Temperierung von Zellkultur-Prozessen

Aus Zellkulturen hergestellte Biopharmazeutika, die überwiegend aus Proteinen oder Nukleinsäuren bestehen, greifen gezielt in die Vorgänge des Körpers ein. Sie wirken zum Beispiel als Hormone, bei der Blutgerinnung oder als Impfstoffe, aber auch in der Tumorbehandlung. Die Möglichkeiten, die sich hier aus dem immer besseren Verständnis von Zellprozessen bis hin zu gezielter Modifikation im Genom von Mikroorganismen ergeben, rechtfertigen den Aufwand für die Entwicklung von sehr wirkspezifischen Medikamenten.

Schmaler Grat zwischen Produktivität und Schaden

Bei der Produktion solcher Wirkstoffe kommt es auf absolute Hygiene und Sterilität an. Während bei der klassischen Fermentation noch Bioreaktoren aus Glas oder Edelstahl verwendet werden, kommen hier bevorzugt Single-use-Bioreaktoren zum Einsatz. Herzstück dieses Verfahrens ist ein steriler Kunststoffsack (Bag), der in den Bioreaktor eingesetzt wird. Hierdurch entfallen aufwendige Sterilisierungsmaßnahmen und die Gefahr von Kontaminationen. Gängige Volumina beginnen hier bei etwa 20 l und reichen bis 2.000 l – wenn es sein muss, sind es aber auch mal 10.000 l. Die Zellkulturen werden in wässrigen Nährmedien gehalten und entwickeln ihre größten Vermehrungsraten beziehungsweise Produktivität bei einer Temperatur von 37 bis 38 °C. Zellkulturen in wässrigen Medien sind jedoch empfindlich, wenn die Temperatur deutlich über 40 °C ansteigt. Ab dieser Temperatur fahren sie ihre Aktivität herunter. Auch beginnen hier die ersten Proteine mit der Denaturierung. Es ist also ein sehr schmaler Grat zwischen optimaler Produktivität und Schädigung der Biokulturen. Gerade bei der Wärmeübertragung an den Oberflächen zwischen dem Einwegbeutel und dem Wärmetauscher dürfen die Temperaturgradienten nicht zu groß werden.

Für die Temperaturkontrolle dieser Verfahrensschritte hat der Hersteller Lauda seine Variocool-Prozessthermostate optimiert. Diese lassen sich mit Wasser oder Wasser/Glykol-Mischungen im Bereich von -20 bis 80 °C betreiben. Der im Vergleich zu anderen Prozessthermostaten eher kleine Temperaturbereich ist vollkommend ausreichend für diesen Anwendungsbereich.

Genauigkeit statt Dynamik

Auch beim Abkühlvorgang nach dem Produktionsprozess auf 4 °C setzt die natürliche Eisbildung in dem wässrigen Produktionsmedium der nutzbaren Temperatur eine Grenze, damit keine Frostschäden durch anfrierendes Produkt entstehen. Durch dieses obere und untere Temperaurlimit lässt sich die Temperatur in einem Single-use-Bioreaktor nicht sonderlich dynamisch ändern. Daher sind hier im Verhältnis zu klassischen Chemiereaktionen in Doppelmantel-Reaktoren kleinere Heiz- und Kälteleistungen ausreichend, die sehr genau für die Temperaturkontrolle ausgeregelt werden. Die in den Forschungslabors zunächst herangezogenen Zellkulturen werden in Tiefkühlgeräten – etwa der Gerätelinie Versafreeze des gleichen Herstellers – gelagert.

Im sogenannten Upstream-Prozess werden die Zellkulturen zunächst für die Vermehrung vorbereitet, dann vermehrt, um für den Scale-up-Prozess beziehungsweise die Produktion zur Verfügung zu stehen. Beim Scale-up werden die kleineren Single-use-Bioreaktoren und die Temperiergerät oft direkt nebeneinander platziert. Die Leitungen für die Temperierflüssigkeit zwischen Bioreaktor und Temperiergerät werden über flexible Schläuche mit TC-50-Verbindungselementen hergestellt, die im pharmazeutischen Umfeld einen Standard darstellen.

Single-use-Bioreaktoren werden überwiegend in mobiler Form in klimatisierten Reinräumen betrieben. Um diese teure Reinraumfläche optimal nutzen zu können und um dabei den hohen Anforderungen an Hygiene gerecht zu werden, platziert man bei größeren Anlagen die Temperiergeräte oft nicht im Reinraum, sondern außerhalb, gegebenenfalls in Etagen darunter oder darüber.

Durch das variable Pumpenkonzept der Variocool stellen hier die größeren Entfernungen von 15 bis 20 m kein Problem für die Temperieraufgaben dar. Die intelligente Smartcool-Kältetechnik passt die Kälteleistung energieeffizient den Erfordernissen im Single-use-Bioreaktor an. Hierdurch sinken sowohl Energieverbrauch als auch die Wärmeemission. Steht eine zentrale Kühlwasserversorgung zur Verfügung, können auch wassergekühlte Geräte zum Einsatz kommen, so dass auch diese Technikebenen nicht durch Abwärme überhitzt werden.

Vielzahl an Schnittstellen und Sensoren

Die Kommunikation zwischen Bioreaktorsteuerung und Temperiergerät kann direkt oder über einen Prozessleitstand durch integrier- bzw. austauschbare analoge und digitale Schnittstellenmodule stattfinden. Durch etliche Sensoren innerhalb der Prozessthermostate kann der Zustand von Heizung, Kältesystem und Niveau des Mediums sowie Warnungen, falls mit einem Problem in der Temperierung zu rechnen ist, vom Prozessleitsystem abgerufen werden. Das Problem kann abgestellt werden, ohne die Temperierung unterbrechen zu müssen. Neben Ethernet TCP/IP und RS 232/485, stehen auch Profibus und Ethercat sowie Kontaktmodule Namur oder Sub-D, ein Pt 100 für externe Temperaturerfassung und -regelung sowie ein Analogmodul für die Steuerung über Normsignale 4-20 mA oder 0-10 V zur Verfügung. Die frei zusammenstellbaren Module der Prozessthermostate bieten eine hohe Flexibilität und Zukunftssicherheit in diesem sich sehr schnell entwickelnden und hochpotenten pharmazeutischen Umfeld, bei der die Validierung und Dokumentation von entscheidender Bedeutung sind.