21.12.2012
NewsInterviews

Fermentationstechnologie entlang der Prozesskette: Von Klein bis Groß

  • Dr. Christel Fenge, Vice President Marketing and Product Management Fermentation, Sartorius Stedim BiotechDr. Christel Fenge, Vice President Marketing and Product Management Fermentation, Sartorius Stedim Biotech

In der pharmazeutischen Produktion haben Fermentationsprozesse die klassischen chemischen Produktionstechnologien abgelöst. Sartorius Stedim Biotech hat mit den „Cultibag“-Serien Kunstoffbeutel für den einmaligen Gebrauch in der pharmazeutischen Produktion etabliert. Für diese Innovation und das Gleichhaltungsprinzip der physikalischen Eigenschaften seiner Bioreaktorsysteme hat das Unternehmen den renommierten Frost&Sullivan Innovationspreis erhalten. Dr. Arne Kusserow sprach mit Frau Dr. Christel Fenge, Vice President Marketing and Produkt Management Fermentation.

GIT Labor-Fachzeitschrift: In unserem Gespräch wollen wir Fermentationstechnik vom kleinen Labormaßstab über Scale-up und Kleinproduktionsanlagen bis zu großen Produktionsanlagen ansprechen. Sehr geehrte Frau Dr. Fenge, wer benötigt diese Technologie und wofür?

Frau Dr. C. Fenge: Um zu verstehen, was unsere Kunden heute brauchen und dieses in Designanforderungen zu übersetzen, müssen wir zuerst verstehen, wo heutige Verfahren herkommen. Sie entstammen der Nachkriegszeit, wo die Nachfrage nach Vakzinen für Kinderkrankheiten sehr groß war. Damals hatte man Methoden gefunden, um Impfstoffe auf der Basis von Zellkulturen herzustellen.

Dann kamen „Replacement Therapeutics“ hinzu. In den 90ern monoklonale Antikörper. Um Medikamente einer breiteren Patientengruppe zugänglich zu machen, muss man im größeren Maßstab arbeiten. So hat sich unser heutiges Hauptbetätigungsfeld definiert, die biopharmazeutische Herstellung und Entwicklung. Wir betreuen unsere Kunden von der Prozessentwicklung bis zum Produktionsmaßstab. Von den kleinen Bench-Top Reaktoren mit 2 l-, 5 l-, oder 10-l-Maßstab über Pilotreaktoren mit 200 – 500 l bis hin zu großen Kesseln mit 2000 l bei Einwegreaktoren und 20.000 l bei Stahlkesseln.

GIT Labor-Fachzeitschrift: Die meisten Anwendungen für Fermenter sind einstufige Prozesse. Sehen Sie in der Zukunft einen Markt für Systeme die über mehrere Stufen ein Endprodukt erzeugen?

Frau Dr. C. Fenge: Vor Jahren gab es in diesem Bereich einmal Ansätze für Insektizide. Auch gibt es einige Expressionssysteme, die eine Induktion erfordern.

Generell ist ja der große Vorteil von biologischen Produktionssystemen, dass das Produkt gerade in der gewünschten Form, mit allen für die Funktion notwendigen Modifikationen durch die Zelle hergestellt wird.

Die Industrie fokussiert sich dabei auf Produkte, die einen hohen Marktwert haben und in relativ naher Zukunft auf den Markt gebracht werden können. Viele Proteine würde man sicher gerne in E. coli oder Hefen herstellen, wenn die gleiche biologische Funktionalität gegeben wäre. Das Effektivste sind aber nach wie vor Zellkulturen. Heutzutage gibt es Expressionssysteme im Tierzellbereich, die enorm hohe Titer liefern.

Wir haben einmal mit 10 mg / l oder sogar noch weniger angefangen, heute liegen Titer für die Herstellung monoklonaler Antikörper bei 10 g / l. Und da erhalten wir gleich die richtige Glycosylierung und räumliche Struktur. Posttranslationale Veränderungen wie zum Beispiel die Glycosylierung, die Phosphorylierung oder auch gamma-Carboxylierung sind oft sehr wichtig für die Funktion eines therapeutischen Proteins. EPO ist ein Beispiel, hier ist die Glycosylierung das Entscheidende. Oder auch Blutgerinnungsfaktor VII, bei dem die gamma-Carboxylierung wichtig für die Wirksamkeit ist.

GIT Labor-Fachzeitschrift: Sind die meisten dieser Prozesse Batchprozesse?

Frau Dr. C. Fenge: Ursprünglich hat man mit Batch-Prozessen angefangen. Dann wurden Fed-Batch-Prozesse entwickelt und später Perfusions-Prozesse. Mit Perfusion können wir hohe Zelldichten erreichen und dadurch hohe Titer. Dann ist die Bedeutung der Technologie wieder zurückgegangen, weil sie technisch komplex ist. Man hat sich heute sehr stark auf Fed-Batch- Prozesse fokussiert.

Im Moment kommt der Wunsch nach höherer Zelldichte und Perfusion wieder auf, allerdings in einer etwas anderen Art. Am leichtesten durchführbar ist ein Fed- Batch-Prozess. Es gibt aber viele Fälle, bei denen Perfusion wegen der chemisch konstanten Bedingungen und der Möglichkeit das Produkt kontinuierlich aus dem Prozess herauszuführen, besser geeignet sind. Besonders bei empfindlichen Produkten. Dieses Thema hat noch einen weiteren Aspekt, der heute zunehmend von Bedeutung ist:

Die Verringerung des Produktionsvolumens und damit die Möglichkeit des Einsatzes von Einwegbioreaktoren in der Produktion. Einwegbioreaktoren kenne ich seit fast 10 Jahren. Damals wurden speziell Rocker eingesetzt, um schnell Produktionskapazität zu schaffen. Ein weiteres Argument ist, dass man die Kosten an den Bedarf koppeln kann. Seinerzeit gab es kleine Einwegreaktoren bis zum 20 l-Maßstab. Später wurden dann Single-use- Rührkessel bis zum 200 l-Maßstab entwickelt, insgesamt war man jedoch in der Anfangszeit der Einwegbioreaktoren relativ begrenzt.

Seitdem hat eine rasante Entwicklung bei den Einwegbioreaktoren stattgefunden – heute bieten wir Lösungen bis zum 1000 l-Maßstab an und befinden uns in der Entwicklung eines 2000 l Einwegrührkesselbioreaktors. Im 1000 l- bis 2000 l-Bereich wird es interessant, diese Technik auch für die Produktion zu nutzen, sofern die Titer ausreichend sind, um eine Ausbeute so weit zu erhöhen, dass zumindest für kleinere Indikationen genügend Material produziert werden kann. Dafür werden wieder verstärkt Perfusion und kontinuierliche Prozesse eingesetzt.

GIT Labor-Fachzeitschrift: Im Batch-Prozess gibt es eine Startphase, in der es den Zellen gut geht, eine Produktionsphase und eine Absterbephase. Hier entstehen Abbauprodukte. Wird ein Batch-Prozess frühzeitig abgebrochen, damit man nicht so viele Verunreinigungen hat oder fährt man bis zum Ende und reinigt dann auf?

Frau Dr. C. Fenge: Die Bestimmung des Erntezeitpunktes ist eine ganz wichtige Frage. Man muss in der Prozessentwicklung klar zeigen, dass der Aufreinigungsprozess die gewünschte Produktqualität sicherstellt. In der Prozessentwicklung untersucht man in der Regel verschiedene Erntezeitpunkte: Wie sieht mein Verunreinigungsmuster aus? Wie sieht meine Produktqualität und Produktaktivität aus?

Im kontinuierlichen Prozess besteht das Risiko, dass Mutationen auftreten, obwohl in der Regel Perfusionsprozesse nicht so ausgelegt sind, dass ständig eine höhere Anzahl Zellen auswaschen würde und so die Zellen einem Selektionsdruck unterliegen. Man muss zeigen, dass die genetische Stabilität über den Zeitraum des Produktionsprozesses gewährleistet ist. Neben dem Titer und den Ausbeuten in der Aufreinigung stellt sich auch die Frage der Produktsicherheit.

GIT Labor-Fachzeitschrift Kann man diese Eckdaten des Produktionsprozesses online messen und dokumentieren oder muss ich in den Prozess eingreifen, also Proben entnehmen?

Frau Dr. C. Fenge: Der Wunschtraum ist seit Jahren ein Art Auge oder einen Sensor zu entwickeln, der Produktqualitätsdaten in situ misst. Ich habe aber bis heute noch kein solches Werkzeug gesehen. Wir nähern uns dem aber immer stärker an und so können unsere Bioreaktoren mit einer Reihe von Sensoren ausgerüstet werden, die z.B. die Zelldichte messen, den Nährstoffgehalt, die metabolische Aktivität oder auch weitere Parameter.

Meine Erfahrung ist, dass man aber dennoch Proben nimmt, insbesondere wenn die Produktqualität bestimmt werden soll. Dazu reinigt man die Probe auf und bestimmt beispielsweise die Glycosylierung oder die biologische Aktivität. Die Trends zum vermehrten Einsatz von analytischen Werkzeugen sind da und wir arbeiten daran.

Das Schlagwort hier heißt PAT (Process Analytical Tools). Unsere Kunden setzten solche Werkzeuge ein, um das Prozess- und Produktverständnis zu erhöhen. Dadurch sollen die Ausbeuten und die Qualität verbessert oder innerhalb eines gewissen zugelassenen Bereichs gehalten werden.

GIT Labor-Fachzeitschrift: Welche Rolle spielen Scale-up und Scale-down in der Fermentationstechnologie?

Frau Dr. C. Fenge: Scalability ist ein ganz wichtiges Thema. In der Prozessentwicklung muss man sicherstellen, dass alles was man im kleinen Maßstab erzeugt und belegt hat, dann auch im großen Maßstab vergleichbar abläuft. Was unsere Fermenter betrifft, folgen wir den anerkannten Prinzipien des Rührkesseldesigns.

Die Dechema hat schon vor Jahrzehnten Designkriterien definiert, an die wir uns halten.Dabei streben wir bei der Maßstabsvergrößerung an, die geometrischen Verhältnisse vergleichbar zu halten. Das gilt insbesondere für das Verhältnis Höhe zu Durchmesser oder Rührerradius zu Kesselradius. Dieses Prinzip wenden wir auf unser gesamtes Bioreaktorportfolio vom 2 l bis zu 20 Kubikmeter Maßstab an. Bei Single-Use Produkten ist das nicht anders. Dort ist das Design vergleichbar zu unseren klassischen Rührkesseln aus Glas oder Stahl, vom 2 l Univessel Single-Use bis hin zu unserem 2.000 l Biostat STR, der sich im Moment in der Entwicklung befindet.

Wir möchten damit erreichen, dass die Überführung in größere Bioreaktorsyteme so einfach wie möglich gehalten wird. Wir machen Studien zum Sauerstoffeintrag und zum Kohlendioxydaustrag, zur Durchmischung und zum Energieeintrag. Außerdem testen wir unsere Bioreaktoren in unserem Applikationslabor und in Zusammenarbeit mit Kunden unter realen Prozessbedingungen. Insbesondere der Kohlendioxydpartialdruck ist wichtig, nicht nur wegen des Einflusses auf den pH-Wert sondern auch wegen eines möglichen negativen Effekts auf die Produktbildung.

Um genügend Sauerstoff in den Fermenter einzutragen und gleichzeitig aber das gebildete Kohlendioxyd aus dem Prozess herauszutragen, haben wir jetzt einen Kombisparger entwickelt. Dieser enthält einen Mikrospargerteil, der gebohrte Mikrolöcher von 150 μm aufweist. Dadurch werden sehr kleine Sauerstoffblasen gleichmäßig in die Reaktionsflüssigkeit eingebracht.

Dieses Design unterscheidet sich von den üblichen Mikrospargern, die aus gesintertem Material bestehen und eine sehr weite Porengrößenverteilung aufweisen, die zu ungleichmäßiger Blasenbildung führt. Die Fliessraten werden so geregelt, dass gerade so viele Blasen eingebracht werden, um den Sauerstoffbedarf zu decken, weil ein Übermaß zu starker Schaumbildung führt.

Zusätzlich haben wir einen Teil mit größeren Löchern eingebracht, durch die man einen Trägergasstrom einbringt, in der Regel Luft, um das CO2 herauszubekommen. Diese größeren Blasen sind schonender für die Zellkultur. Wir haben in Zusammenarbeit mit Kunden festgestellt, dass in bestimmten Prozessen schon unser innovativer Mikrosparger alleine eine optimale Blasengröße erzeugt, die es ermöglicht ein angestrebtes Gleichgewicht zwischen Sauerstoffeintrag und CO2-Austrag einzustellen.

Wir bieten eine Anzahl von Bioreaktoren, die standardisiert sind. Mit dem Kunden zusammen erarbeiten wir Lösungen für vollständige Bioproduktionsprozessketten. Nicht nur für den Bioreaktorteil, sondern auch für die Medien- und Pufferherstellung, Filtration, Zellernte, Aufreinigung, Verwahrung von Zwischenprodukten und Abfüllung des Wirkstoffes im Bulk. Wir bilden den kompletten Prozess zur Herstellung des Wirkstoffes ab und entwickeln daraus ein Konzept für die Auslegung der Produktionsanlage auf Basis unserer Standardkomponenten, die wir dann miteinander vernetzen.

GIT Labor-Fachzeitschrift: Ich habe den Verdacht, dass Scale-up nicht immer einfach funktioniert, sondern unerwartete Probleme auftauchen.

Frau Dr. C. Fenge: Ja, das ist so und dann beginnt die Suche: liegt es an der Ausrüstung? Stimmt etwas nicht in der Maßstabvergrößerung? Sind die Prozessparameter unterschiedlich, insbesondere diejenigen, die nicht monitoriert werden? Liegt es an den Rohmaterialien? Es könnte sein, dass bestimmte Medienzusätze, wie Insulin, im Kleinen vielleicht anders filtriert werden.

Das Insulinbeispiel habe ich selber erlebt. In einem anderen Fall gab es Unterschiede zwischen verschiedenen Rohmaterialbatchen eines wichtigen Medienzusatzes. Es kann sehr lange dauern, bis die Ursache der Variabilität identifiziert wird. In diesem Fall wurde feststellt, dass bestimmte Spurenmengen sich in den eingesetzten Batchen unterschieden, was einen entscheidenden Einfluss auf die Produktivität im großen Maßstab hatte.

GIT Labor-Fachzeitschrift: Man muss also den gesamten Zuliefererprozess kontrollieren und sicherstellen, dass die Qualität konstant bleibt.

Frau Dr. C. Fenge: Ja, bei Sartorius Stedim Biotech stellen wir sicher, dass stets die gleichen Materialien für unsere Einwegprodukte, wie zum Beispiel das Filmmaterial für unsere Einmalbiorektoren oder andere Kunststoffkomponenten inklusive der Kunststoffschläuche, verwendet werden. Bei Edelstahlfermentern oder Glasfermentern qualifiziert der Kunde das System selbst.

Der Kessel bleibt immer derselbe. Dieser kann sich auch im Laufe der Zeit verändern. Dabei ist insbesondere wichtig, dass viele moderne, Serumfreie oder sogar Protein-freie Medien aufgrund des Chloridgehaltes bestimmte Stahlqualitäten im Langzeitbetrieb angreifen. Man muss immer kontrollieren, ob sich über die Zeit Veränderungen ergeben und welchen Einfluss diese auf das Produkt haben.

Aber der Punkt ist, dass der Kunde bei Stahl immer mit dem gleichen Gefäß arbeitet. Bei Single- Use ist der Bioreaktor-Beutel jedes Mal ein neues Produkt. Also müssen wir einen Teil der Qualifizierung hier bei Sartorius Stedim Biotech machen, so dass der Kunde sich auf die Qualifizierung des Produkts für seine spezifischen Produktionsbedingungen beschränken kann. Wir stellen sicher, dass die Variabilität der Ausgangsmaterialien und Komponenten in engen Grenzen bleibt. Dieser Aspekt steht in unserer Qualitätsstrategie ganz oben.

GIT Labor-Fachzeitschrift: Es gibt Hersteller die behaupten aus Ihren Kunststoffwaren werden keine Substanzen ausgewaschen, wie gehen Sie damit um?

Frau Dr. C. Fenge: Wir verfolgen einen anderen Ansatz: wir wissen, dass es das Phänomen gibt und zeigen, was und wie viel tatsächlich herausgewaschen wird. Wir bieten unterschiedliche Produktreihen an. Das kleinste ist der UniVessel SU. Das sind 2 l-Einwegbioreaktorgefässe. Diese sind aus Polycarbonat, die im Spritzgussverfahren hergestellt werden.

Unser Rocker, den wir Biostat RM nennen und auch unser Einwegrührkesselreaktor, den wir Biostat STR nennen, wird mit Kunstoffbeuteln aus flexiblem Filmmaterial betrieben. In der Entwicklung von neuen Produkten legen wir sehr viel Wert darauf, dass wir verschiedene Chargen der Rohmaterialien nach unterschiedlichsten Kriterien prüfen, insbesondere gehören immer Wachstumstests mit Zellkulturen dazu.

Natürlich haben wir Prüfroutinen in der Produktion, um eine gleichbleibende Produktqualität sicherzustellen. Dabei arbeiten wir in der Entwicklung eng mit Kunden zusammen, die insbesondere die Tauglichkeit der Produktneuentwicklungen in deren speziellen Prozessen testen. Dadurch hat sich über die Jahre ein umfangreiches Wissen entwickelt.

GIT Labor-Fachzeitschrift: Ich habe heute herausgehört, dass viele Produktionsprozesse von Wirkstoffen im Grunde schon vor 10 bis 20 Jahren etabliert wurden. Mit der bestehenden Technik können die meisten biologischen Produktionsprozesse, auch die zukünftigen, durchgeführt werden. Wo sehen Sie Innovationspotentiale für die nächsten 20 Jahre?

Frau Dr. C. Fenge: Wie findet eigentlich Innovation statt? Meine These ist, dass eine Reihe inkrementeller Verbesserungen irgendwann einen Quantensprung ergeben. Das geschieht meistens nicht so, dass plötzlich jemand auf eine tolle Idee kommt. Vielmehr sind es kleine, manchmal ganz kleine Verbesserungen, die uns plötzlich an einen Punkt bringen, an dem ein anderes Niveau erreicht wird.

Aber nicht, weil die letzte inkrementelle Verbesserung ein Quantensprung war. Im Nachhinein wird man dann vielleicht von einem Quantensprung sprechen, aber eigentlich war es immer ein schrittweiser Verbesserungsprozess. Im Falle von Bioreaktoren sehen wir, dass die Integration von Sensoren zur Erhöhung des Prozessverständnisses und zur Verbesserung der Prozesse führen wird. Generell im Bereich Bioprodukton glaube ich, dass die Integration von Prozessschritten in einem Gesamtkonzept weiter standardisiert wird – weniger kundenspezifische Lösungen also, sondern die Möglichkeit, ähnlich wie im Labor, Geräte oder Prozessschritte miteinander flexibel zu verbinden.

Das ist ein Thema, das in Zukunft noch viel bedeutender wird. Wir bieten deshalb als Technologiepartner Integrierte Lösungen an, bei denen wir mit dem Kunden zusammen ein optimales Konzept erarbeiten und dieser weniger Integrationsaufwand betreiben muss. Aus wissenschaftlicher Sicht sind das sicherlich keine umwälzenden Neuerungen, aber in prozessökonomischer Hinsicht auf alle Fälle wichtige Schritte, die wir gehen müssen.

GIT Labor-Fachzeitschrift: Sie sagten gerade, Standardisierung ist ein ganz wichtiger Aspekt. Desgleichen auch der vermehrte Einsatz von Einwegbiorektorsystemen. Was unternehmen Sie um die Vorteile zu kommunizieren?

Frau Dr. C. Fenge: Es geht uns darum, so aufgestellt zu sein, dass wir mit dem Kunden eine Partnerschaft eingehen können. Dafür haben wir Applikationsspezialisten bei den Anwendern, die beispielsweise durch Tests vor Ort ergründen, was optimiert werden kann. Sie unterstützen und trainieren den Kunden um die gesamte Leistungsfähigkeit der Systeme für den Anwender zu erschließen.

Wir helfen dem Kunden die Ergebnisse einer neuen Technologie auch optimal auszuwerten. Zudem möchten wir unsere Single- Use-Bioreaktoren gemeinsam mit den Kunden weiterentwickeln. Dabei erhalten wir verschiedenste Anregungen wie ein Produkt verbessert werden kann. Wir werten z.B. Filme mit Zelllinientests gemeinsam aus. Es ist für uns sehr wichtig, dass wir nah am Kunden sind. Ein anderes Thema,bei dem wir eng mit Kunden zusammenarbeiten, ist Biosafety und auch das Thema Integritätstests von Single-Use-Bags.

Was braucht ein Impfstoffhersteller, was braucht ein Produzent von monoklonalen Antikörpern? – All diese Ansatzpunkte führen zu diesen inkrementellen Verbesserungen und helfen letztendlich, die Single- Use-Technologie zu einer reifen Technologie zu entwickeln. Begleitet werden diese Maßnahmen auch durch Trainings, Schulungen und wissenschaftliche Symposien, die wir regelmäßig unseren Kunden aus der biopharmazeutischen Industrie anbieten.

Ganz aktuell ist das Upstream Technology Forum, das wir am 10. Mai in Basel durchführen. Wir sehen die Veranstaltung als Plattform des wissenschaftlichen Austauschs und der Diskussion zwischen Anwendern.

GIT Labor-Fachzeitschrift: Kürzlich hat Sartorius Stedim Biotech den Frost & Sullivan Award erhalten, wie wichtig ist diese Ehrung für Sie?

Frau Dr. C. Fenge: Der Frost & Sullivan Award ist eine große Ehre für uns. Er wurde uns für unsere Innovation in der Bioprozesstechnik verliehen. Was besonders hervorgehoben wurde ist, dass die Innovation sich aber nicht auf die Single- Use-Produkte beschränkt. Unsere Philosophie ist es, dem Kunden Auswahl anzubieten. Dabei geht es uns nicht um Breite um jeden Preis, sondern vielmehr um ein breit angelegtes Portfolio, das schlüssig ist und Sinn für unsere Kunden macht.

Wir wissen, unsere Kunden haben unterschiedliche Herausforderungen. Wir haben den „Laborkunden“, der vielleicht kleine Mengen eines Proteins herstellen will oder sich mit der Zelllinienentwicklung beschäftig. Wir haben aber auch Kunden, die ihren Prozess optimieren müssen und in den grossen Produktionsmaßstab bringen wollen, um genügend Wirkstoff für Phase 1, 2, 3 oder die kommerzielle Produktion produzieren zu können. Der Kunde, der für die kommerzielle Produktion plant, muss sich genau überlegen, wann er investieren will.

Dabei bieten gerade Einwegsystem große Vorteile, da diese Entscheidung deutlich später getroffen werden kann und auch die Investitionskostenhöhe vergleichsweise geringer ist. In diese Richtung spielt auch das Urteil der Award-Jury, die sich insbesondere von der Flexibilität unserer Bioreaktorsysteme und der Breite des Portfolios beeindruckt zeigte.

 

Kontaktieren

Sartorius AG
Weender Landstr. 94 -108
37075 Göttingen
Germany
Telefon: +49 551 308 0
Telefax: + 49 551 308 3410

Jetzt registrieren!

Die neusten Informationen direkt per Newsletter.

To prevent automated spam submissions leave this field empty.