Optymalizacja procesów w bioreaktorach

Liczne preparaty w branży farmaceutycznej są niezwykle wrażliwe i wymagają dokładniejszego planowania procesów produkcyjnych. Większość błędów podczas produkcji leków występuje jednak na wczesnym etapie i powoduje kosztowne oraz czasochłonne zmiany w skalowaniu. Na początku procesu rozwojowego rzadko rozważa się, jak dany krok roboczy można później zintegrować z dużą linią produkcyjną. ZETA dlatego wspiera swoich klientów na każdym etapie procesu produkcyjnego – od laboratorium, przez różne fazy kliniczne, aż po produkcję przemysłową. W ten sposób czas wprowadzenia produktów na rynek jest skrócony. (Źródło: ZETA Biopharma GmbH)

Reaktor biologiczny przedstawiony na ACHEMA jest modelem skalowym fermentora bakteryjnego o typowym stosunku wysokości do średnicy 2:1 i wyposażony w nową sensorykę do pomiaru kLa. (Źródło: ZETA Biopharma GmbH)

Reaktor biochemiczny przedstawiony na ACHEMA jest modelem skalowania w dół bakteryjnego fermentora o typowym stosunku wysokości do średnicy 2:1 i wyposażony w nową sensorykę do pomiaru kLa. (Źródło: ZETA Biopharma GmbH)

Pomiar w bioreaktorze jest możliwy dzięki elektrodzie, która jako komora pomiarowa przepływu jest bezpośrednio połączona z reaktorem przez króciec. Metoda ta jest szczególnie odpowiednia dla istniejących instalacji, ponieważ w ten sposób można pobierać próbki z niemal dowolnego punktu wewnątrz fermentora. (Źródło: ZETA Biopharma GmbH)

Wspólnie z Boehringer Ingelheim i TU Hamburg-Harburg ZETA opracowało nowy typ mieszadła do zbiorników o pojemnościach do 30 000 litrów. Na targach ACHEMA zaprezentowany zostanie jako model skalowania w dół w ramach tam prezentowanego bioreaktora. Przy odpowiednich modyfikacjach, takich jak podwójne mocowanie, może być również używany do dużych przemysłowych bioreaktorów o pojemności roboczej 15 m3 i pojemnościach zbiorników do 30 000 l. (Źródło: ZETA Biopharma GmbH)

Razem z Boehringer Ingelheim i TU Hamburg-Harburg firma ZETA opracowała nowy typ mieszadła do pojemników o pojemności do 30 000 litrów. Na targach ACHEMA będzie on prezentowany jako model skalowania w dół w ramach tamtego bioreaktora. Przy odpowiednich modyfikacjach, takich jak podwójne podparcie, może być również używany do dużych przemysłowych bioreaktorów o pojemności roboczej 15 m3 i pojemnikach o pojemności do 30 000 l. (Źródło: ZETA Biopharma GmbH)

„W branży farmaceutycznej bezpieczeństwo leków, a tym samym pacjentów, musi być zawsze zapewnione”, informuje Thomas Maischberger, inżynier procesu i deweloper projektów w ZETA Biopharma GmbH. „Dlatego instytucje i organy nadzoru, takie jak FDA czy EMEA, wzywają operatorów zakładów biotechnologicznych do lepszego zrozumienia ich procesów na podstawie naukowej. W związku z tym opracowaliśmy w ramach badania wartości kLa nowy system sensorowy, który czyni proces biotechnologiczny bardziej przejrzystym.” (Źródło: ZETA Biopharma GmbH)

W ostatnich latach w branży farmaceutycznej rozwijano poprawę podstawowych parametrów i wydajności biologicznych kultur komórkowych, co wymaga coraz wyższych wymagań wobec technologii urządzeń bioreaktorów i ich prowadzenia procesów. Szczególnie istotny jest wysoki współczynnik masowego transferu objętościowego tlenu (kLa) dla funkcjonalnych preparatów. Dotychczasowe standardowe czujniki tlenu były jednak bardzo powolne w pomiarze tego parametru i miały ograniczone możliwości w zakresie ich pozycjonowania w procesie. Dlatego firma ZETA Biopharma GmbH w ramach badania opracowała nową metodę pomiaru kLa, która zostanie zaprezentowana podczas praktycznego zastosowania na tegorocznej ACHEMA 2018 przy użyciu bioreaktora. Urządzenie wyposażone jest w dwa wysoce czułe i szybkie czujniki optyczne tlenu i może w ten sposób mierzyć wartości kLa do 2000 h^-1 w dowolnej pozycji. Ponieważ bioreaktor można dostosować do różnych geometrii mieszadeł i metod napowietrzania, służy on jako skuteczny model skalowania w dół dla fermentacji bakteryjnej oraz hodowli kultur komórek zwierzęcych także w większych instalacjach produkcyjnych i wspomaga optymalizację wprowadzania gazów do fazy ciekłej.

W biologicznych systemach, takich jak bioreaktor, istnieje wiele czynników, których indywidualny wpływ na wzrost kultury komórkowej często nie może być oceniony. W ten sposób proces staje się czarną skrzynką i trudny do oszacowania. „W branży farmaceutycznej musi jednak zawsze być zapewnione bezpieczeństwo leków, a tym samym pacjentów”, informuje Thomas Maischberger, inżynier procesu i deweloper projektów w ZETA Biopharma GmbH. „Dlatego instytucje i organy nadzoru, takie jak FDA czy EMEA, wzywają operatorów zakładów biotechnologicznych do lepszego zrozumienia procesów na podstawie naukowej. W związku z tym opracowaliśmy w ramach badania nad wartością kLa nowy system czujników, który czyni proces biotechnologiczny bardziej przejrzystym.” Dzięki tej metodzie możliwy jest pomiar wartości kLa na różnych etapach procesu i w różnych pozycjach w zbiorniku.

Wysoki wzrost komórek dzięki optymalnej zawartości tlenu w żelu

Podczas projektowania bioreaktorów ważne są współczynnik transferu tlenu i szczególnie współczynnik masowego transferu objętościowego tlenu (kLa). Opisuje on skuteczność wprowadzania tlenu do bioreaktora w określonych warunkach procesu i rozpuszczania go w medium. „Ten wskaźnik kLa jest niezwykle istotny w każdym procesie biotechnologicznym, ponieważ wskazuje, jak dobrze mikroorganizmy w urządzeniu mogą być zaopatrywane w gazy”, wyjaśnia Maischberger. „Często tlen w żelu jest elementem ograniczającym w fermentacjach mikrobiologicznych. Na przykład krytyczna nasycalność powietrzem dla bakterii i drożdży wynosi od 10 do 50 procent.” Dla optymalnego wzrostu komórek i maksymalnej produkcji ważne jest utrzymanie zawartości tlenu w żelu powyżej tej wartości, poprzez napowietrzanie go za pomocą dyfuzora z powietrzem lub czystym tlenem. W wysokowydajnym procesie biotechnologicznym współczynnik transferu tlenu z pęcherzyka gazowego do medium (OTR – oxygen transfer rate) powinien być równy lub większy od szybkości zużycia tlenu przez rosnące komórki (OUR – oxygen uptake rate).

Podczas rozbudowy zakładów i produkcji nowych reaktorów coraz większą uwagę przykłada się do precyzyjnego i terminowego określenia wartości kLa, co jest kluczowe dla planowania procesów technologicznych i mechanicznych. Gdy wartość ta może być wiarygodnie określona, można zagwarantować, że krytyczny poziom zawartości tlenu w żelu zawsze będzie utrzymany. Firma ZETA odkryła podczas swoich badań, że dotychczas używane standardowe czujniki tlenu nie są w stanie wystarczająco szybko określić zawartości tlenu w żelu, aby umożliwić pomiary w czasie rzeczywistym. „Dzieje się tak ze względu na ich grubą membranę, zaprojektowaną głównie pod kątem wytrzymałości i bezpieczeństwa procesu”, wyjaśnia Maischberger. „Przez to dyfuzja cząsteczek tlenu jest znacznie wolniejsza niż w czujnikach, które stosowaliśmy w naszej studium kLa.” Ponadto pomiary za pomocą konwencjonalnych czujników często wykonywane były tylko w jednym punkcie zbiornika – na pierścieniu sondy. Ponieważ żaden reaktor nie osiąga idealnego wymieszania, w medium powstają różne strefy o różnym stopniu nasycenia, co może zniekształcać wynik pomiaru.

Pomiar wartości kLa w dowolnym punkcie bioreaktora

„Dlatego badaliśmy możliwości uzyskania lepszego pomiaru tego parametru”, kontynuuje Maischberger. „Dzięki naszemu know-how zdobytemu przez lata praktyki i udanemu zastosowaniu w naszym wewnętrznym laboratorium technologicznym oraz w dużych zakładach przemysłowych, opracowaliśmy odpowiednią metodę badawczą.” Aby określić wartość kLa, specjaliści od rozwiązań z firmy ZETA iteracyjnie dopasowali różne modele obliczeniowe do eksperymentalnie wyznaczonych krzywych zawartości tlenu w żelu, aby wyłonić najlepszy model skalowania w górę i w dół. W tym celu nie tylko analizowali wartość kLa, ale także czas reakcji czujników tlenu i czas martwy, czyli czas między zmianą sygnału na wejściu systemu a odpowiedzią sygnału na wyjściu systemu.

Aby scharakteryzować każdą strefę, konieczne jest pobranie reprezentatywnych próbek z jak największej liczby miejsc w zbiorniku. W ten sposób można całościowo odzwierciedlić warunki fizyczne w reaktorze. W ramach badania kLa firma ZETA opracowała czujnik do tzw. metody dynamicznego uruchomienia (DSM). Metoda ta wyznacza wartość kLa na podstawie różnic stężeń w czasie. W pierwszym etapie żelowy tlen w bioreaktorze jest chemicznie lub fizycznie całkowicie usuwany, a następnie celowo dodawany jest z powrotem poprzez wprowadzenie powietrza. Dzięki temu możliwe jest kontrolowane wyznaczenie wartości kLa w krytycznych miejscach zbiornika. Pomiar w bioreaktorze odbywa się za pomocą elektrody, która jako przepływomierz jest bezpośrednio połączona z reaktorem przez wtyk. Metoda ta jest szczególnie przydatna w istniejących instalacjach, ponieważ pozwala na pobranie próbek z niemal dowolnego punktu wewnątrz fermentora.

Bioreaktor skalowania w dół umożliwia skuteczną optymalizację procesu

Bioreaktor prezentowany na ACHEMA wyposażony jest w tę czujnik. Jest to model skalowania w dół bakteryjnego fermentora o typowym stosunku wysokości do średnicy 2:1. Specjalnie wykonany kołnierz mieszadła umożliwia instalację różnych rodzajów i geometrii mieszadeł. Wbudowany pomiar momentu obrotowego pozwala określić moc wkładaną przez różne mieszadła przy różnych szybkościach napowietrzania. Również wyłączniki nadprądowe mogą być modyfikowane, aby określić ich wpływ na czas mieszania i moc wkładaną. Magnetyczne mieszadło minimalizuje ryzyko zanieczyszczenia i zapewnia równomierne rozprowadzenie gazu. Przy odpowiednich modyfikacjach, takich jak podwójne łożyskowanie, może być także używany w dużych przemysłowych bioreaktorach o pojemności do 15 m³ i pojemnościach zbiorników do 30 000 l.

Bioreaktor PAT zaprezentowany na targach ACHEMA 2018 w Frankfurcie nad Menem w hali 9.1, stoisko D10, wyposażony jest w tę nową technologię pomiarową. Obliczona wartość kLa jest wyświetlana na ekranie i obliczana na podstawie wzrostu aktualnego stężenia tlenu. Dzięki temu można na żywo obserwować, jak wpływają na kLa moc mieszadła i szybkość napowietrzania. Na stoisku zaprezentowana będzie także filmowa prezentacja magnetycznego mieszadła zainstalowanego w bioreaktorze. Do pytań dotyczących badania kLa, bioreaktora PAT lub mieszadła magnetycznego dostępni są Nicole Zangl (menadżer produktu technologii mieszadeł ZETA) i Alexander Lausecker (dyrektor sprzedaży ZETA). Ponadto klienci będą mogli wspólnie z zespołem ZETA analizować cały swój proces w ramach Solution Path za pomocą panelu dotykowego.