Die Herausforderung der Bioprozessüberwachung
Bei Bioproduktionsprozessen unter Verwendung von Säugetierzellen (z. B. Eierstockzellen des Chinesischen Hamsters oder CHO-Zellen) ist die Aufrechterhaltung einer strengen Kontrolle der Nährstoffkonzentrationen für die Zellgesundheit, das Wachstum und die Proteinexpression von entscheidender Bedeutung. Die primäre Kohlenstoffquelle, Glukose, muss innerhalb eines strengen Konzentrationsbereichs gehalten werden. Eine Erschöpfung führt zum Zellmangel und schränkt die Produktivität ein, während ein Überschuss an Glukose eine Stoffwechselveränderung auslöst, die zur Anhäufung toxischer Nebenprodukte wie Laktat und Ammonium führt, die das Zellwachstum hemmen und die Produktqualität verschlechtern.
Traditionell basiert die Überwachung von Zellkulturen auf Offline-Analysen. Die Bediener entnehmen alle 12 bis 24 Stunden manuell Proben aus dem Bioreaktorgefäß und lassen sie durch Nasschemie-Analysegeräte oder HPLC-Systeme laufen. Diese Offline-Methode weist erhebliche Einschränkungen auf:
- Probenahmerisiko:Das Öffnen der Sterilbarriere des Bioreaktors erhöht das Risiko einer Gefäßkontamination.
- Geringe zeitliche Auflösung:Starke Metabolitenspitzen oder -abfälle, die zwischen den Probenahmeintervallen auftreten, bleiben völlig unentdeckt.
- Manuelle Verzögerung:Fütterungsanpassungen erfolgen immer reaktiv und basieren auf historischen Stichprobenwerten und nicht auf dem tatsächlichen Echtzeitbedarf.
„Die Echtzeitverfolgung kritischer Prozessparameter (CPPs) ermöglicht es Bioprozessingenieuren, von manuellen, rezeptgesteuerten Zuführungen zu rückkopplungsgesteuerten Zuführungsschleifen zu wechseln und so den Zellstoffwechsel direkt zu stabilisieren.“
Hygienische Inline-FT-NIR-Implementierung
Um eine kontinuierliche Überwachungsschleife einzurichten, hat der Hersteller einen Analysator ProLine2550 FT-NIR integriert, der mit einer hygienischen, autoklavensicheren Saphir-Tauchsonde ausgestattet ist. Die Sonde wurde direkt in die Kopfplatte des Bioreaktors eingeführt, wobei ein standardmäßiger PG13,5-Anschluss mit EPDM-Dichtungen verwendet wurde, die den EHEDG-Richtlinien entsprechen.
Nahinfrarotes Licht gelangte über Glasfasern zur Sondenspitze, wo es durch die Zellkulturbrühe gelangte. Ein hochauflösender InGaAs-Detektor liest alle 15 Minuten die Transmissionsspektren aus. Die Spektraldaten wurden zur chemometrischen Vorhersage kritischer Prozessparameter (CPPs) in die caliX Suite eingespeist.
Modellvalidierung und Regelung
Mit dem caliXSuite wurden Kalibrierungsmodelle durch Korrelation von Inline-FT-NIR-Spektren mit Referenzwerten von Offline-Biochemieanalysatoren erstellt. Das caliXDie AutoML-Engine wendete die Savitzky-Golay-Vorverarbeitung der ersten Ableitung und die Standard-Normalvariaten-Filterung (SNV) an, um Lichtstreuung zu beseitigen, die durch unterschiedliche Zelldichte (Trübung) verursacht wird. Die Validierungsstatistiken belegen die Genauigkeit auf Laborniveau:
| Analytparameter | Kalibrierungsbereich | Validierungsfehler (RMSEP) | Korrelation (R²) |
|---|---|---|---|
| Glucose | 0,5 – 8,0 g/L | ≤ 0,22 g/L | 0,991 |
| Laktat | 0,0 – 6,0 g/L | ≤ 0,18 g/L | 0,987 |
| Lebensfähige Zelldichte (VCD) | 1,0 – 120,0 x 105 Zellen/ml | ± 4,5 x 105 Zellen/ml | 0,994 |
Die vorhergesagte Glukosekonzentration wurde über ProChem über eine OPC UA-Schnittstelle direkt an das SCADA-System ausgegeben. Wenn der vorhergesagte Glukosewert unter 2,0 g/L fiel, aktivierte der SCADA-Controller automatisch die Zufuhrpumpen und standardisierte den Glukosewert ohne Eingriff des Bedieners auf einen konstanten Wert von 2,5 g/L.
Betriebliche Vorteile und Qualitätsverbesserungen
Durch die Implementierung einer Echtzeit-Zuführung mit geschlossenem Kreislauf konnte die Anlage die folgenden Vorteile erzielen:
- Ertragssteigerung:Die Ausbeute an monoklonalen Antikörpern (mAb) stieg aufgrund der konsistenten Nährstoffversorgung und der minimalen Nebenprodukttoxizität um 15,2 %.
- Reduzierte toxische Ansammlung:Im Vergleich zu früheren manuellen Chargen wurden die maximalen Laktatwerte um 40 % gesenkt.
- Sterilitätssicherung:Manuelle Probenentnahmen wurden um 85 % reduziert, was die Zahl der Kontaminationsereignisse deutlich verringerte.
Abschluss
Der Einsatz von Inline-FT-NIR-Spektroskopie in Bioreaktoren verändert den Biopharma-Betrieb von der retrogressiven Probenahme zur aktiven Kontrolle. Durch die Verwendung von caliXMithilfe der chemometrischen Modelle zur Automatisierung der Fütterung können Biohersteller das Zellwachstum optimieren, die Sterilität sicherstellen und die Chargenausbeute maximieren.
Referenzen
- FDA Anleitung:PAT – Ein Rahmen für innovative pharmazeutische Entwicklung, Herstellung und Qualitätssicherung, September 2004.
- „Online-Überwachung von Glukose und Laktat in Säugetierzellkulturen mithilfe von Immersions-Nahinfrarot-Sonden“,Biotechnologie und Bioingenieurwesen, 2021.
- ASTM E2898 – Standardleitfaden für die risikobasierte Technologieauswahl und Entwicklung von Anwendungen der prozessanalytischen Technologie (PAT).
