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12/16 Von Batch zu Kontinuierlich: Zellabtrennung mit akustischen Wellen

Britta Badertscher M.Sc., Pall Life Sciences, Dr. Dirk Sievers, Pall Life Sciences

Der kontinuierlichen Herstellung von Biopharmazeutika kommt eine immer grössere Bedeutung zu. Pall Life Sciences entwickelt derzeit eine vollständige Produktlinie für ein kontinuierliches Upstream- und Downstream-Processing von Biologika. Für die Zellabtrennung wird dabei ein neues und vielversprechendes Verfahren der Schallwellen-Separation verwendet.

Die Idee, auf kontinuierliche Art und Weise zu produzieren ist nicht neu - verschiedenste Industrien haben in der Vergangenheit gezeigt, dass die kontinuierliche Produktion Vorteile bringt. Dazu gehören die Reduktion von Produktionskosten, eine bessere Kapitalauslastung sowie eine erhöhte und konsistentere Produktqualität. Auf den Herstellern von Biopharmazeutika lastet stets der Druck, die Produktivität ihrer Prozesse zu verbessern, um die Nachfrage nach qualitativ hochwertigen und kostengünstigen Biopharmazeutika zu decken. Hier hat die kontinuierliche Produktion grosses Potenzial. 

Von Batch zu Kontinuierlich

Heute werden Biologika mittels konventioneller Batch-Produktion chargenweise hergestellt. Sie durchlaufen nacheinander einen Schritt des Herstellungsprozesses nach dem anderen. Nach jedem Produktionsschritt wird das Produkt in einem Behälter aufgefangen, bevor der nächste Schritt der Aufreinigung angegangen wird. In der kontinuierlichen Herstellung hingegen sind alle Prozessschritte zu einem einheitlichen und kompletten Prozess zusammengefügt. Das Produkt gelangt nach einem Prozessschritt direkt in den nächsten, so dass weitgehend keine Zwischenbehälter mehr notwendig sind und die Wartezeiten zwischen den Schritten massiv verkürzt werden. Der Gesamtprozess wird dadurch effizienter, benötigt weniger Stellfläche und verbessert dessen Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit. Die längeren Betriebslaufzeiten führen dazu, dass mit geringerem Geräte- und Materialeinsatz mehr Produkt hergestellt werden kann. Die höhere Automatisierung im kontinuierlichen Betrieb führt zur besseren Prozesskontrolle und Produktsicherheit. Zudem sind die Entwicklungszeiten für kontinuierliche Prozesse oft kürzer als jene für chargenbasierte Prozesse. All diese Vorteile, machen die kontinuierliche Produktion auch für die biopharmazeutische Industrie wertvoll.

Schwierigkeit der Zellabtrennung

Der erste Schritt der Aufreinigung besteht darin, die Zellen aus der Bioprozessflüssigkeit abzutrennen. Erst anschliessend kann mit der eigentlichen Aufarbeitung der Biotherapeutika begonnen werden. Nach konventioneller Verfahrensweise wird entweder eine Zentrifuge oder ein grobporiger Tiefenfilter verwendet, um die Zellen abzutrennen. Nach dieser primären Zellabtrennung kommen meist ein feinporiger Tiefenfilter und ein Sterilfilter zum Einsatz um die gewünschte Reinheit zu erzielen. Die beiden konventionellen Technologien bringen jedoch Nachteile mit sich: Zentrifugen können durch die hohe Kraft der Beschleunigung die Zellen schädigen und Tiefenfilter verblocken aufgrund der hohen Zellbelastung rasch. Pall Life Sciences hat eine neue Technologie zur Zellabtrennung entwickelt, die Zentrifugen und die primäre Tiefenfiltration ersetzt: den Cadence™ Acoustic Separator, kurz CAS. 

 

Zellabtrennung mit Schall

Die Zellabtrennung im CAS basiert auf akustischen Wellen. Nach der Kultivierung im Bioreaktor durchläuft die Bioprozessflüssigkeit die vier akustischen Kammern des Systems. In jeder Kammer ist eine dreidimensionale stehende Schallwelle angelegt. Während kleine Partikel, wie Proteine, die Wellen passieren und als Permeat die Kammer verlassen, werden grössere Partikel, wie Zellen, zurückgehalten. Durch die physikalischen Kräfte im akus-
tischen Feld werden die zurückgehaltenen Zellen an den Schwingungsknoten der Wellen konzentriert, verlieren an Auftrieb und sinken aufgrund der Schwerkraft auf den Boden der Kammer. Die Abtrennung durch die Schallwellen läuft kontinuierlich in einem geschlossenen Single‑Use System. Die durch den CAS gereinigte Flüssigkeit wird anschliessend in einem Polishing‑Schritt durch einen feinporigen Tiefenfilter und einen Sterilfilter geführt, bevor die chromatographischen Aufreinigungsschritte angegangen werden. 

Verglichen mit der konventionellen Zellabtrennung über Tiefenfilter, kann mit dem CAS 65‑80 % der Tiefenfilterfläche eingespart werden. Dies führt insbesondere bei hohen Zelldichten zu bedeutenden Kosteneinsparungen. Zudem werden sowohl die benötigten Puffermengen als auch die Stellfläche reduziert. Der Prozess ist in hohem Masse reproduzierbar und liefert konsistente Produktqualitäten über eine Zeitdauer von mindestens 12 Stunden. Der Cadence™ Acoustic Separator ist zur Zeit als System zur Prozessentwicklung und -optimierung verfügbar und arbeitet üblicherweise mit einer Flussrate von 3.6 L/h. Für den Produktionsmassstab ist ein geeignetes System in Entwicklung, welches ein direktes Scale-up ermöglicht. Der CAS ist eine Single-Use Technologie, die die kontinuierliche und kosteneffiziente Zellabtrennung ermöglicht. 

Autoren

Britta Badertscher M.Sc., Scientific Laboratory Services, Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
Dr. Dirk Sievers, Senior Technical Marketing Manager, Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!