Endress+Hauser-Innovationen der Raman-Spektroskopie

Eine spezielle Raman-Sonde, integriert in ein modernes Analysesystem für Bioreaktoren, ermöglicht eine schnellere, einfachere und robustere Erstellung von Modellen.

Von der präzisen Analyse von Zellkulturen bis zur Überwachung von Reinigungsschritten: Technologien wie die Raman-Spektroskopie haben in den letzten zwanzig Jahren die Steuerung biopharmazeutischer Prozesse revolutioniert. Einst eine reine Labormethode, hat sich die Raman-Spektroskopie im biopharmazeutischen Markt zu einem zentralen Werkzeug der Process Analytical Technology (PAT) entwickelt, das kritische Prozesse effizient überwacht und optimiert. Ihre Anwendung, zunächst vorwiegend auf Upstream-Prozesse wie Fermentation begrenzt, findet inzwischen auch vermehrt in Downstream-Applikationen statt, beispielsweise bei der Überwachung von Filtrations- und Reinigungsverfahren. Jüngste Innovationen in der Raman-Spektroskopie konzentrieren sich auf Single-Use-Technologien, Durchflusszellen und neue Kalibrierungstechniken. Diese Fortschritte zielen darauf ab, biotechnologische Prozesse effizienter zu gestalten, Zykluszeiten zu verkürzen und die Produktqualität entlang der gesamten Wertschöpfungskette – von der Laborentwicklung bis zur cGMP-konformen Herstellung – entscheidend zu verbessern.

Das Durchflusssystem ermöglicht die Echtzeitüberwachung, schnelle Prozessoptimierung und effektive Prozesssteuerung für Perfusions- und Chromatographieanwendungen sowie andere Downstream-Prozesse.

Autorin: Antonella Colucci, Product Manager Optical Analysis bei Endress+Hauser

Antonella Colucci ist Product Manager Optical Analysis bei Endress+Hauser, einem global führenden Anbieter von Mess- und Automatisierungstechnik für Prozess und Labor. Colucci ist Expertin für Optical Analysis Marketing und spezialisiert auf die nahtlose Integration von PAT-Technologien aus dem Labor in den Prozess. Ihre Expertise umfasst Raman-Spektroskopie, TDLAS und QF, mit tiefem Branchenwissen in Chemie, Life Sciences, Power, Energy & Gas.

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 waren.

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 Produktausbeuten zu erzielen, weniger Abfälle zu produzieren und die Qualität der Endprodukte zu steigern. 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 etabliert, um Quality-by Design-Maßnahmen (QbD) zu unterstützen. 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.

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 qualitativ hochwertigere Produkte. Die Nachfrage nach stärker personalisierten Medikamenten nimmt allerdings zu, so dass die Prozesskosten massiv ansteigen und der Druck steigt, 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. Vor diesem Hintergrund werden Single-Use-Systeme wichtiger; diese 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.

PAT- und QbD-fähige Bioreaktoren der nächsten Generation

In den letzten 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.

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 medienberührende Materialien sind für Standard-Reinigungs- und Sterilisationsverfahren 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.

Raman-Schnittstelle zur Entwicklung von Anlagen mit hohem Durchsatz

Aktuelle Entwicklungen betreffen einen Einsatz der Raman-Analyse in kleinsten Bioreaktoren sowie in großen Single-Use-Bioreaktoren (SUBs). Eine bedeutende Neuerung in diesem Kontext ist die Kombination moderner Analysatoren mit spezieller Sondentechnologie, die für biotechnologische Anlagen optimiert wurde (Bild 1). Diese integrierte Technologie schafft die ideale Schnittstelle für Hochdurchsatz-Prozesse in Einweg-Anwendungen, sowohl im klinischen Bereich als auch in der kommerziellen Produktion. Die angepasste Sondentechnologie entspricht den Anforderungen verschiedener Bioreaktortypen und ermöglicht eine schnelle Erfassung von Raman-Daten. Dadurch lassen sich robuste und skalierbare Modelle effizient erstellen. Die schnelle, zuverlässige und genaue Messung von wichtigen Variablen in biotechnologischen 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, die sich im Zusammenhang mit der Sterilisation von Sonden beim Endanwender und dem erforderlichen aseptischen Einsetzen ergeben. Einzigartig ist dabei ein Multi-Attribut-Sensor, 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 wurde auch eine biotechnologische Multi-Optik mit optionalem Sleeve (Einweghülse) 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 passt. Diese 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 in 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 und 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 einen erkennbaren Bedarf in Downstream-Prozessen, der bisher nicht abgedeckt wurde. Um diese Lücke bei Durchflusszellensystemen für Labor- und Pilotanlagen zu schließen, wurde eine neue Lösung entwickelt, die speziell für die Anforderungen von Downstream-Volumenströmen optimiert ist (Bild 2). Dieses System kombiniert Signalverstärkung mit einer rauscharmen Technologie, um schnellere und präzisere Ergebnisse zu ermöglichen. Es wurde gezielt für biopharmazeutische Labors und die Prozessentwicklung in den Bereichen Reinigung und Perfusion konzipiert und kann bis hin zu Herstellungsprozessen gemäß cGMP-Vorgaben skaliert werden.

Das System besteht aus einer Mikro-Durchflusszelle und einer dazugehörigen Plattform, die mit einer Raman-Sonde und einem Analysator verbunden ist. Es erfüllt die Anforderungen an Geschwindigkeit und Effizienz in Downstream-Prozessen, indem es die Erfassung von Raman-Daten für Proben mit geringem Volumen und minimaler Turbulenz optimiert. Die Mikro-Durchflusszelle ist so gestaltet, dass sie nach Gebrauch gereinigt und sterilisiert oder bei Bedarf entsorgt werden kann, was Anwendern maximale Flexibilität bietet. Die berührungsfreie Plattform verbessert den Signal-Rausch-Abstand und ermöglicht dadurch schnelle Messungen bei niedrigen Materialkonzentrationen.

Dieses System erlaubt biopharmazeutischen Herstellern die Nutzung der Raman-Spektroskopie zur Echtzeitüberwachung, Prozessoptimierung und Prozesskontrolle, insbesondere in der Chromatographie und anderen Downstream-Prozessen. Die Raman-Spektroskopie, früher eine neuartige Technologie, ist heute ein etabliertes Instrument mit enormem Potenzial, Unternehmen der Life Sciences-Industrie 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 Produktausbeute 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.