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Messtechnik in der Biotechnologie

Biotechnologie stellt höchste Anforderungen an die Messtechnik

07.08.2007 | Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Sabine Mühlenkamp / Dr. Jörg Kempf

Dank der Dichtung der Innenkante der Abschrägung lässt sich mit CIP- oder SIP-Prozessen die gesamte medienberührte Oberfläche der Instrumentenarmatur oder des Sensors und deren Prozessanschluss noch gründlicher reinigen und sterilisieren.
Dank der Dichtung der Innenkante der Abschrägung lässt sich mit CIP- oder SIP-Prozessen die gesamte medienberührte Oberfläche der Instrumentenarmatur oder des Sensors und deren Prozessanschluss noch gründlicher reinigen und sterilisieren.

Dass Sensoren die Basisdaten für die Optimierung von verfahrenstechnischen Prozessen liefern, ist unumstritten. Doch wie misst man etwas, wofür es noch keine Messverfahren gibt oder wenn durch die Messung die Gefahr besteht, dass ein hochkomplexes System kontaminiert wird?

Die Biotechnologie ist auf dem Vormarsch, sowohl in der pharmazeutischen als auch in der industriellen Produktion. So sind im vergangenen Jahr erstmals mehr Zulassungsanträge für Arzneimittel auf biotechnologischer Basis eingegangen als auf klassischem Wege. Auch für die weiße Biotechnologie – also die industrielle Produktion – haben viele Unternehmen das Potenzial erkannt.

So dürften nach einem Positionspapier der Dechema „Chancen der Weißen Biotechnologie in Deutschland“ die Umsätze aus industrieller biotechnischer Produktion in deutschen Unternehmen bereits heute im mehrstelligen 100-Millionen-Euro-Bereich liegen. In zehn bis fünfzehn Jahren werden voraussichtlich fast alle Vitamine fermentativ, biotechnisch oder pflanzenbiotechnisch herstellbar sein.

Biopharmazeutika im Aufwind

Ähnlich beeindruckende Zahlen kommen aus der Pharmaindustrie: Nach einer aktuellen Studie der Boston Consulting Group konnte der Umsatz mit Biopharmazeutika in Deutschland 2006 im Vergleich zum Vorjahr um zwölf Prozent gesteigert werden; mit 3,1 Milliarden Euro umfasste er zwölf Prozent des gesamten Pharmamarktes in Deutschland. 31 Prozent aller 2006 zugelassenen Medikamente mit neuen Wirkstoffen in Deutschland sind Biopharmazeutika, und derzeit befinden sich über 300 Biopharmazeutika in der klinischen Prüfung.

Von diesen Boommärkten bleibt auch die Mess- und Analysentechnik nicht unberührt. „Der Prozesstrend der Biotechnologie verzahnt sich in den letzten Jahren zunehmend mit den Branchen Chemie, Pharmazie und Lebensmittel“, führt Klaus Köhler, Branchenmanager Pharmazie bei Endress+Hauser (E+H) aus. „Wir gehen davon aus, dass sich biologische Verfahren weiter durchsetzen und versuchen nicht nur reaktiv, sondern in der ersten Reihe das Thema voranzubringen. Mitarbeiter von Endress+Hauser engagieren sich in Gremien, wo zukünftige Rahmenbedingungen – wie die Einführung von ASME BPE als Standard – festgelegt werden. Und genau dieser Standard ist die Grundlage für die Neu- und Weiterentwicklung des Produktportfolios.“

Empfindliche Systeme

Einerseits müssen bestehende Messverfahren unter den Aspekten der Hygiene betrachtet werden, andererseits sind aber auch neue Technologien für Systeme gefordert, die den Einsatz mitunter sehr erschweren.

„Ähnelt der Einsatz von Biokatalysatoren aus Zellaufschlüssen oder von isolierten Enzymen in chemischen Reaktionen noch relativ stark der klassischen Chemie, so steht die Fermentation von vorne herein auf einer höheren Komplexitätsebene. Fermentation bedeutet den Umgang mit lebendenden Organismen“, beschreibt Dr. Hans Tups, Business Manager bei Bayer Technology Services, Leverkusen, die Schwierigkeiten.

Nur unter optimalen und genau definierten Bedingungen wachsen die Zellen und Mikroorganismen in der gewünschten Qualität. „Biotechnische Umsetzungen sind sehr dynamische Prozesse, die in einem sehr komplexen Umfeld ablaufen“, bestätigt Dr. Wolfgang Künnecke, Geschäftsführer der Trace Analytics, Braunschweig. „Die Zellen dürfen nicht in ihrem Wachstum gestört werden – und erst Recht nicht dürfen fremde Keime eindringen. Steriles Arbeiten mit sicheren Probenehmern und robusten Sensoren ist deshalb überaus wichtig!“

Schwierige Aufbereitung

Die Produktivität und Aktivität der Systeme hängt von den äußeren physikalischen und chemischen Bedingungen ab. Dabei folgen nach der eigentlichen Kultivierung meist eine Reihe an ebenso schwierigen Aufbereitungsschritten, für die vorher das Produkt aus einem hoch komplexen Reaktionsgemisch isoliert werden muss. Solch einen Prozess zu führen, stellt für Betriebsleiter eine besondere Herausforderung dar.

„Dazu bedarf es geeigneter Messverfahren, die entsprechende Prozessinformationen ausreichend schnell, häufig und genau bereitstellen“, erklärt Tups. „Es sollten möglichst viele relevante Daten online gemessen und in Echtzeit zur Verfügung gestellt werden.“ Schließlich stellt jede manuelle Probenentnahme ein Kontaminationsrisiko dar. Neben der langzeitlichen Sterilität gilt es, den vielen gesetzlichen Richtlinien, Regelwerken und Auflagen Rechnung zu tragen. Für die Maximierung von Ausbeuten ist zudem eine vertiefte Prozesskenntnis erforderlich, etwa welche kritischen Parameter den Fermentationsprozess wesentlich beeinflussen und wie sich Änderungen auf den Gesamtprozess auswirken.

Zu den klassischen Parametern, die in einem Bioreaktor geregelt werden, gehören der pH-Wert, Temperatur oder Druck. Weitere aufschlussreiche Parameter sind die Konzentration der Nährstoffe im Fermenter oder die Zellzahl. Die Ansprüche an die Sensoren steigen dabei, wie Kurt Hiltbrunner von Mettler Toledo berichtet: „Sowohl in der chemischen Synthese als auch bei der Fermentation sind Batch-Prozesse üblich. Dabei werden hohe Anforderungen an die Wiederholbarkeit und somit auch an die Prozessanalytik gestellt.“ In Fermentationsprozessen sind strengste sterile Anforderungen einzuhalten. „Da Zellkulturen von Säugern sehr langsam wachsen und ein Batchverlust wegen eines defekten Sensors fatal und sehr teurer wäre, ist überdies die Qualität der Sensoren von Bedeutung. Der Sensor muss mehrere Batches und mehrfache Sterilisation überstehen“, erklärt Hiltbrunner.

Steriler Anschluss

Von besonderem Interesse sind daher hygienisch einwandfreie Anschlussstutzen, so wurden die bewährten Ingold-Stutzen von Mettler Toledo noch einmal verbessert. Unter dem Namen Ingold Sanitary Sockets wird eine zuverlässige Prozessverbindung geschaffen. Dank der abgeschrägten Innengestaltung sowie des verlegten Dichtpunkts werden die Armatur bzw. der O-Ring optimal angeordnet und ein Medienstau sowie Verunreinigungen verhindert. Durch die Dichtung der Innenkante der Abschrägung lassen sich mit CIP- oder SIP-Prozessen die gesamte medienberührte Oberfläche der Instrumentenarmatur oder des Sensors und deren Prozessanschluss noch gründlicher reinigen und sterilisieren.

Sichere Füllstandmessung

Auch der Levelflex M FMP43 von E+H misst kontinuierlich und betriebssicher den Füllstand von Flüssigkeiten, unabhängig von Mediumseigenschaften wie Dichte, Dk-Wert oder Leitfähigkeit. Selbst unruhige Oberflächen und Schaumbildung meistert er spielend. Dabei wird der FMP43 in Applikationen mit speziellen hygienischen Anforderungen eingesetzt: Die CIP- und SIP-reinigungstaugliche Sonde ist autoklavierbar. Sie lässt sich komplett in ihre Einzelteile zerlegen, die auch austauschbar sind. Das frontbündige und spaltfreie Design entspricht den Anforderungen der ASME-BPE. Die medienberührenden Teile sind FDA-gelistet und geprüft nach USP Class VI. Ein spezielles Kalibrierkonzept erlaubt die Kalibrierung im eingebauten Zustand ohne den Prozess zu öffnen und die Hygienebarriere zu durchbrechen.

Interessante Abluft

Weitere Erkenntnisse über den Zustand des Bioreaktors liefert dessen Abluft. Neben der entsprechenden Abgasanalytik für O2, CO2 und NOx-Komponenten werden Fließanalysensysteme zur Detektion von Ammonium, Nitrit, Nitrat und Methanol eingesetzt. Als Online-Analysatoren zur Bestimmung der letztgenannten Stoffe in den flüssigen Phasen der Reaktoren kommen z.B. die Systeme TAS 2000 und ProcessTrace-Methanol der Trace Biotech aus Braunschweig zum Einsatz. „Neben den bereits routinemäßig vorhandenen Parametern Glukose, Methanol und Laktat, wird es in Zukunft sehr interessant werden, auch das Produkt selbst zu bestimmen“, weist Künnecke auf die nächsten Schritte hin. „Das sind dann natürlich für den jeweiligen Hersteller speziell gefertigte Sensoren; der Nutzen in puncto Ausbeute und Qualität kann dann aber sehr groß sein. Für den Bereich Zellkultur werden wir ein neues, bedienerfreundliches und kostengünstiges System für das parallele Monitoring von Glukose und Laktat einführen.“

Neue Wege für bewährte Messwerte

Mitunter finden sich auch neue Wege für bewährte Messwerte: „Wo früher zum Beispiel über den Verbrauch von Sauerstoff auf das Zellwachstum rückgeschlossen wurde, kann heute mit NIR-Trübungsmessgeräten das Zellwachstum direkt gemessen werden“, erklärt Köhler. Die neuste Entwicklung in diesem Bereich, die E+H zusammen mit Bayer Technology Services (BTS) zur Marktreife gebracht hat, ist die direkte Konzentrationsmessung des Zielstoffes mit einem Inline-MIR-Spektrometer.

Das MIR-Spektrometer von E+H identifiziert Substanzen und bestimmt online die Konzentrationen unterschiedlicher Stoffe in der Chemie-, Pharma- und Lebensmittel-Branche. Es lässt sich sowohl zur Qualitätssicherung als auch zu Überwachungszwecken einsetzen. Dank der Online-Messung liefert das MIR-Spektrometer eindeutige und zeitnahe Informationen – in wässrigen Lösungen und bei der Bestimmung der Konzentration einzelner Stoffe in Substanzgemischen. Die Reinigung der prozessberührten optischen Einheit – des ATR-Kristalls – erfolgt in ähnlicher Weise wie bei automatisierten pH-Messstellen unter Verwendung von Prozesswechselarmaturen.

Voll automatisiertes Analysensystem

Zur Messung von Parametern, die nur über eine aufgearbeitete Probe zugänglich sind, bietet BTS nun auch für die biotechnologische Produktion die Automatisierungsplattform BaychroMAT an. Damit ist eine zeitnahe, kontinuierliche Beobachtung von kritischen Konzentrationen und Parametern (z.B. die Gesamtzellzahl) durch ein voll automatisiertes Analysensystem gewährleistet.

Der BaychroMAT CellCount wurde hierzu speziell für Fermentationsprozesse entwickelt. Er bietet zusammen mit seinen neuartigen sterilisierbarem Probenahmenventil eine sichere Lösung zur sterilen Entnahme einer vollständigen Probe und Online- Analytik ohne Kontaminationsrisiko.

Ausblick

Während die klassischen Parameter bereits einige sehr gute Regelungsmöglichkeiten bieten, bleibt in diesem spannenden Umfeld noch viel Arbeit, insbesondere auf dem Feld der Biosensoren, etwa wenn neue Signale wie z.B. transkriptionale oder zellmorphologische Signale für neue regelungstechnische Ansätze zugänglich gemacht und genutzt werden sollen.

„Wir benötigen neue Sensoren, speziell Biosensoren, um neue Parameter über eine Messung zugänglich zumachen“, beschreibt Tups die weiteren Aufgaben. Und nicht zuletzt müssen neben der Optimierung der Regelungs- und Steuerungsmechanismen verstärkt neue Prozess- und Reaktormodelle entwickelt werden.

Künnecke sieht dagegen die bessere Integration der Sensorik in Gesamtsysteme, z.B. in Biodisposables als wichtiger an, statt noch viele neue Parameter anzubieten. „Letztendlich ist für die Regelung des Prozesses nur eine Handvoll von Parametern notwendig, während andere vorwiegend zur allgemeinen Verlaufs- und Qualitätskontrolle benötigt werden. Diese müssen dann nicht unbedingt im Minutentakt und online gemessen zu werden“, hält Künnecke fest.

Köhler sieht ebenfalls interessante Chancen für das Disposable Equipment. „Hier geht es darum, die aufwändigen und teuren Reinigungsprozederen und die Validierung dieser hygienischen Erfordernissen durch den Einsatz von Einweg-Prozessausrüstung zu ersetzen. Für die Hersteller von Messgeräten geht es darum, entweder preiswerte Wegwerfmessgeräte zur Verfügung zu stellen oder qualitativ hochwertige Messtechnik vom Prozessmedium zu trennen – z.B. mit einer hauchdünnen Kunststoffauskleidung, die nach dem Batch entfernt und entsorgt wird.“

Die Autorin ist redaktionelle Mitarbeiterin bei PROCESS.

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