Sistemi di controllo per bioreattori da banco

In passato, i successi e i fallimenti della produzione di biofarmaci su larga scala potevano essere attribuiti in gran parte all’esperienza degli operatori e al loro “tocco magico” (o alla sua mancanza).

In passato, i successi e i fallimenti della produzione di biofarmaci su larga scala potevano essere attribuiti in gran parte all’esperienza degli operatori e al loro “tocco magico” (o alla sua mancanza). Questo è in netto contrasto con la Pharma 4.0 e la sua enfasi su sistemi di dati connessi e integrati per il miglior controllo della produzione farmaceutica, dai sistemi di controllo dei bioreattori da banco ai controllori per ambienti GMP. La tecnologia analitica di processo (PAT) si concentra sull’incorporare i dati dei sensori nei controlli a livello di sistema, per fornire un monitoraggio e un controllo precisi e in tempo reale di vari parametri di processo — e i sistemi a bioreattore sono in gran parte all’avanguardia nell’adozione delle tecnologie PAT. I sensori intelligenti e le analisi avanzate hanno fornito in modo chiaro e costante un miglior controllo e una migliore scalabilità dei processi dei bioreattori. La capacità di monitorare e analizzare i parametri di processo chiave ha reso più facile per scienziati e produttori trasferire i processi tra ricerca da banco, risoluzione dei problemi, ambienti pilota e di produzione.

I sistemi di controllo da banco comportano un compromesso tra flessibilità e scalabilità

I sistemi a bioreattore da banco (in genere da 1 a 25 litri) sono fondamentali per la ricerca, lo sviluppo di processo e la risoluzione dei problemi. Gli ambienti di ricerca adottano comunemente recipienti di vetro — sono economici, ben conosciuti e facili da sterilizzare in autoclave. Possono inoltre essere pressurizzati per favorire il trasferimento di ossigeno, e la loro trasparenza permette ai ricercatori di controllare visivamente il sistema. Per questi reattori, i sistemi di controllo sono in genere molto flessibili, progettati per la modularità o per una facile configurazione con una varietà di caratteristiche fisiche e sensori. Questo consente al ricercatore di sperimentare con una combinazione di sparger, giranti, sonde, tubi pescanti e altri sensori e apparecchiature. Questa configurazione dà al ricercatore la flessibilità di determinare i valori ottimali dei parametri di processo chiave — ma non è molto scalabile. Il passo successivo è riprogettare il processo per la scalabilità, utilizzando sistemi di controllo che crescano insieme al gruppo di sviluppo di processo.

I sistemi per lo sviluppo di processo consentono lo scale-up e lo scale-down

I sistemi per lo sviluppo di processo si concentrano sulla determinazione dei parametri di processo critici che saranno scalati a un ambiente di produzione. Nel frattempo, i sistemi per la risoluzione dei problemi sono versioni in scala ridotta dei sistemi pilota o di produzione. Si concentrano sull’individuare e correggere eventuali problemi su scala più piccola, il che è più economico e prevede parametri di processo più facili da controllare e regolare. Per entrambi i tipi di sistema, monitorare e controllare in modo appropriato i parametri di processo è la chiave del successo. Se questo vale ovviamente per parametri come le velocità di trasferimento e di assorbimento dell’ossigeno, è altrettanto importante garantire che i sensori e il sistema di controllo siano scalabili con successo. Ad esempio, il materiale, le dimensioni, la forma del recipiente e il meccanismo di agitazione possono rimanere costanti, in gran parte indipendentemente dalla fase del processo. Ma parametri come la dimensione delle bolle, che ha un effetto diretto sull’assorbimento dell’ossigeno, devono essere ottimizzati per ogni nuova dimensione della coltura e configurazione del bioreattore, e non possono essere determinati completamente da banco. Alcuni controllori sono progettati per gestire un’ampia gamma di applicazioni e tipi di coltura a livello da banco. Pur essendo molto flessibili, questi controllori non sono progettati per la scalabilità. Ad esempio, bioreattori e fermentatori possono spesso essere usati in modo intercambiabile per colture fino a 1 litro. Su scale maggiori, tuttavia, i diversi processi richiedono apparecchiature specializzate per microrganismi o per microbi. Altri controllori sono progettati in modo più pratico per essere utilizzati in più fasi del processo, con un’unica interfaccia incentrata sulla gestione di dati scalati e sulla capacità di integrarsi facilmente con un SCADA.

Il monitoraggio secondo la direttiva PAT consente un migliore controllo del processo

Nel 2004, la FDA ha emesso una linea guida sulla PAT, incoraggiando l’industria farmaceutica a implementare sistemi moderni per la massima garanzia di qualità e la massima efficienza di processo — compreso il monitoraggio di tutte le variabili di processo rilevanti negli ambienti GMP. Monitorare queste variabili il più presto possibile nello sviluppo presenta vantaggi significativi. Stabilendo le condizioni di processo da banco e portandole avanti fino alle operazioni di produzione, ingegneri e scienziati sono in grado di comprendere e controllare meglio i propri processi, ottenendo scale-up più precisi e una risoluzione dei problemi più semplice in qualsiasi fase del processo. Ad esempio, la contropressione viene misurata più spesso solo negli ambienti di produzione, in gran parte per il controllo della sterilizzazione in situ con vapore. Tuttavia, la contropressione su un bioreattore influisce anche sul trasferimento di massa e sull’assorbimento dell’ossigeno, fornendo le informazioni necessarie per massimizzare l’assorbimento di ossigeno da parte delle cellule. Un sistema di controllo del bioreattore progettato per misurare la contropressione ci fornisce quindi informazioni sulla crescita della coltura che altrimenti non sarebbero state disponibili, e ci dà un miglior controllo sullo scale-up del processo. Continua a leggere: i bioreattori monouso permettono ai gruppi di sviluppo di processo di ottenere una flessibilità di sistema senza precedenti $