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Die kLa-Messung ermöglicht die umfassendeCharakterisierung des Bioreaktors sowie die genaue Bestimmung der Prozessparameter.(Bild: Zeta)

| von Dr. Thomas Maischberger ist Process Engineer und Projektentwickler bei Zeta Biopharma.
  • Klassische Rühr- und Messtechniken in Bioreaktoren führen häufig nicht zu einer optimalen Sauerstoff-Versorgung der Mikroorganismen und Zellkulturen.
  • Eine neue Technologie kombiniert nun eine optimierte kLa-Messmethode mit Magnetrührwerken im Industriemaßstab und ermöglicht eine höhere Produktqualität und -ausbeute sowie Prozesssicherheit.
  • Die Messtechnik ist ohne strukturelle Änderungen auch in bestehenden Anlagen einsetzbar.

Ein intelligentes Design des Bioreaktors sorgt dafür, dass genügend gelöster Sauerstoff verfügbar ist, den die aeroben Kulturen verstoffwechseln können.

Prozesse in Bioreaktoren unterliegen einem komplexen Netzwerk aus Einflussfaktoren, in dem zwei Parameter eine maßgebliche Rolle spielen: eine effiziente Rührwerksleistung sowie das zuverlässige Bestimmen des kLa-Werts. Dieser beschreibt die Effizienz des Gastransfers von der Gasphase in die Flüssigkeit. Denn nur Gelöstsauerstoff ist für die Zelle verwertbar. Die beiden Faktoren – Rührwerk und kLa-Wert – sind bei der biotechnologischen Herstellung von pharmazeutischen Produkten sowohl im großen Industrie- als auch im Pilot- oder Labormaßstab von herausragender Bedeutung. Die Produktionsprozesse basieren vorwiegend auf Mikroorganismen und tierischen Zellkulturen. Eine maximale Produktausbeute kann nur durch optimale Wachstumsbedingungen im Bioreaktor und damit durch einen hohen Biomasseanteil erreicht werden. Eine der wichtigsten Voraussetzungen ist die ausreichende Sauerstoffversorgung für die Zellatmung, damit in weiterer Folge Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) produziert werden kann. Die Nährstoffversorgung sowie die Entsorgung von Metaboliten und Abfallstoffen müssen sichergestellt sein. Und auch pH und Temperatur sind entscheidende Parameter in einem Bioreaktor. Zu all diesen grundlegenden Erfordernissen für die Zelle kommen die Bedürfnisse der Anlagenbetreiber, wie Produktspezifikation, -ausbeute, Produktionsvolumen oder die Reproduzierbarkeit (von Batch zu Batch), für die passende Lösungen gefunden werden müssen. Eine weitere Herausforderung stellt die Skalierung vom Labor- in den Produktionsmaßstab (und umgekehrt) dar, da eine Veränderung einzelner Parameter sich hier signifikant auf die Produktionsleistung auswirkt.

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Mit der Technologie ist es möglich, biotechnologische Prozesse im Industriemaßstab (hier die biotechnologische Antikörperproduktion) zu optimieren.

kLa-Wert als Schlüsselparameter

Bei all diesen Anforderungen bedarf es für eine gute Produktionsleistung oft maßgeschneiderter Lösungen, was auch eine umfassende Charakterisierung des Bio-reaktors sowie die genaue Bestimmung der Prozessparameter beinhaltet. Ein geeignetes Instrument dafür ist unter anderem die Messung des kLa-Werts. Sauerstoff wird gasförmig über einen sogenannten Sparger in den Bioreaktor eingebracht und durch entsprechende Rührleistung gelöst. Abgesehen von der Rührleistung hängt der kLa-Wert aber auch von zahlreichen anderen hydrodynamischen Faktoren ab: Mediumbestandteile, Temperatur, pH, Leitfähigkeit, Viskosität, Geometrien des Bioreaktors und Rührers, und viele andere haben Einfluss und erschweren eine genaue Prognose des Werts durch Kalkulationen vorab. Umgekehrt lässt der kLa-Wert aber auch Rückschlüsse darauf zu, in welcher Form Prozessparameter wie Rührer-leistung, Begasungsvolumen, oder Kultivierungsstrategien wie Induktionszeitpunkte- und Feedvolumina optimiert werden können. Im laufenden Bioreaktor wird der kLa-Wert durch Sauerstoffsensoren bestimmt. Das Problem dabei war bisher, dass der Wert an nur einem Punkt des Reaktors – am Probengürtel nahe dem Boden – gemessen wurde. Eine Messung am Boden ist jedoch häufig nicht ausreichend, da die Verteilung an Gelöstsauerstoff im Bioreaktor stark variiert. Dies gilt gerade dann, wenn die Rührleistung nicht optimal ist. Auftretende Gasblasen können zudem das Messergebnis verfälschen.

Zeta hat diese Probleme der Praxis erkannt, analysiert und bereits neue Lösungen entwickelt. Zum einen konnte eine erhebliche Verbesserung der kLa-Messung erzielt werden: Eine Probenahme-Einheit wurde so konstruiert, dass sie an jedem beliebigen Stutzen des Bio-reaktors andocken kann. Ein Bypass-System leitet die Probe zu einem optischen Hochgeschwindigkeitssensor, der den Sauerstoffgehalt misst. Störende Gasblasen werden dabei zusätzlich durch ein Sieb entfernt. Mit der neuen kLa-Messung, der sogenannten Dynamic-Startup-Methode, wird eine Reaktionszeit von unter 2 s erreicht. Ein hervorragender Wert, denn bislang arbeitete man mit Reaktionszeiten von bis zu 20 s. Ein besonderer Vorteil der Methode ist, dass sie auch in bestehenden Anlagen anwendbar ist: Ohne strukturelle Änderungen kann der kLa nun an jedem beliebigen Punkt im Bioreaktor gemessen werden. Durch die präzisere Bestimmung des kLa-Werts eröffnen sich neue Möglichkeiten: Anwender der Methode können Prozessparameter viel genauer definieren, um eine zufriedenstellende Produktionsleistung zu erzielen, und verschiedene Prozessparameter oder Medien leichter vergleichen.

Auch die richtige Rührtechnik ist entscheidend

Um eine ausreichende Konzentration an gelöstem Sauerstoff zu ermöglichen, spielt das geeignete Rührwerk eine wesentliche Rolle. In einem Forschungsprojekt gelang es, gemeinsam mit der TU Hamburg und Boehringer Ingelheim ein Magnetrührwerk für
Mischaufgaben in großen Bioreaktoren mit einem Volumen von 15.000 l zu entwickeln. Magnetrührwerke ermöglichen einen aseptischen Prozess: Durch einen eigens konstruierten Spalttopf sind Innenraum und Rührwerk von der Außenatmosphäre hermetisch getrennt und eliminieren damit das Kontaminationsrisiko.

Für die gewünschte Produktqualität im Bioreaktor muss das Rührwerk zum einen eine möglichst homogene Durchmischung erzielen, um für eine optimale Versorgung mit Nährstoffen und Sauerstoff zu sorgen. Dazu können die Experten mithilfe der Magnetkupplung für ein Volumen dieser Größe ein Drehmoment von 600 Nm übertragen. Zum anderen müssen Scherkräfte und unerwünschte Pendelbewegungen vermieden werden, was durch einen breiteren Rührwerksschaft erzielt werden konnte. Durch die Verwendung eines Reaktors aus Acrylglas konnten die Entwickler die Mischleistung des Rührwerks visualisieren. Mit dem Magnetrührwerk für 15 m³-Zellkultur-Bioreaktoren wurde ein Quantensprung im Design von Pharmaproduktionsanlagen im Großmaßstab erreicht. Außerdem konnte dadurch auch eine valide Testmethode entwickelt werden, um die Laufeigenschaften und den Leistungseintrag von Magnetrührwerken in allen Baugrößen zu bestimmen.

Die Entwicklung der Rührwerkstechnologie hängt wiederum eng mit einer validen kLa- Wertbestimmung zusammen. Nur in Zusammenschau mit einer korrekten Ne-Wertbestimmung des Rührwerks lässt sich das Design eines Bioreaktors aus verfahrenstechnischer wie auch mechanischer Sicht optimieren.

3 Rührwerk im Test

Das Magnetrührwerk erledigt Mischaufgaben in großen Bioreaktoren mit einem Volumen von 15.000 l –optimalerweise im Zusammenspiel mit einer kLA-Wertbestimmung.(Bilder: Zeta)

Optimierung von neuen und bestehenden Anlagen

Die entwickelten Lösungen für die kLa-Wertbestimmung oder das XXL-Fermenter-Magnetrührwerk stellen wichtige Komponenten für das Design des optimalen Produktionsprozesses dar. Entscheidend ist dabei auch, die Anwender bereits ab der frühen Planungsphase zu begleiten, um Fehler, die sich erst zu einem wesentlich späteren Zeitpunkt auswirken könnten, zu vermeiden. „Die Prozessentwicklung und die Analyse der Produktion muss schon im Labormaßstab erfolgen. Der Bedarf an Fast-Track-Projekten in der Pharmaindustrie ist riesengroß. Eine schnelle Umsetzung wird aber nur funktionieren, wenn ein Prozess in enger Zusammenarbeit mit den Anlagenbauern entwickelt wird“, stellt Daniel Maier, Leiter der Business Line „Engineering & Services“, fest.

Insbesondere das Up-scaling auf Industriemaßstab für die Produktion, als auch das Down-scaling zum Pilot- oder Labormaßstab für nachfolgende Forschungs- und Entwicklungsschritte wird durch die neue kLa-Bestimmungsmethode enorm verbessert. Denn dieser exakt bestimmte Leistungsparameter erleichtert die Vorhersage bei kritischen Scale-Faktoren für den Bioreaktor. Das Design neuer Produktionsanlagen lässt sich auf Basis von Serviceleistungen der kLa-Messung mit der neuen Methode optimieren, da dadurch nun die optimalen Dimensionen von Reaktorgeometrie, Rührwerk bzw. Sparger abgeleitet werden können. Auch die Prozesse in Bestandsanlagen lassen sich besser optimieren: Mithilfe einer zuverlässigen kLa-Bestimmung können die wichtigen Stellschrauben für einen Prozess leichter identifiziert werden. Die neue Methode bietet dem Anwender also sowohl eine verbesserte Produktqualität, -reinheit, -ausbeute als auch eine höhere Prozesssicherheit.

Achema Halle 9.1 − D10

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