Procesoptimalisatie bij bioreactors

Verschillende preparaten in de farmaceutische industrie zijn uiterst gevoelig en vereisen een nauwkeurige planning van de productieprocessen. De meeste fouten bij de medicijnproductie ontstaan echter in de vroege fase en leiden tot kostbare en tijdrovende wijzigingen tijdens de schaalvergroting. Aan het begin van het ontwikkelingsproces wordt zelden overwogen hoe een specifieke werkstap later geïntegreerd kan worden in een grote productielijn. ZETA staat daarom haar klanten bij tijdens het gehele productieproces – van het laboratorium via de verschillende klinische fasen tot aan de industriële productie. Zo wordt de marktgereedheid van de producten in de kortst mogelijke tijd bereikt. (Bron: ZETA Biopharma GmbH)

De op de ACHEMA gepresenteerde bioreactor is het scale-down-model van een bacterieel fermenter met een typische hoogte/breukverhouding van 2:1 en beschikt over de nieuwe sensortechnologie voor de kLa-metingen. (Bron: ZETA Biopharma GmbH)

De op de ACHEMA gepresenteerde bioreactor is het scale-down-model van een bacterieel fermenter met een typisch hoogte/diameter-verhouding van 2:1 en beschikt over de nieuwe sensortechnologie voor de kLa-meting. (Bron: ZETA Biopharma GmbH)

De meting in de bioreactor wordt uitgevoerd door een elektrode die als doorstroomcel via een uitsteker direct met de reactor is verbonden. Deze methode is vooral geschikt voor bestaande installaties, omdat er op deze manier monsters kunnen worden genomen vanaf bijna elk willekeurig punt in de fermenter. (Bron: ZETA Biopharma GmbH)

Samen met Boehringer Ingelheim en de TU Hamburg-Harburg heeft ZETA een nieuw roerwerktype ontwikkeld voor containerformaten tot 30.000 liter. Op de ACHEMA wordt het gepresenteerd als een schaal-down-model binnen de daar getoonde bioreactor. Met de juiste modificaties, zoals een dubbele opslag, kan het ook worden gebruikt voor grote industriële bioreactoren met een werkvolume van 15 m3 en containerformaten tot 30.000 l. (Bron: ZETA Biopharma GmbH)

Samen met Boehringer Ingelheim en de TU Hamburg-Harburg heeft ZETA een nieuw roerwerktype ontwikkeld voor containerformaten tot 30.000 liter. Op de ACHEMA wordt het gepresenteerd als een schaal-naar-ondermodel binnen de daar getoonde bioreactor. Met de juiste modificaties, zoals een dubbele opslag, kan het ook worden gebruikt voor grote industriële bioreactoren met een werkvolume van 15 m3 en containerformaten tot 30.000 l. (Bron: ZETA Biopharma GmbH)

„In de farmaceutische industrie moet de medicijn- en dus ook de patiëntveiligheid altijd gewaarborgd zijn“, meldt Thomas Maischberger, Process Engineer & Project Developer bij ZETA Biopharma GmbH. „Daarom vragen instellingen en toezichthouders zoals de FDA of EMEA de exploitanten van biotechnologische installaties om hun processen beter te begrijpen op wetenschappelijke basis. Daarom hebben wij in het kader van een studie naar de kLa-waarde ZETA een nieuwe sensor ontwikkeld die het biotechnologische proces transparanter maakt.“ (Bron: ZETA Biopharma GmbH)

In de afgelopen jaren zijn in de farmaceutische industrie de verbetering van stamcellen en de prestaties van biologische celculturen bevorderd, waardoor de proces- en apparaattechnologie van bioreactoren steeds hogere eisen moet voldoen. Voor goed functionerende preparaten is vooral een hoge volumetrische massatransfercoëfficiënt (kLa) essentieel. Tot nu toe waren standaard zuurstofsensoren echter zeer traag bij het meten van deze parameter en sterk beperkt in hun positionering binnen het proces. Daarom heeft ZETA Biopharma GmbH in het kader van een studie een nieuwe methode voor het meten van kLa ontwikkeld, die tijdens de ACHEMA 2018 met behulp van een bioreactor in de praktische toepassing wordt gepresenteerd. Het apparaat is uitgerust met twee hooggevoelige en snel reagerende optische zuurstofsensoren en kan op deze manier kLa-waarden tot 2.000 h-1 meten op elke willekeurige positie. Omdat de bioreactor kan worden aangepast aan verschillende roerwerksgeometrieën en beluchtingsmethoden, dient hij als een effectief scale-down-model voor bacteriële fermentatie en de kweek van dierlijke celculturen, ook in grotere productiefaciliteiten, en helpt hij bij het optimaliseren van de gasinvoer in de vloeistoffase.

In biologische systemen zoals een bioreactor zijn er talloze factoren waarvan de individuele invloed op de groei van een celcultuur vaak niet kan worden geëvalueerd. Op deze manier wordt het proces een black box en moeilijk te berekenen. "In de farmaceutische industrie moet de medicijn- en dus patiëntveiligheid altijd gewaarborgd zijn," zegt Thomas Maischberger, Process Engineer & Project Developer bij ZETA Biopharma GmbH. "Daarom vragen instellingen en toezichthoudende instanties zoals de FDA of EMEA de exploitanten van biopharma-apparatuur om hun processen beter wetenschappelijk te begrijpen. Daarom hebben wij in het kader van een studie naar de kLa-waarde een nieuwe sensor ontwikkeld die het biotechnologische proces transparanter maakt." Met deze methode is het mogelijk om de kLa-waarde te meten in verschillende procesfasen en posities in de container.

Hoge celgroei door optimale gelostofgehalte

Bij de ontwerp van bioreactoren is de zuurstofoverdrachtsnelheid en daarmee vooral de volumetrische massatransfercoëfficiënt (kLa) belangrijk. Deze beschrijft de efficiëntie waarmee zuurstof onder bepaalde procesomstandigheden in een bioreactor wordt ingebracht en in het medium wordt opgelost. "Deze kLa-waarde is van groot belang in elk biotechnologisch proces, omdat hij aangeeft hoe goed de micro-organismen in de installatie van gassen kunnen worden voorzien," legt Maischberger uit. "Vaak is het gelostofzuurstof het beperkende element in microbiologische fermentaties. Bijvoorbeeld ligt de kritische zuurstofverzadiging voor bacteriën en gisten tussen 10 en 50 procent." Voor een optimale celgroei en maximale productvorming is het daarom belangrijk om het gelostofzuurstofgehalte in de hele bioreactor boven deze waarde te houden, door het te beluchten met lucht of zuiver zuurstof via een sparger. Bij een zeer efficiënt bioproces zou de zuurstofmassatransferrate van de gasbel in het medium (OTR – oxygen transfer rate) gelijk moeten zijn aan of groter dan de rate waarmee de groeiende cellen de zuurstof opnemen (OUR – oxygen uptake rate).

Bij uitbreiding van installaties en de fabricage van nieuwe reactoren verschuift de nauwkeurige en tijdige bepaling van de kLa-waarde steeds meer naar de voorwaarde van proces- en mechanische planning. Zodra deze kLa-waarde betrouwbaar kan worden bepaald, is ook gewaarborgd dat de kritische waarde voor het gelostofzuurstofgehalte altijd kan worden gegarandeerd. Tijdens haar studie heeft ZETA ontdekt dat de tot nu toe gebruikte standaard zuurstofsensoren het gelostofzuurstofgehalte niet snel genoeg kunnen bepalen om realtime metingen mogelijk te maken. "Dit komt door hun dikke membraan, dat vooral is ontworpen voor robuustheid en procesveiligheid," legt Maischberger uit. "Daardoor is de diffusie van zuurstofmoleculen merkelijk langzamer dan bij de sensoren die wij in onze kLa-studie hebben gebruikt." Daarnaast werden met traditionele sensoren meestal slechts op één punt in de container metingen gedaan – de sondering. Omdat geen enkele reactor een optimale menging bereikt, vindt er binnen het medium geen gelijkmatige voorziening plaats, waardoor verschillende verzadigde zones ontstaan. Dit kan de meetresultaten vertekenen.

Bepaling van de kLa-waarde op elk willekeurig punt in de bioreactor

"Daarom onderzochten wij de mogelijkheden om een betere meting van deze parameter te realiseren," vervolgt Maischberger. "Door onze knowhow uit jarenlange praktijk en de succesvolle toepassing in ons interne technikum en in grootschalige installaties konden wij de geschikte testmethodiek ontwikkelen." Om de kLa-waarde te bepalen, hebben de oplossingsspecialisten van ZETA verschillende rekenmodellen iteratief aangepast aan de experimenteel vastgestelde gelostofzuurstofcurves om het beste scale-up/scale-down-model te vinden. Daarbij hebben ze niet alleen naar de kLa-waarde gekeken, maar ook naar de reactietijd van de zuurstofsensoren en de dode tijd, dat wil zeggen de tijd tussen de signaalverandering bij de invoer van het systeem en de signaalrespons aan de uitgang.

Om elke zone te kunnen karakteriseren, moeten representatieve monsters worden genomen op zoveel mogelijk punten in de container. Zo kunnen de fysische omstandigheden in de reactor holistisch worden weergegeven. Hiervoor heeft ZETA in het kader van de kLa-studie een sensor ontwikkeld voor de zogenaamde Dynamic Startup Method (DSM). Deze bepaalt de kLa-waarde uit tijdsafhankelijke concentratieverschillen. In een eerste stap wordt hiervoor de gelostofzuurstof in de bioreactor chemisch of fysisch volledig verwijderd en later weer doelgericht toegevoegd door lucht in te blazen. Zo is een gecontroleerde bepaling van de kLa-waarde op kritieke punten binnen de container mogelijk. De meting in de bioreactor gebeurt via een elektrode die als doorstroomcel via een buis direct met de reactor is verbonden. Deze methode is vooral geschikt voor bestaande installaties, omdat op deze manier van bijna elk willekeurig punt in de fermenterinhoud monsters kunnen worden genomen.

Scale-down bioreactor maakt effectieve procesoptimalisatie mogelijk

De op de ACHEMA getoonde bioreactor is uitgerust met deze sensoriek. Het gepresenteerde apparaat is het scale-down-model van een bacteriële fermenter met een typische hoogte/diameter-verhouding van 2:1. De speciaal vervaardigde roerwerksflens maakt het mogelijk om verschillende roerwerksontwerpen en geometrieën te gebruiken. De ingebouwde koppelmeting bepaalt de energie-inbreng van de verschillende roerders onder verschillende beluchtingssnelheden. Ook kunnen de stroomonderbrekers worden aangepast om hun invloed op mengtijd en energie-inbreng te bepalen. Het magneetroerwerk minimaliseert het risico op contaminatie en zorgt voor een gelijkmatige gasbelastingsverdeling. Met passende modificaties, zoals dubbele lagering, kan het ook worden gebruikt voor grote industriële bioreactoren met een werkvolume van 15 m³ en containerafmetingen tot 30.000 liter.

De PAT-bioreactor wordt met de nieuwe meettechniek gepresenteerd op de beursstand tijdens de ACHEMA 2018 in Frankfurt am Main, hal 9.1, stand D10. De berekende kLa-waarde wordt weergegeven en berekend via een toename van de actuele zuurstofconcentratie op het display. Zo kan de invloed van de roerwerkskracht en beluchtingssnelheid op de kLa-waarde live worden ervaren. Ook wordt op de stand de ingebouwde magneetroerwerk via een filmvoorstelling regelmatig getoond. Voor vragen over de kLa-studie, de PAT-bioreactor of het magneetroerwerk staan Nicole Zangl (productmanager ZETA roerwerks technologie) en Alexander Lausecker (ZETA Head of Sales) van ZETA Biopharma GmbH ter beschikking. Daarnaast kunnen klanten samen met het ZETA-team hun volledige proces analyseren via de Solution Path met behulp van een touchpad.