Procesanalytische technologie (PAT) voor bioprocessen

Verbetering van de kwaliteit door nauwkeurige procesanalyse en procesoptimalisatie

Analytische methoden worden bijna universeel gebruikt in bioprocestoepassingen zoals biofarmaceutische ontwikkeling, enzym - of aminozuurproductie en andere toepassingen waarbij het consequent bewaken en controleren van de productkwaliteit essentieel is.

Conventioneel verzamelden wetenschappers monsters aan het einde van elke batch en analyseerden ze deze in een laboratorium voor kwaliteitscontrole (QC), weg van het proces, voordat ze beslisten over de acceptatie, afwijzing of herverwerking van het product.

Nauwkeurige procesanalyse en procesoptimalisatie

Met de introductie van het PAT-raamwerk (Process Analytical Technology) door de FDA in 2004 evolueren procesanalytische tools voortdurend.

De bioprocesindustrie evolueert naar het toepassen van procesanalyse om grondstoffen en eindproducten te analyseren en de bioprocessen te monitoren en te beheersen.

Nauwkeurige analyse, monitoring en controle om bioprocesactiviteiten te optimaliseren, zorgen voor een ideale levensvatbaarheid van cellen, strategieën voor het toevoeren van zuurstof, kooldioxide en voedingsstoffen, corrigerende maatregelen en consistente productiviteit van procesontwikkeling tot volledige productieschaal.

Met meer dan 60 jaar ervaring als leider op het gebied van procesanalyse en laboratoriuminstrumenten begrijpt METTLER TOLEDO dat betrouwbare instrumenten van vitaal belang zijn voor een betrouwbare bewaking van bioprocessen, wat leidt tot een optimale opbrengst en productiviteit.

Het PAT-kader

Het idee achter het PAT-raamwerk is dat een goed begrepen proces leidt tot een vooraf gedefinieerde eindproductkwaliteit die de zorgen over regelgeving vermindert en de procesefficiëntie verhoogt in de kortst mogelijke tijd met de minste operationele kosten.

Bij PAT is kwaliteit ingebouwd in het procesontwerp en wordt het niet getest in de producten. Dit is hoe PAT de deur opent voor Quality by Design (QbD)-strategieën en de weg vrijmaakt voor lean manufacturing-principes.

Onderzoekers identificeren en verklaren de bronnen van variabiliteit, het proces beheert de variabiliteit en de wetenschappers kunnen de productkwaliteit nauwkeurig en betrouwbaar voorspellen over de ontwerpruimte, kritieke procesparameters (CPP's) en productieomstandigheden.

Wanneer levenswetenschappers analytische methoden gebruiken om biofarmaceutica te ontwikkelen of enzymen en aminozuren te produceren, moeten ze er ook voor zorgen dat de omstandigheden consequent worden gecontroleerd, zodat de producten voldoen aan strikte wettelijke vereisten voor de uiteindelijke moleculen om vitale eigenschappen zoals zuiverheid, identiteit, veiligheid en potentie te erven.

PAT-framework begrijpen

Om het belang van PAT in de biotechnologie te begrijpen, is het eerst essentieel om de bestaande soorten analytische processen te begrijpen:

Offline monitoring

Offline metingen vereisen het verzamelen van een monster, dat naar een laboratorium wordt gebracht om te worden geanalyseerd.

At-Line metingen

Metingen in de productielijn bevinden zich aan de zijkant van het proces, maar zijn niet direct geïntegreerd. Het monster moet actief worden verwijderd en afgeleverd bij de analysemethode.

In-Line analyse

In-Line analyse maakt gebruik van sensoren die in het procesvat zijn geplaatst om in situ metingen uit te voeren.

Online toezicht

Online sensoren worden op een zijstroom van het proces geplaatst en continu gemeten.

Omdat ze op een bypass zijn gebouwd, zal er een vertraging zijn in de gerapporteerde meting ten opzichte van in-line.

PAT voor waterkwaliteit

In de biotechnologie is water een multifunctionele hulpbron.

Het wordt gebruikt als grondstof, oplosmiddel, ingrediënt, reagens en reinigingsmiddel en wordt in verschillende "pure" vormen geproduceerd.

De grote verscheidenheid aan waterkwaliteiten en watersystemen betekent dat de productie ervan een steeds specialistischer proces wordt en zeer betrouwbare instrumenten vereist.

Online meting van de totale organische koolstof (TOC),het oxidatiereductiepotentieel (ORP) en de geleidbaarheid zijn essentieel voor een continue en betrouwbare waterkwaliteitsborging.

Het hebben van precieze hoeveelheden voedingsstoffen in het medium is een voorwaarde voor de cellen om optimaal te groeien en producten tot expressie te brengen.

Bij het ontwikkelen van een medium testen onderzoekers doorgaans verschillende combinaties van aminozuren, glucose en ionen , evenals andere supplementen zoals serumextracten, weefselextracten of hydrolysaten, groeifactoren, hormonen, dragereiwitten zoals albumine en transferrine, lipiden, metalen, vitamines, polyamines en reductiemiddelen.

Het aantal mogelijke combinaties is bijna oneindig en de verschillende ingrediënten hebben vaak een wisselwerking met elkaar.

Media-optimalisatie vereist veel inspanning, tijd en kosten. Een optimaal groeimedium kan niet worden ontworpen door simpelweg willekeurige combinaties van ingrediënten willekeurig uit te proberen.

Media-optimalisatie en -voorbereiding worden gezien als eenvoudige handelingen; belangrijke parameters zoals temperatuur, mengtijd en pH kunnen echter een aanzienlijke invloed hebben op de media en kunnen de consistentie en prestaties van het celmetabolisme behouden.

PAT is vaak nodig om een robuust proces te ontwikkelen.

Met ReactIR en ReactRaman kunt u de concentratie van de kritieke componenten tijdens de mediavoorbereiding in-line kwantificeren en de belangrijkste ingrediënten monitoren tijdens het oplossen en onder wisselende pH- en temperatuuromstandigheden .

Die resultaten kunnen offline worden gevalideerd met behulp van HPLC- of UV-Vis-spectrometrie.

Met in-line deeltjesanalyse kunt u de snelheid en mate van verandering van het aantal deeltjes en de grootte van de droge poeder- en media-oplossingen volgen, terwijl u met EasyMax een eenvoudig en robuust procesontwikkelingsplatform tot uw beschikking heeft waar u de invloed van procesparameters zoals pH kunt controleren en nauwkeurig kunt documenteren, dosering, geleidbaarheid, oxidatiereductiepotentiaal (ORP) of opgeloste zuurstof op uw nieuwe media.

pH is een van de meest kritische parameters voor gekweekte cellen en moet zorgvuldig worden gecontroleerd om de celgroei in stand te houden.

De InLab® Max Pro ISM pH-elektroden zijn ideaal voor het meten van de pH tijdens het bereiden en optimaliseren van celkweek- en fermentatiemedia.

Voor grotere schalen of in-line monitoring zorgen de InPro pH- en ORP-elektroden voor betrouwbare en reproduceerbare metingen tijdens de mediavoorbereiding, terwijl high-range geleidbaarheidssondes aangeven dat de ingrediënten volledig zijn opgelost. In platforms voor eenmalig gebruik leveren de InSUS-sensoren deze inline monitoring net zo betrouwbaar.

In de productiegids van METTLER TOLEDO wordt de biofarmaceutische productie op commerciële schaal uitgelegd en wordt de rol van analyse en wegen beschreven bij het begrijpen van cruciale parameters in de processtappen die zich aan en na de productiefase afspelen.

Gids voor biofarmaceutische productie

De Biopharmaceutical Manufacturing Guide bespreekt het belang van analyse en weging met betrekking tot:

Media & Buffer Voorbereiding
Procesontwikkeling, karakterisering en opschaling van studies
Commerciële fermentatie en celkweek
Scheiding, oogst en klaring
Zuivering en bioconjugatie
Formulering, Fill & Finish

PAT in upstream-verwerking (USP)

De belangrijkste variabelen die een bioproces beïnvloeden, zijn temperatuur, pH, opgeloste zuurstof (DO), kooldioxide, biomassa, glucose en lactaat en andere metabolieten.

Elk van deze variabelen speelt een cruciale rol in de bioreactor bij het optimaliseren van de celgebaseerde productie van grote moleculen, polymeren, oligomeren en kleine moleculen.

In-line sensoren van de InPro-familie (herbruikbaar formaat, warmtesteriliseerbaar) en de InSUS-familie (formaat voor eenmalig gebruik, sterilisatie met bestraling) zijn ontworpen voor betrouwbare en nauwkeurige metingen in deze toepassingen.

Hoewel in-line monitoring van temperatuur, pH, ORP, DO en CO2 in de bioreactor al jaren een industriestandaard is, moet de directe meting van celdichtheid en levensvatbaarheid met behulp van sondes nog worden verbeterd.

Hoewel er oplossingen bestaan voor microbiële fermentatie, wordt het meten van de levensvatbaarheid van cellen voor celculturen nog steeds voornamelijk gedaan door middel van bemonstering en telling.

Gebruikelijke analytische benaderingen om het voedingsprofiel van de media te onderzoeken, omvatten offline methoden zoals chromatografieof enzymatische kwantificeringstests, terwijl er nu ook inline glucose- en lactaatsensoren voor eenmalig gebruik zijn op basis van de laatste technologieën.

Onderzoek is echter bezig met het ontwikkelen van methoden om glucose en metabolieten in-line te meten met behulp van Raman-spectroscopie of andere infraroodspectroscopietechnologieën zoals Fourier-transformatie-infraroodspectroscopie (FTIR).

Deze sensoren zijn waardevol omdat ze continu kunnen worden gebruikt en geen chemische interacties hebben met de analyten.

Nauwkeurige analyse, monitoring en controle om bioprocesactiviteiten te optimaliseren, zorgen voor een optimale levensvatbaarheid van de cellen, een consistente zuurstof- en nutriëntentoevoerstrategie en een consistente productiviteit van procesontwikkeling tot volledige productieschaal.

PAT in downstream verwerking (DSP)

De belangrijkste doelen van downstream processing (DSP) zijn het terugwinnen van het eindproduct en het verminderen van onzuiverheden tot een niveau dat wordt geaccepteerd en voldoet aan de wettelijke kwaliteitscriteria.

Indien mogelijk moeten onzuiverheden worden gecontroleerd na elke nabewerkingsstap of elke bewerking van de eenheid, of ten minste na de stappen die gericht zijn op het verminderen van specifieke verontreinigingen.

Met in-line of online monitoring die wordt toegepast bij elke kritieke stap van de downstream-verwerking, zou PAT een echte impact hebben op bioprocessen, zodat onzuiverheden snel kunnen worden gecontroleerd en er tijd beschikbaar is om de DSP-stap in kwestie correct aan te passen voordat de volgende verwerkingsstap begint.

Metingen met behulp van FTIR-, UV-Vis- en Raman-spectrometrie , evenals druk-, debiet-, pH-, geleidbaarheids- en troebelheidsmetingen in lijn, kunnen conventionele offline analyses vervangen en helpen bij het bewaken van stroomafwaartse verwerkingsstappen zoals oogst, centrifugatie en filtratie, primaire afvang, bufferuitwisseling, opwaartse concentratie, zuivering, bioconjugatie en formulering.

Druk- en debietsensoren, regelsystemen en software voor het meten, bewaken en verzamelen van gegevens zorgen ook voor efficiëntie in stroomafwaartse processen.

Oplossingen van METTLER TOLEDO voor bioprocessen

Analytical Sensors for Bioreactors

METTLER TOLEDO produces in-line analytical sensors for monitoring and controlling key analytical par...

Dynochem Biologics

Fit-for-purpose simulation software to support bioprocessing upstream and downstream unit operations...

Automated Lab Reactors and In-Situ Analysis

Particle size analyzers, FTIR and Raman spectrometers, chemical synthesis reactors, reactor control...

Industriële weegschalen en weegsystemen

Tafelweegschalen, vloerweegschalen, telweegschalen en mengweegschalen met weegterminals, weegmodules...

Nuttige documentatie. Gids voor biofarmaceutische productie

Biofarmaceutische productie op commerciële schaal vereist het vermogen om kritieke procesparameters te zien, te begrijpen en er snel beslissingen over te nemen. In deze informatiegids wordt de rol van analyse en weging beschreven bij het begrijpen van deze parameters in processtappen die zich voor- en nagaan.

In deze gids wordt besproken hoe de juiste tools om uw biologische proces te bewaken en te begrijpen, van procesontwikkeling tot grootschalige productie, helpen de productiviteit te optimaliseren en tegelijkertijd de time-to-market te minimaliseren.

De Biopharmaceutical Manufacturing Guide bespreekt het belang van analyse en weging met betrekking tot:

Media & Buffer Voorbereiding
Procesontwikkeling, karakterisering en opschaling van studies
Commerciële fermentatie en celkweek
Scheiding, oogst en klaring
Zuivering en bioconjugatie
Formulering, Fill & Finish

Kalibratie, kwalificatie en onderhoud voor uw oplossingen

METTLER TOLEDO Service is uw one-stop-shop voor al uw behoeften op het gebied van balansservice, weegschaalservice en onderhoud aan inspectieapparatuur. Van installatie en eerste kalibratie tot preventief onderhoud en tijdige upgrades, wij zorgen ervoor dat uw activiteiten soepel en efficiënt verlopen.

Naleving bereiken en handhaven door middel van consistente procedures en voldoen aan lokale en wereldwijde regelgeving en normen, zoals:

ISO 17025

EURAMET

USP, GLP and GMP

NIST Handbook 44 and OIML

Measuring Instruments Directive (MID)

Zorg voor een perfecte start en voortdurend, zorgeloos gebruik met onmiddellijke en langdurige voordelen:

Assurance that the equipment is fit for use

Cost-savings through manufacturer's qualification services

Confidence that the equipment meets process requirements

Identification of needed calibration and maintenance

Plan vooraf uw periodiek onderhoud dat u het volledige vertrouwen geeft dat uw apparatuur het volgende bereikt:

Consistent, accurate results

Safe and reliable operation

Optimal performance possible

A longer equipment lifespan, resulting in a higher ROI

Voorgestelde zoekopdrachten

Procesanalytische technologie (PAT) voor bioprocessen

Verbetering van de kwaliteit door nauwkeurige procesanalyse en procesoptimalisatie

Het PAT-kader