Endress+Hauser-Innovationen der Raman-Spektroskopie

Die Raman Flow Assembly bietet Echtzeitüberwachung, schnelle Prozessoptimierung und Prozesssteuerung für Perfusions- und Chromatographieanwendungen und andere Downstream-Prozesse.

Raman-Spektroskopie kurz erklärt: Die Raman-Spektroskopie gehört in den Bereich der Schwingungspektroskopie. Sie ermöglicht die Analyse der molekularen Zusammensetzung von Stoffen durch die Messung der Lichtstreuung einer Probe. Dabei wird eine Probe mit sichtbarem Licht oder Nahinfrarot-Licht bestrahlt; die chemische Zusammensetzung wird analysiert, indem Änderungen der Wellenlänge des gestreuten Lichts festgestellt werden.

Diese Änderungen sind charakteristisch für die Schwingungen der jeweiligen Moleküle. Das Verfahren liefert einen molekularen Fingerabdruck, der die Identifizierung, Quantifizierung und Überwachung der jeweiligen chemischen Substanzen in einer Probe oder einem Prozess ermöglicht. Damit bietet die Raman-Spektroskopie hochspezifische Inline-Analysen in Echtzeit, wo bisher nur Offline-Messungen möglich war.

Eine Raman Rxn-46 Sonde in einem BioPAT-Spectro System für Ambr 15 und Ambr 250 von Sartorius macht die Erstellung von Modellen schneller, einfacher und robuster.

Die Weiterentwicklung der Raman-Spektroskopie in den Life Sciences

Die Raman-Technologie ist schon seit langem ein etabliertes Verfahren in den Laboren der biopharmazeutischen Industrie. Sie wird aber zunehmend auch zu einer wichtigen PAT-Lösung in der Prozessentwicklung und im Produktionsumfeld. Heute vertrauen Hersteller von Biopharmazeutika immer häufiger auf robuste Raman-Systeme, um in Echtzeit und in situ Messungen in verschiedenen biotechnologischen Verfahrensabläufen durchzuführen und so höhere Produktionserträge zu erzielen, weniger Abfälle zu produzieren und die Qualität der Endprodukte zu steigern.

Eine speziell entwickelte Multi-Use Optik wird in eine Einweghülse eingesetzt. Das ist benutzerfreundlich und flexibel.

Automatisierte Datenverarbeitung

Dabei ist die Raman-Technologie sehr gut für eine große Bandbreite von biotechnologischen Anwendungen geeignet, weil das Verfahren einerseits gegenüber Wasser nicht sensitiv ist und andererseits sehr spezifisch chemische Zusammensetzungen erkennt. Direkt in Bioreaktoren oder Transportleitungen eingesetzte Raman-Sonden ermöglichen die Messung mehrerer Prozessparameter und Qualitätsindikatoren mit einer einzigen Inline-Sonde. Führende Raman-Systeme integrieren eine automatisierte Datenverarbeitung und bieten eine nahtlose Skalierung vom Mikrobereich bis zum Produktionsmaßstab. Hersteller von Biopharmazeutika verfügen damit über ein Instrument zur Qualitätssicherung in Echtzeit und ein besseres Risikomanagement im gesamten Prozesslebenszyklus. Dadurch hat sich das Verfahren in der Branche als ideales PAT-Tool zur Unterstützung von

Single-Use Raman-Systeme bestehen aus einer wiederverwendbaren Optik und einem Einwegfitting, die mit SUBs und Mischbeuteln führender Anbieter kombiniert werden, um das Kontaminationsrisiko zu minimieren.

Quality-by-Design-Maßnahmen (QbD) etabliert

In den vergangenen zehn Jahren hat sich die Entwicklung auf Datenanalyse, fortschrittliche Prozesssteuerung und die Erschließung neuer Raman-Anwendungen konzentriert. Besonders zu nennen sind hier Systeme mit hohem Durchsatz, automatisierte Modellierung, Single-Use-Systeme, Perfusionssysteme, Zell- und Gentherapien sowie Downstream-Anwendungen. Diese Weiterentwicklungen zeigen sich in einer Fülle von aktuellen Veröffentlichungen, die die Vielseitigkeit und Anwendbarkeit der Raman-Spektroskopie in verschiedenen biotechnologischen Verfahren belegen.

Raman-Kalibrierungs- und Verifizierungskits gibt es für die Raman Flow Assembly, die Rxn-46 Sonde und Multi- und Single-Use Optiken. Die Kits bringen mehr Effizienz und reduzieren die Ausfallzeiten.

Aktuelle technische Herausforderungen und Marktanforderungen der Biotechnologie

Herkömmliche Bioreaktoren verfügen nur über begrenzte Möglichkeiten zur Inline-Messung, so dass biopharmazeutische Unternehmen bisher auf Offline-Analysen zur Bestimmung von Nährstoffen und zur Qualitätsbestimmung der jeweiligen Chargen angewiesen waren. Weltweit tätige biopharmazeutische Unternehmen setzen die Raman-Spektroskopie jetzt zunehmend zur automatisierten Überwachung kritischer Prozessparameter ein, um Prozessabweichungen, Risiken und die Entwicklungszeit zu verringern. Das Ergebnis sind schlankere und anpassungsfähigere biotechnologische Prozesse und im Endeffekt qualitativ hochwertigere Produkte. Die Nachfrage nach gezielteren, individuellen Medikamenten nimmt allerdings zu, so dass die Prozesskosten massiv ansteigen, während sich ein hoher Druck aufbaut, die Produkte immer schneller marktfähig zu machen.

Als Reaktion darauf zeigt sich in der Branche eine Nachfrage nach kleineren, flexibleren biotechnologischen Anlagen, was insbesondere mit dem Aufkommen neuer Verfahren wie Zell- und Gentherapien zusammenhängt. Im Zusammenhang damit werden Single-Use-Systeme wichtiger; die bringen allerdings eine Reihe von Herausforderungen mit sich, vor allem, was eine mögliche Kontamination durch unerwünschte Substanzen aus Einwegkomponenten und die Robustheit von Einwegsensoren betrifft. Um diese Probleme zu lösen, sind Innovationen erforderlich, die die Genauigkeit und Robustheit von Single-Use-Systemen verbessern, eine präzisere Prozesssteuerung ermöglichen und das Risiko von Chargenverlusten minimieren.

Das System aus Hülse und Multi-Use Optik für die Biotechnologie sorgt dafür, dass alles steril bleibt und die spektrale Qualität nicht leidet. Gleichzeitig wird der Reinigungsaufwand in Multi-Use oder Single-Use Benchtop-Bioreaktoren verringert.

PAT- und QbD-fähige Bioreaktoren der nächsten Generation

In den zurückliegenden Jahren hat sich die Prozesslandschaft der Biotechnologie auch dadurch verändert, dass PAT- und QbD-Prinzipien in das Design von Bioreaktoren integriert werden, die dazu durchgehend mit Inline-Raman-Sonden ausgestattet sind. Solche Bioreaktoren ermöglichen umfangreiche Inline-Messungen, die mehr bieten als die üblichen Glukose- und Laktatmessungen und jetzt eine Vielzahl von Nährstoffen, Stoffwechselprodukten, Abfallstoffen, Produkten und Zellinformationen umfassen. Mehr denn je sind Prozessoptimierungen und Maßnahmen zur Qualitätssicherung in Echtzeit und in situ möglich, wobei umfangreiche Daten für eine nahtlose Automatisierung bereitgestellt werden. Führende Raman-Systeme geben biopharmazeutischen Herstellern die Möglichkeit, mit kontinuierlicher Überwachung und Automatisierung auch im 24-Stunden-Betrieb die Qualität und Effizienz ihrer Anlagen genau im Blick zu behalten.

Die Raman-Sonde Rxn-46, angeschlossen an den BioPAT-Spectro Single-Use Port von Sartorius für die ramangestützte Überwachung und Steuerung in Biostat STR Single-Use Bioreaktoren.

Sensoren für industrielle Maßstäbe

Raman-Spektren sind so substanzspezifisch, dass sie die jeweils für die Anwendung relevanten Moleküle exakt erkennen. Sie werden damit zum idealen Werkzeug für biotechnologische Prozesse. Leistungsfähige Sonden für solche Prozesse werden unter Berücksichtigung branchenspezifischer Anforderungen entwickelt, darunter strenge Materialstandards, verschiedene Sterilisierungsmethoden, Port-Kompatibilität und Anwendungsfreundlichkeit. Zugelassene medienberührte Materialien sind für Standard-Reinigungs- und Sterilisierungsverfahren geeignet und gewährleisten eine gleichbleibende Leistung in verschiedenen Bioreaktor-Konfigurationen. Idealerweise sollte die Sonden-Technologie für alle Größen und Arten von Bioreaktoren einheitlich sein, um eine nahtlose Integration in bestehende und zukünftige Systeme zu ermöglichen. Die einheitliche Ausführung macht es einfach, sie in unterschiedlichen Settings einzusetzen: in üblichen Bioreaktoren wie in Single-Use-Bioreaktoren, im Batch-Betrieb oder in der kontinuierlichen Produktion, in der Prozessentwicklung oder im Herstellungsbetrieb unter cGMP-Vorgaben.

Single-Use- und Multi-Use-Verfahren in der Biotechnologie

Die derzeitige Prozesslandschaft in der Biotechnologie umfasst eine Kombination von Behältern, Instrumenten und Sensoren für den Single-Use und Multi-Use-Betrieb. Single-Use-Systeme, die für nur eine Charge oder einen Produktionszyklus ausgelegt sind, bevor sie ausgetauscht werden, sind in der Life-Sciences-Industrie sehr gefragt. Single-Use-Bioprozessanlagen sind flexibel: Sie sind mobil und können je nach Bedarf entsorgt oder erweitert werden. Zusätzliche Reinigung, Sterilisierung und Validierung der Komponenten entfällt, Materialverbrauch, Kosten, Risiken von Kreuzkontaminationen und Herstellungszeiten können reduziert werden. Andererseits haben die Anwender mit Multi-Use-Bioreaktoren aus Glas oder Edelstahl dauerhaftere Anlagen, die in der Regel für spezifische Kapazitäten und Prozess-Anforderungen ausgelegt sind.

Die Raman-Spektroskopie spielt in beiden Szenarien eine Rolle und passt sich der Transformation der Branche von der Chargen- zur kontinuierlichen Verarbeitung und von Multi-Use- zu Single-Use-Systemen an. Die Veränderungen sind eine Herausforderung für die Branche, und gerade hier sind zuverlässige, auf der Raman-Spektroskopie basierende Inline-Messverfahren dringend erforderlich. Die kommende Generation der Single-Use-Systeme in der Bioprozesstechnik zeigt schon Weiterentwicklungen, die sie benutzerfreundlicher und effizienter und gleichzeitig für den vollkontinuierlichen Betrieb geeignet machen.

Standalone-Raman-Geräte und umfassende Lösungen für Lab-to-Process

Während eigenständige Raman-Analysatoren und -Sonden wertvolle Daten liefern können, sind für maximale Effizienz in biopharmazeutischen Produktionsverfahren umfassende Raman-Systeme erforderlich, die vom Labormaßstab bis auf die Produktionsebene skaliert werden können. Solche Systeme benötigen robuste Analysatoren, optimierte Bioprozesssonden, einfache Kalibrierungs- und Verifizierungsroutinen, Techniken zum Verfahrenstransfer und integrierte Automatisierungsprotokolle.

Endress+Hauser steht als Pionier auf diesem Gebiet seit über 30 Jahren an der Spitze der Raman-Technologie. Das Unternehmen erweitert kontinuierlich sein Portfolio an Raman-Systemen, um die biopharmazeutischen Unternehmen angesichts der Herausforderungen bei ihren Analyseaufgaben zu unterstützen. Das Produktspektrum umfasst spezielle Raman-Sonden und Optiken, die für Mikro- und Mini-Bioreaktoren, herkömmliche oder Single-Use-Systeme, Volumenströme und Batch- oder kontinuierliche Prozesse entwickelt wurden, außerdem robuste Analysegeräte, die auf Skalierbarkeit vom Labor bis zur Produktionsumgebung optimiert sind. Neue, einfache Kalibrierungs- und Verifizierungsverfahren runden das Raman-Portfolio des Unternehmens ab.

Raman-Schnittstelle zur Entwicklung von Anlagen mit hohem Durchsatz

Aktuelle Entwicklungen betreffen einen Einsatz der Raman-Analyse in kleinsten Bioreaktoren wie in großen Single-Use-Bioreaktoren (SUBs). Eine Innovation in diesem Zusammenhang betrifft die Kombination von Endress+Hauser Analysatoren mit Rxn-46-Sondentechnologie für biotechnologische Anlagen mit der BioPAT® Spectro-Plattform von Sartorius. Diese integrierte Technologie bietet eine ideale Schnittstelle für Prozesse mit hohem Durchsatz in Single-Use-Anwendungen im klinischen Bereich und in der kommerziellen Herstellung. Die an die BioPAT-Spectro Plattform von Sartorius angepasste Rxn-46 Sonde hat die gleiche Bauform, wie sie für die Ambr 15, Ambr 250 und Biostat STR-Bioreaktoren benötigt wird. So können schnell Raman-Daten gewonnen werden, um robuste und skalierbare Modelle zu erstellen. Die schnelle, zuverlässige und genaue Messung von wichtigen Variablen in biotechnischen Prozessen war noch nie so einfach.

Integration in Single-Use-Systeme

Eine andere aktuelle revolutionäre Entwicklung betrifft die Möglichkeit, Raman-Technologie vorinstalliert in Single-Use-Bioreaktoren und Mischbeuteln anzubieten. Integrierte Single-Use Raman-Sonden schließen Kontaminationsrisiken aus, sie sich im Zusammenhang mit der Sterilisation von Sonden beim Endanwender und dem erforderlichen aseptischen Einsetzen ergeben. Endress+Hauser zeichnet sich dadurch aus, dass es den einzigen Multi-Attribut-Sensor anbietet, der für verschiedene Arten von Bioprozessbehältern geeignet ist, die von unterschiedlichen Anbietern von Single-Use-Behältern erhältlich sind.

Das optische Single-Use Raman-System besteht aus einem Einweg-Fitting und einer wiederverwendbaren berührungslosen Optik. Das medienberührte Einwegteil entspricht den Industriestandards und wird direkt an Anbieter von Single-Use-Systemen verkauft. Dort wird es nach einer Gamma-Sterilisation als steriler, gebrauchsfertiger Bestandteil des SUB oder Mischbeutels ausgeliefert. Dieser Ansatz verbessert die Benutzerfreundlichkeit, reduziert den Reinigungs- und Wartungsaufwand und minimiert das Kontaminationsrisiko ohne Leistungseinbußen.

Vielseitige Tauchoptiken für Benchtop-Bioreaktoren

Als Ergänzung der Single-Use-Systeme hat Endress+Hauser auch eine biotechnologische Multi-Optik und einen optionalen Sleeve für Bioreaktoren im Benchtop-Maßstab eingeführt. Dieses vielseitige System optimiert den Arbeitsablauf des Anwenders, reduziert das Kontaminationsrisiko, ist wartungsfrei und ermöglicht die Integration in Single-Use Benchtop-Bioreaktoren. Die Verbindung mit dem Raman-Analysator und der Sonde erfolgt über eine speziell entwickelte Mehrweg-Optik, die in einen Sleeve, eine Einweghülse, passt. Die Einweg-Biohülse macht spezielle Raman-Linsen und Sondenkomponenten überflüssig, die häufigen Sterilisationen und Probenexpositionen standhalten müssten, und löst damit das Problem der langfristigen Wiederverwendbarkeit von Komponenten, die in Kontakt mit der Probe bzw. dem Prozessmedium kommen. Die Einweg-Biohülse ist für Gammasterilisation und einmaligen Gebrauch geeignet, ist aber auch robust genug für mehrere Zyklen im Autoklaven. Mit der Bio-Multi-Optik- und dem Sleeve können biopharmazeutische Unternehmen steril und mit unverminderter spektraler Qualität arbeiten und gleichzeitig den Aufwand für Vorbereitungs- und Reinigungsarbeiten reduzieren.

Besondere Herausforderungen in Downstream-Prozessschritten

Downstream-Prozesse umfassen Pufferaufbereitung, Klärung, Chromatographie, Ultrafiltration/Diafiltration (UF/DF), Virusinaktivierung, Polieren, Formulierungsstabilität und einiges mehr. Während bei Upstream-Anwendungen die Raman-Technologie weit verbreitet ist, stehen Downstream-Applikationen vor ganz eigenen Herausforderungen. PAT-Lösungen werden daher langsamer umgesetzt. Effizienzverbesserungen für Downstream-Anwendungen sind unter anderem daran gescheitert, dass sie bei der Bestimmung der Stoffzusammensetzung von extraktiven Analyseverfahren abhängig sind, dass die Reaktionszeiten zu groß und die Wertebereiche zu klein sind, Hintergrundinterferenzen und Probleme mit der Genauigkeit auftreten, dass die Verfahren nicht stabil sind und Qualitätsmerkmale nicht spezifisch erfasst werden. Die zunehmende Komplexität der Aufreinigungsschritte im Rahmen intensivierter Upstream-Prozesse hat auch den Bedarf an innovativen Lösungen in biotechnologischen Downstream-Prozessen deutlich gemacht.

Downstream-fähig durch Innovationen

Es gibt offenbar einen Bedarf in Downstream-Prozessen, für den es bisher keine Angebote gab. Um die Lücke bei Durchflusszellensystemen in Labor- und Pilotanlagen zu schließen, hat Endress+Hauser deshalb vor Kurzem die Raman Flow Assembly auf den Markt gebracht. Dieses Angebot ist für Downstream-Volumenströme optimiert und nutzt Signalverstärkung kombiniert mit einer rauscharmen Technologie für schnellere Ergebnisse. Die Raman Flow Assembly ist ein spezielles Werkzeug für die Raman-Spektroskopie, das für biopharmazeutische Labors und die Prozessentwicklung in den Bereichen Reinigung und Perfusion entwickelt wurde. Eine Skalierung bis zu Herstellungsprozessen nach cGMP-Vorgaben ist möglich.

Anwender entscheiden flexibel

Die Raman Flow Assembly besteht aus einer Micro Flow Cell und einer zugehörigen Micro Flow Bench, die mit einer Raman-Sonde und einem Analysator verbunden ist. Das System erfüllt die Geschwindigkeitsanforderungen von Downstream-Prozessen, indem es die Erfassung von Raman-Daten für Proben mit geringen Volumina und Turbulenzen optimiert. Die Micro Flow Cell ist eine speziell entwickelte Hardware-Komponente, die zur mehrmaligen Benutzung gereinigt und sterilisiert oder wahlweise nach einmaliger Benutzung entsorgt werden kann; die Anwender können hier flexibel entscheiden. Die nicht medienberührte Flow Bench verbessert den Signal-Rausch-Abstand, was für schnelle Messungen bei geringen Materialkonzentrationen ausschlaggebend ist. Mit der Raman Flow Assembly können biopharmazeutische Hersteller die Raman-Spektroskopie zur Echtzeitüberwachung, schnellen Prozessoptimierung und Prozesskontrolle für die Chromatographie und andere Downstream-Prozesse einsetzen.

Neue Kalibrierungs- und Verifizierungstechnologie

Die Raman-Spektroskopie gewinnt in biotechnologischen Upstream- und Downstream-Prozessen gleichermaßen an Bedeutung. Eine effiziente Kalibrierung und Verifizierung ist daher unerlässlich. Endress+Hauser hat seit Kurzem eine neue Reihe von praktischen Kalibrier- und Verifizierungskits im Angebot, die die gesamte notwendige Hardware zur Vereinfachung der Kalibrierung und Verifizierung von Multi-Use- und Single-Use-Optiken, Rxn-46 Sonden und der Raman Flow Assembly umfasst. Weitere Kits werden folgen.

Die modulare Hardware der Kits wurde entwickelt, um eine schnelle Standardisierung der Instrumente zu ermöglichen und Ausfallzeiten zu minimieren. Die Kits benötigen keine externe Stromversorgung und lassen sich daher auch vor Ort einfach einsetzen. Ein weiteres Effizienzmerkmal ist, dass der material- bzw. medienberührte Teil der Raman-Sonde, der Optik und der Durchflusszelle nicht mehr für Kalibrierungs- und Verifizierungsschritte benötigt wird, was den Arbeitsablauf drastisch vereinfacht und Risiken verringert.

Etablierte Technologie mit großem Potenzial

Die Raman-Spektroskopie, früher eine neuartige Technologie, ist heute ein etabliertes Instrument mit einem enormen Potenzial, die Unternehmen in den Life Sciences weiter zu transformieren. Hoch automatisierte Prozesse, kombiniert mit einer Echtzeitüberwachung von Qualitätsparametern und einem sorgfältigen Risikomanagement, setzen sich immer mehr durch. Während sich die Grenzen für den Einsatz der Raman-Spektroskopie immer weiter ausdehnen, nutzen biopharmazeutische Hersteller diese Technologie, um Prozesseffizienz und Produktionsertrag erfolgreich zu steigern.

Für biopharmazeutische Unternehmen wird die Suche nach einem zuverlässigen Partner für die Raman-Technologie daher zu einem entscheidenden Schritt, um die Komplexität von Upstream- wie Downstream-Prozessen zu meistern. Mit seiner umfassenden Erfahrung in der Prozessautomatisierung und seinem Engagement für die Weiterentwicklung der Raman-Technologie gilt Endress+Hauser als Pionier auf diesem Gebiet. Das Portfolio an robusten und umfassenden Raman-Systemen sowie die maßgeschneiderten globalen Service- und Supportangebote zeigen das Engagement des Unternehmens, die branchenspezifischen Anforderungen seiner Kunden zu erfüllen.

Endress+Hauser hat Nase vorn

Die Verlagerung hin zu Single-Use-Systemen ist in der Biotechnologie unübersehbar. Die Neuentwicklungen von Endress+Hauser gerade in diesem Bereich, gepaart mit dem Engagement des Unternehmens für Qualität und Vielseitigkeit, positionieren Endress+Hauser als wesentlichen Akteur bei der Gestaltung der Zukunft der biopharmazeutischen Herstellung. Wie flexibel die Technologie ist, wenn es um die steigenden Anforderungen der Branche in Upstream-Prozessen geht, zeigen auch die Integration der Raman-Technologie von Endress+Hauser in Plattformen für hohen Produktionsdurchsatz, zum Beispiel wie BioPAT-Spectro, die neu eingeführten Multi-Use-Optiken für die Biotechnologie und die Bio-Sleeves.

Mit der Einführung der Raman Flow Assembly zeigt Endress+Hauser, wie sich Probleme in Downstream-Applikationen kompetent lösen lassen. So erschließt das Unternehmen weitere Potenziale für die Raman-Spektroskopie in diesem Umfeld. Sobald Unternehmen aus der Biopharmazie die Vorteile der Raman-Spektroskopie vermehrt nutzen wollen, wird die Zusammenarbeit mit einem zuverlässigen Partner wie Endress+Hauser unverzichtbar. Nur so gelingt eine erfolgreiche Integration der Raman-Spektroskopie mit dem Ziel, eine verbesserte Prozesssteuerung und Qualitätssicherung und letztlich bessere Behandlungserfolge bei den Patienten sicherzustellen.