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Bioprocessing Neue Dimensionen im Bioprocessing

Autor / Redakteur: Claudia Hüther-Franken* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Bioreaktoren sind ein zentrales Werkzeug für die Entwicklung und Herstellung vieler biopharmazeutischer Produkte. Insbesondere in der tierischen Zellkultur halten zunehmend Single-Use-Produkte Einzug. Die Anforderungen an die Systeme sind hoch, ein weiter Volumenbereich hilfreich.

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(Bild: Eppendorf)

In einem wachsenden und immer kompetitiver werdenden biopharmazeutischen Markt ist die konsequente Prozessoptimierung über sämtliche Schritte bis hin zur Produktion ein Schlüssel zum Erfolg. Um das Potenzial niedrigerer Prozesskosten, kürzerer Entwicklungszeiten und höchster Produktqualität voll auszuschöpfen, bedarf es integrierter, umfassender Lösungen im Bereich Bioprocessing.

Bereits seit 2007 setzt auch das Hamburger Unternehmen Eppendorf auf die kontinuierliche strategische Erweiterung seines Engagements im Bereich der Bioprozess-Technologie. Nach der Integration der Produktlinien von New Brunswick Scientific wird seit Januar 2012 durch die Eingliederung der Jülicher Dasgip Information and Process Technology in den Eppendorf-Konzern die ganze Breite dieses Anwendungssegmentes erschlossen.

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Anwender können nun im Bereich Single-Use-Bioreaktoren auf eine Produktpalette zurückgreifen, welche mit Volumina von 100 ml bis 50 l die gesamte Breite von Early Stage Process Development bis hin zu Pilot Scale abdeckt. Alles aus einer Hand bedeutet auch: Ein Ansprechpartner für das Bioprocessing in dem weltumspannenden Service- und Vertriebsnetz von Eppendorf.

Darüber hinaus führt die Bündelung der technologischen Kompetenzen (Eppendorf unter anderem im Bereich anspruchsvoller Polymerprodukte, New Brunswick auf dem Gebiet von Einweg-, Glas- sowie Edelstahl-Bioreaktoren und Dasgip bei parallelen Bioreaktorsystemen und umfassenden Softwarelösungen) in einem Unternehmen zu Synergieeffekten und legt die Basis für neue Produktentwicklungen.

Einweg-Bioreaktoren

Bioreaktoren sind ein zentrales Werkzeug für die Entwicklung und Herstellung zahlreicher biopharmazeutischer Produkte, beispielsweise von Impfstoffen und therapeutisch oder diagnostisch eingesetzten Proteinen sowohl aus prokaryotischen als auch eukaryotischen Zellsystemen. Dabei sind die Anforderungen an das Bioreaktorgefäß selbst wie auch an das Steuerungs- und Kontrollsystem hoch.

Es gilt nicht nur, Prozessparameter wie Agitation, Temperatur, pH-Wert, Sauerstoffpartialdruck, Nährstoffkonzentrationen usw. möglichst präzise im Optimum zu halten. Auch die Sterilität der eingesetzten Gefäße und Sensoren ist absolut essenziell. Insbesondere in der tierischen Zellkultur werden dabei die konventionellen autoklavierbaren Rührreaktoren aus Glas zunehmend durch Single-Use-Produkte ersetzt, da diese eine Reihe von Vorteilen bieten. In erster Linie sind hier die leichtere Handhabbarkeit sowie der Entfall zeitaufwändiger Reinigungs-, Sterilisierungs- und Montageschritte zu nennen.

Nach dem jüngsten Zuwachs in der Produktpalette ist Eppendorf in der Lage, gerührte Festwand-Einweg-Bioreaktoren (Rigid Wall) in einem Volumenspektrum von 100 ml bis 50 l anzubieten. Durch jahrzehntelange Erfahrung im Bereich der Polymerproduktefertigung besitzt Eppendorf ein umfassendes Know-how, das sich in der hohen Qualität der aus Polystyrol oder Polycarbonat gefertigten Komponenten widerspiegelt. Alle medienberührenden Teile wie Wandungen, Impeller, Sensoren usw. sind gemäß den weltweit führenden Standards für Medizinprodukte, den Bestimmungen der United States Pharmacopeia (USP) Class VI, zertifiziert.

Die Produktlinie Celligen BLU für den Single-Use-Ensatz

Mit der Produktlinie Celligen BLU von New Brunswick deckt Eppendorf eine umfassende Bandbreite ab, die bereits bei einem Arbeitsvolumen von 1,25 l beginnt und bis zu einem Gefäßvolumen von 50 l reicht. Es handelt sich hierbei um Benchtop-Bioreaktoren, welche den Komfort eines Einweg-Systems mit der zuverlässigen Performance, der fortgeschrittenen Prozesssteuerung und der Skalierbarkeit eines Rührkesselreaktors verbinden und die sich sowohl in der Forschung als auch in der Produktion einsetzen lassen. Mittels der fortgeschrittenen RPC- (Reactor Process Controller) Software werden bis zu 32 Prozessparameter überwacht und eingebaute Zuverlässigkeit gewährleistet.

Die austauschbaren Einweg-Reaktoren sind in den Gesamtvolumina 5, 14 und seit Sommer 2012 auch 50 l erhältlich. Die Steuerungseinheit verfügt über insgesamt acht Gaszufuhrmöglichkeiten (submers und Oberflächenbegasung) durch Gasmixmodule und Gas-Regelung durch einen thermischen Massendurchflussregler. Drei integrierte Pumpen, Temperatur-, pH- und Gelöstsauerstoffkontrolle, Gasmischer und sieben analoge Ein- und Ausgänge runden das System ab. Die nach USP-Class-VI-Standard produzierten Reaktorkomponenten sind darüber hinaus frei von tierischen Materialien und erfüllen GMP-Anforderungen.

Sie verfügen über Submers-, Oberflächen- und Abluft-Filter sowie Aufnahmeöffnungen für pH-, Gelöstsauerstoff- und Temperatursonden sowie zur Flüssigkeitszufuhr und -entnahme sowie Zellernte. Alle drei Größen des Celligen-BLU-Bioreaktors sind mit Schrägblattrührer erhältlich, der 5-l-Reaktor ist zusätzlich auch mit einer Impeller-Packung aus Fibra-Cel-Disks verfügbar. Die bewährte Fibra-Cel-Disk-Technologie ermöglicht es, auch adhärierende Zelltypen zu kultivieren, was das Einsatz-Spektrum des Systems zusätzlich erweitert.

Eppendorf-Kunden können dabei die Vorteile des Celligen-BLU-Systems nutzen, ohne zwangsläufig einen weitgehenden Austausch der vorhandenen Laborinfrastruktur durchzuführen: Maßgeschneiderte Adaptersysteme ermöglichen es, diese Bioreaktoren an ursprünglich für Rührreaktoren aus Glas entwickelten Kontrollsystemen unterschiedlicher Hersteller zu betreiben.

Mini-Bioreaktorsystem

Eppendorf bietet mit der Dasbox von Dasgip ein neues Mini-Bioreaktorsystem mit minimalem Platzbedarf an. Als modulares 4-fach paralleles System mit Arbeitsvolumina von 60 bis 250 ml bietet es dabei höchste Flexibilität für die Bioprozessentwicklung. Dasbox-Module können einfach aneinander gereiht werden und erlauben so den parallelen Betrieb von 32 und mehr Mini-Bioreaktoren, wobei gleichzeitig pro Reaktor nur 7,5 cm Benchbreite benötigt werden. Ein 16-fach-System beansprucht so lediglich zwei Meter auf der meist raren Laborbankfläche. Das derzeit kompakteste, voll funktionale Industriestandard-Bioreaktorsystem für die tierische Zellkultur und Mikrobiologie am Markt erlaubt Anwendern eine hohe Flexibilität bei der Steigerung ihres experimentellen Durchsatzes, sowohl im Screening als auch in der frühen Prozessentwicklung. Mit der im Juni 2012 erfolgten Vorstellung des Bioblu 0.4c Single Use Vessel bietet Eppendorf jetzt erstmals ein Einweg-Bioreaktorsystem für die parallele Prozessführung an. Insbesondere für den Anwender in der Zellkultur werden so die Vorteile von Einweg-Systemen mit den Vorzügen der parallelen Kultivierung und der vollen Funktionalität industrieller Bioreaktoren verbunden.

Neben der Kontrolle und Regelung aller kritischen Prozessparameter über Sonden nach Industriestandard verfügen die Bioblu 0.4c Single Use Vessel über integrierte Dip-Tubes zur kontrollierten Zugabe von Flüssigkeiten, Probennahme sowie massendurchflussgeregelte Oberflächen- und/oder Submers-Begasung und nicht zuletzt einen magnetgekoppelten Rührerantrieb. Vollkommen neu ist die flüssigkeitsfreie Peltier-Temperierung und Kondensation des Bioblu 0.4c Single Use Vessels, wodurch unter anderem das vollständige Kondensieren der Abluft gewährleistet ist. Eppendorf setzt mit dieser Neuentwicklung einen weiteren Meilenstein bei der Übertragung der Ansprüche der klassischen Bioreaktortechnologie in die Single-Use-Technologie.

Mit der Dasbox können Bioprozesse präzise, reproduzierbar und verlässlich kontrolliert werden. Ebenso wichtige Basis für effektives Up-Scaling sind auch die umfangreichen Dasware-Software-Lösungen von Dasgip, welche ein umfangreiches Daten- und Informationsmanagement sowie statistische Versuchsplanung (Design of Experiment) ermöglichen. Das von der FDA geforderte Prinzip Quality by Design (QbD) wird durch das Dasware-Softwarepaket konsequent unterstützt. Die Dasbox bietet optimale Automatisierungsmöglichkeiten durch die Integration von externen Analysegeräten und lässt sich mit Dasware remote sowohl über den PC und Notebook als auch iPhone und iPad steuern.

Paralleles Bioreaktorsystem

Eppendorf-Kunden können nicht nur im Arbeitsvolumenbereich bis 250 ml auf passende Lösungen für die Parallelsteuerung von Bioreaktoren zurückgreifen. Das Parallel-Bioreaktor-System von Dasgip für die Zellkultur und Mikrobiologie ermöglicht die parallele Prozessführung von vier, acht oder 16 Glas-Bioreaktoren mit Arbeitsvolumina zwischen 35 ml beziehungsweise 60 ml und 4 l. Zudem können mit dem Zellkultursystem auch CelligenBLU-5l Single-Use-Reaktoren parallel betrieben werden. Die bereits dargestellten Vorzüge des CelligenBLU-Gefäßes sind dabei eingebettet in die bewährte Dasgip-Prozesskontrollumgebung mit ihren umfangreichen Optionen für die Informationsverarbeitung.

Die Steuersoftware Dasgip Control ermöglicht nicht nur den parallelen Betrieb und die parallele Kalibrierung der Reaktoren, sondern bietet auch umfangreiche Optionen des Rezepturmanagements sowie automatisierten Datenexport im Excel-Format, welche zur Beschleunigung der Prozessentwicklung beitragen. Wie auch beim kleinen Bruder, der Dasbox, lassen sich über die Funktionalität der Dasware Software Suite zentrale Elemente des Quality by Design (QbD) wie das Design-of-Experiment- (DoE) Prinzip oder die Anbindung von Analysatoren in das Steuerungssystem integrieren.

Single-Use- und Glasreaktoren

Das durchgängige Informationsmanagement der Dasware Suite steht mit der Dasware migrate Software jetzt auch für die New Brunswick Benchtop Controller zur Verfügung. Sie ermöglicht den gemeinsamen Betrieb von Celligen-BLU Single-Use-Einheiten, sowie den bewährten Bioflo/Celligen 115 und 310 Glasrührreaktoren von New Brunswick. Die gemeinsame Rezeptur- und Prozessdatenverwaltung, -überwachung und -darstellung erfolgt dabei über eine einzige Benutzerschnittstelle.

Prozessentwicklung

Mit der Dasware Suite bietet Eppendorf ein Paket intelligenter und flexibler Software-Lösungen, welche die Prozessentwicklung erleichtern und beschleunigen. Im Zusammenwirken mit dem breiten Produktspektrum von Single-Use-Reaktoren im Bereich von 100 ml bis 50 l bieten Sie dem Anwender ein hohes Maß an Flexibilität, Skalierbarkeit, Zuverlässigkeit und Zeitersparnis.

Das Dasware-Paket ermöglicht die Vernetzung von Bioreaktoren und externen Geräten, ein umfassendes Daten- und Informationsmanagement, vollständige Versuchsplanung und die Fernbedienung von Prozessen, wobei es sowohl auf dem Dasgip Parallel-Bioreaktor-System, den New Brunswick Benchtop Controllern als auch auf Steuergeräten von Fremdanbietern eingesetzt werden kann. Durch die Vernetzung aller Schritte von Rezepturmanagement, Prozess- und Produktanalyse, Datenerzeugung, -auswertung und -speicherung ermöglicht die Dasware Suite ein Streamlining der Prozessentwicklung im Benchtop-Maßstab gemäß QbD-Standards:

  • Dasware access sorgt für Freiheit und Flexibilität in der Prozessteuerung. Fernabfrage und -steuerung der Kontrolleinheit durch einen oder mehrere Clients ist individuell konfigurierbar, wobei eine Fülle von Übertragungsstandards und Endgeräten bis hin zur Iphone/Ipad-App, optional mit Webcamüberwachung, unterstützt werden.
  • Dasware analyze ermöglicht die reibungsfreie Integration von Laborinstrumenten in das Bioreaktorsystem. Ein breites Spektrum an Analysegeräten unterschiedlicher Anbieter kann eingebunden werden. Darunter finden sich Zellzähler, Autosampler, HPLC oder Massenspektrometer, und seit neuestem auch Inline-Sensorik wie die Raman-Spektrographie. Das OPC-Netzwerkprotokoll erlaubt dabei die nahtlose Integration der Messwerte in die Steuerung, sodass sich beispielsweise Nährstoff- oder Produktkonzentrationen sowie Biomasse nicht nur anzeigen sondern über Feedpumpen sogar regeln lassen.
  • Dasware connect bindet sowohl das Dasgip Parallel-Bioreaktor-System als auch Kontrolleinheiten anderer Anbieter in industrielle Prozessleit- und Datenarchivierungssysteme ein. Es erleichtert den unternehmensweiten Zugriff auf alle Prozessdaten wie Soll- und Ist-Werte, Zufuhrprofile, Kalibrierungswerte oder Alarmzustände.
  • Dasware design: Die Dasgip-Parallel-Bioreaktor-Systeme sind eine ideale DoE-Plattform (DoE, Design of Experiment). Dasware design kompiliert automatisch experimentelle Designs aus DoE-Tools verschiedener Anbieter und erstellt daraus individuelle Rezepte für die einzelnen Bioprozesse. Durch das Point-Click-Grow-Verfahren genügt dabei ein einziger Mausklick um alle Experimente parallel zu starten.
  • Dasware discover gestattet es, Reaktorläufe zu analysieren und zu vergleichen (Batch to Batch Comparison) sowie den Quasi-Echtzeit-Abruf von Laufzeitdaten über einen SQL-Server. Ein eingebetteter Report-Generator liefert Rezeptur-, Prozess- und Ereignisdaten, sowie individuelle Charts auf Basis einer einmal erstellten Vorlage. Die Dokumentation wird so zum Kinderspiel, ein Knopfdruck genügt.
  • Dasware migrate integriert Bioreaktor-Controller von Drittanbietern und macht die dargestellten umfassenden Features des Dasware-Paketes auf diesen nutzbar. Darüber hinaus wird die reibungsfreie Anbindung der Dasgip-Peripherie-Geräte (GA4 Abgasanalysator, OD4 Biomass Monitor sowie Präzisionsmultipumpe MP8 und Gasmixer MX4/4) an diese Kontrolleinheiten ermöglicht.

* C. Hüther-Franken: DASGIP Information and Process Technology GmbH, ein Unternehmen der Eppendorf AG, 52428 Jülich

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