Waschen oder wegwerfen?

In den letzten Jahren kamen Lager- und Transportsysteme mit und ohne Mischfunktionen auf den Markt. Den Einzug in die Fermentationstechnik bereiteten die Wave-Kultivationssysteme, die heute durch eine Palette von Einweg-Bioreaktoren für die Zellkultur ergänzt werden. Eine recht neue Technologie stellen (Ultrafiltrations-)Systeme dar, bei denen produktberührte Teile inklusive der Sensoren auf Einwegverwendung ausgelegt sind. Damit einher geht die Entwicklung für kostengünstige Sensoren für Sauerstoff, pH-Wert und Druck. Neben Einzelkomponenten bieten Hersteller, insbesondere von Lager- und Transportsystemen, zudem Lösungen für aseptische Verbindungen an, welche gesteckt oder geschweißt sein können. Im Prozess-Chromatographie-Sektor ist die Situation momentan noch überschaubar: Ein Anbieter stellt derzeit gepackte Einweg-Chromatographiesäulen inklusive einer adaptierten Kontroll-einheit her. Einige Weitere offerieren membranbasierte Trennverfahren mit Einweg-Membrankartuschen.

Vielfach sind Einweglösungen die Technik der Wahl für kleinvolumige Produkte und Situationen, in denen verschiedene Produkte in relativ kurzer Zeit verarbeitet werden müssen (beispielsweise bei der Lohnherstellung oder der Herstellung klinischer Prüfmuster). Die stets ins Feld geführten unbestrittenen Vorteile werden mit einigen Nachteilen erkauft (siehe Tabelle). Hinzu kommen regulatorische Vorgaben. Insbesondere Studien zu „Leachables and Extractables" (extrahierbare Substanzen) sind unverzichtbar und aufwendig. Ein Ausschluss-kriterium wäre die Adhäsion vom Produkt an den Kunststoff-oberflächen, was die Ausbeute negativ beeinflussen würde. In den meisten Produktionen kommen daher Hybridsysteme zum Einsatz, weil entweder der Produktionsmaßstab oder aber das Produkt dies erfordern. Ein Planer betrachtet die Vor- und Nachteile der Einwegsysteme kundenspezifisch, um teueren Fehlentscheidungen vorzubeugen.

Am Beispiel eines Rührfermenters zeigen sich die Unterschiede zwischen dem klassischen Bioreaktor aus Edelstahl und einem kompletten Einwegsystem – dem Einwegfermenter. Dieser enthält einen vorsterilisierten Kunststoffbeutel, in dem Zellen kultiviert werden, eine Rührwelle, die über Magnet-Motor angetrieben wird, und Anschlüsse, an die Sensoren gekoppelt werden können. Alternativ zum Magnetrühren werden Zellkulturen in Bags unter Wellenbewegungen gerührt. Die Medienvorlagebehälter sind ebenfalls Einwegbeutel.

Während der klassische Bioreaktor nach Kultivierungsende mit Chemikalien und hochreinem Wasser gereinigt und mit Dampf sterilisiert werden muss, wird der Einwegfermenter als Ganzes entsorgt. Somit kann das Risiko der Kreuzkontamination verringert werden. Es entfällt hiermit auch eine Reihe von aufwendigen Dokumentationen (Reinigungsvalidierungen), die für eine GMP-konforme Produktion gefordert sind. Die Investitionskosten sinken erheblich, da CIP-Anlagen entfallen. Die Liefer- und Installationszeiten verringern sich um mehrere Monate, da keine Rohrleitungen verlegt werden müssen.

Einwegmaterialien sind nicht billig – weder in der Beschaffung, noch in der Entsorgung. Zwar ist die Investitionssumme geringer, die operativen Kosten können jedoch deutlich höher ausfallen. Da eine durchgehende Automatisierung kaum möglich ist, können auch die Personalkosten in Prozess und Lieferkette steigen. Daher sind unbedingt die Kosten sauber zu betrachten. Da sich einzelne Prozessschritte nicht eins zu eins von Stahl auf Plastik übertragen lassen, fallen im günstigsten Fall nur Schulungskosten an: So ist etwa der Transfer der Zellkulturbrühe von einem Seedfermenter zu dem Produktionsfermenter in Einwegsystemen erschwert. Bei Edelstahlanlagen kann der Transfer auf Druckluftüberlagerung beruhen, wovon bei Verwendung von Bags abzuraten ist, da diese nicht druckfest sind. Das Handling der Kultivierungsbeutel, die anfälliger für Leckagen sind als Edelstahlbehälter, ist schwierig und benötigt speziell geschultes Personal.

Des Weiteren ist eine Maßstabvergrößerung verschiedener Bioprozesse begrenzt. Die für die klassischen Bioreaktoren über die letzten Jahrzehnte erarbeiteten komplexen Formeln erleichtern jedes Upscaling vom Labor bis zum industriellen Maßstab, während Kultivierung in Einwegfermentern über 2000 Liter kaum vorstellbar ist. Auch lassen sich die aus Einwegsystemen gewonnen Daten nicht für ein Scale-up in Stahl verwenden, da die Systeme für verschiedene Massen- und Energietransferraten ausgelegt sind.

Der Einsatz von Einweganlagen bedeutet für Betreiber eine starke Bindung an einen Lieferanten, da die Formate der Beutel lieferantenspezifisch ausgelegt sind. Auch sind die Kosten für die regelmäßige Ver- und Entsorgung der Beutel sowie die GMP-gerechte Lagerverwaltung nicht zu unterschätzen.

Planung stellt die Weichen

• more@click-Code: PA811904