13.04.2021 | Forschung trifft Praxis

Single-Use-Systeme

Eine Charakter(isierungs)frage

Der Fokus liegt auf

  • Einem standardisierten Katalog experimenteller Methoden, um relevante Parameter für die Charakterisierung von Single-Use-Bioreaktoren und -Mischern zu ermitteln
  • Der Evaluierung und Validierung dieser Methoden
  • Modellen und Kriterien für die Charakterisierung und die Skalierung von Single-Use-Bioreaktoren und -Mischern, vor allem für den Massentransfer

Im Labor sind Einweg-Bioreaktoren die Regel, jetzt werden sie auch im Produktionsmaßstab immer beliebter.

Charakterisierung aus verfahrenstechnischer Sicht

Derzeit sind eine Vielzahl von Einweg-Bioreaktoren und -Mischern mit Volumina bis zu 6.000 l (bei Bioreaktoren) oder 5.000 l (bei Mischern) auf dem Markt verfügbar. Sie unterscheiden sich je nach Energiezufuhr, Mischtechnik und Gaszuführung. Deshalb ist es nicht ganz einfach, sie zu vergleichen oder ein System für eine geplante Anwendung auszuwählen. Diesen Fragen widmet sich die neue Veröffentlichung „Recommendations for process engineering characterisation of single-use bioreactors and mixing systems by using experimental methods (2nd edition)”. Die Autoren sind Mitglieder der DECHEMA-Fachgruppe “Single-Use-Technologie in der biopharmazeutischen Produktion“, in der Experten aus Industrie und Forschungseinrichtungen zusammenarbeiten, um die Community mit fundierten Leitfäden zu versorgen. Diese Empfehlungen sollen den Vergleich von Single-Use-Bioreaktoren und -Mischern sowohl untereinander als auch mit herkömmlichen Glas- und Edelstahl-Bioreaktoren erleichtern. Dabei kommen standardisierte Testmethoden zum Einsatz, die Herstellern und Anwendern objektive Vergleichskriterien an die Hand geben.

Die anerkannten Standard Operation Procedures, die in der Veröffentlichung beschrieben werden, liefern den Anwendern einheitliche Methoden zur Charakterisierung von Single-Use-Bioreaktoren und -Mischern aus verfahrenstechnischer Sicht. Sie können auch auf wiederverwendbare Systeme angewendet werden.

Die Methoden eignen sich für Single-Use-Systeme verschiedener Größe und Ausführung und sowohl für Zellkulturen als auch mikrobielle Anwendungen. Gegenüber der ersten Auflage der Publikation wurde eine neue Methode zur Ermittlung des volumetrischen Massentransfer-Koeffizienten (kLa-Wert) aufgenommen und in einer allgemeingültigen Version formuliert. Die experimentelle Ermittlung entspricht jetzt der zugrundeliegenden Theorie des Massentransfers, wie sie in gängigen Lehrbüchern zum Thema dargestellt wird. Um die Nutzer von Single-Use-Ausrüstung bei der Anwendung der neuen Messmethode für den kLa-Wert zu unterstützen, hat die Arbeitsgruppe ein MS-Excel-Rechentool entwickelt.

"Single-Use-Systeme sind besonders für Säugerzellkulturen beliebt."

Charakterisierung aus biologischer Sicht

Die verfahrenstechnische Charakterisierung ist sehr wichtig – aber sie liefert oft nur Informationen zum idealen Bioreaktor-Design oder zur Skalierung. Die biologisch-mikrobielle Charakterisierung ist dazu eine nützliche Ergänzung. Der Schwerpunkt dieses Ansatzes liegt auf der Evaluierung und dem Vergleich der biologischen Leistung eines Systems.

Indem ein Modellorganismus in Kombination mit einer standardisierten Kultivierungsstrategie genutzt wird, lässt sich die Eignung eines Bioreaktors für einen bestimmten Prozess aus biologischer Perspektive einschätzen. Die DECHEMA-Arbeitsgruppe „Single-Use Microbial“ innerhalb der „Single-Use-Technologie in der biopharmazeutischen Produktion“ hat dazu einen Standard-Modell-Prozess mit Escherichia coli entwickelt. Dieser Mikroorganismus ist leicht verfügbar, wächst schnell und ist für die biopharmazeutische Industrie sehr wichtig. Ein klassisches Medium und ein definierter Prozess unter realen und standardisierten Bedingungen, bei dem die Substratkonzentration über die Zeit verändert wird, ermöglicht außerdem, den Einfluss des Sauerstoffs zu untersuchen. Die klassische Methode zur Bestimmung des kLa-Wertes gemäß dem verfahrenstechnischen Ansatz kann zu Problemen bei hoher Sauerstoffzufuhr führen. Das liegt an der oft langsamen Reaktionszeit der pO2-Sonde, die die Messergebnisse stark verfälschen kann und damit den Messbereich einengen kann. Das ist besonders bedeutsam, weil mikrobielle Prozesse hinsichtlich des Sauerstofftransfers besonders hohe Ansprüche an das Bioreaktor-System stellen. Mit dem E.coli-Modellprozess lassen sich diese Probleme überwinden und der kLa-Wert während der Kultivierung ermitteln. Außerdem kann gleichzeitig auch die Wärmeabführung untersucht werden. Der E.coli-Modellprozess ist ein einfacher Batchprozess, der innerhalb eines Arbeitstages abgeschlossen werden kann. Auch hierzu ist ein Excel-Tool für die standardisierte Auswertung verfügbar. Mit diesem Ansatz lassen sich Single-Use- und Mehrweg-Systeme unter realen Prozessbedingungen vergleichen und verschiedene wachstumsbezogene Parameter untersuchen und auswerten.

-Recommendations for process engineering characterisation of single-use bioreactors and mixing systems by using experimental methods (2nd Edition), DECHEMA, Dezember 2020

-Recommendation for biological evaluation of bioreactor performance for microbial processes (2nd Edition), DECHEMA, September 2019

Autorin: Dr. Karin Tiemann, Themensprecherin "Pharma”, DECHEMA e.V.

Einer aktuellen Studie zufolge wird der Markt für Single-Use-Systeme für die biopharmazeutische Produktion bis 2027 rund 33 Milliarden Dollar umfassen. Die schnelle Marktdurchdringung wirft praktische Fragen zur Auswahl und Charakterisierung von Single-Use-Systemen auf.

In den vergangenen 15 Jahren haben sich Single-Use-Systeme zu einem integralen Bestandteil der biopharmazeutischen Produktion entwickelt. Heute sind sie in unterschiedlichsten Größen und Spezifikationen und für viele verschiedene Prozesse erhältlich. Single-Use-Technologie spielt besonders im Labor- und Pilotmaßstab eine wichtige Rolle, aber auch in der Produktion von Biopharmazeutika und Biosimilars. Auch Strategien für die kontinuierliche Produktion in Single-Use-Systemen werden immer relevanter. Das wichtigste Anwendungsgebiet ist die Herstellung von protein-basierten Biotherapeutika aus Säugerzellkulturen. Aber sie werden auch zur Kultivierung von pflanzlichen Zellkulturen, Mikroorganismen und Algen eingesetzt, ebenso wie für spezielle Produkte in der Lebensmittel- und Kosmetikindustrie. Die schnelle Entwicklung einer breiten Palette von Technologieangeboten hat zu neuen Fragen geführt: Wie wählen Anwender die passende Ausrüstung aus? Wie lassen sich verschiedene Single-Use-Systeme untereinander und mit „konventionellen“ Anlagen vergleichen?

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