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Apr 10, 2023

Tangential

Foto 1: Tischkonfiguration des PendoTECH TFF-Prozessleitsystems. PendoTECH

Foto 1:Tischkonfiguration des PendoTECH TFF-Prozessleitsystems.

Die Prozesssteuerungssysteme für die Tangentialflussfiltration (TFF) von PendoTECH sind in der Filtrationsbranche weit verbreitet. Die Funktionen des Systems ermöglichen seine Implementierung in Mehreinheitenbetrieben und biopharmazeutischen Verarbeitungsanwendungen, einschließlich Ultrafiltration-Diafiltration (UF-DF) von Proteinen, Viren und Verbindungen wie Oligonukleotiden und Antikörper-Wirkstoff-Konjugaten (ADCs). Das Steuerungssystem kann zur Entwicklung von Prozessparametern für UF-DF-Prozesse mit unterschiedlichen Membranformaten (z. B. Flachfolienkassette und Hohlfaser) verwendet werden.

Bei TFF-Laboreinrichtungen handelt es sich häufig um manuelle oder halbautomatische Prozesse, bei denen Pumpen, Edelstahl-Manometer oder -Transmitter, Waagen und manuelle Ventile zum Einsatz kommen. Die Datenprotokollierung erfordert eine kontinuierliche Überwachung und der Export von Daten erfordert aufwendige Anstrengungen zur Übertragung in Datenanalysesoftware. Die Integration mehrerer Systemkomponenten verschiedener Anbieter und die Verwendung manuell betätigter Klemmen und Ventile zur Steuerung des Transmembrandrucks (TMP) kann problematisch sein. Durch eine nicht optimale Einrichtung des Fließwegs können große Rückhaltevolumina auftreten, die die Endkonzentrationswerte begrenzen.

Das PendoTECH TFF-Prozessleitsystem ist vielseitig und skalierbar. Ein Standardaufbau besteht aus zwei Pumpen und zwei Waagen in einer Tischkonfiguration (Foto 1) oder in einem Prozesswagen, wenn große Mengen verarbeitet werden müssen. Ein auf einem Schlauchdrosselventil basierender Rückkopplungsregelkreis sorgt bei Bedarf für eine automatische TMP-Steuerung. Das System kann Parameter wie Durchflussrate, Leitfähigkeit, pH-Wert und Temperatur messen. Zur Messung von UV-Strahlung und Konzentration können zwei konfigurierbare Eingänge hinzugefügt werden. Das System bietet außerdem die Flexibilität, verschiedene Pumpen zu betreiben, einschließlich einer Permeatpumpe.

Das Steuerungssystem umfasst PendoTECH-Einweg-Drucksensoren, die mit 1/8-Zoll- bis 1-Zoll-Schlauch-Steckanschlüssen sowie im Luer-Anschluss- und Sanitärflanschformat (Triclamp, TC) erhältlich sind, um alle Prozessmaßstäbe bei minimaler Beeinflussung zu bewältigen Haltevolumen. Das System weist keine Einschränkungen im Prozessmaßstab auf und ermöglicht Benutzern daher eine einfache Vergrößerung oder Verkleinerung mit minimalem Aufwand und Platzbedarf, wenn ein Prozess von einem Labor- auf einen Pilotmaßstab übergeht. Das System lässt sich in verschiedene Arten von Pumpen, Waagen und Durchflussmessern integrieren. Es ermöglicht Benutzern, Strömungspfade zu erstellen, die Filter verschiedener Hersteller integrieren. Es verfügt über Optionen zur Messung des Filtratdurchflusses und des Flusses mit einem Durchflussmesser oder der Änderungsrate des Waagengewichts (ohne dass ein Durchflussmesser erforderlich ist). Systemalarme ermöglichen die unbeaufsichtigte Ausführung von Prozessen.

Das PendoTECH TFF-Prozessleitsystem bietet ein hohes Maß an Automatisierung, Inline-Prozessüberwachung sowie Prozessdatenerfassung und -trendierung. Das System bietet eine vollständige Chargenkontrolle mit sechs integrierten programmierbaren Rezepten. Die Systeminteraktion erfolgt über eine PC-basierte grafische Benutzeroberfläche (GUI), die Prozessdaten in Echtzeit in eine CSV-Datei (Comma-Separated Values) schreibt und so eine verbesserte Integrität der zur Analyse durch Software von Drittanbietern exportierten Daten ermöglicht Die Daten können mit der Software Microsoft Excel geöffnet werden. Die Software umfasst außerdem einen integrierten Server zum Austausch von Daten mit OPC-Client-Software wie PI (von OSIsoft) zur externen Speicherung in einer Datenbank.

Visualisierung optimaler Prozessbedingungen für das Scale-up Das System verfügt über eine „Exkursions“-Funktion, die es Benutzern ermöglicht, 40 Filterzufuhrfluss- und TMP-Bedingungen automatisch auszuführen und Daten grafisch darzustellen, um optimale Bedingungen zu visualisieren. Die Automatisierungssequenz kann bis zu vier verschiedene Konzentrationen verarbeiten, indem das Volumen des Retentatbehälters zwischen vier Stufen reduziert wird (jeweils bis zu 10 Schritte). Abbildung 1 zeigt die Echtzeitdiagramme, die während einer Exkursion zur Optimierung der Flussrate erstellt werden.

Abbildung 1:Darstellung der Software-Prozessexkursion zur Visualisierung optimaler Prozessbedingungen.

Erreichen Sie hohe Konzentrationsfaktoren: Fed-Batch-Modus Das System kann automatisch im Fed-Batch-Modus arbeiten, um hohe Konzentrationsfaktoren (>20×) zu erreichen, indem Materialien dynamisch dem Retentatbehälter mit der gleichen Permeatrate durch den Filter zugeführt werden. Abbildung 2 zeigt das Systemprozessschema. Die mit PV1 und PV2 gekennzeichneten automatisierten Ventile ermöglichen es der Diafiltrations-Förderpumpe, Flüssigkeit aus dem Produktbehälter oder Pufferbehälter anzusaugen. Der nichtinvasive Luftdetektor erkennt, ob sich Luft oder Flüssigkeit im Schlauch befindet, und erkennt das Ende der Produktzufuhr in einem Fed-Batch-Prozessschritt. Sobald das gesamte Produkt zugegeben wurde, erfolgt die Konzentration im Behälter. Wenn der gewünschte Konzentrationspunkt erreicht ist, steuert die Software den Diafiltrationsschritt automatisch. Darauf folgt ein automatisierter abschließender Konzentrationsschritt. Solche Merkmale können bei der Konzentration stark verdünnter Viren und beim Versuch, hohe Proteinkonzentrationen zu erreichen, von Nutzen sein.

Figur 2:Prozessschema des PendoTECH TFF-Prozessleitsystems.

Scherkräfte und Druckfähigkeit der Pumpe Eine Einschränkung einiger TFF-Systeme besteht darin, dass mit ihnen keine dynamischen Änderungen vorgenommen werden können, die den Anforderungen eines untersuchten Biomoleküls entsprechen. Ein solcher Parameter ist die Scherkraft, der ein Biomolekül standhalten kann.

Prozessflüssigkeit wird kontinuierlich mit hoher Frequenz zirkuliert, daher spielen Pumpen bei TFF-Prozessen eine wichtige Rolle.Schlauchpumpen sind bei Benutzern eine beliebte Wahl, da sie praktisch und wirtschaftlich sind und größere Schlauchgrößen für höhere Durchflussraten aufnehmen. Sie sind jedoch nicht optimal, wenn eine konstante Durchflussrate bei hohen Drücken erforderlich ist, und solche Pumpen können bei steigender Durchflussrate hohe Scherkräfte auf Biomoleküle ausüben. Die meisten Peristaltikpumpen verfügen über vier Rotoren, die pro Umdrehung des Pumpenkopfes viermal in ein Rohr eingreifen und so Flüssigkeit mit der erforderlichen Durchflussrate nach vorne drücken. Der hochfrequente Eingriff eines Rotors in ein Rohr erzeugt Quetschstellen und Druckgradienten, wenn Flüssigkeit angesaugt und schnell abgegeben wird. Wenn das Produkt konzentriert wird, nimmt die Frequenz schnell zu. Bei mäßigen Drücken ist eine peristaltische Pumpe aufgrund ihres Designs nicht in der Lage, physisch gegen einen Gegendruck zu fördern, der über die vorgeschriebenen Grenzen der Pumpe und der Schläuche hinausgeht. Wenn der Gegendruck zunimmt, kann die Durchflussrate sinken und eine unsichere Situation entstehen, in der es zu Schlauchbrüchen kommt.

Für Prozesse, die die Erzeugung hoher Drücke erfordern, aMembranpumpe (eine Verdrängerpumpe) könnte die beste Wahl sein, da Flüssigkeit in die Pumpenkammer angesaugt und dann herausgedrückt wird. Diese Pumpenkonstruktion gewährleistet weiterhin eine konstante Durchflussrate trotz des hohen Gegendrucks, der während eines Filtrationsprozesses entsteht. Dies ist häufig erforderlich, wenn Bediener versuchen, hohe Konzentrationsfaktoren zu erreichen, da das Volumen eines umgewälzten Produkts immer weiter abnimmt, während seine Viskosität zunimmt.

Kreiselpumpen Übertragen von Flüssigkeiten von Einlass- zu Auslasspunkten einer Pumpenkammer. Der Grundmechanismus einer solchen Pumpe beruht auf einem Laufrad, das sich dreht, Flüssigkeit ansaugt und sie mit einer gewünschten Durchflussrate durch einen Auslass ausstößt. Daher muss das Laufrad seine Drehzahl erhöhen, um bei steigendem Gegendruck eine konstante Durchflussrate aufrechtzuerhalten. Wenn die Flüssigkeitsviskosität zunimmt, führt der daraus resultierende Druckanstieg zu einer Verringerung der Durchflussrate, es sei denn, die Durchflussrate am Pumpenauslass wird gemessen und eine Rückmeldung an das Laufrad zur Steuerung der Durchflussrate erfolgt.

Für scherempfindliche Moleküle werden Membran- oder Kreiselpumpen empfohlen. Ihre Designs erzeugen von Natur aus weniger Scherung, die ein Biomolekül beeinflussen kann. Der Grad der Auswirkung muss durch Experimente ermittelt werden.

Das PendoTECH TFF-Prozesssteuerungssystem ermöglicht Änderungen durch Schalten einer Pumpe entsprechend den biomolekularen Eigenschaften. Die Hauptanforderung besteht darin, dass die ausgewählte Pumpe über das PendoTECH-System mit einem 4-20-mA- oder 0-10-V-Eingang ferngesteuert werden muss.

Leitfähigkeit: Entsalzungsanwendung Das PendoTECH TFF-Steuerungssystem verfügt über integrierte Geräte zur Prozessüberwachung. Der Standard-Leitfähigkeitseingang mit integriertem PendoTECH-Einweg-Leitfähigkeitssensor kann Leitfähigkeiten bis zu 100 mS/cm mit einer Empfindlichkeit von 0,1 mS/cm messen.

Für Anwendungen wie die Oligonukleotidsynthese und -reinigung sind empfindlichere Leitfähigkeitsmessgeräte erforderlich. Oligonukleotide sind kurze DNA- oder RNA-Moleküle, Oligomere, die in Anwendungen wie Gentests, Forschung und Forensik verwendet werden. Sie werden mithilfe von Nukleotiden und einem Synthesizer chemisch synthetisiert, um genau definierte Restsequenzen zu erzeugen. Sie können als einzelsträngige Moleküle mit einer bestimmten Sequenz hergestellt werden und sind für die künstliche Gensynthese, die Polymerasekettenreaktion (PCR), die DNA-Sequenzierung, das molekulare Klonen und als molekulare Sonden von entscheidender Bedeutung.

Typischerweise werden Oligonukleotide durch chemische Festphasensynthese hergestellt. Ein Schritt zur Erzielung eines hohen Reinheitsgrads und eines niedrigen Salzgehalts ist die Reinigung mithilfe eines festen Trägers wie der Umkehrphasenchromatographie (RPC). Mit zunehmendem Umfang der Synthese des Zieloligomers steigen auch die Kosten, die mit der Verwendung fester RPC-Träger zur Entfernung unerwünschter Fragmentlängen verbunden sind. Auch die Entsalzung kann die gesamten Herstellungskosten erhöhen.

Foto 2:PendoTECH kleine Prozessdurchflusszelle für 12-mm-Sonden für kritische Prozessmessungen.

Eine untersuchte Option ist die Anwendung von Filtern, die in TFF verwendet werden, um Oligonukleotide zu entsalzen. Dazu ist ein Leitfähigkeitsmessgerät erforderlich, das über eine ausreichend hohe Empfindlichkeit verfügt, um Salze im μS/cm-Bereich nachzuweisen. Um die Messung niedriger Leitfähigkeit in diesem Bereich zu unterstützen, ist ein Sensor mit einem Empfindlichkeitsbereich erforderlich, der breiter ist als der eines eingebauten Sensors. An einen der verfügbaren generischen Eingänge kann ein hochempfindlicher Monitor angeschlossen werden. PendoTECH bietet speziell entwickelte Low-Holdup-Durchflusszellen aus Acryl an, sodass Benutzer eine Sonde mit 12 mm Durchmesser für eine Inline-Messung implementieren können (Foto 2).

Der Mettler Toledo M300-Sender kann hochempfindliche Sonden lesen und in einen der generischen konfigurierbaren Eingänge des PendoTECH TFF-Steuerungssystems integriert werden (Abbildung 2). Wenn die entsprechende Sonde ausgewählt ist, kann das System zur Messung von Prozessflüssigkeiten in μS/cm verwendet werden. Durch die Inline-Überwachung mit hoher Empfindlichkeit kann die Entsalzungseffizienz gesteigert und so die Gesamtprozesskosten gesenkt werden.

Sicherer Umgang mit ADCs ADCs sind eine Klasse von Biopharmazeutika, die für gezielte Therapien von Tumorzellen entwickelt wurden. Die TFF-Vorgänge für ADCs werden typischerweise in einer biologischen Sicherheitswerkbank (Haube) durchgeführt, um die Exposition des Menschen gegenüber toxischen Komponenten, die mit dem Antikörper verbunden sind, zu reduzieren. Aus sicherheitstechnischer Sicht ermöglicht die Modularität der Konfiguration des PendoTECH-Steuerungssystems Benutzern die Einrichtung von Prozesskomponenten in einem Gehäuse und/oder einer Laminar-Flow-Haube, wodurch der Computer außerhalb des Bereichs für die Fernsteuerung bleibt, um Prozesseingriffe zu minimieren. Die automatisierten Rezepte in der GUI ermöglichen es Benutzern, einen Prozess sicher und mit minimaler Belastung durchzuführen. Der Modus „Manuelles Rezept“ ermöglicht eine weitreichende Steuerung der Pumpen und Ventile in der Anlage über den Computer.

Das System ermöglicht es Benutzern außerdem, ein zweites GUI-Softwarepaket auf dem Computer zu öffnen, der mit demselben TFF-Prozessleitsystem verbunden ist. Die PendoTECH VF-DF-Software kann einen Normalflussfiltrationsprozess steuern und automatisieren und bietet die Möglichkeit, einen Filtrationsvorgang zu optimieren und zu skalieren.

Mahesh Khot , PhD, ist Vertriebsleiter für Steuerungssysteme bei PendoTECH; [email protected].

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