Bioprozesse mit NIR-Nahinfrarotspektroskopie in Echtzeit überwachen

NIR-Nahinfrarotspektroskopie Bioprozesse mit NIR-Nahinfrarotspektroskopie in Echtzeit überwachen

14.03.2014Autor / Redakteur: Dr. Christian Grimm, Dr. Roland Bienert / Anke Geipel-Kern

Eine große Zahl neu zugelassener Medikamente wird heute bereits biotechnologisch hergestellt. In Verbindung mit der Chemometrie liefert die Nahinfrarotspektroskopie Echtzeit-Informationen aus dem Fermenter, die zur Prozessoptimierung genutzt werden können.

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In der „roten Biotechnologie“, wie die medizinische Biotechnologie zur Wirkstoffherstellung auch genannt wird, werden mittels gentechnisch veränderter Organismen drei wesentliche Zielproduktgruppen hergestellt: monoklonare Antikörper, therapeutische Proteine und Impfstoffe.

Dabei lassen sich einfachere Wirkstoffe durch modifizierte prokariotische Zellen, wie Bakterien o.Ä., generieren. Zur Herstellung komplexer Proteinstrukturen, wie Antikörper, benötigt man modifizierte Säugetierzellen. Deshalb unterscheidet man biotechnologische Prozesse nach Art der biotechnologischen Organismen grob in Mikroorganismen basierte Fermentationen (MO) und tierische Zellkulturen (CC). Die Art der Prozesse und damit die Anforderungen an Prozessequipment und -führung unterscheiden sich dabei drastisch.

MO-Prozesse, wie z.B. die Fermentation genetisch veränderter Bakterien, wie E.Coli oder Bacillus, sind aufgrund der Teilungs- und Stoffwechselraten mit Batchzeiten von wenigen Tagen sehr schnell. Das Fermentationsmedium ist meist komplex und enthält Varianten von Primär- und Sekundärzuckern als Kohlenstoffquelle. Zudem dienen z.B. Hefeextrakte oder Pepton als Stickstoffquelle. Aufgrund der hohen Stoffwechselrate werden solche Systeme stark gerührt und mit viel Sauerstoff versorgt.

Bei CC-Prozessen geht es etwas gemütlicher zu Werke. Tierische Zellkulturen haben Prozesszeiten von mehreren Tagen bis einigen Wochen. Als Medien werden komplett chemisch definierte Ansätze verwendet. Basierend auf einem pH-Puffer sind speziell für den verwendeten Organismus abgestimmte Spurenelemente, Vitamine und Aminosäuren zugesetzt. Als Nahrungsquellen werden Glucose und Glutamin verwendet. Die Agitation ist sehr viel moderater, da die Organismen meistens schon wegen ihrer Größe und ihrer Zellmembran sehr anfällig gegen Scherstress sind.

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