A comprehensive study in PAT-applications for a QbD-compliant development of continuous biopharmaceutical production

The development of continuously operated integrated pharmaceutical production processes needs a tremendous expenditure. Beside the installation of a full-scale production, scale-down concepts are essential to meet the QbD-specifications of the FDA. In this presentation the surrounding PAT-field of such a plant for production of potential Malaria vaccines (shown in ICB I and ICB II) is discussed in order to create model based QbD-compliant strategies. This includes fully automated processing, global process monitoring with additional classical and spectroscopic measurement procedures including enhanced data processing and MVDA. A full-scope model of the plant allows an in-silico development of process control. The two-stage upstream line is scaled-down in a sixfold sequential/parallel operated bioreactor plant including flow analysis at-line measurements for substrates- and target protein-detection. This plant allows a fully automated simultaneous DoE-process optimization and identification of CPP-Critical Process Parameters. The DoE-model and Monte Carlo simulations create also the Design Space and the Control Space of QbD-production. Similar methods are used in the down-stream area for optimization of cyclic protein purification. These methods are applied with an AEKTAT avant which is developed especially for DoE. The main focus of the work lies on the development of a global MVDA-based monitoring system for biotechnological variables like cell mass, glycerol-, ammonium-, total secreted-, and target protein-concentration but also on the evaluation of process quality (reproducibility) of the running processes. Applications of NIR-, Raman-, and 2D-Fluorescence-Spectroscopy and the appropriate PLSR-modeling leads to a partly success. This was improved by using the nonlinear SVR-Support Vector-machine Regression. However, a MVDA-application with only classical process variables from agitation, aeration, temperature, feeding, pH, pO2, and process balances creates astonishing results in a satisfying bio-monitoring up to the on-line detection of the secreted target protein concentration. The quality of running processes was evaluated with a GB-Golden Batch approach. The GB-tunnel was created with data from QbD-conformed process courses and then used for an on-line observation and prediction of actual first principal components. A MPC-Model Predictive Control was also implemented in order to avoid a leaving of the GB-tunnel by correction of process set-points. These methods open the way to an on-line release of pharmaceutical products

Bioreaktoren : ein Leitfaden für Anwender

Kernstiick der meisten biotechnologischen Verfahren ist der Bioreaktor, d.h. ein Apparat, in dem die gewiinschte biologische Reaktion unter monoseptischen Bedingungen abläuft. Von daher ist es verständlich, daß für viele "Einsteiger" in die Biotechnologie zunächst der Reaktor im Blickpunkt steht. Als Einsteiger sind hier sowohl potentielle Hersteller als auch Nutzer von Bioreaktoren zu verstehen, d. h. sowohl Apparate- und Anlagenbauer, die zukünftig als Lieferanten am Bioreaktormarkt auftreten wollen, als auch Firmen aus verschiedenen Bereichen, die biotechnologische Produkte herzustellen beabsichtigen. Aufgrund der hohen Popularität der Biotechnologie und der großen Erwartungen, die an ihre Entwicklung geknüpft werden, hat die GBF als Großforschungseinrichtung der Bundesrepublik Deutschland und damit als Anlaufstelle für viele Einsteiger neben der Abwicklung ihres F+E-Programms viel Beratung und Aufklärung geleistet. Im Sinne einer Vereinfachung und Rationalisierung erschien es uns daher sinnvoll und notwendig, einige praktische Aspekte der Konstruktion und des Betriebs von Bioreaktoren sowie seiner MSR-Ausstattung in diesem Heft zusammenzufassen. Diese Ausführungen sind auch Bestandteil verschiedener Kurse, die an der GBF durchgeführt werden und in die praktische Biotechnologie einführen. Die Zahl der in der einschlägigen Literatur vorgeschlagenen Bioreaktoren ist groß, ihre Einsatzmöglichkeiten unter praktischen Bedingungen sind jedoch meist ungeklärt. Abgesehen von einigen Spezialfällen - wie z.B. dem Einsatz von Blasensäulen in der Zellkulturtechnik oder zur Herstellung von SCP - stellt der gerührte Kessel den Standard-Bioreaktor dar. Daran wird sich auch in Zukunft so schnell nichts ändern. Die Ausführungen in diesem Band beziehen sich daher ausdrücklich auf den Rührkesselreaktor. Im Biotechnikum der GBF ist eine Erneuerung bzw. Modernisierung des Fermenterparks notwendig geworden. Eine Reihe von Beschaffungsmaßnahmen wird derzeit abgewickelt. Als Teil III dieses Hefts wird der dabei verwendete Ausschreibungstext für die Angebotserstellung abgedruckt. Dieser enthält sicherlich einige GBF-spezifische Details, faßt andererseits aber alle wichtigen Punkte zusammen, die bei der Beschaffung von Bioreaktoren zu beachten sind