Applikationsspezifische Sterilfilter für hocheffiziente Prozesse in der biopharmazeutischen Herstellung Application Note #3 #4 #5 #6 #7 turning science into solutions
Teil 1: Neue Membranfilter zur Sterilfiltration und Mycoplasmenkontrolle Einleitung Die Herstellung von Medikamenten und Diagnostika hat sich innerhalb der letzen Jahrzehnte rasant verändert. Entwicklungen in der Biotechnologie machen es heute möglich, Medikamente und Impfstoffe gegen eine Vielzahl von Krankheiten zu produzieren, für die es in der Vergangenheit keine wirksamen Mittel gab. Dieser biotechnologische Fortschritt hat auch Einzug in die Herstellungsverfahren genommen, um effizient, sicher und robust z.b. monoklonale Antikörper (MAb s) oder Impfstoffe produzieren zu können. Zelllinien spezifische Medien für z.b. CHO Zellen sind heute Stand der Technik sowie hohe Titer von 5-1 g/l und Zelldichten von 1 2 + 1 6 Zellen/mL biotechnologisch herstellbar. Diese Fortschritte stellen eine Herausforderung für Filtrationsprozesse dar und erfordern neue applikationsspezifische Filtrationsprodukte. Der Ansatz Ein Filter Typ für allen Anwendungen funktioniert nur noch bedingt. Aus diesem Grund gibt es sowohl für die Sterilfiltration als auch für die Vorfiltration und Keimreduktion von biopharmazeutischen Produkten & Zellkulturmedien neue Generationen von Membranfiltern, die hocheffiziente Herstellungsprozesse sicher gewährleisten. Applikationsspezifische Membranfilter zur Sterilfiltration und Mycoplasmenkontrolle Biotechnologisch hergestellte Produkte sowie Zellkulturmedien, beinhalten Bestandteile wie z.b. Proteine, Nährstoffe, Vitamine, Enzyme und Peptide, die sehr hitzesensibel sind. Deshalb können diese Medien nicht thermisch sterilisiert sondern nur steril filtriert werden. Mit der Einführung von Polyethersulfonmembranfilter - kerzen Ende der 9iger Jahre hat sich Polyethersulfon als das Sterilfiltermembranmaterial für die biopharmazeutische Herstellung durchgesetzt (Grafik 1). Etabliert wurde es durch Sartorius Stedim Biotech mit der Markteinführung von Sartopore 2 Sterilfilterkerzen. 12% 4% 4% 8% PES PVDF PES/PVDF CA Grafik 1: Prozentuale Verteilung verfügbarer Membranmaterialien im Filterkerzenformat
Fortschreitende Entwicklungen von Produktionsprozessen- und technologien sowie stetige Innovationen von Zellkulturlinien nehmen signifikanten Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der Sterilfilter. Die Ein Filter Typ Strategie für möglichst viele Filtrationsanwendungen funktioniert nur noch bedingt, so dass konsequenterweise durch Sartorius Stedim Biotech neue applikationsbezogene Sterilfilter entwickelt wurden. Infolge der herausragenden Membraneigenschaften von Polyethersulfon wurden diese neuen applikationsspezifischen Sterilfilter konsequenterweise auf PES Basis entwickelt. Medienfiltration Ökonomische und sichere Prozesse Sartopore 2 XLG & XLI und Sartopore 2 XLM Der rapide Anstieg von biotechnologisch hergestellten MAb s und Impfstoffen durch Fermentation mit hohen Zellkulturtitern hat eine deutliche Wertsteigerung der einzelnen Produktionschargen zur Folge. Daher erfordert die Medienfiltration Sterilfilter mit hoher Filterkapazität, die gleichzeitig eine maximale Sicherheit gegenüber Kontaminationen bieten. Zellkulturen benötigen für einen effizienten Fermentationsprozess mit hohen Titern zelllinienspezifische Kulturmedien. Daher variieren Zellkulturmedien deutlich in ihrer Zusammensetzung (Tabelle 1) und in ihren chemischen & physikalischen Eigenschaften, welche auch die Filtrier barkeit signifikant beeinflussen. Klassische Medien Glukose, Salze, Aminosäuren, Vitamine Serum-freie Medien Glukose, Serumersatzstoffe wie tierische Peptone oder pflanzliche Peptone Tabelle 1: Übersicht von Zellkulturmedien Chemisch definierte Medien Keine tierischen oder pflanzlichen Inhaltsstoffe, Serumfrei Sartopore 2 XLG Höchste Standzeit für komplexe Zellkulturmedien Filtrationsversuche mit serum-freien (a) und sojahaltigen (b) Zellkulturmedien haben gezeigt, dass besonders Sartopore 2 XLG hier signifikant höhere Standzeiten aufweist als vergleichbare PES Sterilfilterkerzen (Diagramm 1 & 2). a).2 μm Sterilfiltration serumfreier Zellkulturmedien 9. 8. 7. 6. 5. 4. 3. 2. 1. Diagramm 1: Standzeitvergleich verschiedener PES Sterilfilter mit.2 μm Endfiltermembran, Zellkulturmedium EX-CELL 325 PF CHO, P in 1 bar, ohne Vorfiltration b).2 μm Sterilfiltration sojabasierter Zellkulturmedien 1.6 1.2 8.45+.2 µm Standzeit pro 1" Filterkerze [L] PES B.5+.2 µm XLG.8+.2 µm PES Standzeit pro 1" Filterkerze [l].45+.2 µm PES Aus diesem Grund hat Sartorius Stedim Biotech Sartopore 2 XLG und XLI entwickelt, mit denen die unterschiedlichen Zellkultur - medien wirtschaftlich und sicher sterilfiltriert werden können. 4.45+.2 µm PES B.5+.2 µm PES XLG.8+.2 µm PES.45+.2 µm PES Diagramm 2: Standzeitvergleich verschiedener PES Sterilfilter mit.2 μm Endfiltermembran, kundenspezifische serumfreies Zellkulturmedium (sojabasiert), P in 1 bar, ohne Vorfiltration Der Standzeitvergleich herkömmlicher PES Sterilfilterkerzen mit Sartopore 2 XLG Kerzen macht deutlich, dass die speziell für komplexe Zellkulturmedien entwickelten XLG Filterkerzen wesentlich höhere Filterleistungen gewährleisten. Somit lassen sich mit Sartopore 2 XLG Sterilfilterkerzen die heutigen komplexen Zellkulturmedien für z.b CHO-Fermentationen sicher, wirtschaftlich und effizent filtrieren.
Sartopore 2 XLI Effiziente Sterilfiltration von chemisch definierten Zellkulturmedien Neue Generationen an chemisch definierten Medien gewinnen in der Herstellung von MAb s und Impfstoffen eine immer größere Bedeutung, da sie vollständig frei von Komponenten tierischen Ursprungs sind und somit kein Risiko für pathogene Kontaminationen besitzen. Im Unterschied zu komplexen peptonhaltigen Zellkulturmedien können höchste Standzeiten durch eine Membrankombination von.35+.2 μm bei chemisch definierten Zellkulturmedien erzielt werden. Hierbei schützt ein.35 μm PES Membranvorfilter wesentlich effektiver den.2 μm in-built Endfilter mit der Folge einer signifikanten Steigerung der Filterstandzeit. Aus diesem Grund hat Sartorius Stedim Biotech Sartopore 2 XLI mit der PES Membrankombination.35 +.2 μm entwickelt und erfolgreich in den Markt eingeführt. Exemplarisch verdeutlicht Diagramm 3 den Standzeitvorteil der Sartopore 2 XLI gegenüber herkömmlichen Sterilfilterkerzen bei der Filtration von kommerziell verfügbaren chemisch definierten Zellkulturmedien. Mycoplasmen können herkömmliche.2 μm Sterilfilter passieren, da diese prokaryontischen Bakterien keine starre Zellwand besitzen und leicht deformierbar sind. Daher ist der Einsatz von Sterilfiltern mit einer.1 μm Porenweite, um das Gefährdungspotenzial einer Mycopalsmenkontamination von Fermentern durch belastet Zellkulturmedien zu minimieren, empfehlenswert. Schon seit einiger Zeit sind verschiedene.1 μm Sterilfilter mit Log Reduction Values (LRV) von >1 7 /cm 2 verfügbar. Aufgrund der feineren.1 μm Endfiltermembran sind die Filterstandzeiten nicht mit denen von.2 μm Sterilfiltern vergleichbar, sondern geringer. Neuste.1 μm Filterentwicklungen zeigen jedoch, dass erhebliche Standzeitverbesserungen gegenüber herkömmlichen.1 μm Sterilfilter möglich sind. Aus diesem Grund hat Sartorius Stedim Biotech die Sterilfiltergeneration Sartopore 2 XLM zur Mycoplasmenkontrolle mit einem validierten LRV von >1 7 Keimen/cm 2 entwickelt. Um die erhebliche Standzeitverbesserung der Sartopore 2 XLM Sterilfilterkerze gegenüber herkömmlichen.1 μm Filtern zu verdeutlichen, wurden Filtrationsversuche mit typischen Zellkulturmedien durchgeführt. Das Standzeitverhalten aus den Filtrationsversuchen ist in den Diagrammen 4 & 5 dargestellt. Standzeit pro 1" Filterkerze [L] Standzeit pro 1" Filterkerze [kg] 3 1 25 8 2 6 15 1 4 5 2.45+.2 µm PES B.5+.2 µm XLI.35+.2 µm PES XLG.8+.2 µm PES.45+.2 µm PES.5+.1 µm XLM Diagramm 3: Standzeitvergleich verschiedener PES Sterilfilter mit.2 μm Endfiltermembran, chemisch definiertes Zellkulturmedium, P in 1 bar, ohne Vorfiltration Diagramm 4: Standzeitvergleich PES Sterilfilter mit.1 μm Yeastolate Zellkulturmedium, P in 1 bar Die Ergebnisse der Filtrationsversuche bestätigen, dass Sartopore 2 XLI optimal für die Filtration von chemisch definierten Zellkulturmedien geeignet ist. 18 15 Standzeit pro 1" Filterkerze [kg] Sartopore 2 XLM Die neue Sterilfiltergeneration zur Mycoplasmenkontrolle In biotechnologischen Produktionsprozessen stellt die Kontamination von Zellkulturen durch Mycoplasmen eine Gefahr dar. Mycoplasmen können hohe Zelldichten in Fermentern erreichen und chronische Infektionen bei Menschen auslösen. Als potenzielle Kontaminationsquellen wurden sowohl tierische Medienkomponenten (z.b. Serum) als auch Medienkomponenten pflanzlichen Ursprungs (z.b. Sojapeptone) identifiziert. Da ein Mycoplasmennachweis zeitintensiv und nur schwierig zu führen ist, stellt die Mycoplasmenkontrolle durch Sterilfiltrationsschritte eine effektive und geeignete Methode dar. 12 9 6 3.5+.1 µm PES/PVDF.5+.1 µm XLM Diagramm 5: Standzeitvergleich von.1 μm Sterilfilter, Soy Hydrolysate Zellkulturmedium, P in 1 bar
Die Filterleistung der getesteten.1 μm Sterilfilter zeigen signifikante Unterschiede. So hat der neue Sterilfilter Sartopore 2 XLM die höchste Standzeit gegenüber den bisher verfügbaren.1 μm Sterilfilterkerzen. Die Kombination des sehr hoch asymmetrischen.2 μm Vorfilters gefolgt von der weniger asymmetrischen.1 μm Endfiltermembran hat sich bei der Filtration von Zellkulturmedien als ideale Membrankombination herausgestellt. Die Ergebnisse der normierten Standzeiten sind in den Diagrammen 6 und 7 dargestellt. 15 1 Berechnete Standzeit pro m² EFA [kg/m²] 5.5+.1 µm XLM Diagramm 6: Normierte Membranstandzeit von PES Sterilfilter mit.1 μm, Yeastolate Zellkulturmedium, P in 1 bar Symmetrische Membran - geringe Kapazität 25 2 15 1 5 Berechnete Standzeit pro m² EFA Filterkerze [kg/m²].5+.1 µm PES/PVDF.5+.1 µm XLM Diagramm 7: Normierte Membranstandzeit von.1 μm Sterilfilter, Soy Hydrolysate Zellkulturmedium, P in 1 bar Asymmetrische Membran + höchste Kapazität Bild 1: Gegenüberstellung symmetrische asymmetrische Membranstruktur Der Vorteil der asymmetrischen Struktur (Bild 1) ist, dass die Partikelaufnahmekapazität aufgrund der trichterförmigen Poren höher ist als bei einer symmetrischen Struktur. Somit ist die Eigenstandzeit von asymmetrischen Membranen am höchsten. Diagramme 6 und 7 bestätigen, dass bei der Sartopore 2 XLM der doppellagige Kerzenaufbau mit dem hoch asymmetrischen.2 μm Membranvorfilter und dem.1 μm Endfilter die optimale Kombination zur Mycoplasmenkontrolle von Zellkulturmedien darstellt. Hieraus ergeben sich für die biopharmazeutische Industrie neue Potenziale in der Medienherstellung, um Filtrationsprozesse wesentlich effektiver gestallten zu können als es bisher möglich war. Normiert man die Filterstandzeit pro 1 Kerzen aus den Diagrammen 4 & 5 zu einer Filterstandzeit pro m 2 EFA, werden die Vorteile der neuen Sartopore 2 XLM Sterilfilterkerze besonders deutlich. Als Berechnungsgrundlage diente die Formel Normierte Standzeit [kg/m 2 ] = Kerzenstandzeit [kg]/efa [m 2 ] mit den EFA laut Herstellerangaben aus Tabelle 2. EFA [m 2 /1 Kerze] PES PVDF Sartopore 2 XLM,49,95,8,6 Sartopore 2 Tabelle 2: Übersicht der Effektiven Filterflächen [EFA] pro 1 Kerze [m 2 ]
XLG setzt neue Maßstäbe bei der Sterilfiltration von MAb s Intermediates In der Prozesskette von z.b. MAb s sind eine Vielzahl an Filtrationsoperationen notwendig, wie Grafik 2 darstellt. Grafik 2: Darstellung einer generischen single-use Prozesskette Nicht nur in der Endabfüllung nehmen Sterilfilter eine zentrale Stellung ein sondern auch bei der Filtration von Intermediates haben Sterilfilter eine wichtige Bedeutung. Sie werden zum Schutz sensibler Produktionsschritte verwendet, um z. B. Virusfilter oder Membranabsorber vor einer vorzeitigen Verblockung durch Partikel oder Aggregate zu schützen. Zusätzlich haben Sterilfilter die wichtige Aufgabe, die mikrobielle Keimbelastung entlang der Prozesskette zu kontrollieren und z.b. Bulkprodukte bei einer Zwischenlagerung vor Verkeimung durch Mikroorganismen zu schützen. Für effektive und wirtschaftliche Prozesse ist deshalb eine sichere Sterilfiltration von Intermediates wichtig. Damit auch dieser Filtrationsschritt effizient erfolgen kann, sollte durch Filtrationsversuche der optimale Sterilfilter ermittelt werden. Moderne Sterilfilter zeigen dabei ihre ernorme Leistungsfähigkeit und sind den gängigen Sterilfiltern in Punkto Standzeit eindeutig überlegen (Diagramm 8). Standzeit pro 1" Filterkerze [kg/1"] 1 2 2 1 1 5 1 1 2 2.45+.2 µm PES B.5+.2 µm Sartropore 2 XLG.8+.2 µm PES Sartropore 2.45+.2 µm PES Diagramm 8: Standzeitvergleich von.2 μm Sterilfilterkerzen bei der Filtration von MAb s verschiedener Trübungen, Trübung Batch 1 > Batch 2, Pin 1 bar Auch in diesem Fall hat XLG bei der Sterilfiltration von MAb s das höchste Standzeitverhalten gezeigt. Demzufolge eignet sich besonders XLG für wirtschaftliche Sterilfiltrationsschritte bei der Herstellung von MAb s. Da jedoch die Prozessbedingungen und Verfahrensschritte stark variieren können, sind Filtrationsversuche zur Ermittlung des optimalen Filters empfehlenswert.
Zusammenfassung und Ausblick Fortschritte in der Bioverfahrenstechnik sowie stetige Entwicklungen von neuen Medikamenten und Diagnostika stellen eine neue Herausforderung für Filtrationsanwendungen dar. Sartorius Stedim Biotech hat die neuen Herausforderungen erkannt und aus diesem Grund applikationsspezifsche Membranfilter entwickelt. Diese eindeutige Fokussierung auf Anwendungen hat den Vorteil, dass schon bei der Filterkerzenentwicklung die jeweiligen anwendungsspezifischen Anforderungen berücksichtigt werden. Als Resultat besitzen die neuen applikationsspezifischen Sterilfilterkerzen höchste Filterleistungen im Vergleich zu Wettbewerbsprodukten. Somit stehen die applikationsspezifischen Membranfilterentwicklungen Sartopore 2 XLG & XLI sowie Sartopore 2 XLM für höchste EFFIZENZ, SICHERHEIT und WIRTSCHAFTLICHKEIT bei Filtrationsanwendungen in biopharmazeutischen Herstellungsprozessen.
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