Arbeitsvolumen und Projektstadien in der Biotechnologie

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Um diese Vorteile für sich zu gewinnen, empfiehlt Ihnen LAMBDA den Gebrauch von ~1L oder ein kleineres Reaktorvolumen.

Die Möglichkeit kontinuierlich zu fahren erhöht die Produktivität mit kleineren Reaktorgefässen um mindestens eine Zehnerpotenz bei gleichbleibender Biomassenproduktion (siehe Die gewichtsgesteuerte kontinuierliche Fahrweise).

Grössere Volumen machen Sinn, sobald Sie die Fermenterbrühe für DSP (downstream processing) Versuche benötigen. Mit dem MINIFOR Fermenter bieten wir Ihnen deshalb einen Arbeitsvolumenbereich von 35ml bis 6 Liter an – und das in nur einem einzigen Instrument!

Gefässtyp:	0.3	0.4	1	3	7
Kulturvolumen [L]: *)	0.035–0.4	0.15–0.45	0.3–1.7	0.5–3	1–6
Höhe [cm]: **)	34	22	34	37	50
Durchmesser [cm]: **)	22	23	25	34	30

^*) Volumen: ungefähre Minimal- und Maximal-Arbeitsvolumen. Kann je nach Anwendungsbedingungen variieren.

^**) Höhe + Durchmesser: ungefähre Abmessungen fürs Autoklavieren. Kann je nach Anwendungsbedingungen variieren.

Die praktische Biotechnologie weist drei Stufen auf dem Weg von der Idee bis zur industriellen Herstellung von biotechnologischen Produkten auf:

1. Labormassstab (laboratory scale),

2. Scaling-up oder Pilotierung (scale-up – pilot scale)

3. Produktion im Industriemassstab (industrial scale)

1. Der Labormassstab (lab scale)

Das Ziel der Laborforschung ist die Stammselektionierung für die Produktion und die Parameteroptimierung für den Produktionsstamm, um eine maximale Produktivität und/oder Wachstum zu erreichen. In diesem Massstab werden alle möglichen Wachstumsparameter und Einflüsse studiert.

Kurz gesagt ist die Aufgabe in der Forschung die optimalen Wachstums- und Produktionsbedingugen eines ausgewählten Mikroorganismus zu finden, um ihn später optimal als Produktionsstamm einzusetzen.

In diesem Stadium sollte immer das kleinst möglichste Volumen und das handlichste Reaktorgefäss gewählt werden. Diese Faustregel führt zu folgenden Vorteilen:

+ Kostenminimierung des Mediums sowie der allgemeinen Laboreinrichtung (z.B. Autoklav, Kühlwasseranschluss, Dampfanschluss usw, ...)

+ verkürzte Totzeiten für die Reinigung und den Aufbau

+ verkürzte Aufheiz- und Kühlzeiten während der Sterilisation

+ niedrigere Energiekosten im USP (upstream processing)

+ einfachere Handhabung

+ präziserer Kontrolle der Prozessparameter

...

Um genauere Informationen über den komplexen Metabolismus und Anabolismus von tierischen Zellen oder Mikroorganismen zu erhalten, ist es empfehlenswert, alle messbaren Parameter aufzuzeichnen und mit höchster Präzision die einzelnen Parameter zu regeln.

Die Sterilität ist sehr wichtig in der Phase dieser Labortests, damit dem Forscher zuverlässige Daten für die Erhöhung der Produktivität bzw. des Zellwachstums zur Verfügung stehen.

Die Mehrheit aller biotechnologischen und chemischen Projekte wird im Labormassstab durchgeführt. Es lohnt sich auf jeden Fall, möglichst alles in diesem kleinen Massstab abzuklären, denn die Optimierungsversuche im Labormassstab sind viel kostengünstiger als in späteren Projektphasen.

Durch den Fortschritt in der Laboranalytik und Probenaufarbeitung werden für die Analytik seit einigen Jahren weit kleinere Probenahmen benötigt, was sich somit auch positiv auf kleinere Arbeitsvolumen im Fermenter auswirkt. Es gibt daher meist keinen Grund sich mit 5 oder mehr Litern an Fermentationsbrühe die Logistik im Labor und Kühlraum zu erschweren, um zuletzt auf dasselbe Versuchsresultat zu kommen. Bei guter Laborführung, wie Sie sie unter GLP (good laboratory practice) kennen, führen heutzutage im Vergleich zu früher weitaus kleinere Volumen zu zuverlässigen Resultaten.

Aus diesem Grund bietet LAMBDA seinen Qualitätsfermenter MINIFOR in erster Linie mit dem 1 L Gefäss an. Ein Laborfermenter ist der Regel kein Produktionsinstrument.

2. Scale-up und Pilotanlagen (pilot scale)

In diesem Massstab liegt die Hauptaufgabe darin, die idealen technischen Konditionen, Reaktoren für das USP (up-stream processing) und die Aufarbeitung im DSP (down-stream processing) herauszufinden und zu bestätigen. Das Ziel ist, so nahe wie möglich an die optimalen Bedingungen für die Produktion und / oder das Wachstum der Zelle heran zu kommen, wie diese im Labormassstab gefunden wurden.

In grösseren Volumen ist es nicht möglich dieselbe homogene Belüftung, effektive Rührung und andere Parameter wie im Labormassstab zu erreichen. Es ist deshalb auch nicht möglich diesen Effekt mit einem 10L Fermenter zu untersuchen. In Laborfermentern ist es nicht möglich die technologischen Probleme des Produktionsmassstabes zu erkennen. Dazu setzt man weitaus grössere Volumen ein – die Pilotanlage.

Die technischen Mittel der Pilotanlage müssen so gewählt werden, dass sie später mit einem Minimum an Investitions- und Prozesskosten auf den Produktionsmassstab übertragbar sind.

Das Scale-up und die Pilotierung sind mindestens zehnmal teurer als die Laborexperimente und somit ist die Parameter-Optimierung und das “Füllen von Lücken“, welche im Labormassstab hätte durchgeführt werden können, auf dieser Stufe sehr viel teurer.

3. Produktion und Industriemassstab (industrial scale)

Der Produktionsmassstab benötigt sehr hohe Investitionen und Unterhaltskosten. Ist die Produktionsanlage erst einmal gebaut, ist sie aus Kostengründen meist nicht mehr modifizierbar. Deshalb ist es besonders wichtig, dass sowohl die Laborphase als auch das Scaling-up zuverlässig ausgeführt werden.

Es kommt immer wieder vor, dass nicht genügend praktische Erfahrung vorliegt, um die unterschiedlichen Ziele der jeweiligen biotechnologischen Phase differenziert zu betrachten. Indem Sie diese drei Projektphasen klar unterscheiden, verhindern Sie eine Vermischung der einzelnen Ziele. Damit sparen Sie an Kosten und reduzieren die Projektdauer.

Forscher, akademische Angestellte und auch Studenten an Hochschulen sollten deshalb immer angehalten sein, die Optimierung des Stammes und die Forschung nach den idealen physiologischen Bedingungen klar von den technischen Zielen des Scale-up zu trennen.

Im Wettbewerb mit anderen Herstellern unterliegt das industrielle Forschungs- und Entwicklungsteam immer auch einem grossen Zeitdruck. So kommt es in der Pharmaindustrie z.B. immer wieder zu zeitlichen Überlappungen der oben beschriebenen drei Phasen und Massstäben:

Aus Kostengründen wird das Material für die 2. klinische Phase oftmals in der Pilotanlage hergestellt (die Produktionsanlage wird währenddessen für andere Projekte genutzt), deren Volumen für die benötigte Produktmenge völlig ausreicht. Beobachtungen aus der Pilotanlage geben wiederum Feedback zurück an das Forschungslabor, dass zuvor aus Zeitmangel nicht alle Details abzuklären vermochte. Die Versuchsreaktoren im Labormassstab gehen also in eine zweite Optimierungsrunde, um bei der nächsten Pilotierung optimaler fahren zu können.

Nichts desto trotz: obwohl sich in der modernen Pharmaindustrie die unterschiedlichen Projektphasen nicht mehr zeitlich hintereinander reihen, bleiben die Projektziele jedes Massstabs dieselben! Das heisst, bei der Anschaffung eines Laborreaktors wird vor allem auf die hohe Qualität der Parameterführung und die Kostensparung dank dem kleinstmöglichen Arbeitsvolumen geachtet.