Realtime controle gedurende fed-batch-bioreactorbewaking

Tijdens de fed-batch kweek, zijn upstream biologische processen continu in beweging. Opname van voedingsstoffen, vorming van metabolieten, ontwikkeling van biomassa, zuurstofbehoefte en productexpressie kunnen veranderen tijdens de run, terwijl vele procesbeslissingen nog steeds vertrouwen op periodieke offline-metingen. Hierdoor ontstaat een verschil tussen hoe de kweek zich gedraagt en wat de operators kunnen zien.

Kritische biologische events zoals beperkte beschikbaarheid van voedingsstoffen, metabolische verschuivingen, stressreacties of veranderende substraatbehoefte kunnen tussen monsters optreden en blijven onopgemerkt tot het moment, dat deze al invloed hebben op de productiviteit en de kwaliteit. Deze uitdaging is niet zomaar opgelost met eenvoudigweg meten van meer parameters. Het gaat erom dat de biologische verandering van de kweek vroeg genoeg wordt geconstateerd zodat vroeg genoeg kan worden gereageerd waardoor het proces nog kan reageren.

Upstream-bioreactormonitoring is het constant observeren van biologische en procesparameters gedurende de celkweek of fermentatie. Het doel is om teams te helpen bij het begrijpen van het procesgedrag, afwijkingen eerder te detecteren en betere procesregeling te ondersteunen tijdens kritische procesfasen.

Bij de fed-batch bioprocessing, betekent dit verder gaan dan af en toe een analytische momentopname en het verkrijgen van een duidelijker inzicht van de kweekontwikkelingen in de loop van de tijd. Continu monitoren helpt om te laten zien wat er gebeurt tussen de monsters door en ondersteunt vroegtijdige beslissingen over voeding, procesaanpassingen het starten van onderzoeken

De fed-batchfase is de fase waar de upstream-prestaties worden bepaald. Voedingsstrategie, beschikbaarheid van voedingsstoffen en metabolische balans beïnvloeden direct de groei, productiviteit en uiteindelijke batchresultaat. In dit stadium veroorzaken kleine afwijkingen zelden directe processtoringen. In plaats daarvan, worden kweekprestaties geleidelijk gereduceerd, de variabiliteit verhoogd of de bruikbare opbrengst van de batch beperkt. Tegen de tijd dat deze effecten door offline-analyses worden geconstateerd, kan een deel van het batchpotentieel al verloren zijn gegaan. Continue in-proces inzicht helpt bij het sluiten van deze leemte door te laten zien hoe de kweek zich ontwikkelt gedurende de uren gedurende welke opbrengst, consistentie, batchverloop en productkwaliteit nog vorm worden gegeven.

Raman-spectroscopie wordt algemeen gebruikt in Process Analytical Technology (PAT) omdat dit real-time, in-situ inzicht kan geven in kritische procesvariabelen. In upstream-bioprocessen, kunnen op Raman gebaseerde PAT-strategieën het begrip, het monitoren en het regelen van processen ondersteunen door teams te helpen bij het interpreteren van de opname van voedingsstoffen, de vorming van metabolieten en het kweekgedrag naarmate de run vordert.

Dit is met name van belang gedurende het fed-batch bedrijf, waar de vraag naar voedingsstoffen en het metabolisch gedrag niet altijd een vast schema volgen. Door het laten zien van biologische transities terwijl deze optreden, helpt op Raman gebaseerde monitoring de operators om optredende procesdrift te detecteren voordat dit zichtbaar wordt als verloren productiviteit, toegenomen variabiliteit of batchafwijkingen.

Dankzij de continue zichtbaarheid van het kweekgedrag, kunnen operators handelen aan de hand van het gedrag van de kweek gedurende de run. Zo kunnen bijvoorbeeld een verandering in het glucoseverbruik, lactaatvorming, biomassaverandering of andere van Raman afgeleide procesindicatoren aangeven, dat de kweek afwijkt van het verwachte verloop. In plaats van te wachten op het volgende offline-resultaat, kunnen teams beslissen om de voedingstijd aan te passen, de voedingsfrequentie te veranderen, een potentiële onbalans in de voeding te onderzoeken of de huidige strategie te handhaven omdat het proces nog loopt binnen het bedoelde bedrijfsvenster.

Hierdoor kunnen teams veranderen van observatie naar actie gedurende de uren waarbinnen de batch nog kan reageren:

• Wanneer het verbruik van voedingsmiddel sneller dan verwacht toeneemt: bekijk het voedingsprofiel en pas de voedingstijden aan voordat beperkingen de productiviteit beïnvloeden.
• Wanneer overmatige ophoping van substraat of metabolieten wordt gedetecteerd: verminder het risico van teveel voeding en metabolische onbalans door de voedingsstrategie aan te passen.
• Wanneer de kweek afwijkt van het verwachte verloop: start onderzoeken eerder, omdat corrigerende maatregelen dan het resultaat nog kunnen beïnvloeden.
• Wanneer de kweek stabiel blijft: bevestiging dat de huidige strategie correct is en vermijd onnodig ingrijpen.
• Wanneer een metabole verandering plaatsvindt op een variabel tijdstip: voer voedingsmiddel toe gebaseerd op de werkelijke status van het proces en niet alleen aan de hand van een vast schema.

De operationele verandering is helder: van receptgedreven bedrijf naar gedraggedreven regeling. De voedingsstrategie wordt niet langer behandeld als een vast schema, dat moet worden aangehouden tot het volgende monster anders vereist. Het wordt een beslissingspunt dat kan worden bijgesteld tijdens de run, afhankelijk van het feit of de kweek de voeding verbruikt zoals verwacht, signalen vertoont van metabole verandering of het naderen van een processtatus waarbij interventie de productiviteit beschermt.

In de praktijk verandert het team van terugkijken naar wat er is gebeurd naar beslissen wat er nu moet gebeuren. De belangrijkste vraag wordt: "Hoe gedraagt de kweek zich nu en is er actie nodig?"

Dit creëert waarde op drie gebieden:

• Hogere opbrengst per batch – Realtime inzicht in subraatvraag en metabolisch gedrag helpt operators bij het vasthouden van omstandigheden die de productiviteit ondersteunen tijdens de meest kritische fase van de run. Bij upstream-bioprocesregeling, help Raman-monitoren bij het identificeren van de meest optimale tijd voor het toevoeren van voedingsmiddelen, waardoor de opbrengst wordt ondersteund.
• Hogere batchconsistentie – Continu monitoren van de bioreactor helpt bij het eerder detecteren van procesdrift, waardoor de variatie wordt verminderd die wordt veroorzaakt door onvoorziene biologische transities tussen monsternamepunten. Dit ondersteunt een meer voorspelbaar kweekverloop, meer consistente voedingsbatchprestaties en verbeterde regeling van de omstandigheden die de productkwaliteit beïnvloeden.
• Beter gebruik van de bestaande bioreactorcapaciteit – Door het verbeteren van de regeling tijdens de run, kunnen fabrikanten de productieve opbrengst van bestaande assets verbeteren zonder het procesontwerp of de geïnstalleerde capaciteit te veranderen. De meerwaarde ontstaat door het eerder kunnen ingrijpen, wanneer de kweekprestaties nog kunnen worden beïnvloed.

• Reactieve naar proactieve regeling: operators grijpen in wanneer het proces nog kan worden bijgesteld, in plaats van het bevestigen van afwijkingen na de monstername.
• Receptgestuurd naar gedraggestuurd bedrijf: voeding afhankelijk van de werkelijke kweekvraag, niet alleen op basis van aannames vooraf.
• Variabele batches naar gecontroleerd verloop: de kweek wordt nauwer binnen het procesvenster gehouden, waardoor consistentere processen en een meer voorspelbare kwaliteit ontstaan.
• Van conservatieve naar prestatiegerichte productie: teams kunnen onnodige veiligheidsmarges verminderen en beter gebruik maken van het procespotentieel.

In de praktijk betekent dit betere beslissingen op het punt waar het van belang is: tijdens de fed-batch-fase, voordat het uiteindelijke batchresultaat en de productkwaliteit vast zijn bepaald.

Indien relevant, kunnen onze teams ook discussies ondersteunen betreffende modelontwikkeling en lifecycle-management, systeemintegraties, kwaliteitsverwachtingen en de praktische uitvoering van Raman-spectroscopie in GMP-geregelde omgevingen.