Dem Optimum auf der Spur

Es geht ganz vorne los. Man braucht ein vollautomatisierbares Probenahmeventil, das dampfsterilisierbar ist, damit man mit der Probenahme die Fermentation nicht kontaminiert. So etwas gibt es in der Kunststoffbranche nicht. Wir dampfsterilisieren jetzt für 20 Minuten bei 121 °C und das Probenahmeventil ist so konzipiert, dass der Wärmeeintrag in den Fermenter minimal ist. Als nächstes mussten wir andere Analysatoren identifizieren und automatisieren, die sich für den Bereich Zellkulturfermentation eignen. Denn lebende Zellen kann man nicht mit einer HPLC analysieren. Und wir mussten das ganze System an den GMP-Bereich adaptieren. Aber auch die Software haben wir angepasst, um das Ganze in eine validierte Umgebung zu bringen.

Wie lange hat es gedauert, bis der Baychromat fit war für den Biotech-Einsatz?

Wir entwickeln ja nicht im stillen Kämmerchen. Bayer hat eigene Fermentationskapazitäten. Die ersten Beta-Geräte haben wir schon nach wenigen Monaten an einer Fermentation getestet. Bis der Prototyp fertiggestellt war, sind ungefähr drei Jahre vergangen.

Relativ schnell also für eine solche Entwicklung.

Ja, das ist richtig. Das Know-how im Bereich Automatisierung und Probenahme war bei Bayer Technology Services ja schon vorhanden. Wir haben diese Expertise sozusagen zusammengeführt und richtig kombiniert.

Im Biotech-Labor gibt es drei Kategorien von Analysen: die Zellanalyse, die Bestimmung von Metaboliten wie Glucose, Lactat, Glutamin oder Glutamat und die Analyse zusätzlicher Parameter wie Wirkstofftiter, Nebenkomponenten oder Aminosäuren. Mit unserem System kann man für alle Kategorien Analysatoren nehmen und automatisiert messen. Wir sehen den Baychromat daher heute nicht mehr als Online-Chromatographie, sondern als Automatisierungsplattform.

Funktioniert das mit nur einer Probenahme?

Das ist genau der Trick. Wir können mit dem Baychromat sowohl mehrere Fermenter als auch mehrere Analysatoren bedienen. Dabei reicht eine Probe ohne Vorlauf aus. Im Baychromat selbst wird diese Probe dann aufgeteilt. Die zellhaltige Probe gelangt automatisch zum Zell-Analysegerät, beim Rest werden Zellen abgetrennt, dann bei Bedarf verdünnt und zur HPLC oder an ein Metaboliten-Messgerät gebracht. Für eine Messung entnimmt das Gerät reguär 10 ml aus dem Fermenter, bei einem Produktionsfermenter ist das keine große Menge. Die Probe fließt über einen Schlauch in das Baychromat-Gehäuse, darum vergehen von der Probenahme bis zum Start der Analytik nur um die fünf Minuten. Je nach Art der Analyse steht der Messwert dann nach 15 bis 20 Minuten zur Verfügung. Das eigentliche Bottleneck bei unserem System ist die Reinigung des Baychromats und die Dampfsterilisation des Probenahmeventils. Mit allem Drum und Dran lässt sich somit jede Stunde ein Messwert von allen Parametern bestimmen. Da aber reguläre Zellkulturprozesse ein bis zwei Wochen laufen, ist diese Messfrequenz gerade richtig. Wir arbeiten jedoch daran, diese Zeit noch weiter zu verkürzen.

In welchen Bereichen der Biotech-Produktion kommt der Baychromat genau zum Einsatz?

Unser Schwerpunkt liegt im Moment auf der Zellkulturfermentation in Edelstahlfermentern. Der Baychromat steht etwa in einer Pilotanlage, die mit CHO-Zellen Antikörper produziert und so den Prozess für die GMP-Produktion vorbereitet. Aber auch im akademischen Bereich wird unser Gerät genutzt, bei der Zellkulturfermentation für die reine Prozessentwicklung. Zu den Standardanwendungen zählt außerdem die Fed-Batch-Fermentation von Zellkulturen, die um die zwei bis drei Wochen läuft.

Gibt es auch eine Variante für den Single-Use-Sektor?

Daran arbeiten wir, denn Single-Use-Technologien sind sehr stark im Kommen. Im Falle des Baychromat wollen wir den Teil der Probenahme als Einweglösung anbieten.

Mit dem Baychromat Lab haben Sie nun das Pendant für das Entwicklungslabor auf den Markt gebracht. Wie kam es zu dieser "verkehrten" Reihenfolge?

Dazu muss man die Historie bei Bayer betrachten. Das Konzept für die sterile Probenahme an Stahlfermentern war bereits ausgearbeitet. Zudem haben wir großes Know-How im Produktionsumfeld. Von dieser Startposition aus war es einfacher, die große Variante für die Produktion herauszubringen. Der Baychromat ist mittlerweile etabliert und die gleichen Standards wollen wir nun auch für die Medikamentenentwicklung bieten.

Wie unterscheidet sich das Laborgerät vom großen Bruder?

Bei der Probenahme arbeitet Baychromat Lab lediglich mit steriler Luft und SIP-Flüssigkeiten, die Dampfsterilisation entfällt. Die Analysatoren und die Datenverarbeitung unterscheiden sich zwar nicht, die Fragestellung ist jedoch im Labor eine andere. Während es in der Produktion eher darum geht, Kosten einzusparen, werden in der Entwicklungsphase möglichst viele Messdaten benötigt, um den Prozess schneller und besser zu entwickeln. Hier sehen wir den Baychromat Lab als PAT-Tool. Ein anderer großer Unterschied: Der Baychromat Lab ist klein und kompakt. Im Moment funktioniert das Laborgerät für Glasfermenter auch im Parallelbetrieb mit bis zu acht Fermentern und wird für Single-Use-Reaktoren weiterentwickelt.

Und wann kommt der Baychromat Lab auf den Markt?

Wir haben das Gerät im Mai 2011 auf dem Meeting der European Society for Animal Cell Technology in Wien vorgestellt. Aktuell läuft der Beta-Test bei einem großen Pharmahersteller, sodass der Baychromat Lab Ende des Jahres auf den Markt kommen soll. Dann sind wir das einzige Unternehmen, das im Bereich Zellkulturfermentation die gleiche Automatisierungsplattform für Analytik für die Prozessentwicklung, den Pilotmaßstab und die GMP-Produktion bieten kann.

Das vereinfacht den Scale-up enorm.

Ja. Denn es stehen sehr viele Daten zur Verfügung und man kann den Prozess somit am Limit fahren und hat ihn besser unter Kontrolle. Das eigentliche Ziel bei der Entwicklung ist ja immer die schnelle Entwicklung, das Stichwort ist: time-to-market. Und mit Hilfe des Baychromats lassen sich entweder ein Zellkulturprozess schneller entwickeln oder mit den gleichen Ressourcen mehr Projekte gleichzeitig bearbeiten oder mehr Daten gewinnen. Ein Beispiel ist eine Fermentation, bei der Glucose limitierend gefahren wird. Da der Baychromat den Glucose-Wert automatisch bestimmt, entsteht keine Unterernährung und der Prozess kann optimal gesteuert werden.

Welche nächsten Schritte wünschen Sie sich persönlich für den Bereich PAT in der Biotechnologie?

Die Bereiche Online-Analytik und Datenintegration sollten noch weiter zusammenwachsen. Bisher nahm man einmal am Tag eine Probe per Hand, ging damit ins Labor, bereitete die Probe vor, bestimmte die Messwerte und notierte die Ergebnisse in Excel. Mit Baychromat sind all diese Schritte nun automatisiert. Trotzdem muss immer noch ein Experte entscheiden, ob die Fermentation gut oder schlecht läuft. Mir schwebt jetzt vor, dass wie in der klassischen Chemie auch in der Biotechnologie sogenannte Advanced-Process-Control-Modelle zum Einsatz kommen. Mit einem solchen Modell würde dann ein Summensignal aufgrund der mit dem Baychromat gemessenen Parameter errechnet, das sofort anzeigt, ob die Fermentation am Optimum läuft oder ob nachgeregelt werden muss – und zwar voll-automatisiert. ☐

Dr. Stefan Steigmiller ist Head of PMT-PAT-Biotech Projects bei Bayer Technology Services.