Bioprozesse optimieren

Neuer Ansatz bei der Filtration

  • Abb. 1: Drei 1 mL MabSelect SuRe HiTrap Säulen nach 100 periodischen Chromatographiezyklen. Säule (a): tiefenfiltrierte Prozessflüssigkeit. Säule (b): chromatographisch mit dem neuen Produkt geklärte Prozessflüssigkeit. Säule (c): frische, ungenutzte Säule. (Abbildung aus El-Sabbahy & Ward (2018), Lizenz: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).Abb. 1: Drei 1 mL MabSelect SuRe HiTrap Säulen nach 100 periodischen Chromatographiezyklen. Säule (a): tiefenfiltrierte Prozessflüssigkeit. Säule (b): chromatographisch mit dem neuen Produkt geklärte Prozessflüssigkeit. Säule (c): frische, ungenutzte Säule. (Abbildung aus El-Sabbahy & Ward (2018), Lizenz: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).

Bioprocessing ist im Wandel. Wissenschaft und Industrie suchen nach Möglichkeiten, um die bestehenden Prozesse zu optimieren - beispielweise in der Produktion von monoklonalen Antikörpern (mAb), Blutplasmaproteinen oder Impfstoffen.

Ein neuer Filtrationsprozess kombiniert drei Technologien in einem Prozessschritt: fortschrittliche Polymer-Werkstoffe, ein Q-funktionales Anionenaustausch-Medium aus Hydrogel-Vlies und eine integrierte mehrzonige Membran. Die Konstruktion bedingt einen Synergieeffekt. Die Chromatographie-Mechanismen des Anionenaustausch-Mediums und die Größenausschluss-Prinzipien der Membran werden gleichzeitig zum Einsatz gebracht. So erzielt die Konstruktion bereits in der Klärungsstufe eine deutlich höhere Reinheit. Diese entlastet nicht nur die nachfolgenden Stufen, sie kann sich auch positiv auf deren Funktionsfähigkeit, Laufzeit und Betriebskosten auswirken.
 
Funktionale Werkstoff-Kombination
Das Anionenaustausch-Medium besteht aus vier Schichten eines Hydrogel-Vlieses, das auf neu entwickelten Polymer-Werkstoffen basiert. Diese sind positiv geladen und sehr beständig. Das Anionenaustausch-Medium erreicht eine erhebliche Reduktion der negativ geladenen, löslichen Verunreinigungen wie DNA und HCP und mikrobiologischer Kontaminanten. Die mehrzonige Membran baut sich aus einer Abfolge mehrerer Zonen eines hoch-asymmetrischen mikroporösen Werkstoffes auf. Jede Zone zeichnet sich durch eine eigene, immer kleiner werdende Porengröße bis zu 0,2 µm aus. So gewährleistet die Membran einen gleichmäßigen Durchfluss und erreicht eine physikalische Reduktion von Bioburden und anderen kleinsten unlöslichen Partikeln, die Trübung verursachen wie Zelltrümmer, Aggregate, Bakterien oder Viren.
 
Ergebnisse im Detail
Durch die Kombination der hohen Anionenaustauschkapazität und der 0,2 µm Membran wird während des ganzen Ernteverlaufs eine gleichbleibende typische Filtrattrübung von < 5 NTU erreicht. Gleichzeitig liegt der DNA-Log-Reduktionswert (LRV) im Allgemeinen bei größer als 4 Log-Stufen. Durch die Q-Funktionalisierung erreicht das System einen nominalen Reduktionswert für negativ geladenes HCP von 30 bis 40 Prozent.

Und die 0,2 µm Membran erreicht durch ihren einzigartigen Aufbau mit mehreren Zonen verschiedener Porengröße einen Bioburden-LRV größer als 6 Log-Stufen. So werden bereits während der Klärung der Zellkultur kleinste lösliche und unlösliche Prozessverunreinigungen (< 0,1 µm) effizient abgetrennt und die Trübung stark reduziert. Das Resultat ist eine extrem niedrige Konzentration an Verunreinigungen bei einer sehr hohen Produktrückgewinnung.

 
Protein A-Säule: reineres Produkt und längere Laufzeit
Der Großteil der Verunreinigungen wurde bereits im Vorfeld aus der Lösung entfernt, daher lagern sich nur ein Zehntel der gebundenen Verunreinigungen auf der Protein A-Säule ab. In der Folge reduziert sich ihr Kapazitätsverlust, sie erzielt eine höhere Ausbeute und bessere Ergebnisse. Im Eluat sind weniger als ein Zehntel der HCP nachweisbar und die DNA-Konzentration ist um mehr als das 1000 fache reduziert im Vergleich zu herkömmlich tiefenfiltrierter Prozessflüssigkeit. Dies hat einen positiven Einfluss auf die Produktreinheit, vor allem nach der Virusinaktivierung. Hier treten nun keine oder kaum noch Trübungen auf. Dadurch kann ein Tiefenfilterschritt eingespart werden.
 
Sterilfilter feiner Downstream-AEX-Säule kleiner
Zum anderen können der Sterilmembranfilter und die Downstream-AEX-Säule einfacher konzipiert werden. Die Reinheit der Lösung ermöglicht die Verwendung eines feinporigeren 0,1 µm Sterilmembranfilters mit deutlich reduzierter Membranfläche. Auch die Größe der Downstream-AEX-Einheit kann verringert werden, da die Lösung weniger Kontaminanten enthält.
 
Scale-up: Vom Laborversuch bis zur Produktion
Es sind insgesamt acht verschiedene Capsulen-Größen erhältlich. So ist es möglich, Evaluierungen in verschiedenen Skalierungen durchzuführen – beginnend bei Laborversuchen mit einem Volumenstrom von 20-80 mL über Pilotprojekte bis hin zur Produktionsphase mit einem Volumen von bis zu mehreren tausend Litern. Da die Capsulen vor Prozessbeginn bei 121°C autoklaviert oder mit NaOH sanitisiert werden können, sind sie bei biopharmazeutischen Prozessen auf Wasserbasis einsetzbar – beispielweise im Bereich der Vakzinen-Produktion. Die neuen Capsulen sind als Matched Component-Lösung für bestehende Systeme konzipiert. So können sie leicht in existierende Herstellungsabläufe integriert werden. Bei Bedarf ist es möglich, mehrere Systeme nebeneinander zu schalten.
 
Studie: Mehr Produktivität in kontinuierlichen Herstellprozessen
Ein derzeit aktuelles Thema, an dem intensiv geforscht und gearbeitet wird, sind kontinuierliche Herstellprozesse im biopharmazeutischen Bereich. Auch in diesen Prozessen ist der Einsatz des neuen Produktes möglich. In diesem Zusammenhang bietet es neben der Sterilisier- und Sanitisierbarkeit vor allem Optimierungsmöglichkeiten durch deutlich effizientere kontinuierliche Chromatographiesysteme bestehend aus mehreren in Reihe geschalteten Protein-A-Säulen. So hat eine Studie gezeigt, dass die Produktivität der Chromatographie-Systeme durch den Einsatz des neuen Produktes um bis zu 49 % im Vergleich zu herkömmlich tiefenfiltrierter Prozessflüssigkeit gesteigert werden konnte.
 
Ausblick
Die Pharma-Industrie weltweit verfolgt das Ziel, bestehende Prozesse besser, effizienter und sicherer zu gestalten. Auch für die Optimierung von biopharmazeutischen Prozessen sind in Zukunft weitere neue Produkte zu erwarten, die durch die clevere Kombination von Technologien zu neuen tragfähigen Lösungen kommen – beispielweise für die Adsorptions-Stufe.

 

Kontakt   
Dr. Sophie Muczenski
Specialist Application Engineer
3M Deutschland GmbH
Neuss, Deutschland
smuczenski@mmm.com

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