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Innovative Einwegtechnik für die Zellabtrennung

Quantensprung in der Prozessfiltration

Dr. Manfred Mühl, Pall Filtersystems GmbH; Dr. Dirk Sievers, Pall GmbH, Life Sciences, BioPharmaceuticals

Moderne Tiefenfilter zur Zellabtrennung und Zellextraktklärung sind zu einer festen Größe in der biotechnologischen Produktion geworden. Sie können mit steigenden Zelldichten und Zellkulturvolumina sowie breiten Partikelgrößenverteilungen umgehen. Der Siegeszug innovativer Einwegkonzepte für die Prozessfiltration setzt sich nun mit der Einführung einer völlig neuartigen Tiefenfilter-Einwegplattform fort.


Moderne Tiefenfilter zeichnen sich primär durch hohe Schmutzaufnahmekapazitäten und lange Filterstandzeiten aus. Sie eignen sich insbesondere zur Aufreinigung komplexer Zellsuspensionen, die ihren Wertstoff extrazellulär ausbilden, und sind in der Lage, das für die Zellabtrennung und Zellextraktklärung charakteristische breite Partikelgrößenspektrum sicher und wirtschaftlich abzutrennen. Darüber hinaus unterstützt die Tiefenfiltration eine signifikante DNA-Abreicherung im frühen Stadium der Wertstoffaufreinigung.

Das Angebot an Filterschichten ist vielfältig und orientiert sich an den unterschiedlichen Aufgabenstellungen, die sich in der Biotechnologie in den letzten Jahren ergeben haben. Das Produktspektrum umfasst sowohl einlagige als auch doppellagige Tiefenfilter. Sie basieren auf Filterschichten aus hochreinem Zellstoff, der mit Kieselgur oder Perliten unter Verwendung von Harzen gezielt angereichert und stabilisiert wurde.

Abb. 1: Schema eines typischen Fermentationsverlaufs. Anfänglich sind fast ausschließlich lebende Zellen vorhanden. Die Vitalität als Verhältnis der Anzahl lebender Zellen zur Summe der lebenden und toten Zellen ist sehr hoch. Mit der Zeit beginnen einzelne Zellen abzusterben, die später lysieren (und agglomerieren) und die Vitalität absenken. Es entsteht ein filtrationstechnisch anspruchsvolles Spektrum unterschiedlichster Partikelgrößen.


Die Auswahl eines Tiefenfilters erfordert gerade vor dem Hintergrund gestiegener Titerkonzentrationen ein präzises Prozessverständnis. So hat die Abnahme der Vitalität im Laufe des Fermentationsprozesses, die infolge der Zelllyse ein breites Spektrum unterschiedlich großer Partikel im Fermenter freisetzt, erheblichen Einfluss auf die Filtration. Ein Stoffsystem mit hoher Vitalität lässt sich in der Regel mit einlagigen Filterschichten aufarbeiten, während eine verminderte Vitalität den Einsatz doppellagiger Filterschichten nahelegt (Abb. 1).

Alle Tiefenfilter, die für den Einsatz im pharmazeutischen Umfeld hergestellt werden, erfüllen die USP-Anforderungen an Klasse VI Kunststoffe (121°C). Ihr Endotoxingehalt liegt mit < 0,06 EU/ml unterhalb der Nachweisgrenze. Der Anteil an extrahierbaren Bestandteilen ist auf ein Minimum reduziert.

Einweglösungen für die Zellabtrennung
Der Fokus in der Entwicklung neuer Tiefenfilter lag in der Vergangenheit vornehmlich auf der Filterschicht, die die späteren Leistungskriterien maßgeblich definiert. Es ging primär darum, den Filter hinsichtlich Kläreffekt, Rückhaltevermögen und Standzeit zu optimieren, was in der Praxis beispielsweise die Entwicklung neuer Rezepturen oder die Optimierung der Oberflächenladung bedeutete.

Mittlerweile sind die Anforderungen vielfältiger geworden. Die Industrie verlangt nach intuitiver Bedienbarkeit, einfachster Handhabung und höchster Zuverlässigkeit. Die kosten- und zeitintensive Reinigung des Filtrationssystems mittels aufwendiger Clean-in Place (CIP) Verfahren und deren Validierung stehen zur generellen Disposition. Als wünschenswert gilt zudem der Verzicht auf aufwendige Hilfsmittel, darunter der Einsatz von Lastkränen zur Beladung und Entnahme der Filtermodule. Klassische Konzepte können dem kaum gerecht werden.

Eine Zukunftsperspektive liegt in der Umsetzung benutzerfreundlicher und innovativer Einweglösungen. Ihr Einsatz in der Filtration war lange auf Laboranwendungen beschränkt, in denen kleine Volumina mit geringer Schmutzfracht aufzuarbeiten waren. In den letzten Jahren allerdings haben sich neue Anwendungsfelder auch im Prozessmaßstab gefunden. Die Übertragung des Einweggedankens auf Tiefenfilteranwendungen führte nun zu einer revolutionären Weiterentwicklung großflächiger Tiefenfiltermodule traditioneller Bauform.

Merkmale des Systemkonzepts
Die Stax™ Tiefenfilterplattform, die auf vollständig gekapselten Tiefenfiltermodulen basiert, vereint erstmalig die Vorteile einer optimalen Filtrationsleistung mit den Vorzügen zukunftsweisender Einwegtechnologien. Das neue Konzept basiert auf Seitz® Filterschichten und dem robusten SUPRAdisc™ II Modulkonzept im 16"-Format. Es verbindet unterschiedlichste Filterschichten mit verschiedensten Filterflächen und ist damit für alle Herausforderungen in der Zellabtrennung und Zellextraktklärung bestens gerüstet.

Die Stax Tiefenfilterkapsulen werden in einem stabilen Edelstahlgestell betrieben, das in drei verschiedenen Größen für den Labor-, Pilot- und Prozessmaßstab erhältlich ist und optional mit Rollen ausgestattet werden kann. Das System ermöglicht den zur optimalen Entlüftung erforderlichen vertikalen Betrieb der Kapsulen und zeichnet sich durch eine geringe Stellfläche aus. Es kann mit Tiefenfiltern unterschiedlicher Formate bestückt werden und ist somit deutlich flexibler als horizontal betriebene Systeme (Abb. 2).

Abb. 2: Stax Edelstahlgestelle mit Tiefenfilterkapsulen. a, Laborsystem. b, Prozesssystem bis 10 m² (T-Variante). c, Prozesssystem bis 20 m² (In-line Variante).

Die Stax Tiefenfilterplattform verschmilzt eine optimale Filtrationsleistung mit allen Vorteilen moderner Einwegtechnologien und garantiert maximale mechanische Robustheit selbst im schwierigen Prozessumfeld. Darüber hinaus ist eine gleichmäßige Verteilung der Produktlösung auf der gesamten Filterfläche gewährleistet, womit eine wesentliche Voraussetzung für die angestrebte Skalierbarkeit erfüllt wird.

Inspiriert durch die Anforderungen aus der betrieblichen Praxis entstand ein ergonomisches Design mit intuitiver Bedienbarkeit und geringem Totvolumen. Das Design erlaubt mit seinen eigenständigen Entlüftungs- und Verteilerplatten ein Höchstmaß an Flexibilität. Die Systeme können wahlweise in der klassischen T-Variante, bei der sich Ein- und Auslass auf gleicher Höhe befinden, oder in der In-line Variante mit Anströmung von unten nach oben bzw. von oben nach unten betrieben werden. Das In-line Verfahren bietet Vorteile insbesondere bei großen Filterflächen. Alle produktberührenden Teile sind als Einwegkomponenten ausgelegt, womit Rüstzeiten und Investitionen auf ein vernünftiges Maß reduziert werden.

Abb. 3: Schema eines Stax Edelstahlgestells mit zwei unterschiedlichen Filtermedien in serieller Konfiguration. Die roten Pfeile verdeutlichen die Fließrichtung.


In einem Edelstahlgestell können verschiedene Filtermedien in serieller Konfiguration betrieben werden. Auf diese Weise lassen sich eine Vorfiltration und eine Endfiltration in nur einem System auf bequeme Weise effizient miteinander kombinieren (Abb. 3).

Die Auswahl an Tiefenfilterkapsulen umfasst drei Formate, die wahlweise mit einlagigen oder doppellagigen Filterschichten angeboten werden. Die Filterflächen pro Filtereinheit betragen 0,5 m², 1 m² und 2 m² für einlagige Schichten bzw. 0,25 m², 0,5 m² und 1 m² für doppellagige Schichten. Die Gesamtfilterfläche pro System ist durch das modulare Design weitgehend frei wählbar, da Kapsulen aller Formate beliebig miteinander kombiniert werden können.

Mittels eines speziellen Verteilers können bis zu fünf Edelstahlgestelle miteinander verbunden werden, sodass sich die Gesamtfilterfläche im Parallelbetrieb auf maximal 100 m² erweitern lässt.

Skalierbarkeit der Einwegplattform
Die Skalierbarkeit vom Labor- in den Pilot- und Prozessmaßstab ist zu einem elementaren Leistungskriterium für bestehende und neue Prozesse geworden. In der Tiefenfiltration war es bislang nicht unüblich, bei der Maßstabsübertragung einen mindestens 30-prozentigen Sicherheitsfaktor für die Filterfläche einzukalkulieren. Ein gewisser Spielraum zum Ausgleich der für biologische Systeme typischen Chargenschwankungen ist zwar generell sinnvoll, doch sollte keine zusätzliche Filterfläche zur Kompensation einer nicht ausreichenden Übertragungsqualität erforderlich sein.

Abb 4: Skalierbarkeitsstudie auf EKS-P Medien. Die Abweichung zwischen allen Formaten betrug drei Prozent, die Abweichung zwischen den beiden Stax Systemen lag bei zwei Prozent. Das große Stax System wurde im In-line Verfahren betrieben.

Die Stax Tiefenfilterplattform basiert auf demselben Designkonzept wie die kleineren SUPRAcap™ 100 und SUPRAcap 60 Kapsulen. Alle Komponenten stimmen hinsichtlich der Filtermedien und Fluidwege überein. Eine mit verschiedenen Tiefenfilterkapsulen unterschiedlicher Größe und einem klassischen SUPRAdisc II 16" Tiefenfiltermodul durchgeführte Studie dokumentiert die hervorragende Skalierbarkeit zwischen den Formaten (Abb. 4). In der Praxis lassen sich Prozessvolumina zwischen einem Liter und mehr als 20.000 Liter sicher abdecken. Der angesprochene Sicherheitszuschlag für den Prozesstransfer aus der frühen Entwicklung in die Produktion kann daher deutlich geringer ausfallen und zur Kostenoptimierung beitragen.

Zusammenfassung
Die Entwicklung bahnbrechender Meilensteine ist oftmals inspiriert durch die Ausarbeitung und Umsetzung visionärer Ideen. Die neue Stax Tiefenfilter-Einwegplattform ermöglicht die Etablierung kostenoptimierter Filtrationsprozesse zur Produktivitätssteigerung in der biotechnologischen Aufreinigung. Das Konzept steht für intuitive Bedienbarkeit, einfache Handhabung und hohe Zuverlässigkeit. In Verbindung mit großer Flexibilität, hoher Robustheit und zuverlässiger Skalierbarkeit erhält die biotechnologische Produktion die zwingend erforderlichen Werkzeuge zur effizienten und wirtschaftlichen Zellernte und Zellextraktklärung.



Pall, Stax, SUPRAdisc und SUPRAcap sind Warenzeichen der Pall Corporation.



Erstveröffentlichung: Hüthig Verlag, Pharma + Food 2-2009.

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