Einwegprozesslösung

Einwegprozesslösungen werden zur Herstellung biopharmazeutischer Produkte verwendet. Weltweit führender Anbieter ist derzeit die Sartorius Stedim Biotech, die komplette Lösungen von Einwegsystemen für ganze Prozesslinien vertreibt. Diese umfassen: Medien- und Pufferherstellung, Bioreaktoren, Zellernte, Filtration, Aufreinigung und Virusinaktivierung. Andere Anbieter wie Millipore, GE Healthcare oder Thermo Scientific haben ebenfalls viele derartige Produkte auf dem Markt, können damit aber noch keine kompletten Prozesslinien bestücken.

Einweg-Medien- und Pufferherstellung

Für biotechnische Prozesse werden diverse definierte Medien benötigt, dazu zählen Nährlösungen für die Zellen, Puffer zur pH-Wert Stabilisierung, sowie Säuren und Basen für die Einstellung und Regelung des pH-Werts während der Kultivierung. Alle verwendeten Medien müssen vor ihrer Verwendung sterilisiert werden. Dazu kommen in der Biotechnologie im Wesentlichen zwei Verfahren zum Einsatz, die Hitze-Sterilisation bei 121 °C bei 1 bar Druck und die Sterilfiltration. Für Medien, die hitzeempfindliche Komponenten wie Vitamine, Proteine und Peptide enthalten ist die Sterilfiltration die Methode der Wahl. Der Unterschied von Einweg Medien- und Pufferherstellung zu konventionellen Verfahren liegt in der Verwendung entsprechender Einwegprodukte die speziell für diesen Zweck entwickelt wurden, z. B. spezieller Beutel und Einwegfilter sowie entsprechende Pumpen. Die verwendeten Filter sind im Gegensatz zu konventionellen Filtern vorsterilisiert. Teilweise sind Beutel, Filter und Pumpenkopfe als komplettes Einweg-System, bereits miteinander verbunden. Das gesamte System wird verbunden und vorsterilisiert geliefert um Kontaminationen zu vermeiden. Die Porengröße von Sterilfiltern liegt im in der Regel unterhalb von 0,2 µm.

Einwegbioreaktoren

Ein Einwegbioreaktor ist ein Bioreaktor aus Einwegmaterial der vornehmlich für die tierischen Zellkulturtechnik zur Herstellung biopharmazeutischer Produkte eingesetzt wird.

Einwegzellernte

Im Rahmen eines biotechnologischen Herstellungsverfahrens schließt sich an die Kultivierung die Zellernte an. Im Allgemeinen werden die Wirkstoffe von den Zellen ausgeschieden und befinden sich nach der Fermentation im Kulturmedium. Als erster Schritt der Aufarbeitung des Produkts werden Zellen und Zellbruchstücke mittel einer Tiefenfiltration abgetrennt. Im Wesentlichen besteht eine Einweg-Zellernte aus einem Tiefenfilter, d. h. einem Filter aus einem Material, das in der Lage ist die Zellen und Zellbruchstücke zurückzuhalten. Oft besitzen Tiefenfilter eine Kombination aus verschiedenen Filtermaterialien z. B. Glasfasern und Polypropylen (fraktionierte Tiefenfiltermembran) die Rückhaltung von Partikeln gewährleistet. Sie sind ideal für die Klärung und Vorfiltration vor der Membranfiltration geeignet. Absorbierende Tiefenfilter wurden für die Entfernung von Kontaminanten wie Colloiden, Lipiden, Proteinagregaten und Partikeln von biopharmazeutischen Flüssigkeiten entwickelt. Sie werden zum Schutz von Membranfiltration, Chromatographie und Ultrafiltrationssystemen in pharmazeutischen und biotechnologischen Produktionsprozessen verwendet. Das Filtrat wir in einem Palletank gesammelt. Das Vorlagegefäß kann entweder der Einwegbioreaktor sein oder ein weiterer Palletank sein. Der Flüssigkeitstransport erfolgt mittels einer Pumpe mit einem vorsterilisierten Pumpenkopf, der Teil eines Systems aus vorsterilisiertem Beutel und Schläuchen ist.

Einwegaufreinigung

Bei einer Einwegprozesslösung werden die aufzuarbeitenden Lösungen zumeist in speziellen Beuteln zwischengespeichert und dann, je nach Verfahrensschritt, durch oder über die Filter- oder Chromatographie-Membranen gepumpt. Die aufgereinigte Lösung wird dann in einem weiteren Palletank gesammelt. ein kompletter Verfahrenschritt besteht daher aus einem Palletank als Vorlage, einem Pumpenkopf, der Membran (Filter- oder Chromatographie) und einem Palletank, Beutel zum aufnehmen des Produkts. Alle Komponenten sind mit Schläuchen verbunden. Das System ist in sich abgeschlossen und komplett vorsterilisiert. Um solche Systeme herstellen zu können mussten erhebliche Entwicklungen geleistet werden, da alle Komponenten sterilisierbar sein müssen ohne ihre Filter- und Trennleistung zu verlieren. Weltmarktführer bei Einwegprozesslösung ist die Sartorius Stedim Biotech GmbH ^[1].

Spezielle Einwegentwicklungen

Neben den vorgenannten Einweg-Verfahren von denen jedes für sich genommen auf einer verfahrenstechnischen Grundoperation beruht, wurden in der Welt der biopharmazeutischen Einwegproduktion spezielle Methoden und Geräte entwickelt die überwiegend nur hier zum Einsatz kommen wie z.B. sterile Kupplungen und FlexAct, BioWelder und BioSealer der Sartorius Stedim Biotech GmbH ^[2].

Sterile Verbindungen

Die verfügbaren Einwegprozesslösungen sind jede für sich als abgeschlossenes Modul zu betrachten. Im Rahmen eines Einwegproduktionsprozesses werden die für die Erzeugung und Aufreinigung des Zielprodukts notwendigen verfahrenstechnischen Grundoperationen hintereinander geschaltet. Die vorkonfigurierte Einweg-Systeme die aus Schläuchen, Palletanks, Pumpenköpfen sowie Filtrations- oder Chromatographiemodulen bestehen, sind in sich geschlossen. Zur Verbindung zweier aufeinanderfolgender Verfahrensschritten werden daher sterile Verbindungstechnologien, in der Regel Schlauchverbindungen, benötigt. Es existieren einerseits mechanische Einweg-Kupplungen z. B. der Opta SFT Sterile Connector ^[3], andererseits gibt es Geräte mit der thermoplastische Schläuche steril zusammengeschweißt werden können oder bestehende Verbindungen steril durchtrennt und die Schlauchenden verschweißt werden können (BioSealer / BioWelder ^[4]).

Für Verbindungen durch eine Wand hindurch wurde z. B. das SART System ^[5], Sartorius Aseptic Rapid Transfer System, entwickelt.

Modulare Einweggrundoperationen

Es existiert eine überschaubare Anzahl verfahrenstechnischer Grundoperationen die im Rahmen einer Biopharmazeutischen Produktion benötigt werden. Im Rahmen der Einwegprozesslösungen müssen die Systeme bestehend aus Palletank, Schläuchen und Pumpenkopf vernünftig gehandhabt werden. Daraus hat sich die Entwicklung von Modularen Trägern ergeben auf denen sowohl eine Pumpe (passend zum Pumpenkopf), diverse Anschlüsse für Sensoren als auch eine Prozesssteuerung integriert sind. Ferner können die Filtrations- oder Chromatographie-Module an dem Träger befestigt werden. Der Träger ist in aller Regel ein Laborwagen, so dass die gesamte modulare Einheit in der biopharmazeutischen Produktionsstätte bewegt werden kann. Solche Lösungen werden mittlerweile von allen großen Herstellern angeboten. Zu nennen sind FlexAct ^[6] der Sartorius Stedim, die Mobius FlexReady ^[7] Systeme von Millipore und die ReadyCircuit Assemblies ^[8] von GE Healthcare.

Vorkonfigurierte Einwegprozesse

Auf Grund der Standardisierung und der vertiefen Kenntnisse der Prozesse sowie der vorhandenen, konfigurierbaren und skalierbaren modularen Einweg-Grundoperationen, lag es nahe komplette Einwegproduktionsprozesse ^[9] auszulegen. In der einschlägigen Industrie spricht man von Total Solution Providern ^[10] oder Integrated Solution Konzepten (Sartorius Stedim Biotech GmbH) oder ReadyToProcess ^[11] (GE Healthcare).

Quellen

1. ↑ Total Solution Provider
2. ↑ Single Use Technologies
3. ↑ Opta® SFT Sterile Connector
4. ↑ BioSealer™ / BioWelder™
5. ↑ SART System™
6. ↑ FlexAct®
7. ↑ Mobius FlexReady
8. ↑ ReadyCircuit
9. ↑ Einwegproduktionsprozesse
10. ↑ Total Solution Provider
11. ↑ Process

Siehe auch

• Einwegbioreaktor
• Pharmazeutische Biotechnologie