Productie in kleine, dynamische biofarmaceutische faciliteiten versnellen

In de biofarmaceutische industrie is het cruciaal dat producten snel in gebruik kunnen worden genomen en neemt de vraag naar monoklonale antilichamen (mAbs), door bacteriën geproduceerde vaccins en therapeutische zoogdiercellen toe. De jaarlijkse opbrengst van biofarmaceutische eiwitproducten bedraagt wereldwijd meer dan 17 miljoen liter. Innovatieve oplossingen, zoals de GEA kytero perfusieseparatoren voor eenmalig gebruik, ontworpen voor een enorm intensieve, continue celscheiding, beantwoorden de vraag van producenten die op deze dynamische markt willen kapitaliseren en hun succes willen uitbreiden met robuuste en eenvoudig schaalbare bovenstroomse processen. De nieuwe perfusieseparatoren bieden een transformatieve benadering om de productopbrengst te vermenigvuldigen, een ongekende productiviteit te behalen en medische instanties en patiënten sneller van dienst te kunnen zijn. 

Continu betekent kostenefficiënt

Een continue verwerking optimaliseert productietijden en reduceert de moeite die moet worden gedaan bij het starten van biofarmaceutische processen. Operators hoeven niet meer te wachten tot een batch klaar is om de cellen te scheiden en het doeleiwit, het werkzame farmaceutische ingrediënt, te verzamelen uit het producthoudende medium. In plaats dat cellen worden verwijderd, worden ze teruggestuurd naar de bioreactor, zodat de productie weken lang kan blijven draaien, in plaats van uren of dagen, en vanaf de eerste dag product oplevert. 

Dankzij deze innovatie kunnen nieuwe producten sneller op de markt worden gebracht en kunnen gevestigde producten worden geleverd zonder dat er waardevolle tijd verloren gaat. Wat ook belangrijk is, is dat dezelfde kweekcellen tijdens het volledige meerdere weken durende proces worden hergebruikt en niet opnieuw hoeven te worden gekweekt voor volgende batches. 

Continu betekent kostenefficiënt en in het verleden hadden alleen de grotere operaties profijt bij deze benadering. Dat verandert binnenkort met de nieuwe perfusieseparatoren voor eenmalig gebruik, die deze technologie beschikbaar stellen aan kleinere farmaceutische bedrijven die vaak te maken hebben met een beperkte vloeroppervlakte, minder hulpmiddelen, ingewikkelde vereisten voor de workflow en geduchte concurrentie. Deze bedrijven zijn voor hun belangrijkste verwerkingstaken vaak afhankelijk van moderne apparatuur voor eenmalig gebruik. Ingewikkelde reinigingscycli die extra ruimte, energie, arbeidskracht en tijd in beslag nemen, zouden overweldigend voor hen zijn. In 2021 betekende de introductie separatoren voor eenmalig gebruik dat eenvoudig toepasbare schijfstapelscheidingstechnologie voor batchverwerking met een hoge efficiëntie, superieure flexibiliteit en ongecompliceerde werking, voor het eerst overal ter wereld toegankelijk was voor kleinere R&D- of productiefaciliteiten. De nieuwe perfusieseparatoren voor eenmalig gebruik in de serie, de eerste in haar soort, bereikten hetzelfde voor kleine faciliteiten die geïnteresseerd waren in een continue productie.

Bestaande biofarmaceutische processen 

Het kweken van cellen in de bioreactor en het daaropvolgend oogsten van het producteiwit is het belangrijkste bovenstroomse proces in de biofarmaceutische productie. Na een exponentiële celgroei in de reactor, moeten de cellen uit het vat worden genomen en van het kweekmedium worden gescheiden, een proces dat perfusieverwerking kan optimaliseren. De overschakeling naar een perfusie-installatie was in het verleden echter afschrikwekkend duur en risicovol. Dat is wat veel farmaceutische producenten, zelfs grotere faciliteiten, ervan heeft weerhouden. Perfusie-units voor eenmalig gebruik bieden de mogelijkheid om de perfusieverwerking met relatief weinig kosten en moeite aan te gaan, doordat ze veel van de gebruikelijke toegangsdrempels voor dit proces wegnemen. Onderzoek naar de gebruikelijke verwerkingsopties schetst het volgende beeld:

Voorbereiding van het entmateriaal (de startcellen)

Ongeacht welke procesinstallatie wordt gebruikt voor het kweken en scheiden van cellen, de voorbereiding is hetzelfde: Cellen van een in bevroren toestand bewaarde flacon worden voorgekweekt in schudflessen die in een incubatorschudder zijn geplaatst. Passage (verwijdering van het medium en overdracht van cellen in een vers kweekmedium) kan op standaardintervallen worden gedaan (bijv. om de dag), om voortplanting van de celcultuur voor inoculatie te bevorderen. 

Optie 1: Batchverwerking

Voor R&D-doeleinden kan een eenvoudig batchproces de meest efficiënte manier zijn om de cellen te kweken en scheiden. De celcultuur kan minder dan zeven dagen werkzaam zijn of zelfs maar een paar uur, en wordt dan in een kleine separator of andere unit voor celbehoud gevoerd om de cellen te scheiden en het gewenste product te isoleren. Het belangrijkste voordeel van de procedure is dat deze eenvoudig in te stellen is en eenvoudig tegen verontreiniging te beschermen is. 

Optie 2: Fed-batchverwerking

Op batches gebaseerde celkweekprocessen gaan maar een beperkte tijd mee voordat de voedingsstoffen in het substraatmedium zijn verbruikt en giftige bijproducten van het metabolisme van de cel een voorgeschreven limiet overschrijden en de levensvatbaarheid van de cellen beïnvloeden. Met een fed-batchproces kan deze limiet worden verlengd tot meer dan 15 dagen. Dit wordt gedaan door het medium in de bioreactor herhaaldelijk te vervangen door vers substraat uit een aparte tank, zoals voorgeschreven door ingewikkelde schema’s. Deze procedure verwijdert giftige deeltjes en voegt afdoende verdere voedingsstoffen toe om de batch werkzaam te houden, maar het toevoervolume moet zorgvuldig worden uitgebalanceerd zonder de kweek te verdunnen. Nadat de hele batch is verwerkt, wordt het product op dezelfde manier geoogst als in het standaard batchproces. Fed-batchverwerking, is wellicht veeleisend, maar het is ook geschikt voor een productie van commerciële capaciteit. Ze biedt hoogwaardige resultaten met voldoende celdichtheid en producttiter.

Optie 3: Perfusieverwerking

Met gebruik van een perfusie-installatie met een oplossing zoals de nieuwe GEA kytero-perfusieseparator kunnen celkweekoperaties worden verlengd tot enkele weken. Het medium in de bioreactor dat cellen, celproducten en voedingsstoffen bevat, wordt constant in de perfusieseparator gevoerd en levert direct waardevol product op. Verbruikt medium wordt met dezelfde snelheid met het geoogste product verzameld als waarmee vers medium aan de reactor wordt toegevoegd, zodat het kweekmedium in de bioreactor altijd een constant volume behoudt. De uitwisselingssnelheid noemen we het vatvolume per dag. De gescheiden cellen worden vanaf de scheidingsunit, uitgerust met een speciale poort, teruggevoerd naar de bioreactor, zonder enig verlies aan levensvatbaarheid. 

Perfusie vergemakkelijken: Uiterst efficiënte schijfstapelscheiding 

Cellen kunnen op verschillende manieren behouden worden om de vereiste scheiding van de cellen te verzorgen, zoals het alterneren van de tangentiële stroomfiltratie of tangentiële stroomfiltratie, waardoor de deeltjes op grootte worden gescheiden, terwijl schijfstapelscheiding centrifugaalkracht gebruikt om deeltjes op massa te scheiden. 

De laatstgenoemde technologie, over vele tientallen jaren verfijnd door GEA-ingenieurs gespecialiseerd in scheiding, en overal ter wereld gebruikt in farmaceutische operaties, biedt voordelen op het gebied van efficiëntie, flexibiliteit en ruimte. Schijfstapelscheiding biedt een uitzonderlijk hoge celdichtheid en productopbrengst met 99% opgevangen vaste stoffen. Het proces kan nauwkeurig worden afgestemd op kleine verschillen in massa en op die manier complexe geautomatiseerde scheidingstaken verrichten die elke dag kunnen worden veranderd. Wrijvingsvrije en low-shear mechanische concepten zorgen voor een minimale temperatuurstijging voor een maximale levensvatbaarheid van cellen.

Baanbrekend gemak voor eenmalig gebruik

De beproefde schijfstapeltechnologie van het bedrijf is in de GEA kytero-serie getransformeerd tot bijzonder compacte machines met een eenvoudig te bedienen element voor eenmalig gebruik dat de volledige schijfstapeltechnologie bevat. Dit element en alle bijbehorende toevoer- en afvoerlijnen, oftewel alle onderdelen die in contact komen met het product, worden na een productierun gewoon uitgewisseld voor maximaal gemak en bescherming tegen verontreiniging. Met gammastralen behandelde uitwisselingscassettes zijn optioneel verkrijgbaar. 

De nieuwgeïntroduceerde perfusieseparatoren in deze serie bieden dezelfde voordelen als de originele fed-batchscheidingsmodellen: Hygiënisch reinigen of autoclaveren is niet nodig, dus de machine is in een kwestie van minuten klaar voor de volgende continue procesrun. De separatoren behoeven geen nutsvoorziening behalve een stroom- en luchttoevoer. Ze passen in elke faciliteit, vooral in vergelijking met klassieke filtratiesystemen. Net als met alle schijfstapelseparatoren hoeven geen vloeroppervlak of arbeidskrachten te worden gereserveerd om de filters te vervangen.
 
Naast de innovatie van een compact, gesloten, 100% verontreinigingsvrij scheidingssysteem, bevatten de GEA kytero-machines een contactloos aandrijvingssysteem dat de ideale ondersteuning biedt voor de bescherming van “biocontainment”. 

Starten en schaalvergroting met perfusie

GEA kytero-perfusieseparatoren zijn verkrijgbaar in twee varianten voor bioreactoren tot 500 l en 2.000 l en maken daardoor procesbehandeling mogelijk met minder kostbare hoeveelheden dure celculturen. Naar verwachting wordt begin 2025 een nieuwe separator voor de kleinste R&D laboratoriumtoepassingen, geschikt voor zowel batch- als perfusietestprocessen, geïntroduceerd. 

Testgebruikers van GEA kytero-machines hebben ontdekt dat ze het overwinnen van de huidige beperkingen ondersteunen. De test- en productieresultaten die met deze procesonderdelen worden behaald kunnen worden opgeschaald naar grotere modelvarianten voor eenmalig gebruik en zelfs naar industriële productie met klassieke roestvrijstalen separatoren in de befaamde GEA farmaceutische aseptische en GEA farmaceutische zuivere series, waarbij altijd het technische principe van schijfstapelscheiding behouden blijft, voor een veiligere procesoverdracht en eenvoudigere validatie.

Biofarmaceutische producenten die perfusieprocessen tot stand willen brengen en hun positie op de dynamische farmaceutische markt willen uitbreiden, wordt aanbevolen de voordelen van de perfusietechnologie voor eenmalig gebruik in hun operaties te ontdekken.