Große Herausforderung

Reinigungsvalidierung in einer biotechnologischen Mehrprodukte-Anlage

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04.12.2009 In biotechnologischen Produktionsanlagen findet sich fest installierte Ausrüstung mit hoher Kapazität für Fermentation und Aufreinigung. Generell sind die Einheiten auf wechselnde Produkte ausgelegt und werden oft im „Batch“-Verfahren betrieben. Ein beträchtlicher Anteil der zeitlichen und dokumentatorischen Aufwendungen kommt dabei qualitätssichernden Maßnahmen zu, wobei die Reinigungsvalidierung (RV) ein sehr wichtiges Thema ist.

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Reinigungsverfahren in Fermentation und Aufreinigung

Die Reinigungsvalidierung (RV) wird in Fachkreisen bislang nur wenig ausführlich diskutiert oder beschrieben, wobei ein Grund für die gewisse Unsicherheit im Umgang mit diesem Thema in den relativ komplexen Vorgaben liegen mag.

Was ist die regulatorische Basis?

Im europäischen Umfeld werden die Annexe 2 und 15 des EU-GMP-Leitfadens und Einzelzitate aus Teil I (Kapitel 5, Satz 19 e) und Teil II (Kapitel 12.7) für die Validierung von Reinigungsverfahren zu Grunde gelegt. Anforderungen für die Herstellung von Produkten, die in den US-amerikanischen Markt verbracht werden sollen, werden auf den Code of Federal Regulations (21 CFR 211 §§ 67 und 182) zurückgeführt. Weiterhin finden sich Vorgaben in erfreulich konkreter Fassung in verschiedenen Inspektionsleitfäden und Richtlinien.

Welche Reinigungsverfahren werden angewendet?

Reinigungsverfahren müssen dazu geeignet sein, das erforderliche Reinigungsziel zu erreichen. Dazu werden Reinigungsverfahren, ebenso wie Herstellungsprozesse, entwickelt und schriftlich fixiert. Die wichtigsten Einflussgrößen für die Effizienz sind Temperatur, mechanische Beanspruchung, Reinigungsmittelkonzentration sowie die Einwirkzeit der Reinigungsmittel. In der Biotechnologie wird vorzugsweise Natriumhydroxid (NaOH) eingesetzt; Detergenzien werden weitestgehend vermieden. Sofern Reinigungsmittel eingesetzt werden, muss deren genaue Zusammensetzung bekannt sein.

Automatisierte Reinigungsverfahren, sogenannte CIP-Verfahren, sind in der Biotechnologie Stand der Technik. Diese sind gut dokumentiert und lassen sich einfach validieren. Weiterhin gehören Reinigungsautomaten zum technischen Standard, wobei der Eignungsnachweis mit ausgewählten bzw. spezifisch zusammengestellten Reinigungsprogrammen als Teil der Leistungsqualifizierung der Geräte erbracht wird.
Daneben finden sich für einzelne Ausrüstungsgegenstände zumeist auch manuelle oder teilmanuelle Reinigungsverfahren, die darauf auszurichten sind, das Reinigungsziel mit einem feststehenden Ablauf von verschiedenen Mitarbeitern in reproduzierbarer Weise sicher zu erreichen. Dazu müssen sie eindeutig festgelegt und in Arbeitsanweisungen beschrieben sein. Um die Validierbarkeit zu gewährleisten, sind variable Schritte vollständig auszuschließen.

Wie werden die Aktivitäten zur RV strukturiert?

Im Fokus der RV stehen die Verfahren, die an produktberührten Oberflächen bei der Reinigung vor Produktwechsel zum Einsatz kommen. Bei biotechnologischen Produkten handelt es sich zumeist um rekombinante Proteine, deren Herstellung grob in die Arbeitsschritte Anzucht, Fermentation und Aufreinigung gegliedert ist und im sogenannten „Final Bulk“ resultiert. Formulierung und Abfüllung erfolgen meist in einem eigens dafür ausgelegten Betrieb und werden hier nicht betrachtet.

Im Anzuchtbereich werden in der Regel Einwegmaterialien benutzt, oder es entsteht Spülgut, das in einem Reinigungsautomaten aufbereitet wird. Da die Anforderungen an die Reinigungsverfahren in den Bereichen Fermentation und Aufreinigung deutlich voneinander abweichen, ist es von erheblichem Vorteil, diese getrennt zu betrachten. Daraus resultiert insbesondere die Festlegung unterschiedlicher Akzeptanzkriterien (AK).
Vorrangiges Ziel ist die Reduzierung des Gesamtaufwands pro Bereich. Dazu unterliegt die Ausrüstung einem „Braketing“, in dem baugleiche Ausrüstungen zusammengefasst betrachtet werden. Ein weitgehendes Reduzieren der Anzahl verschiedener Reinigungsverfahren wird durch das Vereinheitlichen von Abläufen erreicht. Außerdem wird aus dem Produktportfolio eine Leitsubstanz ausgewählt, bei der es sich in der Regel um das am schwersten abzureinigende Produkt handelt.

Wie ist der Ablauf der RV und welche Dokumente entstehen?

Die RV wird durch einen Validierungsmasterplan organisiert, der das spezifische Konzept enthält, die Abfolge der Aktivitäten aufzeigt und Dokumentationsformate vorgibt. Er beschreibt bei Bedarf unterschiedliche Vorgehensweisen und trägt somit den differenzierten Voraussetzungen in Fermentation und Aufarbeitung Rechnung. Ausrüstung, Produkte und Reinigungsverfahren werden in Listen erfasst. Empfehlenswert ist es, bereits auf dieser Ebene über eine Klassifizierung nicht relevante Positionen begründet auszuschließen. Die Validierungsaktivitäten werden über eine Risikoanalyse definiert. Die resultierenden Prüfungen gehen in einen Validierungsplan ein und werden nach dessen formaler Freigabe durchgeführt. Um in der RV erfolgreich zu bestehen, ist striktes Erreichen der vordefinierten AK unter Einhalten beschriebener Standzeiten in drei aufeinanderfolgenden Validierungsläufen erforderlich. Den formalen Abschluss bildet der freigegebene Validierungsbericht. Danach kann vom umfassenden Validierungsprobenzug auf einen reduzierten Routineprobenzug zurückgegangen werden. Werden die Aufgaben aus dem Validierungsplan aufgrund von vorgegebenen Rahmenbedingungen schrittweise erledigt, sind Zwischenberichte sinnvoll, die den jeweiligen Status der RV dokumentieren.

Welche Inhalte dominieren in der Risikoanalyse?

In der Risikoanalyse wird eine Vielzahl von teilweise umfangreichen Themen abgehandelt, wobei das Festlegen möglicher Kontaminanten, realistischer AK und geeigneter Nachweismethoden im Mittelpunkt stehen. Um den Dokumentationsaufwand einzuschränken, bietet es sich an, sie in zwei Teile zu gliedern. In einem generellen Teil werden auf den betrachteten Bereich bezogene, mögliche Verunreinigungen einmalig diskutiert und bewertet. Damit einhergehend werden geeignete Analysenparameter mit ihren Prüf- und Probenahmeverfahren definiert sowie übergeordnet geltende AK festgelegt und begründet. Im gerätespezifischen Teil der Risikoanalyse werden Besonderheiten der Einzelausrüstung, beispielsweise spezifische Probenahmestellen, abgehandelt.

Was sind mögliche Kontaminanten?

Als wichtigste Kontamination kommt zunächst das Produkt selbst in Frage. Außerdem wird die mögliche Verschleppung vitaler, zur Herstellung eingesetzter Produktionsorganismen und die von ihnen abgeleiteten Wirtszellproteine betrachtet. Neben diesen Komponenten finden Endotoxine, produktionsfremde Keime und Reinigungsmittel Beachtung. Trocknungsmittel, Schmierstoffe und mögliche Abriebe werden in die Diskussion mit einbezogen. Spezifische Einsatzstoffe (Medienbestandteile, Puffer und gegebenenfalls Antibiotika) stellen oft schwer abzureinigende Komponenten dar, die bei der Auswahl der Leitsubstanz zu berücksichtigen sind.

Welche AK sind realistisch?

Konkrete Werte für die AK, die wissenschaftlich herzuleiten und zu begründen sind, werden häufig kontrovers diskutiert. In der Literatur werden „visually clean“, das 1/1000-Dosis-Kriterium und das 10-ppm-Kriterium zitiert. Dabei wird der maximal akzeptable Übertrag in die Folgecharge unter Berücksichtigung der Wiederfindungsrate für die Probenahme- und Testverfahren auf die gesamte produktberührte Oberfläche und den gemessenen Produktrückstand hochgerechnet. Grundsätzlich gilt zunächst das strengste Kriterium, wobei aber in der Biotechnologie nahezu durchgängig das 10-ppm-Kriterium Anwendung findet. Dies wird damit begründet, dass Proteinbestandteile durch die Reinigungsverfahren denaturiert werden und deshalb die nicht mehr vorhandene Wirksamkeit als Zielkriterium ungeeignet ist. Außerdem sind in frühen Entwicklungsstufen die notwendigen Daten für die Berechnung des 1/1000-Dosis-Kriteriums oft nicht verfügbar.

Je nach Art der betrachteten möglichen Kontamination werden weitere AK definiert. Dabei werden die Kriterien desto strenger gesetzt, je weiter man sich dem letzten Abreinigungsschritt im Bereich der Aufreinigung annähert. Eine mögliche Akkumulation von Verunreinigungen muss schrittweise ausgeschlossen werden. Für die Betrachtung von Reinigungsmittelrückständen werden ebenfalls das 10-ppm-Kriterium oder der Wert für den „Acceptable Daily Intake“, der ADI-Wert, herangezogen. Die Grenzwerte für Endotoxine und Keime können auf Basis der eingesetzten Spülwasserqualität und den Spezifikationen der Reinraumumgebung festgelegt werden.

Welche Nachweismethoden sind geeignet?

Verunreinigungen in Fermentation und Aufreinigung werden vorzugsweise als Summenparameter gemessen. Als gängige Standards gelten die Analyse von kohlenstoffhaltigen Bestandteilen (TOC, „Total Organic Carbon“), sowie die Bestimmung der Leitfähigkeit, des pH-Werts, des Endotoxingehalts oder der Keimzahl. Spezifische Nachweismethoden werden selten, und wenn erst am Ende des Aufreinigungsprozesses, eingesetzt. In jedem Fall erfolgt die Auswahl geeigneter Methoden produktabhängig.

Welche Herausforderungen stellt das Thema an Lohnhersteller?

Da Lohnhersteller ihre Produktionsplanung maßgeblich an Auftragslage und Kundenwünschen ausrichten, bietet es sich an, in Bezug auf die Abreinigbarkeit gleichwertige Produkte in Kategorien mit eigenen Leitsubstanzen einzuteilen. Wurden drei Produktionsläufe der Leitsubstanz einer Produktkategorie erfolgreich durchgeführt, ist die RV für diese Kategorie erfolgreich abgeschlossen. Validierungsaktivitäten werden dann nur noch bei der Herstellung von Produkten einer kritischeren Kategorie ausgeführt. Auf diese Weise wird der validierte Zustand sukzessive für alle ausgewiesenen Kategorien erreicht. Sollen neue Produkte beim Lohnhersteller gefertigt werden, ist die Kategorisierung der Produkte zu überprüfen und gegebenenfalls anzupassen. Durch die breite Produktpalette und wechselnde Auftraggeber ist die RV ein hochrelevantes Dauerthema, deren Herausforderungen die Lohnhersteller professionell begegnen.

Heftausgabe: Oktober 2009

Über den Autor

Dr. Falk Klar, Head QualityAssurance, Biomeva
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