sensori di ossigeno standard finora utilizzati non sono in grado di determinare rapidamente il contenuto di ossigeno nel gel per consentire una misurazione in tempo reale. "Ciò è dovuto alla loro membrana spessa, progettata principalmente per robustezza e sicurezza di processo", spiega Maischberger. "Attraverso di essa, la diffusione delle molecole di ossigeno è significativamente più lenta rispetto a quella di sensori che abbiamo usato nel nostro studio sul kLa". Inoltre, la misurazione con sensori tradizionali avveniva di solito in un solo punto del contenitore – il cerchio di sonde. Poiché nessun reattore raggiunge una miscelazione ottimale, all’interno del mezzo si formano zone con diverse saturazioni, il che può falsare il risultato della misurazione.

Determinazione del valore di kLa in qualsiasi punto del bioreattore

"Per questo motivo, abbiamo studiato le possibilità di ottenere una misurazione migliore di questo parametro", prosegue Maischberger. "Grazie alla nostra esperienza pluriennale e alla applicazione di successo nel nostro laboratorio interno e in impianti industriali di grandi dimensioni, abbiamo sviluppato la metodologia di prova più adatta". Per determinare il valore di kLa, gli esperti di soluzioni di ZETA hanno adattato iterativamente diversi modelli di calcolo alle curve di ossigeno nel gel ottenute sperimentalmente, al fine di individuare il miglior modello di scala di produzione/riduzione. Non hanno considerato solo il valore di kLa, ma anche il tempo di risposta dei sensori di ossigeno e il ritardo di sistema, ovvero il tempo tra il cambiamento del segnale all’ingresso del sistema e la risposta del segnale all’uscita.

Per caratterizzare ogni zona, è necessario prelevare campioni rappresentativi da quante più posizioni possibili nel contenitore. In questo modo, si può rappresentare in modo completo lo stato fisico del reattore. Per questo motivo, ZETA ha sviluppato nell’ambito dello studio sul kLa una tecnologia di sensori per il cosiddetto metodo di avvio dinamico (DSM). Essa determina il valore di kLa dai differenziali di concentrazione nel tempo. In un primo passo, il contenuto di ossigeno nel gel viene rimosso completamente tramite reazione chimica o fisica, e successivamente reinserito attraverso l’apporto di aria. In questo modo, è possibile determinare in modo controllato il valore di kLa in punti critici all’interno del contenitore. La misurazione nel bioreattore avviene tramite un elettrodo collegato direttamente al reattore tramite un’apposita presa, che funge da cella di flusso. Questo metodo è particolarmente adatto per impianti esistenti, poiché permette di prelevare campioni da quasi qualsiasi punto all’interno del fermentatore.

Bioreattore di scala ridotta per un’efficace ottimizzazione del processo

Il bioreattore presentato all’ACHEMA è dotato di questa tecnologia di sensori. Si tratta di un modello di scala ridotta di un fermentatore batterico con un rapporto altezza/diametro di 2:1. La flange dell’agitatore, appositamente realizzata, permette di installare diversi tipi di design e geometrie di agitatori. La misurazione del momento torcente consente di determinare l’energia fornita dai vari agitatori a diverse portate di aerazione. È possibile anche modificare i freni di corrente per valutare il loro impatto sui tempi di miscelazione e sull’energia fornita. Il sistema di agitazione magnetica riduce il rischio di contaminazione e garantisce una distribuzione uniforme delle bolle di gas. Con modifiche appropriate, come un doppio alloggiamento, può essere utilizzato anche per grandi bioreattori industriali con volume di lavoro fino a 15 m3 e capacità fino a 30.000 litri.

Il bioreattore PAT sarà presentato al pubblico con questa tecnologia di sensori allo stand della fiera ACHEMA 2018 a Francoforte sul Meno, Hall 9.1, Stand D10. Il valore di kLa calcolato sarà visualizzato e calcolato tramite un incremento della concentrazione di ossigeno attuale sul display. In questo modo, sarà possibile osservare in tempo reale come le variazioni della potenza dell’agitatore e del tasso di aerazione influenzino il valore di kLa. Inoltre, presso lo stand, sarà mostrato il sistema di agitazione magnetica integrato nel bioreattore tramite una proiezione video a intervalli regolari. Per domande sullo studio di kLa, sul bioreattore PAT o sul sistema di agitazione magnetica, sono disponibili Nicole Zangl (Product Manager ZETA Rotore Technology) e Alexander Lausecker (ZETA Head of Sales) di ZETA Biopharma GmbH. Inoltre, i clienti potranno analizzare l’intero processo insieme al team ZETA tramite il Solution Path, grazie a un touch-pad.