English China

Mehrsäulenchromatographie Biologika der Zukunft: Mit kontinuierlicher Chromatographie zum Erfolg

Autor / Redakteur: Britta Badertscher und Dirk Sievers* / Dr. Ilka Ottleben

Die Chromatographie ist einer der wichtigsten und zugleich anspruchsvollsten Schritte in der Aufreinigung von Biopharmazeutika. Die traditionelle Batch-Chromatographie ist allerdings komplex und kostenintensiv. Eine flexible und multifunktionelle Alternative bietet die Mehrsäulenchromatographie in kontinuierlicher Prozessführung.

Firmen zum Thema

Biopharmazeutika: Fermentation von Mikroorganismen
Biopharmazeutika: Fermentation von Mikroorganismen
(Bild: © Boehringer Ingelheim / Quelle: www.vfa.de)

Die Chromatographie ist ein essenzieller Schritt in der Aufarbeitung von Biopharmazeutika, deren Mehrheit üblicherweise mit bis zu drei Chromatographieschritten stufenweise aufgereinigt wird. Die Chromatographie hat nicht nur einen entscheidenden Einfluss auf die Produktqualität sondern trägt auch wesentlich zu den Kosten des Herstellungsprozesses bei. Laut Michelle Najera (CMC Biologics, Bothell, US) kann die Capture-Chromatographie eines Antikörpers mit Protein A Sorbens über 30% der gesamten Herstellungskosten ausmachen [1]. Zudem wird die Chromatographie häufig als herausfordernder und komplexer Prozessschritt angesehen.

Bildergalerie

Hinzu kommt, dass sich die allgemeinen Anforderungen an die Prozessschritte aufgrund der stetigen Weiterentwicklung der Industrie ändern. Immer häufiger werden Anlagen für die Produktion verschiedener Biologika verwendet, womit die Nachfrage nach flexiblen Multi-Use-Anlagen steigt, die schnell umgerüstet werden können. Die Hersteller stehen zunehmend unter Druck, die Effizienz ihrer Prozesse zu steigern, da die Nachfrage nach kostengünstigen Biologika wächst.

Kontinuierliche Produktion als Alternative zu Batchprozessen

Um diese Herausforderungen zu adressieren, bieten moderne Single-Use-Technologien und die Umstellung auf eine kontinuierliche Prozessführung mögliche Lösungen. Während sich Single-Use-Technologien bereits in der Industrie etabliert haben, ist die kontinuierliche Prozessführung erst auf dem Vormarsch.

Mehrere Industrien nutzen die kontinuierliche Prozessführung schon heute. Zudem sind bereits zwei Small-Molecule-Pharmazeutika aus kontinuierlicher Herstellung zugelassen. Die Erfahrung zeigt, dass eine kontinuierliche Herstellungsweise verschiedene Vorteile bietet, insbesondere eine verbesserte Kapitalauslastung, eine Senkung der Produktionskosten und eine höhere und konsistentere Produktqualität.

In der Biotechnologie werden Produkte bislang mittels konventioneller Batch-Produktion in Chargen hergestellt. Sie durchlaufen einen Schritt der Herstellung nach dem anderen, wobei das Produkt nach jedem Schritt in Behältern gesammelt wird. Am Ende hat das finale Produkt somit viele Starts und Stopps über alle Schritte des Prozesses durchlaufen (s. Abb. 1A).

Im Gegensatz dazu werden in der kontinuierlichen Herstellung alle Prozessschritte zu einem einheitlichen Gesamtprozess zusammengefügt (s. Abb. 1B). Das Produkt durchläuft den Prozess ohne Unterbrechung, sodass auf Zwischenbehälter weitgehend verzichtet und die Wartezeiten zwischen den Schritten verkürzt werden kann. Auf diese Weise wird der Gesamtprozess effizienter, benötigt weniger Stellfläche und ist umweltverträglicher und wirtschaftlicher als der Batch-Prozess. Die längeren Betriebslaufzeiten im kontinuierlichen Betrieb führen dazu, dass sich mit verringertem Geräte- und Materialeinsatz mehr Produkt herstellen lässt. Der höhere Automatisierungsgrad verbessert darüber hinaus die Prozesskontrolle und die Produktsicherheit. Die Entwicklungszeiten für kontinuierliche Prozesse sind oft kürzer als jene für chargenbasierte Prozesse.

Seit 2016 fördern auch die regulatorischen Behörden aktiv die Implementierung kontinuierlicher Prozesse in der biopharmazeutischen Industrie.

Mehrsäulenchromatographie für kontinuierliche Prozesse

Das Prinzip der kontinuierlichen Prozessführung lässt sich auch in der Chromatographie umsetzen. Eine kontinuierliche Chromatographie kann einerseits als Teil eines durchgehend kontinuierlichen Prozesses eingesetzt werden (s. Abb. 1) oder als kontinuierlicher Prozessschritt in einen Batch-Prozess integriert werden.

Anstelle einer großen Säule, wie in der Batch-Chromatographie üblich, wird in der kontinuierlichen Mehrsäulenchromatographie (Multicolumn-Chromatography, MCC) mit mehreren wesentlich kleineren Säulen gearbeitet. Während der Mehrsäulenchromatographie werden alle Schritte einer Batch-Chromatographie simultan verteilt auf mehreren Säulen durchgeführt.

Bildergalerie

Eine der Säulen befindet sich in der primären Beladungszone und wird mit der Proteinlösung beladen. Zur effizienteren Nutzung der Säule wird sie über die im Batch-Prozess erzielte Bindungskapazität hinaus beladen. Diese liegt typischerweise bei etwa 140% der Bindungskapazität in einem Batch-Prozess. Das bei der Überladung durchbrechende Protein wird auf einer zweiten, frischen Säule gebunden, die hinter die Beladungssäule geschaltet wird.

Sobald eine Säule komplett beladen ist, wird sie gewaschen, eluiert, regeneriert und äquilibriert und kann anschließend erneut beladen werden. Die Säulen durchlaufen den Chromatographieprozess wie auf einem Karussell wieder und wieder. Dabei befinden sich stets mindestens zwei der Säulen in der Beladungszone, während die anderen Säulen die Wasch-, Elutions- und Regenerationsschritte durchlaufen (s. Abb. 2).

Vorteile und Nachteile der Mehrsäulenchromatographie

Die größten Vorteile der kontinuierlichen Mehrsäulenchromatographie liegen in der effizienteren Beladung der Sorbentien, der Verkürzung der Kontaktzeit und der besseren spezifischen Produktivität. Mit dem gleichen Einsatz an Sorbens kann die Prozessleistung um 50 bis 80% erhöht werden. Darüber hinaus verringert sich aufgrund der kleineren Säulen der Pufferverbrauch. Der Einsatz von kleinen vorgepackten Säulen macht zudem Edelstahlsäulen und Packsysteme überflüssig und lässt das Packen von Säulen und dessen Validierung entfallen. Mit der Verwendung von Single-Use-Systemen lassen sich zudem Reinigungs- und Spüllösungen sowie Zeit zur Reinigung und Validierung einsparen.

In einfachen Schritten zum kontinuierlichen Prozess

Eine existierende Batch-Chromatographie kann mit einfachen Methoden in eine kontinuierliche Mehrsäulenchromatographie übersetzt werden, ohne dass Sorbens oder Puffersystem angepasst werden müssten. Pall Life Sciences verfügt über eine standardisierte Methode, mit der eine Batch-Chromatographie in zwei simplen Schritten auf einen kontinuierlichen Prozess umgestellt werden kann.

In einem ersten Schritt werden auf einer einzelnen Säule Breakthrough-Kurven mit dem Zielprotein ermittelt. Basierend auf dem Van-Klinkenberg-Modell werden die Kurven anschließend mit einem speziellen Software Tool analysiert und die statische Bindungskapazität und der Massentransferkoeffizient abgeleitet [2]. Erstere zeigt, wie viel Protein maximal gebunden werden kann, während der Massentransferkoeffizient Hinweise auf die nötige Kontaktzeit gibt. Darauf basierend kann in einem zweiten Schritt die Korrelation zwischen Bindungskapazität und Kontaktzeit für das Zielprodukt ermittelt werden. So lässt sich, abhängig von Rahmenbedingungen wie Anzahl der Batches pro Jahr, Kontaktzeit oder Produkttiter ein geeignetes Setting evaluieren.

Das erste skalierbare Single-Use-MCC-System

Das erste Single-Use-System, das die MCC-Technologie nutzt, ist das Cadence-Bio-SMB-System von Pall Life Sciences. Das Prozessentwicklungssystem kann mit bis zu 16 Säulen, das GMP-kompatible Prozesssystem mit bis zu acht Säulen betrieben werden. Die patentierte Single-Use-Ventilkassette erlaubt das einfache Hinzufügen von Säulen, da die notwendigen Verbindungen bereits vollständig in der Kassette vorhanden sind. Zusätzlich erlaubt die Kassette den vollautomatischen Betrieb verschiedener chromatographischer Prozesse wie Affinität, Ionenaustausch Hydrophobe Interaktion oder Größenausschluss.

Fallstudie Industrie: Von der Entwicklung in die Produktion

Mark Brower (Merck & Co. Inc, Kenilworth, US) hat in seinem Team die Cadence-Bio-SMB-Technologie evaluiert [3]. Dazu wurde eine Protein-A-Chromatographie eines monoklonalen Antikörpers auf Kaneka Kancap A zuerst vom Batch-Prozess auf das Bio-SMB-Prozessentwicklungssystem übertragen und anschließend auf das GMP-kompatible Prozesssystem Cadence Bio SMB Process 350 skaliert. Basierend auf den Breakthrough-Daten wurde ein Prozess mit fünf Säulen erstellt, bei dem mit einer Kontaktzeit von drei Minuten eine Bindungskapazität von 46,3 g/L erzielt wird. Dieser Prozess wurde für acht Zyklen auf 5-mL-Säulen im PD-System und für 13 Zyklen auf 0,77-L-Säulen im Prozesssystem gefahren.

Bildergalerie

Innerhalb von elf Stunden konnten 400 L gereinigter Zellkulturüberstand mit einer Produktkonzentration von 4 g/L mit insgesamt 3,85 L Protein-A-Sorbens aufgereinigt werden. Die Daten zeigen eine sehr gute Vergleichbarkeit zwischen dem Prozessentwicklungsmaßstab und dem Prozessmaßstab und legen mehrere wirtschaftliche Vorteile offen: Im Vergleich zum Batch-Prozess konnte die spezifische Produktivität um den Faktor 3,5 gesteigert werden (von 13 auf 56 g/L/h) und der Sorbensverbrauch um 80% reduziert werden. Der Transfer des Batch-Prozesses auf die beiden Bio-SMB-Systeme erfolgte in weniger als drei Wochen.

Fallstudie Forschung: Kontinuierliches DSP

Das Ziel dieser Studie in der Prozessentwicklung war es, die Downstream-Processing (DSP)-Plattform zur Aufreinigung eines Antikörpers in einen kontinuierlichen Prozess zu übertragen [4]. Dabei wurden vier Aufreinigungsschritte auf zwei Cadence-Bio-SMB-PD-Systemen kombiniert: Protein-A-Chromatographie, Virusinaktivierung, Flow-Through-Anionaustausch-Chromatographie (AEX) und Mixed-Mode-Kationenaustausch-Chromatographie (MMCEX). Mit der Plattform konnten 25 L Feed in weniger als zwölf Stunden aufgereinigt werden.

Der Transfer der Plattform auf eine kontinuierliche Prozessführung steigerte die spezifische Produktivität der Protein-A- und der MMCEX-Chromatographie um den Faktor 3,8 bzw. den Faktor 10. Somit konnte der Sorbentienverbrauch im Vergleich zum Batch-Prozess um mehr als 95% reduziert werden. Zudem ließ sich die Fläche der AEX-Membranchromatographie um 74% senken, ohne die Abreicherung von Wirtszellproteinen oder Aggregaten zu beeinflussen. Die Verantwortlichen der Studie schließen aus den Resultaten, dass die kontinuierliche Chromatographie in integrierten Prozessen eine kosteneffiziente Single-Use-Produktion ermöglicht.

Ergänzendes zum Thema
LP-Tipp – Downstream Processing (DSP)

Das Downstream Processing, auch eingedeutscht der Downstream-Prozess, bezeichnet in der Verfahrenstechnik, insbesondere der Bioverfahrenstechnik, alle Schritte der Aufarbeitung und Reinigung eines Produktes nach seiner Herstellung. Je nach Art des Prozesses unterscheidet man verschiedene Schritte wie Entfernung von Inertstoffen, Separierung des Produktes oder Verfeinerung des Produktes, die mechanische, thermische, elektrische und physiko-chemische Verfahren umfassen. Bei biotechnologischen Prozessen stellt das Downstream Processing den höchsten Anteil der Prozesskosten dar.

Fazit: Die kontinuierliche Mehrsäulenchromatographie bietet vielfältige Vorteile für Prozesse in der biotechnologischen Industrie. Mehrere Fallstudien bestätigen dies für ihren Einsatz in diversen Chromatographie-Schritten zur Aufreinigung biologischer Produkte.

Literatur:

[1] Najera, M (2016), The Potential of continuous Multicolumn Chromatography. Webinar February 6 2016.

[2] Ruthven, DM (1984), Principles of Adsorption and Adsorption Processes, John Wiley & Sons, New York.

[3] Brower, M (2016), Scale-up of Continuous Chromatogrpahy using Cadence BioSMB Process System. Bio-Process International Conference, Boston US.

[4] Gjoka, X et al (2016), Transfer of a three step mAb chromatography process from batch to continuous. Journal of Biotechnology 242 (2017) 11-18.

* B. Badertscher und D. Sievers: Pall Life Sciences, 63303 Dreieich

(ID:44979887)