siert und gesteuert werden sollen, die Qualität des Endprodukts sicherzustellen.

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1 Pharma Perspektiven in der Prozessanalytik 14 News INGOLD Leading Process Analytics Jenseits der Spektroskopie die Vorteile «klassischer» PAT-Tools Die «klassischen» Möglichkeiten der Datenerhebung bei Prozessparametern wie ph, gelöster Sauerstoff, Leitfähigkeit und besonders CO 2 und Trübung sind auch im Rahmen von PAT (der prozessanalytischen Technologie) effektive Hilfsmittel, die Steuerung von Bioprozessen besser zu verstehen und zu optimieren. Einführung und Rahmenrichtlinien Die FDA hat vor kurzem zusammen mit der pharmazeutischen und biowissenschaftlichen Industrie eine Rahmenrichtlinie «prozessanalytische Technologie (PAT)» herausgegeben und unter dem Titel «Orientierungshilfe für die Industrie, PAT Ein Rahmen für die innovative Produktion und Qualitätssicherung im Pharmasegment» veröffentlicht. Diese Orientierungshilfe gehört zur FDA- Initiative «Pharmazeutische cgmps für das 21. Jahrhundert». Die FDA definiert PAT als ein System, mit dem Fertigungsprozesse durch rechtzeitige Messungen kritischer Qualitäts- und Leistungsattribute von Materialien im Rohzustand bzw. in der laufenden Produktion mit dem Ziel projektiert, analy- siert und gesteuert werden sollen, die Qualität des Endprodukts sicherzustellen. Die Bedeutung von PAT Geschäftsmodelle ändern sich und die Auswirkungen einer effektiven und effizienten Fertigung auf die finanzielle Performance von Pharmaunternehmen verstärken sich. Einsparungen aus einer effizienteren Nutzung von Ressourcen, Abfallreduzierung, schnelleren Produktzulassungen und einem geringeren Rückrufrisiko wiegen die Kosten für die Einführung von PAT mehr als auf. Ziel von PAT ist es, die Industrie zur Übernahme innovativer Technologien zu motivieren, um Qualitäten zu erhöhen. Schlüsselelemente dieses Ansatzes im Hinblick auf ein besseres Verständnis für den

2 Produktfertigungsprozess sind Datenanalyse, prozessanalytische Tools, Prozessüberwachung und ständiges Feedback während der Produktion. Steigende Nachfrage nach PAT-Tools In der heutigen Produktionsumgebung ist das Verständnis für Prozessabläufe nicht allumfassend. Kenntnisse über Prozessbedingungen stammen häufig von Stichproben, die im Prozess genommen und offline analysiert werden. Doch aus solchen Analysen lässt sich nur wenig wertvolles Feedback für die Prozesssteuerung gewinnen. Eine neue Marktanalyse (Abb. 1) zeigt einen starken Anstieg bei der Nachfrage nach PAT-Geräten, gefolgt von der Elek- Flüssigkeitschromatographie 6% Partikelgröße 6% Software 12% Andere 10% Elektrochemie 28% Spektroskopie 38% Abb. 1: Nachfrage nach PAT-Instrumenten 2005 (Quelle:SDI) trochemie, in der Nahinfrarot-Spektrometer (NIR) ganz vorne liegen. Es gibt weit mehr als NIR-Instrumente, die in pharmazeutischen Anwendungen zum Einsatz kommen, hauptsächlich in der Rohstoffidentifikation. Fermentationsmodus und Trübungssteuerung In dem Bestreben, die Produktionseffizienz zu erhöhen, geht die Tendenz in der Pharma- und Biotechbranche immer mehr weg von chargenorientierten und hin zu kontinuierlichen Produktionsverfahren, mit einem entsprechenden Bedarf nach Echtzeit-Prozessinformationen. Hauptgerätearten für die kontinuierliche Kultivierung sind Chemostat und Turbidostat. Bei beiden sind die Vorteile der Inline-Kontrolle von ph-wert und Konzentration des gelösten Sauerstoffs unbestritten. Trübungsmessungen sind zu einem weiteren wichtigen Steuerungsparameter geworden. Im Turbidostat-Modus (siehe Abb. 2) wird die Zellkonzentration durch Überwachung der Trübung der Kultur und Steuerung der Nährstoffdosiergeschwindigkeit stabil gehalten. Das Kulturvolumen wird durch Ableiten einer entsprechenden Menge erschöpfter Kulturflüssigkeit beibehalten, so dass der physiologische Zustand und die Wachstumsrate der Zellen konstant gehalten werden. Funktion der Trübungsmessung Zur Trübungsmessung werden immer mehr Fiberoptik-Rückstreulichtsensoren eingesetzt. Sie haben sich aufgrund der besseren Auflösung Systemen zur optischen Dichtemessung (OD), die auf Lichtabsorption basieren, überlegen erwiesen. Die Messungen basieren auf NIR-Licht, das von den Zellen gestreut (reflektiert) wird. Die Intensität des Streulichts erhöht sich mit zunehmender Fermentationsdauer, und mit der Zunahme der Zellen. Das Inline-Rückstreulichtsystem zeigt eine ausgezeichnete Korrelation zu standardmässigen OD-Labormessungen (Abb. 3). Die Echtzeitinformationen der Zellenkonzentration ist für eine konstante Produktqualität entscheidend und steuert die Nährstoffzuführpumpe. CO 2 hemmt Zellkulturprozesse Prozesse in Tierzellenkulturen sind in der Regel, im Vergleich zu mikrobiellen Sterile Medien Herausgeber Mettler-Toledo AG Process Analytics Säure Base Luft Im Hackacker 15 CH-8902 Urdorf Schweiz Bilder MarCom-Archiv CH-8902 Urdorf Schweiz Archiv Roche Technische Änderungen vorbehalten. Mettler-Toledo AG 06/06 Gedruckt in der Schweiz. Abb. 2: Turbidostat ph DO Trb CO 2 Kontinuierliche Ernte 2 METTLER TOLEDO Pharma News

3 700521_Mettler_Pharma_d.qxd :55 Uhr Seite Trb 8300 / InPro 8100 inline opt. Dichte offline, 10 mm Streckenlänge, 660 nm Kulturen durch eine geringe Zelldichte und eine langsame zellspezifische CO2Produktion gekennzeichnet. Hohe Konzentrationen von gelöstem CO2 wirken sich bekanntermaßen negativ auf Zellkulturen von Säugetieren aus, hemmen das Zellwachstum, die Substratnutzung und Produktsynthese. Die Messung und Steuerung des Partialdrucks (der Konzentration) von gelöstem CO2 sowie der Geschwindigkeit der CO2Produktion in Suspensionskulturen von Säugetierzellen ist gleichermaßen interessant, da die Auswirkungen auf wichtige Zelleigenschaften wie Zellwachstumsrate, Produktqualität/Produktionsrate und intrazellulären ph-wert klar belegt sind. Optimierte CO2-Kontrolle Bei Fed-Batch-Kulturen (Abb. 4) werden die Nährstoffe kontinuierlich oder quasi kontinuierlich in den Prozess gebracht, während die Abwässer diskontinuierlich abgeleitet werden. Mit der Inline-CO2Messung wird die (vorzugsweise intermittierende) Zuführung der Glukose enthaltenden Nährlösung gesteuert. Die Beigabe von Glukose erhöht die CO2-Produktion der Zellen. In situ-messungen verhindern eine Glukoseüberdosierung und den Aufbau einer hemmenden CO2-Konzentration. Die Optimierung des Zell- kultur zeigt sich in einem höheren Ertrag. Der Sensor fungiert indirekt als in situglukosesensor und zeigt eine ausgezeichnete Reaktionszeit, mit der das Wachstum der Zellkultur optimiert wird. Verwendet wird ein sterilisierbarer CO2Sensor mit semipermeabler Membran. Gelöstes CO2 diffundiert durch die Membran, reagiert dort mit dem Elektrolyt und bildet Hydrogencarbonat und Wasserstoffionen. Die Veränderung des ph-werts des Elektrolyts steht in Beziehung zum Partialdruck des CO2. Abb. 3: Korrelation von Trübung und optischer Dichte Trübung) sind u.a. auch effektive PATTools zur Steuerung von Bioprozessen. Kritische Material- und Prozessattribute mit Wirkung auf die Produktqualität werden in Echtzeit identifiziert und gemessen. Prozessanalysatorsignale können über eine Feedback-Schleife direkt für die Prozesssteuerung verwendet werden, was die Chargenkonsistenz verbessert ein enormer Vorteil, der durch die InlineMessung entsteht. MTP01 Trübungsmesssysteme Schlussfolgerung «Klassische» Tools für die Datenerhebung bei Prozessparametern (ph, Sauerstoff, Leitfähigkeit, und besonders CO2 und MTP02 CO2-Messsysteme CO2-Partialdruck CO2-Einblasung für Zellstress CO2 Stopp Stopp der Glukose (Nährstoff)-Zufuhr Erhöhung der Luftaufnahme Zeit METTLER TOLEDO Abb. 4: CO2-Partialdruckentwicklung bei Fed-Batch-Kulturen Pharma News 3

4 InPro 5000 für stabile CO2-Messungen Modellbildung mit CO 2 -Messung ermöglicht schnelleres Scale-up von Fermentationsprozessen Der METTLER TOLEDO-Sensor InPro 5000 ermöglicht präzise und zuverlässige Inline-Messungen von gelöstem CO 2 über eine komplette Kultivierungsperiode bei variablem Gastransfer von der Flüssig- in die Gasphase. Kluyver Center, Delft, Niederlande Das Kluyver-Zentrum für Genomik industrieller Fermentation in Delft, Holland, ist ein Konsortium mehrerer Universitäten und Forschungszentren. Das Zentrum arbeitet eng mit Elscolab zusammen, einem Unternehmen, das METTLER TOLEDO Ingold seit mehr als 20 Jahren in den Benelux-Ländern im Bereich prozessanalytischer Messsysteme repräsentiert. Mikrobielle Genomik Das Kluyver-Zentrum arbeitet mit mikrobieller Genomik, um die Leistung von Mikroorganismen in industriellen Fermentationsprozessen zu verbessern. Die Fermentation kommt bei der Herstellung erneuerbarer Einsatzmaterialien für Lebensmittelprodukte und Zutaten, Getränke, pharmazeutische Verbindungen, Nutraceuticals bis hin zu Fein- und Massenchemikalien zum Einsatz. Der Umfang möglicher Anwendungen In Verbindung mit Forschungsprogrammen über die Hefegärung, Pilzfermentation, Milchsäuregärung, Biokatalyse und genomische Tools wie Bioinformatik ist das Zentrum immer auf der Suche nach den neuesten Entwicklungen in der Inline-Messtechnik. In diesem Zusammenhang hat Martin Hoogedoorn, Produktmanager von Elscolab Nederland B.V., METTLER TOLEDOs neues CO 2 -Messsystem Sjaak Lispet vorgestellt, dem Leiter des Instrumentenbereichs im Zentrum. Bedeutung der CO 2 -Messung Sjaak Lispet sagte vor kurzem: «Gelöstes CO 2 ist, neben ph und Sauerstoff, der wichtigste Messparameter für uns». Frederik Aboka, Doktorant für Bioprocess Engineering, erklärte, warum es so wichtig ist, gelöstes CO 2 direkt inline messen zu können: «Die Messung des Gehaltes von gelöstem Kohlendioxid im Fermentationsmedium ist sehr wichtig, da viele Zellkulturen durch Kohlendioxid stimuliert oder gehemmt werden». Ein in situ-co 2 -Sensor liefert Informationen über die Flüssigphase des Bioreaktors. Es ist dabei zu berücksichtigen, dass die Flüssigphase während des Prozesses generell nie im thermodynamischen Abb. 1: 4,0 Liter-Laborfermentierer mit seitlich installiertem CO 2-Sensor 4 METTLER TOLEDO Pharma News

5 700521_Mettler_Pharma_d.qxd :55 Uhr Seite 5 Gleichgewicht zur Gasphase steht. Eine Messung in der Flüssigphase gilt für die tatsächlichen Zustandswerte des volumetrischen Transferkoeffizienten. Dieser Koeffizient ist ein wichtiger Bau- und Scaleup-Parameter für Bioreaktoren. In allen Prozessen, in denen gelöstes CO2 als Schlüsselparameter im Stoffwechsel entsteht, ermöglicht die in situ-co2-messung ein schnelleres Scale-up und damit letztlich eine Verkürzung der Zeit bis zur Markteinführung neuer Produkte. Anwendungsmöglichkeiten des CO2-Sensors InPro 5000 Auf die Frage zu den Anwendungsmöglichkeiten des CO2-Messsystems antwortete Frederik Aboka: «In unserem Labor wurde der sterilisierbare Sensor InPro 5000 in der aeroben Hefegärung an zwei Stellen eingesetzt. Zum einen seitlich fixiert an einem 4,0 Liter-Laborfermentierer für die komplette Dauer der Kultivierung (siehe Abb. 1). Im zweiten Fall wurde der Sensor wie im Diagramm dargestellt installiert (Abb. 2). In dieser Konfiguration war der Sensor in einer kleinen, selbst konstruierten Messzelle untergebracht. Hierbei wurde die Kulturlösung vom Bioreaktor abgezogen und zur Messzelle gepumpt. Sensor für gelöstes CO2 A B C A Bioreaktor mit aktiven Zellen B Messzelle C Pumpe Zu den Resultaten meinte Frederik Aboka: «Wir waren mit den stabilen Messwerten für gelöstes Kohlendioxid des InPro 5000 Sensors von METTLER TOLEDO zufrieden. Die Daten werden gerade ausgewertet und werden in einer wissenschaftlichen Fachzeitschrift einem breiteren Publikum vorgestellt». Wir möchten an dieser Stelle Frederik Aboka dafür danken, dass er uns diesen ersten Einblick in sein Forschungsprojekt erlaubt hat, und freuen uns, ihm den CO2Sensor InPro 5000 zur Verfügung stellen zu können. Abb. 2: Experimentelle Anordnung zur Messung von gelöstem CO2 außerhalb des Bioreaktors. MTP03 CO2-Sensor InPro METTLER TOLEDO Pharma News 5

6 Intelligentes Sensormanagement Mit ISM in die Zukunft der Prozessanalyse METTLER TOLEDOs Konzept des «Intelligenten Sensormanagement» ermöglicht eine vereinfachte Handhabung von Prozessmess-Systemen, angefangen bei der Erstinstallation, bis hin zur Wartung und zum Sensoraustausch, so dass Wartungskosten und das Risiko von Sensorausfällen gesenkt werden können. Schnelle und einfache Installation dank «Plug and Measure» Schnelle und einfache Installation dank «Plug and Measure» Die Sensoren werden während der Installation sofort erkannt. Sensorspezifische Daten werden im Transmitter gespeichert. Funktionelle Verfügbarkeit einer Messstelle innerhalb von Sekunden. Vorkalibrierung von ph-elektroden und Sauerstoffsensoren bereits im Labor Sensoren können im Labor vorkalibriert werden. Eine Kalibrierung an der Messstelle ist nicht mehr erforderlich. Der Sensor kann ausgetauscht werden und ist innerhalb von Sekunden einsatzbereit, was Zeit spart und die operationelle Verfügbarkeit erhöht. Ideales Mittel zur Sensordokumentation ISM fähige Messsysteme erkennen Hersteller, Typ, Seriennummer, Auftragsnummer und Datum der letzten Sensorkalibrierung. Für Trendanalysen stehen frühere Kalibrierdatensätze zur Verfügung. Optimierte Wartung mit Sensorverschleißindikator und adaptivem Kalibriertimer Die Messdaten werden permanent überwacht, um Informationen über den Sensorverschleiß zu erhalten. Die Betriebsstunden jedes einzelnen Sensors werden aufgezeichnet. Der adaptive Kalibriertimer berücksichtigt die Prozessbedingungen und verkürzt das aktuelle Kalibrierintervall entsprechend. ISM eine offene, nicht proprietäre Datenbankverwaltung Die ISM Sensoren von METTLER TOLEDO sind kompatibel zum Kommunikationsstandard IEEE ISM Sensoren mit einem VarioPin Stecker lassen sich problemlos an Transmitter eines anderen Typs oder Herstellers, und umgekehrt, anschließen. Die Messung des Hauptparameters und der Temperatur erfolgt weiter ohne jegliche funktionelle Einschränkung. MTP04 Intelligentes Sensormanagement 6 METTLER TOLEDO Pharma News

7 PAT-Anwendung mit dem InPro 3250 InPro 3250 SG für Redox- und ph-messungen. Bromierungsoptimierung durch Online-Redox-Kontrolle In einem Wirkstoff-Fertigungsprozess wurde eine Redox-Reaktionsstufe zur Reduzierung überschüssigen Broms per Online-Redox-Überwachung optimiert. Dies zeigt die Vorteile der modernen prozessanalytischen Technologie (PAT). Überwachung der Redox-Reaktion Das Fortschreiten von Oxidations-/ Reduktionsreaktionen, bei denen Elektronen übertragen werden, lässt sich durch die Messung der Redoxspannung während des Prozesses überwachen. Überschüssiges Brom muss dann soweit reduziert werden, bis nur noch ein geringer Überschuss besteht, der erforderlich ist, um das Zwischenprodukt vor dem Verlust eines Bromatoms zu schützen, was zu einer unerwünschten Monobrommolekülunreinheit führt. Das Quenchen des überschüssigen Broms mit Natriumbisulfit (NaHSO 3 ) erfolgt nach der Bildung des Zwischenprodukts, ist jedoch für nachgeordnete Prozesse und die Produktreinheit entscheidend. Bei der sekundären Redoxreaktion wird der Reaktion schrittweise eine festgelegte Menge Natriumbisulfit als Quench zugeführt, an die sich eine Reihe Offline-Kontrolltests im laufenden Prozess anschließen, mit denen festgestellt wird, ob der am Ende gewünschte Bromüberschuss vorhanden ist. Zu hoher Natriumbisulfiteinsatz ist besonders problematisch, da er eine Wiederholung des Beigabe-/Quench-Vorgangs nötig machen könnte. Neue Redox-Sensoren für Online- Messungen Die oben beschriebenen Komponenten der Redoxreaktion verfügen über bestimmte Normalpotentiale bzw. Oxidations- zustände: Brom hat ein Normalpotential von E OH = 1087 mv, Natriumbisulfit ein Normalpotential von E OH = mv. Redoxspannungen unter gegebenen Reaktionsbedingungen erhält man auf experimentellem Weg und lassen sich mit der neuen Generation robuster Redox- Elektroden einfach online messen. Die METTLER TOLEDO-Lösung In der Produktion wurde ein InPro 3250SG in einer Umlaufleitung des Reaktionskessels installiert. Diese Elektrode ermöglicht die gleichzeitige Messung von Redox und ph. Der gelfreie Bezugselektrolyt ist bedruckt und liefert ein sehr stabiles Bezugspotential. Die Elektrode InPro 3250SG wurde an einen M 700- Transmitter mit einem ph-messmodul ph 2700 angeschlossen, das sowohl Eingänge für die ph-messung als auch die parallele Redoxmessung besitzt. Anschließend wurde über ein Analogsignal zur Echtzeit-Datennutzung eine Verbindung zum Prozessleitsystem (PLS) hergestellt. Durch Registrierung der Redox-Spannung während der Zugabe des Reduktionsmittels lässt sich die fortschreitende Reduktionsreaktion einfach verfolgen und am optimalen Endpunkt stoppen, an dem noch ein geringer Bromüberschuss besteht. Die Redox-/pH-Elektrode sammelte gleichzeitig (über physische Proben) die Redox-Endpunktdaten, die offline im Labor getestet wurden. Die Resultate erwiesen sich als relativ einfach zu interpretieren, da die mv-reaktion der Redox-Sonde bei ca. 500 mv und die UV/VIS-Extinktion unter 0,100 lag, was einen geringfügigen Bromrest und das Erreichen des gewünschten Endpunkts indizierte. Vorteil der technologischen Anwendung Die Optimierung der Natriumbisulfitbeigabe aufgrund einer Online-Redoxüberwachung machte Aufbereitungen wegen einer Überdosierung des Reduktionsmittels, gefährliche Probeentnahmen und die Exposition des Bedieners und Labortestzeiten hinfällig. Die Probleme in Verbindung mit der Aufbereitung und Überdosierung von Bisulfit lagen nach der Einführung dieser Anwendung um mehr als das 10-fache niedriger als vorher. PAT-Anwendungen machen Prozesse durchschaubarer Der unterschwellige Vorteil von Inline- Redox-Messungen liegt nicht in drastischen Kosteneinsparungen, eher in der klareren Einsicht in Prozessabläufe. Die größten Vorteile einer solchen «PAT»- Anwendung sind Prozesswissen und -verständnis, Robustheit und Produktkonsistenz. MTP05 ph/redox-elektrode InPro 3250SG METTLER TOLEDO Pharma News 7

8 EXTRA TOUR METTLER TOLEDO im Dialog Unter dem Motto «Extra Tour METTLER TOLEDO im Dialog» fuhr ein spezieller Informations-Truck vom 30. März bis 30. Juni 2006 durch ganz Deutschland und die angrenzende Schweiz sowie das grenznahe Österreich. Direkt an den rund 50 Firmenstandorten konnten Anwender und Interessenten das Lösungs-Portfolio von Wägetechnik, Prozess- und Laboranalytik mit dem Extra von METTLER TOLEDO kennen lernen. Anwender und Interessenten hatten die Möglichkeit mit dem Team von METTLER TOLEDO ihre spezifischen Fragestellungen zu diskutieren und vom Know-how der METTLER TOLEDO Branchenspezialisten zu profitieren. Natürlich wurden auch die neuesten Lösungen im Produkt- Portfolio präsentiert. Außerdem konnten sich die Besucher der Extra Tour in kurzen Vorträgen informieren, wie man in der Praxis Zeit und Geld durch gezielte Optimierung von Prozessen sparen kann. Neben der spezifischen Anwendungsberatung steht METTLER TOLEDO besonders für seinen Extra-Service, der weit über Wartung und Reparatur hinausgeht. Hierzu zählen Fachseminare, Workshops und Beratung sowie Lösungen zu Validierungs- Support und Qualitätsmanagement. Mettler-Toledo GmbH Prozessanalytik Ockerweg 3, D Gießen Tel Fax Mettler-Toledo Ges. m. b. H. Südrandstraße 17, A Wien Tel Fax infoprocess.mtat@mt.com Mettler-Toledo (Schweiz) AG Im Langacher, Postfach CH-8606 Greifensee Tel Fax info.ola.ch@mt.com Die Philosophie von METTLER TOLEDO basiert auf Qualität und Lösungsorientierung. Die Anwender finden in METTLER TOLEDO einen Partner, der mit ihnen individuelle Lösungskonzepte erarbeitet, bei der Auswahl der passenden Systeme berät und zuverlässigen Service bietet. Besuchen Sie uns im Internet