Eine für alle Fälle

Sterilität ist ein wichtiger Faktor bei biotechnologischen Prozessen. Alle Bioreaktoren, Medienkessel und Dosierbehälter müssen ebenso wie alle dazugehörigen Leitungen, Ventile, Sterilkupplungen und Medien vor Prozessbeginn nachweisbar steril sein. Über die gesamte Prozessdauer dürfen an keiner Stelle der Anlage Fremdkeime eingeschleppt werden.

Problematik der Hitzesterilisation

Dies gilt besonders für Langzeitprozesse und Verfahren, bei denen laufend Medium, Co-Substrate oder Hilfsstoffe zudosiert werden. Auch im Downstream-Processing muss auf Sterilität geachtet werden, da Mikroorganismen das Endprodukt verunreinigen oder zerstören könnten. Die Hitzesterilisation – entweder durch Erhitzen des mit Medium gefüllten Kessels und der Peripherie oder durch Durchströmen von Komponenten mit Dampf – ist eine sehr sichere Methode, um die Anlage für den Bioprozess vorzubereiten. Nicht in jedem Fall ist sie jedoch anwendbar.

Zucker und Aminosäuren reagieren bereits in einfachen Formulierungen bei Hitzeeinwirkung in der Maillard-Reaktion zu Melanoiden, die die Produktbildung unter Umständen negativ beeinflussen können. Viele hochspezifische Medien, vor allem für die Zellkultur, enthalten hitzelabile Komponenten wie Vitamine, Hormone oder Wachstumsfaktoren. Kontinuierlich zudosierte Co-Substrate oder produktbildende Substrate zur Initialisierung des Sekundärmetabolismus können ebenfalls sehr temperaturempfindlich sein.
Auch bei der Verwendung hitzestabiler Medien ist der Aufwand einer Hitzesterilisation nicht immer sinnvoll. Dies gilt vor allem für kontinuierliche und Fed-batch-Prozesse, da die benötigten Vorratskessel zum Bereitstellen der sterilen Medien zu voluminös sein müssten. Werden dagegen Einwegsysteme verwendet, muss das Medium steril in die Bags eingefüllt werden, da diese nicht hitzesterilisierbar sind.

Vorteile der Sterilfiltration

Die Sterilfiltration von Medien ist eine sinnvolle und sichere Alternative zur Hitzesterilisation. Zellen und Zellteile werden verlässlich zurückgehalten, während die gelösten Bestandteile des Mediums den Filter unverändert passieren. Die Durchflussraten durch die Filter sind sehr hoch, besonders dann, wenn für die Schwebepartikel ein Vorfilter verwendet wird. Das bedeutet, die Sterilfiltration ist medienschonend, benötigt geringe Energiemengen und nimmt nicht allzuviel Zeit in Anspruch.

Die Medienfiltration ist lediglich der erste von zahlreichen Filtrationsschritten in einem biotechnologischen Prozess. Nach der Fermentation oder Zellkultur muss die Zellmasse abgetrennt und das Produkt aufgereinigt werden. Die Zellmasse wird zunächst grob mit Zentrifugen oder Rotorfiltern abgetrennt. Die Feinabtrennung erfolgt mit Tiefenfiltern und eventuell mit Sterilfiltern. Zur Aufreinigung des Endprodukts mit chromatographischen Methoden werden hochreine und sterile Pufferlösungen verwendet, damit weder die stationäre Phase noch das Produkt verunreinigt werden. Da die Chromatographie kontinuierlich geführt wird, eignet sich auch hier die Sterilfiltration besonders für die Aufbereitung der Lösungen. Um alle Kontaminationsrisiken auszuschließen wird das gereinigte Endprodukt vor der Formulierung sterilfiltriert.

Welches Filtersystem eignet sich?

Da die Sterilfiltration in derart vielen Phasen eines Prozesses eingesetzt wird, ist es besonders wichtig, die geeignete Hardware und eine dem Verfahren angepasste Steuerung auszuwählen.

Wichtige Faktoren, die bei der Anschaffung einer Filtrationsanlage berücksichtigt werden müssen, sind Kosten, Lieferzeit sowie Zeit- und Arbeitsaufwand für das Inbetriebsetzen der Filter für jeden Batch. In vielen Fällen, besonders dann, wenn bereits mit Einwegkomponenten gearbeitet wird, stellt sich die Frage, ob ein Einwegfiltersystem oder eine fest verrohrte Filterstation für die jeweilige Anwendung sinnvoller ist. Dabei sollte nicht nur der kurzfristige Nutzen erwogen, sondern auch langfristige Überlegungen bezüglich Ökonomie, Ökologie, Betriebssicherheit und Produktsicherheit angestellt werden.
Einwegsysteme haben im Normalfall kurze Lieferzeiten, werden mit wenig Aufwand betriebsbereit gemacht und sind leicht handzuhaben. Aufgrund ihrer Natur verursachen sie jedoch relativ hohe laufende Kosten durch die Entsorgung und den Austausch der Einheiten. Sie verfügen vielfach über eine limitierte Mess- und Regeltechnik und sind daher nur bedingt automatisierbar.
Viele biotechnologische Prozesse werden in komplexen Anlagen geführt, die aus mehreren Produktions-, Inokulations- und Zudosierkesseln mit den entsprechenden Transferleitungen, Ventilen und Regelsystemen bestehen. Nicht nur aus Gründen der Validierbarkeit, sondern auch wegen der Übersichtlichkeit und Fehlervermeidung werden Produktionsanlagen in zunehmendem Maß automatisiert. Die Integration vieler Anlagenkomponenten in das Leitsystem erhöht den Automatisierungsgrad und die Reproduzierbarkeit, erleichtert die Datenauswertung und gewährleistet die Rückverfolgbarkeit.

Die Filtereinheit für alle Fälle

Eine Integration der Komponenten im Baukastensystem erhöht die Flexibilität signifikant, da auf Änderungen in der Prozessführung ohne großen Aufwand sofort reagiert werden kann. Aus diesem Grund ist die Filtereinheit stufenweise erweiterbar und vollständig integrierbar in ein übergeordnetes Leitsystem zur Prozessautomatisierung.

Die neuentwickelte Filtereinheit besteht aus einem Vorfilter und einem Hauptfilter, die CIP- und SIP-fähig in jeweils einem Edelstahlgehäuse untergebracht sind. Die Filter sind mit Sonden, Ventilen und lokalem Bedienpanel auf einem mobilen oder fest verrohrten Gestell montiert. Mit dieser Grundausstattung eignet sich die Filtereinheit für unproblematische Filterprozesse. Die Filtergehäuse stehen in verschiedenen Größen zur Verfügung. Deren Ausrichtung für 5“- bis 30“-Filterkerzen in Einfach- oder Mehrfachfiltergehäusen und für Tiefenfiltermodule erlaubt verschiedenste Anwendungen. Mit Flussraten von bis zu 10000l/h eignet sich die Filtereinheit für den Einsatz im Produktionsmaßstab.
Die Filtereinheit ist kompatibel mit allen handelsüblichen Einwegbeuteln und deren Sterilkreuzen. Dies ermöglicht die Kombination von intelligenter Hardware und Single-use-Systemen zum Befüllen von Sterilbags.

Multifunktionale Filterstation durch Kombination der Einheiten

Anwendungen, die über die direkte Sterilfiltration eines Mediums von einem Vorratskessel in einen Arbeitsbehälter hinausgehen, erfordern ein komplexeres System als die einzelne Filtereinheit. Auch wenn die Filter während dem Prozess leicht verstopfen, ist es ratsam, nicht auf verschiedenste Sicherheitsvorkehrungen zu verzichten.

Diese Sicherheitsvorkehrungen können für jede Filtereinheit eingerichtet und dann je nach Automatisierungsgrad in das Leitsystem integriert werden. Durch Messung des Drucks vor und nach jedem Filtergehäuse über Manometer oder Drucksonden werden erste Anzeichen von Unregelmäßigkeiten wie Filterverstopfung detektiert. Jedes Filtergehäuse kann über eine integrierte Füllstandüberwachung automatisch während dem Prozess entlüftet werden. Die Filtergehäuse sind mit Einrichtungen für den Filterintegritätstest ausgestattet. Exaktes Befüllen von Behälter, Kessel oder Einwegbeutel wird durch Durchflussmessgeräte gewährleistet.
Die Ausstattung jeder Filtereinheit mit Komponenten zur vollständigen Automatisierung vereinfacht und beschleunigt den Prozess signifikant durch Verringerung des Arbeitsaufwands. Bei einem biotechnologischen Produktionsprozess mit mehreren Inokulations-, Vorkultur- und Produktionskulturkesseln sind mehrere Filtereinheiten erforderlich. Oft ist es sowohl wirtschaftlich als auch aus Platzgründen nicht sinnvoll, für jeden Kessel eine eigene Filtereinheit bereitzustellen. Bei wenig automatisierten Prozessen ist eine mobile Filtereinheit sinnvoll. Diese erfordert jedoch das manuelle Umstellen und Anschließen der Filtereinheit.

Mehrere Medien gleichzeitig filtrieren

Als Alternative wurde die Filterstation entwickelt. In der Filterstation sind je nach Anwendung zwei oder mehrere Filtereinheiten mit vernetzten Leitungen und gemeinsamer Steuerung kombiniert. Aufgrund eines intelligenten Ventilsystems können alle Filtereinheiten trotz Vernetzung der Transferleitungen völlig unabhängig voneinander betrieben werden. Durch diese Unabhängigkeit der Transferleitungen können gleichzeitig verschiedene Medien in verschiedene Behälter filtriert werden.

Bei manchen Filtrationsprozessen neigen die Filter zur Verstopfung. Tritt die Verstopfung ein, muss die Filtration mit herkömmlichen Filtersystemen abgebrochen und der Filter gereinigt werden. Relativ lange Standzeiten sind die Folge. Bei Filterverstopfung wird der betroffene Filter gereinigt, und das Leitsystem schaltet automatisch ohne Betriebsunterbrechung auf eine andere Filtereinheit der Filterstation um.

Filterstationen mit mehreren Filtereinheiten für komplexe Prozesse können durch ein Leitungssystem mit Ventilbahnhöfen zur automatischen Mediumformulierung über Schrittkettenprogrammierung im Bioscada ausgestattet werden. Auf diese Weise wird ein sehr hoher Automatisierungsgrad geschaffen und so das Potenzial des Filtrationsprozesses genutzt.

Bei der Sterilfiltration von Medien handelt es sich um eine sinnvolle und sichere Alternative zur Hitze-sterilisation
Die Integration vieler Anlagenkomponenten in das Leitsystem erhöht den Automatisierungsgrad und die Reproduzierbarkeit