single-use bioreaktoren in biopharmazeutischen … · bioreaktor 0.1 - 100 sartorius stedim biotech...

26
Zürcher Fachhochschule Institut für Chemie und Biotechnologie (ICBT) SINGLE-USE BIOREAKTOREN IN BIOPHARMAZEUTISCHEN PROZESSEN Regine Eibl 1 https://www.zhaw.ch/de/lsfm/institute-zentren/icbt/bioverfahrens-und-zellkulturtechnik/

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Zuumlrcher Fachhochschule

Institut fuumlr Chemie und Biotechnologie (ICBT)

SINGLE-USE BIOREAKTOREN IN BIOPHARMAZEUTISCHEN PROZESSEN

Regine Eibl

1

httpswwwzhawchdelsfminstitute-zentrenicbtbioverfahrens-und-zellkulturtechnik

Zuumlrcher Fachhochschule

Agenda

bull Einfuumlhrung zu Single-Use Bioreaktoren

Definition und Meilensteine der Entwicklung Instrumentierung

bull Uumlbersicht

Haumlufig eingesetzte Bioreaktortypen Charakteristik und Anwendungen

bull Neue Kultivierungstechnologien

Renaissance der Perfusion Inokulumproduktion Fermentation

bull Fazit und Ausblick

2

Zuumlrcher Fachhochschule 3

wwwa-z-singleuseorg und httpa-z-singleuseorg

Zuumlrcher Fachhochschule

Single-Use Bioreaktoren Meilensteine der Entwicklung

bull 1953 Fenwal entwickelt ersten Blutbeutel aus Kunststoff

Dr Carl W Walter und David Bellamy

bull Bis Mitte der 70er

Entwicklung von Kunststoffbeuteln fuumlr die

Transfusionsmedizin und Ersatz von weiterem

Equipment aus Glas im Zellkulturlabor

Antikoumlrperproduktion in Hohlfaserbioreaktoren

Markteinfuumlhrung der CellFactory

bull Ende der 90er Erster kommerzieller Wave-

Reaktor verfuumlgbar

4

Bildquelle

httpsenwikipediaorgwikiCarl_W_Wa

lter und httpcache1asset-

cachenetxt536895305jpgv=1ampg=fs1|0|

SKP279|95|305amps=1 22018

Zuumlrcher Fachhochschule 5

Geruumlhrte

Systeme und

Modifikationen01 L - 4`000 L

Geschuumlttelte

Systeme1 mL ndash 200 L (2`500 L)Wellendurchmischte

Systeme01 L ndash 500 L

Statische Systeme1 mL ndash 1 L

Hybride

Systeme05 L ndash 8 L

Hydraulische

Systeme1 mL ndash 110 mL

(max 20 Module)

Pneumatische

Systeme06 L ndash 500 L

Single-Use

Bioreaktoren

Single-Use Bioreaktoren Heute

Zuumlrcher Fachhochschule

Instrumentierung

6

bull Zwei Loumlsungsansaumltze

in situ Sensoren

ex situ Sensoren (Sterilbarriereoder beruumlhrungsloses Messprinzip)

bull in situ Sensoren

Standardsensoren 12 mm Ports Sonderloumlsungen oder bdquoAsepticConnectorsldquo erforderlich

Single-Use Sensoren Hauptsaumlchlich chemisch-optische Sensoren fuumlr pH und pO2

Weitere optische Single-Use Senso-ren Truumlbung Fluoreszenz Biomas-se

Flexsafe RM

optical

AppliFlex

Standard

Sensor module

Pall Kleenpaktrade Connector Assembly Aid

Insid

e B

PC

Ou

tsid

e B

PC

1 Make Connection

2 Push in bellows

Probe

Probe

TruFluor Sensor

Zuumlrcher Fachhochschule

Groumlsste Vielfalt Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren

7

bull Blasenbeluumlftet und bis max 4 m3 Arbeitsvolumen up-scale-bar

Zylindrisches oder kubisches GefaumlssBag

Zentrisch gelagerte rotierende Ruumlhrer dominieren (Magnetantrieb oder Gleitringdichtung)

Geometrische Aumlhnlichkeit zu wiederverwendbaren Gegenspielern

Zuumlrcher Fachhochschule

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren (rigid) bis 75 L Uumlbersicht

8

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Geruumlhrt rigider Kessel CellVessel 21- und 23 Serie 025 - 75 CerCell

CelliGen BLU Benchtop-

Ruumlhrreaktor

(BioBLU 1c 5c 14c 50c)

025 - 40 Eppendorf

DASGIP Parallel-Bioreaktor

(Bio-Block mit BioBLU 1c)

025 - 125

Mobius CellReady 1 - 24 Merck

UniVessel SU 06 - 2 Sartorius Stedim Biotech

SmartVessel Single-Use

Bioreaktor

05 - 22 Thermo Fisher Scientific

Zuumlrcher Fachhochschule

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren (Bag) bis 4 m3 Uumlbersicht

9

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Geruumlhrt Bag Xcellerex XDR 45 ndash 2`000 GE Healthcare

Mobius CellReady 10 ndash 2`000 Merck

Allegro STR 60 ndash 2`000 Pall Life Sciences

PadReaktor 8 - 960

BIOSTAT STR 125 ndash 2`000 Sartorius Stedim Biotech

HyPerforma SUB 25 ndash 2`000 Thermo Fisher Scientific

Custom Single Run (CSR) 50 - 4`000 ABEC

Zuumlrcher Fachhochschule 10Bildquelle httpabeccomsingle-use-solutionshtml 92017

Zuumlrcher Fachhochschule

Zweitgroumlsste Gruppe Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren

11

bull Durchmischung durch Bewegung des Rockers

Systeme mit 1D-Mischbewegung verfahrenstechnisch am besten untersucht und haumlufigsten fuumlr tierische Zellen verwendet (aber Stofftransferlimitationen fuumlr Pflanzenzellen und Mikroorganismen moumlglich)

Intensitaumlt = f (Kipprate Kippwinkel Befuumlllung 10-50)

Welleninduzierte Mischbewegung bei Oberflaumlchenbegasung und permanenter Erneuerung der Medienoberflaumlche keine Antischaummittelzugabe

Homogenere Energiedissipation im Vergleich zu geruumlhrten Zellkulturrektoren

1D 2D 3D

Zuumlrcher Fachhochschule

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren Produkt-beispiele

12

SmartRocker

20 L 50 L

Allegro XRS 20

20 L

CELL-tainer

200 L

BIOSTAT RM

20 L

Zuumlrcher Fachhochschule

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren bis 500 L Uumlbersicht

13

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Wellendurchmischt

Bag eindimensional

AppliFlex 05 - 25 Applikon

CellTumbler 05 - 10 CerCell

SmartRocker

Bioreaktor

05 - 25 Thermo Fisher Scientific

Wave Bioreaktor System 02 - 500 GE Healthcare

ReadyToProcess WAVE25 02 - 25 GE Healthcare

BIOSTAT RM

Bioreaktor

01 - 100 Sartorius Stedim Biotech

Wellendurchmischt

Bag zweidimensional

CELL-tainer 0015 - 200 Celltainer Biotech

Wellendurchmischt

Bag dreidimensional

Allegro XRS 20 01 - 20 Pall Life Sciences

Zuumlrcher Fachhochschule

Orbital geschuumlttelte Single-Use Bioreaktoren

14

bull Bioverfahrenstechnischer Erkennt-niszuwachs zum orbitalen Schuumltteln

Microwellplatten Tubes und Kolben

Publikationen wwwshakingtechnologycom

Prozess-Scale-up von Tubes und Schuumlttel-kolben auf 3 L Single-Use Fernbachkolben 2 L 10 L und 20 L Bags etc unter Einsatz konventineller Schuumlttler mit speziellen Schuumlttelplattformen wenn mit tierischen Zellkulturen gearbeitet

Entwicklung up-scale barer orbital geschuumlt-telter Single-Use Bioreaktoren fuumlr tierische Zellkulturen

Multitron Cell

3x 2L 2x 10L or 1x 20L

Zuumlrcher Fachhochschule

Orbital geschuumlttelte Single-Use Bioreaktoren (up scale-bar)

15

SB2500-X

10 L 50 L 200 L 2`500 L

Mabion Rituximab (Biosimilar-mAb)

SB200-X

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Orbital geschuumlttelt Bag OrbShake Bioreaktor 1 ndash 2`500 Adolf Kuumlhner

Current Bioreaktor 05 - 300 Hangzhou Amprotein

Bioengineering

Zuumlrcher Fachhochschule

Gegenwaumlrtige Haupteinsatzgebiete der vorgestellten Single-Use Bioreaktoren

bull USP-Prozesse mit tierischen Zellkulturen (1 m3 oder 2 m3)

Saumlugerzellen (und teilweise Insektenzellen)

Produkte

Inokulum

mAbs fuumlr die Therapie von

Krebs- und Autoimmunerkrankungen

biosimilare mAbs

Vakzine fuumlr Mensch und Tier

Verfahren

Fed Batch

Hochleistungszelllinie (gt 5 g L-1)

max 21 d

16

Seed train Inoculum train Antibody expression

Stirred SU bioreactor with 1000L

cultivation bag

Stirred SU bioreactor with 50L200L cultivation bag

Wave-mixed SU bioreactor with 50L200L cultivation bag

Wave-mixed SU bioreactor with 10L20L

cultivation bag1L shake flasksWCB vial

(a) (a)

(b) (b)

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Kultivierungstechnologien mit Single-Use Bio-reaktoren

bull Ziele

Zeit- und Kosteneinsparungen

Erhoumlhung der Raum-Zeit-Ausbeute

Produkt in ausreichender Quanti- und Qualitaumlt

Kurze Prozesszeit Kleiner Scale hohe metabolische Aktivitaumlt

bull Erreichbar durch Prozessintensivierung in Verbindung mit Perfusion

Cell Banking und Inokulumproduktion

LV- oder HCD-WCB Einschrittinokulation und ndashexpansion

Fermentation

Klassische Kontinuierliche Perfusionsproduktion Konzentrierte Fed Batch-Produktion und konzentrierte

kontinuierliche Perfusionsproduktion

High Seed Fed Batch-Produktion

17

Zuumlrcher Fachhochschule 18

Perfusion

SU

centrifuges

SU crossflow

filtrations

devices

Hollow fibers

Macro-

carriers

Internal

Micro-

carriers

SU packed bed

bioreactors

operating with

fiber carriers

Mechanically and

pneumatically

driven SU

bioreactors

Wave-mixed

SU bioreactors

Hollow fiber

SU bioreactors

Hollow fiber

modules

TFF cassettes

ATF devices

Bags with

integrated

membranes

External

Carriers

Stirred and wave-mixed SU

bioreactors

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Welle in USP-Perfusion seit den letzten 5 Jahren

bull Verwendung von Mikro- und Ultrafiltra-tions- anstelle von Dialysemembranen

bull Kontinuierliche Langzeitprozesse uumlber 3 Monate eher selten

bull Beispiele Single-Use Bioreaktoren mit ATF-Modul 50 L bis 2 m3

LG (Korea) CruCell (Niederlande) Transgene (Frankreich) Wuxi (China) Patheon (Australien)

Wellendurchmischte und geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Hohlfasermodul

19

XCellTM ATF 6 Single-use System

Zuumlrcher Fachhochschule

bull LV- oder HCD-WCBs Reduktion der arbeits- und zeitaufwendigen Schritte zur Bereitstellung

des Inokulums fuumlr den Produktionsbioreaktor

Verbesserung der Inokulum- und Produktkonsistenz

bull Voraussetzung fuumlr Bag-to-Bag-Inokulation und Zellexpansion

ohne Zwischenkultivierungsschritte in geruumlhrten wellen-

durchmischten oder orbital geschuumlttelten Single-Use Bioreak-

toren

Cell Banking Einschrittinokulation und -expansion

Thawing from large-volume

working cell bankInoculation Thawing from high cell

density working cell bankInoculation

20

Thawing from

working cell bankCell expansion Inoculation

Bildquelle I Wolfgram 2017

Zuumlrcher Fachhochschule

CHO Zellen Sf-9 Zellen Hi5 Zellen

Zelllinie CHO XM 111-10 (ETHZ)

Sf-9(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Hi5(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Medium ChoMaster HP-1(Cell Culture Technologies)

Sf900III SFM(Thermo Fisher Scientific)

Express Five(Thermo Fisher Scientific)

Inokulumproduktion BIOSTAT RM 20 mit CultiBag RM 2L Perfusion oder Flexsafe RM 2L Perfusion(Sartorius Stedim Biotech)

Cryobag KryoSure FEP Bags (CellGenix)

OriGen PL Bags (OriGen Biomedical)

Celsius-Pak Bags (Sartorius Stedim Biotech)

FP-Flex Bags (Charter Medical)

EVA bags (Macopharma)

Bioreaktor Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Schuumlttelkolben (Corning)

Mobius CellReady 3L (Thermo Fisher Scientific)

SB10-X (Kuumlhner AG)

Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Analytik Zelldichte Viabilitaumlt durchschnittlicher Zelldurchmesser - Cedex HiRes (Roche)

Substrat- und Metabolitenproduktionen - BioProfile 100 Plus (Nova Biomedical)

Produktkonzentration und ndashaktivitaumlt (teilweise SDS-Page und Tierversuche)

21

Zuumlrcher Fachhochschule

High Seed Fed Batch- anstatt Low Seed Fed Batch-Produktion

22

bull Inokulation des Produktionsbioreaktors mit 1107 Zellen mL-1 anstatt 5105 Zellen mL-1

Ziele Gleiche oder houmlhere mAb-Titer innerhalb kuumlrzerer Zeit Erhoumlhung der Produktionsausbeute gt30 Erhoumlhung der Produktionskapazitaumlt (haumlufiges Bottleneck ist

Produktionsbioreaktor)

Problem Konstante Produktqualitaumlt Voraussetzungen

Grosse Zellmengen fuumlr die Inokulation Geeignetes Kulturmedium

Zuumlrcher Fachhochschule

bull Gut etabliert im USP Tierische Zellkulturen Geruumlhrte und wellendurchmischte Versionen bis

2 m3 Arbeitsvolumen Shift zu Perfusionsmodi in FampE erkennbar

bull Trotz neuer Erkenntnisse und Entwicklungen noch Limitationen Aber Weiteres Wachstum des Single-Use Bioreaktor-

segmentes prognostiziert Neue Biopharmapplikationen Prozesse mit Bakterien

und Pilzen HyPerforma SUF (30 L 300 L) und XDR MO fermentor (50 L

500 L)

Fazit Single-Use Bioreaktoren in biopharmazeutischen Produktionsprozessen

23

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Zellexpansion fuumlr Zelltherapien

bull Ersatz planarer Kultivierungssysteme

Expansion autologer T-Zellen

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren (max 10 L Arbeitsvolumen)

Expansion humaner mesenchymaler Stammzellen

Autologer und allogener Ansatz

Knochenmark- und Fettstammzellen

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Microcarriern(max 150 L Arbeitsvolumen)

24

Foto Lonza Cologne GmbH

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Pflanzenzellbasierte Kosmetik-wirkstoffe Food und Foodsupplemente

bull Pflanzenzellkulturen fuumlr natuumlrliche undnachhaltige Kosmetikprodukte

Mehr als 20 Produkte in letzten 10 Jahren inEuropa

Am bekanntesten PhytoCellTec Malus Domestica Suspensionskulturen und Hairy Roots Prozessentwicklung und teilweise kommerzielle Pro-

duktion in wellendurchmischten Single-Use Bioreaktoren

bull Auswirkungen auf Lebensmittelindustrie Alternative Produktionsmethoden fuumlr Food und

Foodsupplemente Erste Produkte in EU zugelassen (Echigena Plus) Pflanzliche Suspensionskulturen Essbare Biomasse Farbstoffe Aromastoffe Geschmacksstoffe Suumlssungsmittel

25

Zuumlrcher Fachhochschule 26

Waumldenswil

Page 2: SINGLE-USE BIOREAKTOREN IN BIOPHARMAZEUTISCHEN … · Bioreaktor 0.1 - 100 Sartorius Stedim Biotech Wellendurchmischt Bag, zweidimensional CELL-tainer 0.015 - 200 Celltainer Biotech

Zuumlrcher Fachhochschule

Agenda

bull Einfuumlhrung zu Single-Use Bioreaktoren

Definition und Meilensteine der Entwicklung Instrumentierung

bull Uumlbersicht

Haumlufig eingesetzte Bioreaktortypen Charakteristik und Anwendungen

bull Neue Kultivierungstechnologien

Renaissance der Perfusion Inokulumproduktion Fermentation

bull Fazit und Ausblick

2

Zuumlrcher Fachhochschule 3

wwwa-z-singleuseorg und httpa-z-singleuseorg

Zuumlrcher Fachhochschule

Single-Use Bioreaktoren Meilensteine der Entwicklung

bull 1953 Fenwal entwickelt ersten Blutbeutel aus Kunststoff

Dr Carl W Walter und David Bellamy

bull Bis Mitte der 70er

Entwicklung von Kunststoffbeuteln fuumlr die

Transfusionsmedizin und Ersatz von weiterem

Equipment aus Glas im Zellkulturlabor

Antikoumlrperproduktion in Hohlfaserbioreaktoren

Markteinfuumlhrung der CellFactory

bull Ende der 90er Erster kommerzieller Wave-

Reaktor verfuumlgbar

4

Bildquelle

httpsenwikipediaorgwikiCarl_W_Wa

lter und httpcache1asset-

cachenetxt536895305jpgv=1ampg=fs1|0|

SKP279|95|305amps=1 22018

Zuumlrcher Fachhochschule 5

Geruumlhrte

Systeme und

Modifikationen01 L - 4`000 L

Geschuumlttelte

Systeme1 mL ndash 200 L (2`500 L)Wellendurchmischte

Systeme01 L ndash 500 L

Statische Systeme1 mL ndash 1 L

Hybride

Systeme05 L ndash 8 L

Hydraulische

Systeme1 mL ndash 110 mL

(max 20 Module)

Pneumatische

Systeme06 L ndash 500 L

Single-Use

Bioreaktoren

Single-Use Bioreaktoren Heute

Zuumlrcher Fachhochschule

Instrumentierung

6

bull Zwei Loumlsungsansaumltze

in situ Sensoren

ex situ Sensoren (Sterilbarriereoder beruumlhrungsloses Messprinzip)

bull in situ Sensoren

Standardsensoren 12 mm Ports Sonderloumlsungen oder bdquoAsepticConnectorsldquo erforderlich

Single-Use Sensoren Hauptsaumlchlich chemisch-optische Sensoren fuumlr pH und pO2

Weitere optische Single-Use Senso-ren Truumlbung Fluoreszenz Biomas-se

Flexsafe RM

optical

AppliFlex

Standard

Sensor module

Pall Kleenpaktrade Connector Assembly Aid

Insid

e B

PC

Ou

tsid

e B

PC

1 Make Connection

2 Push in bellows

Probe

Probe

TruFluor Sensor

Zuumlrcher Fachhochschule

Groumlsste Vielfalt Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren

7

bull Blasenbeluumlftet und bis max 4 m3 Arbeitsvolumen up-scale-bar

Zylindrisches oder kubisches GefaumlssBag

Zentrisch gelagerte rotierende Ruumlhrer dominieren (Magnetantrieb oder Gleitringdichtung)

Geometrische Aumlhnlichkeit zu wiederverwendbaren Gegenspielern

Zuumlrcher Fachhochschule

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren (rigid) bis 75 L Uumlbersicht

8

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Geruumlhrt rigider Kessel CellVessel 21- und 23 Serie 025 - 75 CerCell

CelliGen BLU Benchtop-

Ruumlhrreaktor

(BioBLU 1c 5c 14c 50c)

025 - 40 Eppendorf

DASGIP Parallel-Bioreaktor

(Bio-Block mit BioBLU 1c)

025 - 125

Mobius CellReady 1 - 24 Merck

UniVessel SU 06 - 2 Sartorius Stedim Biotech

SmartVessel Single-Use

Bioreaktor

05 - 22 Thermo Fisher Scientific

Zuumlrcher Fachhochschule

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren (Bag) bis 4 m3 Uumlbersicht

9

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Geruumlhrt Bag Xcellerex XDR 45 ndash 2`000 GE Healthcare

Mobius CellReady 10 ndash 2`000 Merck

Allegro STR 60 ndash 2`000 Pall Life Sciences

PadReaktor 8 - 960

BIOSTAT STR 125 ndash 2`000 Sartorius Stedim Biotech

HyPerforma SUB 25 ndash 2`000 Thermo Fisher Scientific

Custom Single Run (CSR) 50 - 4`000 ABEC

Zuumlrcher Fachhochschule 10Bildquelle httpabeccomsingle-use-solutionshtml 92017

Zuumlrcher Fachhochschule

Zweitgroumlsste Gruppe Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren

11

bull Durchmischung durch Bewegung des Rockers

Systeme mit 1D-Mischbewegung verfahrenstechnisch am besten untersucht und haumlufigsten fuumlr tierische Zellen verwendet (aber Stofftransferlimitationen fuumlr Pflanzenzellen und Mikroorganismen moumlglich)

Intensitaumlt = f (Kipprate Kippwinkel Befuumlllung 10-50)

Welleninduzierte Mischbewegung bei Oberflaumlchenbegasung und permanenter Erneuerung der Medienoberflaumlche keine Antischaummittelzugabe

Homogenere Energiedissipation im Vergleich zu geruumlhrten Zellkulturrektoren

1D 2D 3D

Zuumlrcher Fachhochschule

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren Produkt-beispiele

12

SmartRocker

20 L 50 L

Allegro XRS 20

20 L

CELL-tainer

200 L

BIOSTAT RM

20 L

Zuumlrcher Fachhochschule

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren bis 500 L Uumlbersicht

13

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Wellendurchmischt

Bag eindimensional

AppliFlex 05 - 25 Applikon

CellTumbler 05 - 10 CerCell

SmartRocker

Bioreaktor

05 - 25 Thermo Fisher Scientific

Wave Bioreaktor System 02 - 500 GE Healthcare

ReadyToProcess WAVE25 02 - 25 GE Healthcare

BIOSTAT RM

Bioreaktor

01 - 100 Sartorius Stedim Biotech

Wellendurchmischt

Bag zweidimensional

CELL-tainer 0015 - 200 Celltainer Biotech

Wellendurchmischt

Bag dreidimensional

Allegro XRS 20 01 - 20 Pall Life Sciences

Zuumlrcher Fachhochschule

Orbital geschuumlttelte Single-Use Bioreaktoren

14

bull Bioverfahrenstechnischer Erkennt-niszuwachs zum orbitalen Schuumltteln

Microwellplatten Tubes und Kolben

Publikationen wwwshakingtechnologycom

Prozess-Scale-up von Tubes und Schuumlttel-kolben auf 3 L Single-Use Fernbachkolben 2 L 10 L und 20 L Bags etc unter Einsatz konventineller Schuumlttler mit speziellen Schuumlttelplattformen wenn mit tierischen Zellkulturen gearbeitet

Entwicklung up-scale barer orbital geschuumlt-telter Single-Use Bioreaktoren fuumlr tierische Zellkulturen

Multitron Cell

3x 2L 2x 10L or 1x 20L

Zuumlrcher Fachhochschule

Orbital geschuumlttelte Single-Use Bioreaktoren (up scale-bar)

15

SB2500-X

10 L 50 L 200 L 2`500 L

Mabion Rituximab (Biosimilar-mAb)

SB200-X

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Orbital geschuumlttelt Bag OrbShake Bioreaktor 1 ndash 2`500 Adolf Kuumlhner

Current Bioreaktor 05 - 300 Hangzhou Amprotein

Bioengineering

Zuumlrcher Fachhochschule

Gegenwaumlrtige Haupteinsatzgebiete der vorgestellten Single-Use Bioreaktoren

bull USP-Prozesse mit tierischen Zellkulturen (1 m3 oder 2 m3)

Saumlugerzellen (und teilweise Insektenzellen)

Produkte

Inokulum

mAbs fuumlr die Therapie von

Krebs- und Autoimmunerkrankungen

biosimilare mAbs

Vakzine fuumlr Mensch und Tier

Verfahren

Fed Batch

Hochleistungszelllinie (gt 5 g L-1)

max 21 d

16

Seed train Inoculum train Antibody expression

Stirred SU bioreactor with 1000L

cultivation bag

Stirred SU bioreactor with 50L200L cultivation bag

Wave-mixed SU bioreactor with 50L200L cultivation bag

Wave-mixed SU bioreactor with 10L20L

cultivation bag1L shake flasksWCB vial

(a) (a)

(b) (b)

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Kultivierungstechnologien mit Single-Use Bio-reaktoren

bull Ziele

Zeit- und Kosteneinsparungen

Erhoumlhung der Raum-Zeit-Ausbeute

Produkt in ausreichender Quanti- und Qualitaumlt

Kurze Prozesszeit Kleiner Scale hohe metabolische Aktivitaumlt

bull Erreichbar durch Prozessintensivierung in Verbindung mit Perfusion

Cell Banking und Inokulumproduktion

LV- oder HCD-WCB Einschrittinokulation und ndashexpansion

Fermentation

Klassische Kontinuierliche Perfusionsproduktion Konzentrierte Fed Batch-Produktion und konzentrierte

kontinuierliche Perfusionsproduktion

High Seed Fed Batch-Produktion

17

Zuumlrcher Fachhochschule 18

Perfusion

SU

centrifuges

SU crossflow

filtrations

devices

Hollow fibers

Macro-

carriers

Internal

Micro-

carriers

SU packed bed

bioreactors

operating with

fiber carriers

Mechanically and

pneumatically

driven SU

bioreactors

Wave-mixed

SU bioreactors

Hollow fiber

SU bioreactors

Hollow fiber

modules

TFF cassettes

ATF devices

Bags with

integrated

membranes

External

Carriers

Stirred and wave-mixed SU

bioreactors

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Welle in USP-Perfusion seit den letzten 5 Jahren

bull Verwendung von Mikro- und Ultrafiltra-tions- anstelle von Dialysemembranen

bull Kontinuierliche Langzeitprozesse uumlber 3 Monate eher selten

bull Beispiele Single-Use Bioreaktoren mit ATF-Modul 50 L bis 2 m3

LG (Korea) CruCell (Niederlande) Transgene (Frankreich) Wuxi (China) Patheon (Australien)

Wellendurchmischte und geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Hohlfasermodul

19

XCellTM ATF 6 Single-use System

Zuumlrcher Fachhochschule

bull LV- oder HCD-WCBs Reduktion der arbeits- und zeitaufwendigen Schritte zur Bereitstellung

des Inokulums fuumlr den Produktionsbioreaktor

Verbesserung der Inokulum- und Produktkonsistenz

bull Voraussetzung fuumlr Bag-to-Bag-Inokulation und Zellexpansion

ohne Zwischenkultivierungsschritte in geruumlhrten wellen-

durchmischten oder orbital geschuumlttelten Single-Use Bioreak-

toren

Cell Banking Einschrittinokulation und -expansion

Thawing from large-volume

working cell bankInoculation Thawing from high cell

density working cell bankInoculation

20

Thawing from

working cell bankCell expansion Inoculation

Bildquelle I Wolfgram 2017

Zuumlrcher Fachhochschule

CHO Zellen Sf-9 Zellen Hi5 Zellen

Zelllinie CHO XM 111-10 (ETHZ)

Sf-9(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Hi5(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Medium ChoMaster HP-1(Cell Culture Technologies)

Sf900III SFM(Thermo Fisher Scientific)

Express Five(Thermo Fisher Scientific)

Inokulumproduktion BIOSTAT RM 20 mit CultiBag RM 2L Perfusion oder Flexsafe RM 2L Perfusion(Sartorius Stedim Biotech)

Cryobag KryoSure FEP Bags (CellGenix)

OriGen PL Bags (OriGen Biomedical)

Celsius-Pak Bags (Sartorius Stedim Biotech)

FP-Flex Bags (Charter Medical)

EVA bags (Macopharma)

Bioreaktor Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Schuumlttelkolben (Corning)

Mobius CellReady 3L (Thermo Fisher Scientific)

SB10-X (Kuumlhner AG)

Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Analytik Zelldichte Viabilitaumlt durchschnittlicher Zelldurchmesser - Cedex HiRes (Roche)

Substrat- und Metabolitenproduktionen - BioProfile 100 Plus (Nova Biomedical)

Produktkonzentration und ndashaktivitaumlt (teilweise SDS-Page und Tierversuche)

21

Zuumlrcher Fachhochschule

High Seed Fed Batch- anstatt Low Seed Fed Batch-Produktion

22

bull Inokulation des Produktionsbioreaktors mit 1107 Zellen mL-1 anstatt 5105 Zellen mL-1

Ziele Gleiche oder houmlhere mAb-Titer innerhalb kuumlrzerer Zeit Erhoumlhung der Produktionsausbeute gt30 Erhoumlhung der Produktionskapazitaumlt (haumlufiges Bottleneck ist

Produktionsbioreaktor)

Problem Konstante Produktqualitaumlt Voraussetzungen

Grosse Zellmengen fuumlr die Inokulation Geeignetes Kulturmedium

Zuumlrcher Fachhochschule

bull Gut etabliert im USP Tierische Zellkulturen Geruumlhrte und wellendurchmischte Versionen bis

2 m3 Arbeitsvolumen Shift zu Perfusionsmodi in FampE erkennbar

bull Trotz neuer Erkenntnisse und Entwicklungen noch Limitationen Aber Weiteres Wachstum des Single-Use Bioreaktor-

segmentes prognostiziert Neue Biopharmapplikationen Prozesse mit Bakterien

und Pilzen HyPerforma SUF (30 L 300 L) und XDR MO fermentor (50 L

500 L)

Fazit Single-Use Bioreaktoren in biopharmazeutischen Produktionsprozessen

23

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Zellexpansion fuumlr Zelltherapien

bull Ersatz planarer Kultivierungssysteme

Expansion autologer T-Zellen

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren (max 10 L Arbeitsvolumen)

Expansion humaner mesenchymaler Stammzellen

Autologer und allogener Ansatz

Knochenmark- und Fettstammzellen

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Microcarriern(max 150 L Arbeitsvolumen)

24

Foto Lonza Cologne GmbH

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Pflanzenzellbasierte Kosmetik-wirkstoffe Food und Foodsupplemente

bull Pflanzenzellkulturen fuumlr natuumlrliche undnachhaltige Kosmetikprodukte

Mehr als 20 Produkte in letzten 10 Jahren inEuropa

Am bekanntesten PhytoCellTec Malus Domestica Suspensionskulturen und Hairy Roots Prozessentwicklung und teilweise kommerzielle Pro-

duktion in wellendurchmischten Single-Use Bioreaktoren

bull Auswirkungen auf Lebensmittelindustrie Alternative Produktionsmethoden fuumlr Food und

Foodsupplemente Erste Produkte in EU zugelassen (Echigena Plus) Pflanzliche Suspensionskulturen Essbare Biomasse Farbstoffe Aromastoffe Geschmacksstoffe Suumlssungsmittel

25

Zuumlrcher Fachhochschule 26

Waumldenswil

Page 3: SINGLE-USE BIOREAKTOREN IN BIOPHARMAZEUTISCHEN … · Bioreaktor 0.1 - 100 Sartorius Stedim Biotech Wellendurchmischt Bag, zweidimensional CELL-tainer 0.015 - 200 Celltainer Biotech

Zuumlrcher Fachhochschule 3

wwwa-z-singleuseorg und httpa-z-singleuseorg

Zuumlrcher Fachhochschule

Single-Use Bioreaktoren Meilensteine der Entwicklung

bull 1953 Fenwal entwickelt ersten Blutbeutel aus Kunststoff

Dr Carl W Walter und David Bellamy

bull Bis Mitte der 70er

Entwicklung von Kunststoffbeuteln fuumlr die

Transfusionsmedizin und Ersatz von weiterem

Equipment aus Glas im Zellkulturlabor

Antikoumlrperproduktion in Hohlfaserbioreaktoren

Markteinfuumlhrung der CellFactory

bull Ende der 90er Erster kommerzieller Wave-

Reaktor verfuumlgbar

4

Bildquelle

httpsenwikipediaorgwikiCarl_W_Wa

lter und httpcache1asset-

cachenetxt536895305jpgv=1ampg=fs1|0|

SKP279|95|305amps=1 22018

Zuumlrcher Fachhochschule 5

Geruumlhrte

Systeme und

Modifikationen01 L - 4`000 L

Geschuumlttelte

Systeme1 mL ndash 200 L (2`500 L)Wellendurchmischte

Systeme01 L ndash 500 L

Statische Systeme1 mL ndash 1 L

Hybride

Systeme05 L ndash 8 L

Hydraulische

Systeme1 mL ndash 110 mL

(max 20 Module)

Pneumatische

Systeme06 L ndash 500 L

Single-Use

Bioreaktoren

Single-Use Bioreaktoren Heute

Zuumlrcher Fachhochschule

Instrumentierung

6

bull Zwei Loumlsungsansaumltze

in situ Sensoren

ex situ Sensoren (Sterilbarriereoder beruumlhrungsloses Messprinzip)

bull in situ Sensoren

Standardsensoren 12 mm Ports Sonderloumlsungen oder bdquoAsepticConnectorsldquo erforderlich

Single-Use Sensoren Hauptsaumlchlich chemisch-optische Sensoren fuumlr pH und pO2

Weitere optische Single-Use Senso-ren Truumlbung Fluoreszenz Biomas-se

Flexsafe RM

optical

AppliFlex

Standard

Sensor module

Pall Kleenpaktrade Connector Assembly Aid

Insid

e B

PC

Ou

tsid

e B

PC

1 Make Connection

2 Push in bellows

Probe

Probe

TruFluor Sensor

Zuumlrcher Fachhochschule

Groumlsste Vielfalt Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren

7

bull Blasenbeluumlftet und bis max 4 m3 Arbeitsvolumen up-scale-bar

Zylindrisches oder kubisches GefaumlssBag

Zentrisch gelagerte rotierende Ruumlhrer dominieren (Magnetantrieb oder Gleitringdichtung)

Geometrische Aumlhnlichkeit zu wiederverwendbaren Gegenspielern

Zuumlrcher Fachhochschule

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren (rigid) bis 75 L Uumlbersicht

8

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Geruumlhrt rigider Kessel CellVessel 21- und 23 Serie 025 - 75 CerCell

CelliGen BLU Benchtop-

Ruumlhrreaktor

(BioBLU 1c 5c 14c 50c)

025 - 40 Eppendorf

DASGIP Parallel-Bioreaktor

(Bio-Block mit BioBLU 1c)

025 - 125

Mobius CellReady 1 - 24 Merck

UniVessel SU 06 - 2 Sartorius Stedim Biotech

SmartVessel Single-Use

Bioreaktor

05 - 22 Thermo Fisher Scientific

Zuumlrcher Fachhochschule

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren (Bag) bis 4 m3 Uumlbersicht

9

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Geruumlhrt Bag Xcellerex XDR 45 ndash 2`000 GE Healthcare

Mobius CellReady 10 ndash 2`000 Merck

Allegro STR 60 ndash 2`000 Pall Life Sciences

PadReaktor 8 - 960

BIOSTAT STR 125 ndash 2`000 Sartorius Stedim Biotech

HyPerforma SUB 25 ndash 2`000 Thermo Fisher Scientific

Custom Single Run (CSR) 50 - 4`000 ABEC

Zuumlrcher Fachhochschule 10Bildquelle httpabeccomsingle-use-solutionshtml 92017

Zuumlrcher Fachhochschule

Zweitgroumlsste Gruppe Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren

11

bull Durchmischung durch Bewegung des Rockers

Systeme mit 1D-Mischbewegung verfahrenstechnisch am besten untersucht und haumlufigsten fuumlr tierische Zellen verwendet (aber Stofftransferlimitationen fuumlr Pflanzenzellen und Mikroorganismen moumlglich)

Intensitaumlt = f (Kipprate Kippwinkel Befuumlllung 10-50)

Welleninduzierte Mischbewegung bei Oberflaumlchenbegasung und permanenter Erneuerung der Medienoberflaumlche keine Antischaummittelzugabe

Homogenere Energiedissipation im Vergleich zu geruumlhrten Zellkulturrektoren

1D 2D 3D

Zuumlrcher Fachhochschule

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren Produkt-beispiele

12

SmartRocker

20 L 50 L

Allegro XRS 20

20 L

CELL-tainer

200 L

BIOSTAT RM

20 L

Zuumlrcher Fachhochschule

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren bis 500 L Uumlbersicht

13

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Wellendurchmischt

Bag eindimensional

AppliFlex 05 - 25 Applikon

CellTumbler 05 - 10 CerCell

SmartRocker

Bioreaktor

05 - 25 Thermo Fisher Scientific

Wave Bioreaktor System 02 - 500 GE Healthcare

ReadyToProcess WAVE25 02 - 25 GE Healthcare

BIOSTAT RM

Bioreaktor

01 - 100 Sartorius Stedim Biotech

Wellendurchmischt

Bag zweidimensional

CELL-tainer 0015 - 200 Celltainer Biotech

Wellendurchmischt

Bag dreidimensional

Allegro XRS 20 01 - 20 Pall Life Sciences

Zuumlrcher Fachhochschule

Orbital geschuumlttelte Single-Use Bioreaktoren

14

bull Bioverfahrenstechnischer Erkennt-niszuwachs zum orbitalen Schuumltteln

Microwellplatten Tubes und Kolben

Publikationen wwwshakingtechnologycom

Prozess-Scale-up von Tubes und Schuumlttel-kolben auf 3 L Single-Use Fernbachkolben 2 L 10 L und 20 L Bags etc unter Einsatz konventineller Schuumlttler mit speziellen Schuumlttelplattformen wenn mit tierischen Zellkulturen gearbeitet

Entwicklung up-scale barer orbital geschuumlt-telter Single-Use Bioreaktoren fuumlr tierische Zellkulturen

Multitron Cell

3x 2L 2x 10L or 1x 20L

Zuumlrcher Fachhochschule

Orbital geschuumlttelte Single-Use Bioreaktoren (up scale-bar)

15

SB2500-X

10 L 50 L 200 L 2`500 L

Mabion Rituximab (Biosimilar-mAb)

SB200-X

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Orbital geschuumlttelt Bag OrbShake Bioreaktor 1 ndash 2`500 Adolf Kuumlhner

Current Bioreaktor 05 - 300 Hangzhou Amprotein

Bioengineering

Zuumlrcher Fachhochschule

Gegenwaumlrtige Haupteinsatzgebiete der vorgestellten Single-Use Bioreaktoren

bull USP-Prozesse mit tierischen Zellkulturen (1 m3 oder 2 m3)

Saumlugerzellen (und teilweise Insektenzellen)

Produkte

Inokulum

mAbs fuumlr die Therapie von

Krebs- und Autoimmunerkrankungen

biosimilare mAbs

Vakzine fuumlr Mensch und Tier

Verfahren

Fed Batch

Hochleistungszelllinie (gt 5 g L-1)

max 21 d

16

Seed train Inoculum train Antibody expression

Stirred SU bioreactor with 1000L

cultivation bag

Stirred SU bioreactor with 50L200L cultivation bag

Wave-mixed SU bioreactor with 50L200L cultivation bag

Wave-mixed SU bioreactor with 10L20L

cultivation bag1L shake flasksWCB vial

(a) (a)

(b) (b)

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Kultivierungstechnologien mit Single-Use Bio-reaktoren

bull Ziele

Zeit- und Kosteneinsparungen

Erhoumlhung der Raum-Zeit-Ausbeute

Produkt in ausreichender Quanti- und Qualitaumlt

Kurze Prozesszeit Kleiner Scale hohe metabolische Aktivitaumlt

bull Erreichbar durch Prozessintensivierung in Verbindung mit Perfusion

Cell Banking und Inokulumproduktion

LV- oder HCD-WCB Einschrittinokulation und ndashexpansion

Fermentation

Klassische Kontinuierliche Perfusionsproduktion Konzentrierte Fed Batch-Produktion und konzentrierte

kontinuierliche Perfusionsproduktion

High Seed Fed Batch-Produktion

17

Zuumlrcher Fachhochschule 18

Perfusion

SU

centrifuges

SU crossflow

filtrations

devices

Hollow fibers

Macro-

carriers

Internal

Micro-

carriers

SU packed bed

bioreactors

operating with

fiber carriers

Mechanically and

pneumatically

driven SU

bioreactors

Wave-mixed

SU bioreactors

Hollow fiber

SU bioreactors

Hollow fiber

modules

TFF cassettes

ATF devices

Bags with

integrated

membranes

External

Carriers

Stirred and wave-mixed SU

bioreactors

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Welle in USP-Perfusion seit den letzten 5 Jahren

bull Verwendung von Mikro- und Ultrafiltra-tions- anstelle von Dialysemembranen

bull Kontinuierliche Langzeitprozesse uumlber 3 Monate eher selten

bull Beispiele Single-Use Bioreaktoren mit ATF-Modul 50 L bis 2 m3

LG (Korea) CruCell (Niederlande) Transgene (Frankreich) Wuxi (China) Patheon (Australien)

Wellendurchmischte und geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Hohlfasermodul

19

XCellTM ATF 6 Single-use System

Zuumlrcher Fachhochschule

bull LV- oder HCD-WCBs Reduktion der arbeits- und zeitaufwendigen Schritte zur Bereitstellung

des Inokulums fuumlr den Produktionsbioreaktor

Verbesserung der Inokulum- und Produktkonsistenz

bull Voraussetzung fuumlr Bag-to-Bag-Inokulation und Zellexpansion

ohne Zwischenkultivierungsschritte in geruumlhrten wellen-

durchmischten oder orbital geschuumlttelten Single-Use Bioreak-

toren

Cell Banking Einschrittinokulation und -expansion

Thawing from large-volume

working cell bankInoculation Thawing from high cell

density working cell bankInoculation

20

Thawing from

working cell bankCell expansion Inoculation

Bildquelle I Wolfgram 2017

Zuumlrcher Fachhochschule

CHO Zellen Sf-9 Zellen Hi5 Zellen

Zelllinie CHO XM 111-10 (ETHZ)

Sf-9(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Hi5(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Medium ChoMaster HP-1(Cell Culture Technologies)

Sf900III SFM(Thermo Fisher Scientific)

Express Five(Thermo Fisher Scientific)

Inokulumproduktion BIOSTAT RM 20 mit CultiBag RM 2L Perfusion oder Flexsafe RM 2L Perfusion(Sartorius Stedim Biotech)

Cryobag KryoSure FEP Bags (CellGenix)

OriGen PL Bags (OriGen Biomedical)

Celsius-Pak Bags (Sartorius Stedim Biotech)

FP-Flex Bags (Charter Medical)

EVA bags (Macopharma)

Bioreaktor Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Schuumlttelkolben (Corning)

Mobius CellReady 3L (Thermo Fisher Scientific)

SB10-X (Kuumlhner AG)

Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Analytik Zelldichte Viabilitaumlt durchschnittlicher Zelldurchmesser - Cedex HiRes (Roche)

Substrat- und Metabolitenproduktionen - BioProfile 100 Plus (Nova Biomedical)

Produktkonzentration und ndashaktivitaumlt (teilweise SDS-Page und Tierversuche)

21

Zuumlrcher Fachhochschule

High Seed Fed Batch- anstatt Low Seed Fed Batch-Produktion

22

bull Inokulation des Produktionsbioreaktors mit 1107 Zellen mL-1 anstatt 5105 Zellen mL-1

Ziele Gleiche oder houmlhere mAb-Titer innerhalb kuumlrzerer Zeit Erhoumlhung der Produktionsausbeute gt30 Erhoumlhung der Produktionskapazitaumlt (haumlufiges Bottleneck ist

Produktionsbioreaktor)

Problem Konstante Produktqualitaumlt Voraussetzungen

Grosse Zellmengen fuumlr die Inokulation Geeignetes Kulturmedium

Zuumlrcher Fachhochschule

bull Gut etabliert im USP Tierische Zellkulturen Geruumlhrte und wellendurchmischte Versionen bis

2 m3 Arbeitsvolumen Shift zu Perfusionsmodi in FampE erkennbar

bull Trotz neuer Erkenntnisse und Entwicklungen noch Limitationen Aber Weiteres Wachstum des Single-Use Bioreaktor-

segmentes prognostiziert Neue Biopharmapplikationen Prozesse mit Bakterien

und Pilzen HyPerforma SUF (30 L 300 L) und XDR MO fermentor (50 L

500 L)

Fazit Single-Use Bioreaktoren in biopharmazeutischen Produktionsprozessen

23

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Zellexpansion fuumlr Zelltherapien

bull Ersatz planarer Kultivierungssysteme

Expansion autologer T-Zellen

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren (max 10 L Arbeitsvolumen)

Expansion humaner mesenchymaler Stammzellen

Autologer und allogener Ansatz

Knochenmark- und Fettstammzellen

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Microcarriern(max 150 L Arbeitsvolumen)

24

Foto Lonza Cologne GmbH

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Pflanzenzellbasierte Kosmetik-wirkstoffe Food und Foodsupplemente

bull Pflanzenzellkulturen fuumlr natuumlrliche undnachhaltige Kosmetikprodukte

Mehr als 20 Produkte in letzten 10 Jahren inEuropa

Am bekanntesten PhytoCellTec Malus Domestica Suspensionskulturen und Hairy Roots Prozessentwicklung und teilweise kommerzielle Pro-

duktion in wellendurchmischten Single-Use Bioreaktoren

bull Auswirkungen auf Lebensmittelindustrie Alternative Produktionsmethoden fuumlr Food und

Foodsupplemente Erste Produkte in EU zugelassen (Echigena Plus) Pflanzliche Suspensionskulturen Essbare Biomasse Farbstoffe Aromastoffe Geschmacksstoffe Suumlssungsmittel

25

Zuumlrcher Fachhochschule 26

Waumldenswil

Page 4: SINGLE-USE BIOREAKTOREN IN BIOPHARMAZEUTISCHEN … · Bioreaktor 0.1 - 100 Sartorius Stedim Biotech Wellendurchmischt Bag, zweidimensional CELL-tainer 0.015 - 200 Celltainer Biotech

Zuumlrcher Fachhochschule

Single-Use Bioreaktoren Meilensteine der Entwicklung

bull 1953 Fenwal entwickelt ersten Blutbeutel aus Kunststoff

Dr Carl W Walter und David Bellamy

bull Bis Mitte der 70er

Entwicklung von Kunststoffbeuteln fuumlr die

Transfusionsmedizin und Ersatz von weiterem

Equipment aus Glas im Zellkulturlabor

Antikoumlrperproduktion in Hohlfaserbioreaktoren

Markteinfuumlhrung der CellFactory

bull Ende der 90er Erster kommerzieller Wave-

Reaktor verfuumlgbar

4

Bildquelle

httpsenwikipediaorgwikiCarl_W_Wa

lter und httpcache1asset-

cachenetxt536895305jpgv=1ampg=fs1|0|

SKP279|95|305amps=1 22018

Zuumlrcher Fachhochschule 5

Geruumlhrte

Systeme und

Modifikationen01 L - 4`000 L

Geschuumlttelte

Systeme1 mL ndash 200 L (2`500 L)Wellendurchmischte

Systeme01 L ndash 500 L

Statische Systeme1 mL ndash 1 L

Hybride

Systeme05 L ndash 8 L

Hydraulische

Systeme1 mL ndash 110 mL

(max 20 Module)

Pneumatische

Systeme06 L ndash 500 L

Single-Use

Bioreaktoren

Single-Use Bioreaktoren Heute

Zuumlrcher Fachhochschule

Instrumentierung

6

bull Zwei Loumlsungsansaumltze

in situ Sensoren

ex situ Sensoren (Sterilbarriereoder beruumlhrungsloses Messprinzip)

bull in situ Sensoren

Standardsensoren 12 mm Ports Sonderloumlsungen oder bdquoAsepticConnectorsldquo erforderlich

Single-Use Sensoren Hauptsaumlchlich chemisch-optische Sensoren fuumlr pH und pO2

Weitere optische Single-Use Senso-ren Truumlbung Fluoreszenz Biomas-se

Flexsafe RM

optical

AppliFlex

Standard

Sensor module

Pall Kleenpaktrade Connector Assembly Aid

Insid

e B

PC

Ou

tsid

e B

PC

1 Make Connection

2 Push in bellows

Probe

Probe

TruFluor Sensor

Zuumlrcher Fachhochschule

Groumlsste Vielfalt Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren

7

bull Blasenbeluumlftet und bis max 4 m3 Arbeitsvolumen up-scale-bar

Zylindrisches oder kubisches GefaumlssBag

Zentrisch gelagerte rotierende Ruumlhrer dominieren (Magnetantrieb oder Gleitringdichtung)

Geometrische Aumlhnlichkeit zu wiederverwendbaren Gegenspielern

Zuumlrcher Fachhochschule

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren (rigid) bis 75 L Uumlbersicht

8

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Geruumlhrt rigider Kessel CellVessel 21- und 23 Serie 025 - 75 CerCell

CelliGen BLU Benchtop-

Ruumlhrreaktor

(BioBLU 1c 5c 14c 50c)

025 - 40 Eppendorf

DASGIP Parallel-Bioreaktor

(Bio-Block mit BioBLU 1c)

025 - 125

Mobius CellReady 1 - 24 Merck

UniVessel SU 06 - 2 Sartorius Stedim Biotech

SmartVessel Single-Use

Bioreaktor

05 - 22 Thermo Fisher Scientific

Zuumlrcher Fachhochschule

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren (Bag) bis 4 m3 Uumlbersicht

9

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Geruumlhrt Bag Xcellerex XDR 45 ndash 2`000 GE Healthcare

Mobius CellReady 10 ndash 2`000 Merck

Allegro STR 60 ndash 2`000 Pall Life Sciences

PadReaktor 8 - 960

BIOSTAT STR 125 ndash 2`000 Sartorius Stedim Biotech

HyPerforma SUB 25 ndash 2`000 Thermo Fisher Scientific

Custom Single Run (CSR) 50 - 4`000 ABEC

Zuumlrcher Fachhochschule 10Bildquelle httpabeccomsingle-use-solutionshtml 92017

Zuumlrcher Fachhochschule

Zweitgroumlsste Gruppe Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren

11

bull Durchmischung durch Bewegung des Rockers

Systeme mit 1D-Mischbewegung verfahrenstechnisch am besten untersucht und haumlufigsten fuumlr tierische Zellen verwendet (aber Stofftransferlimitationen fuumlr Pflanzenzellen und Mikroorganismen moumlglich)

Intensitaumlt = f (Kipprate Kippwinkel Befuumlllung 10-50)

Welleninduzierte Mischbewegung bei Oberflaumlchenbegasung und permanenter Erneuerung der Medienoberflaumlche keine Antischaummittelzugabe

Homogenere Energiedissipation im Vergleich zu geruumlhrten Zellkulturrektoren

1D 2D 3D

Zuumlrcher Fachhochschule

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren Produkt-beispiele

12

SmartRocker

20 L 50 L

Allegro XRS 20

20 L

CELL-tainer

200 L

BIOSTAT RM

20 L

Zuumlrcher Fachhochschule

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren bis 500 L Uumlbersicht

13

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Wellendurchmischt

Bag eindimensional

AppliFlex 05 - 25 Applikon

CellTumbler 05 - 10 CerCell

SmartRocker

Bioreaktor

05 - 25 Thermo Fisher Scientific

Wave Bioreaktor System 02 - 500 GE Healthcare

ReadyToProcess WAVE25 02 - 25 GE Healthcare

BIOSTAT RM

Bioreaktor

01 - 100 Sartorius Stedim Biotech

Wellendurchmischt

Bag zweidimensional

CELL-tainer 0015 - 200 Celltainer Biotech

Wellendurchmischt

Bag dreidimensional

Allegro XRS 20 01 - 20 Pall Life Sciences

Zuumlrcher Fachhochschule

Orbital geschuumlttelte Single-Use Bioreaktoren

14

bull Bioverfahrenstechnischer Erkennt-niszuwachs zum orbitalen Schuumltteln

Microwellplatten Tubes und Kolben

Publikationen wwwshakingtechnologycom

Prozess-Scale-up von Tubes und Schuumlttel-kolben auf 3 L Single-Use Fernbachkolben 2 L 10 L und 20 L Bags etc unter Einsatz konventineller Schuumlttler mit speziellen Schuumlttelplattformen wenn mit tierischen Zellkulturen gearbeitet

Entwicklung up-scale barer orbital geschuumlt-telter Single-Use Bioreaktoren fuumlr tierische Zellkulturen

Multitron Cell

3x 2L 2x 10L or 1x 20L

Zuumlrcher Fachhochschule

Orbital geschuumlttelte Single-Use Bioreaktoren (up scale-bar)

15

SB2500-X

10 L 50 L 200 L 2`500 L

Mabion Rituximab (Biosimilar-mAb)

SB200-X

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Orbital geschuumlttelt Bag OrbShake Bioreaktor 1 ndash 2`500 Adolf Kuumlhner

Current Bioreaktor 05 - 300 Hangzhou Amprotein

Bioengineering

Zuumlrcher Fachhochschule

Gegenwaumlrtige Haupteinsatzgebiete der vorgestellten Single-Use Bioreaktoren

bull USP-Prozesse mit tierischen Zellkulturen (1 m3 oder 2 m3)

Saumlugerzellen (und teilweise Insektenzellen)

Produkte

Inokulum

mAbs fuumlr die Therapie von

Krebs- und Autoimmunerkrankungen

biosimilare mAbs

Vakzine fuumlr Mensch und Tier

Verfahren

Fed Batch

Hochleistungszelllinie (gt 5 g L-1)

max 21 d

16

Seed train Inoculum train Antibody expression

Stirred SU bioreactor with 1000L

cultivation bag

Stirred SU bioreactor with 50L200L cultivation bag

Wave-mixed SU bioreactor with 50L200L cultivation bag

Wave-mixed SU bioreactor with 10L20L

cultivation bag1L shake flasksWCB vial

(a) (a)

(b) (b)

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Kultivierungstechnologien mit Single-Use Bio-reaktoren

bull Ziele

Zeit- und Kosteneinsparungen

Erhoumlhung der Raum-Zeit-Ausbeute

Produkt in ausreichender Quanti- und Qualitaumlt

Kurze Prozesszeit Kleiner Scale hohe metabolische Aktivitaumlt

bull Erreichbar durch Prozessintensivierung in Verbindung mit Perfusion

Cell Banking und Inokulumproduktion

LV- oder HCD-WCB Einschrittinokulation und ndashexpansion

Fermentation

Klassische Kontinuierliche Perfusionsproduktion Konzentrierte Fed Batch-Produktion und konzentrierte

kontinuierliche Perfusionsproduktion

High Seed Fed Batch-Produktion

17

Zuumlrcher Fachhochschule 18

Perfusion

SU

centrifuges

SU crossflow

filtrations

devices

Hollow fibers

Macro-

carriers

Internal

Micro-

carriers

SU packed bed

bioreactors

operating with

fiber carriers

Mechanically and

pneumatically

driven SU

bioreactors

Wave-mixed

SU bioreactors

Hollow fiber

SU bioreactors

Hollow fiber

modules

TFF cassettes

ATF devices

Bags with

integrated

membranes

External

Carriers

Stirred and wave-mixed SU

bioreactors

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Welle in USP-Perfusion seit den letzten 5 Jahren

bull Verwendung von Mikro- und Ultrafiltra-tions- anstelle von Dialysemembranen

bull Kontinuierliche Langzeitprozesse uumlber 3 Monate eher selten

bull Beispiele Single-Use Bioreaktoren mit ATF-Modul 50 L bis 2 m3

LG (Korea) CruCell (Niederlande) Transgene (Frankreich) Wuxi (China) Patheon (Australien)

Wellendurchmischte und geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Hohlfasermodul

19

XCellTM ATF 6 Single-use System

Zuumlrcher Fachhochschule

bull LV- oder HCD-WCBs Reduktion der arbeits- und zeitaufwendigen Schritte zur Bereitstellung

des Inokulums fuumlr den Produktionsbioreaktor

Verbesserung der Inokulum- und Produktkonsistenz

bull Voraussetzung fuumlr Bag-to-Bag-Inokulation und Zellexpansion

ohne Zwischenkultivierungsschritte in geruumlhrten wellen-

durchmischten oder orbital geschuumlttelten Single-Use Bioreak-

toren

Cell Banking Einschrittinokulation und -expansion

Thawing from large-volume

working cell bankInoculation Thawing from high cell

density working cell bankInoculation

20

Thawing from

working cell bankCell expansion Inoculation

Bildquelle I Wolfgram 2017

Zuumlrcher Fachhochschule

CHO Zellen Sf-9 Zellen Hi5 Zellen

Zelllinie CHO XM 111-10 (ETHZ)

Sf-9(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Hi5(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Medium ChoMaster HP-1(Cell Culture Technologies)

Sf900III SFM(Thermo Fisher Scientific)

Express Five(Thermo Fisher Scientific)

Inokulumproduktion BIOSTAT RM 20 mit CultiBag RM 2L Perfusion oder Flexsafe RM 2L Perfusion(Sartorius Stedim Biotech)

Cryobag KryoSure FEP Bags (CellGenix)

OriGen PL Bags (OriGen Biomedical)

Celsius-Pak Bags (Sartorius Stedim Biotech)

FP-Flex Bags (Charter Medical)

EVA bags (Macopharma)

Bioreaktor Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Schuumlttelkolben (Corning)

Mobius CellReady 3L (Thermo Fisher Scientific)

SB10-X (Kuumlhner AG)

Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Analytik Zelldichte Viabilitaumlt durchschnittlicher Zelldurchmesser - Cedex HiRes (Roche)

Substrat- und Metabolitenproduktionen - BioProfile 100 Plus (Nova Biomedical)

Produktkonzentration und ndashaktivitaumlt (teilweise SDS-Page und Tierversuche)

21

Zuumlrcher Fachhochschule

High Seed Fed Batch- anstatt Low Seed Fed Batch-Produktion

22

bull Inokulation des Produktionsbioreaktors mit 1107 Zellen mL-1 anstatt 5105 Zellen mL-1

Ziele Gleiche oder houmlhere mAb-Titer innerhalb kuumlrzerer Zeit Erhoumlhung der Produktionsausbeute gt30 Erhoumlhung der Produktionskapazitaumlt (haumlufiges Bottleneck ist

Produktionsbioreaktor)

Problem Konstante Produktqualitaumlt Voraussetzungen

Grosse Zellmengen fuumlr die Inokulation Geeignetes Kulturmedium

Zuumlrcher Fachhochschule

bull Gut etabliert im USP Tierische Zellkulturen Geruumlhrte und wellendurchmischte Versionen bis

2 m3 Arbeitsvolumen Shift zu Perfusionsmodi in FampE erkennbar

bull Trotz neuer Erkenntnisse und Entwicklungen noch Limitationen Aber Weiteres Wachstum des Single-Use Bioreaktor-

segmentes prognostiziert Neue Biopharmapplikationen Prozesse mit Bakterien

und Pilzen HyPerforma SUF (30 L 300 L) und XDR MO fermentor (50 L

500 L)

Fazit Single-Use Bioreaktoren in biopharmazeutischen Produktionsprozessen

23

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Zellexpansion fuumlr Zelltherapien

bull Ersatz planarer Kultivierungssysteme

Expansion autologer T-Zellen

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren (max 10 L Arbeitsvolumen)

Expansion humaner mesenchymaler Stammzellen

Autologer und allogener Ansatz

Knochenmark- und Fettstammzellen

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Microcarriern(max 150 L Arbeitsvolumen)

24

Foto Lonza Cologne GmbH

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Pflanzenzellbasierte Kosmetik-wirkstoffe Food und Foodsupplemente

bull Pflanzenzellkulturen fuumlr natuumlrliche undnachhaltige Kosmetikprodukte

Mehr als 20 Produkte in letzten 10 Jahren inEuropa

Am bekanntesten PhytoCellTec Malus Domestica Suspensionskulturen und Hairy Roots Prozessentwicklung und teilweise kommerzielle Pro-

duktion in wellendurchmischten Single-Use Bioreaktoren

bull Auswirkungen auf Lebensmittelindustrie Alternative Produktionsmethoden fuumlr Food und

Foodsupplemente Erste Produkte in EU zugelassen (Echigena Plus) Pflanzliche Suspensionskulturen Essbare Biomasse Farbstoffe Aromastoffe Geschmacksstoffe Suumlssungsmittel

25

Zuumlrcher Fachhochschule 26

Waumldenswil

Page 5: SINGLE-USE BIOREAKTOREN IN BIOPHARMAZEUTISCHEN … · Bioreaktor 0.1 - 100 Sartorius Stedim Biotech Wellendurchmischt Bag, zweidimensional CELL-tainer 0.015 - 200 Celltainer Biotech

Zuumlrcher Fachhochschule 5

Geruumlhrte

Systeme und

Modifikationen01 L - 4`000 L

Geschuumlttelte

Systeme1 mL ndash 200 L (2`500 L)Wellendurchmischte

Systeme01 L ndash 500 L

Statische Systeme1 mL ndash 1 L

Hybride

Systeme05 L ndash 8 L

Hydraulische

Systeme1 mL ndash 110 mL

(max 20 Module)

Pneumatische

Systeme06 L ndash 500 L

Single-Use

Bioreaktoren

Single-Use Bioreaktoren Heute

Zuumlrcher Fachhochschule

Instrumentierung

6

bull Zwei Loumlsungsansaumltze

in situ Sensoren

ex situ Sensoren (Sterilbarriereoder beruumlhrungsloses Messprinzip)

bull in situ Sensoren

Standardsensoren 12 mm Ports Sonderloumlsungen oder bdquoAsepticConnectorsldquo erforderlich

Single-Use Sensoren Hauptsaumlchlich chemisch-optische Sensoren fuumlr pH und pO2

Weitere optische Single-Use Senso-ren Truumlbung Fluoreszenz Biomas-se

Flexsafe RM

optical

AppliFlex

Standard

Sensor module

Pall Kleenpaktrade Connector Assembly Aid

Insid

e B

PC

Ou

tsid

e B

PC

1 Make Connection

2 Push in bellows

Probe

Probe

TruFluor Sensor

Zuumlrcher Fachhochschule

Groumlsste Vielfalt Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren

7

bull Blasenbeluumlftet und bis max 4 m3 Arbeitsvolumen up-scale-bar

Zylindrisches oder kubisches GefaumlssBag

Zentrisch gelagerte rotierende Ruumlhrer dominieren (Magnetantrieb oder Gleitringdichtung)

Geometrische Aumlhnlichkeit zu wiederverwendbaren Gegenspielern

Zuumlrcher Fachhochschule

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren (rigid) bis 75 L Uumlbersicht

8

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Geruumlhrt rigider Kessel CellVessel 21- und 23 Serie 025 - 75 CerCell

CelliGen BLU Benchtop-

Ruumlhrreaktor

(BioBLU 1c 5c 14c 50c)

025 - 40 Eppendorf

DASGIP Parallel-Bioreaktor

(Bio-Block mit BioBLU 1c)

025 - 125

Mobius CellReady 1 - 24 Merck

UniVessel SU 06 - 2 Sartorius Stedim Biotech

SmartVessel Single-Use

Bioreaktor

05 - 22 Thermo Fisher Scientific

Zuumlrcher Fachhochschule

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren (Bag) bis 4 m3 Uumlbersicht

9

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Geruumlhrt Bag Xcellerex XDR 45 ndash 2`000 GE Healthcare

Mobius CellReady 10 ndash 2`000 Merck

Allegro STR 60 ndash 2`000 Pall Life Sciences

PadReaktor 8 - 960

BIOSTAT STR 125 ndash 2`000 Sartorius Stedim Biotech

HyPerforma SUB 25 ndash 2`000 Thermo Fisher Scientific

Custom Single Run (CSR) 50 - 4`000 ABEC

Zuumlrcher Fachhochschule 10Bildquelle httpabeccomsingle-use-solutionshtml 92017

Zuumlrcher Fachhochschule

Zweitgroumlsste Gruppe Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren

11

bull Durchmischung durch Bewegung des Rockers

Systeme mit 1D-Mischbewegung verfahrenstechnisch am besten untersucht und haumlufigsten fuumlr tierische Zellen verwendet (aber Stofftransferlimitationen fuumlr Pflanzenzellen und Mikroorganismen moumlglich)

Intensitaumlt = f (Kipprate Kippwinkel Befuumlllung 10-50)

Welleninduzierte Mischbewegung bei Oberflaumlchenbegasung und permanenter Erneuerung der Medienoberflaumlche keine Antischaummittelzugabe

Homogenere Energiedissipation im Vergleich zu geruumlhrten Zellkulturrektoren

1D 2D 3D

Zuumlrcher Fachhochschule

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren Produkt-beispiele

12

SmartRocker

20 L 50 L

Allegro XRS 20

20 L

CELL-tainer

200 L

BIOSTAT RM

20 L

Zuumlrcher Fachhochschule

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren bis 500 L Uumlbersicht

13

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Wellendurchmischt

Bag eindimensional

AppliFlex 05 - 25 Applikon

CellTumbler 05 - 10 CerCell

SmartRocker

Bioreaktor

05 - 25 Thermo Fisher Scientific

Wave Bioreaktor System 02 - 500 GE Healthcare

ReadyToProcess WAVE25 02 - 25 GE Healthcare

BIOSTAT RM

Bioreaktor

01 - 100 Sartorius Stedim Biotech

Wellendurchmischt

Bag zweidimensional

CELL-tainer 0015 - 200 Celltainer Biotech

Wellendurchmischt

Bag dreidimensional

Allegro XRS 20 01 - 20 Pall Life Sciences

Zuumlrcher Fachhochschule

Orbital geschuumlttelte Single-Use Bioreaktoren

14

bull Bioverfahrenstechnischer Erkennt-niszuwachs zum orbitalen Schuumltteln

Microwellplatten Tubes und Kolben

Publikationen wwwshakingtechnologycom

Prozess-Scale-up von Tubes und Schuumlttel-kolben auf 3 L Single-Use Fernbachkolben 2 L 10 L und 20 L Bags etc unter Einsatz konventineller Schuumlttler mit speziellen Schuumlttelplattformen wenn mit tierischen Zellkulturen gearbeitet

Entwicklung up-scale barer orbital geschuumlt-telter Single-Use Bioreaktoren fuumlr tierische Zellkulturen

Multitron Cell

3x 2L 2x 10L or 1x 20L

Zuumlrcher Fachhochschule

Orbital geschuumlttelte Single-Use Bioreaktoren (up scale-bar)

15

SB2500-X

10 L 50 L 200 L 2`500 L

Mabion Rituximab (Biosimilar-mAb)

SB200-X

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Orbital geschuumlttelt Bag OrbShake Bioreaktor 1 ndash 2`500 Adolf Kuumlhner

Current Bioreaktor 05 - 300 Hangzhou Amprotein

Bioengineering

Zuumlrcher Fachhochschule

Gegenwaumlrtige Haupteinsatzgebiete der vorgestellten Single-Use Bioreaktoren

bull USP-Prozesse mit tierischen Zellkulturen (1 m3 oder 2 m3)

Saumlugerzellen (und teilweise Insektenzellen)

Produkte

Inokulum

mAbs fuumlr die Therapie von

Krebs- und Autoimmunerkrankungen

biosimilare mAbs

Vakzine fuumlr Mensch und Tier

Verfahren

Fed Batch

Hochleistungszelllinie (gt 5 g L-1)

max 21 d

16

Seed train Inoculum train Antibody expression

Stirred SU bioreactor with 1000L

cultivation bag

Stirred SU bioreactor with 50L200L cultivation bag

Wave-mixed SU bioreactor with 50L200L cultivation bag

Wave-mixed SU bioreactor with 10L20L

cultivation bag1L shake flasksWCB vial

(a) (a)

(b) (b)

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Kultivierungstechnologien mit Single-Use Bio-reaktoren

bull Ziele

Zeit- und Kosteneinsparungen

Erhoumlhung der Raum-Zeit-Ausbeute

Produkt in ausreichender Quanti- und Qualitaumlt

Kurze Prozesszeit Kleiner Scale hohe metabolische Aktivitaumlt

bull Erreichbar durch Prozessintensivierung in Verbindung mit Perfusion

Cell Banking und Inokulumproduktion

LV- oder HCD-WCB Einschrittinokulation und ndashexpansion

Fermentation

Klassische Kontinuierliche Perfusionsproduktion Konzentrierte Fed Batch-Produktion und konzentrierte

kontinuierliche Perfusionsproduktion

High Seed Fed Batch-Produktion

17

Zuumlrcher Fachhochschule 18

Perfusion

SU

centrifuges

SU crossflow

filtrations

devices

Hollow fibers

Macro-

carriers

Internal

Micro-

carriers

SU packed bed

bioreactors

operating with

fiber carriers

Mechanically and

pneumatically

driven SU

bioreactors

Wave-mixed

SU bioreactors

Hollow fiber

SU bioreactors

Hollow fiber

modules

TFF cassettes

ATF devices

Bags with

integrated

membranes

External

Carriers

Stirred and wave-mixed SU

bioreactors

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Welle in USP-Perfusion seit den letzten 5 Jahren

bull Verwendung von Mikro- und Ultrafiltra-tions- anstelle von Dialysemembranen

bull Kontinuierliche Langzeitprozesse uumlber 3 Monate eher selten

bull Beispiele Single-Use Bioreaktoren mit ATF-Modul 50 L bis 2 m3

LG (Korea) CruCell (Niederlande) Transgene (Frankreich) Wuxi (China) Patheon (Australien)

Wellendurchmischte und geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Hohlfasermodul

19

XCellTM ATF 6 Single-use System

Zuumlrcher Fachhochschule

bull LV- oder HCD-WCBs Reduktion der arbeits- und zeitaufwendigen Schritte zur Bereitstellung

des Inokulums fuumlr den Produktionsbioreaktor

Verbesserung der Inokulum- und Produktkonsistenz

bull Voraussetzung fuumlr Bag-to-Bag-Inokulation und Zellexpansion

ohne Zwischenkultivierungsschritte in geruumlhrten wellen-

durchmischten oder orbital geschuumlttelten Single-Use Bioreak-

toren

Cell Banking Einschrittinokulation und -expansion

Thawing from large-volume

working cell bankInoculation Thawing from high cell

density working cell bankInoculation

20

Thawing from

working cell bankCell expansion Inoculation

Bildquelle I Wolfgram 2017

Zuumlrcher Fachhochschule

CHO Zellen Sf-9 Zellen Hi5 Zellen

Zelllinie CHO XM 111-10 (ETHZ)

Sf-9(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Hi5(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Medium ChoMaster HP-1(Cell Culture Technologies)

Sf900III SFM(Thermo Fisher Scientific)

Express Five(Thermo Fisher Scientific)

Inokulumproduktion BIOSTAT RM 20 mit CultiBag RM 2L Perfusion oder Flexsafe RM 2L Perfusion(Sartorius Stedim Biotech)

Cryobag KryoSure FEP Bags (CellGenix)

OriGen PL Bags (OriGen Biomedical)

Celsius-Pak Bags (Sartorius Stedim Biotech)

FP-Flex Bags (Charter Medical)

EVA bags (Macopharma)

Bioreaktor Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Schuumlttelkolben (Corning)

Mobius CellReady 3L (Thermo Fisher Scientific)

SB10-X (Kuumlhner AG)

Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Analytik Zelldichte Viabilitaumlt durchschnittlicher Zelldurchmesser - Cedex HiRes (Roche)

Substrat- und Metabolitenproduktionen - BioProfile 100 Plus (Nova Biomedical)

Produktkonzentration und ndashaktivitaumlt (teilweise SDS-Page und Tierversuche)

21

Zuumlrcher Fachhochschule

High Seed Fed Batch- anstatt Low Seed Fed Batch-Produktion

22

bull Inokulation des Produktionsbioreaktors mit 1107 Zellen mL-1 anstatt 5105 Zellen mL-1

Ziele Gleiche oder houmlhere mAb-Titer innerhalb kuumlrzerer Zeit Erhoumlhung der Produktionsausbeute gt30 Erhoumlhung der Produktionskapazitaumlt (haumlufiges Bottleneck ist

Produktionsbioreaktor)

Problem Konstante Produktqualitaumlt Voraussetzungen

Grosse Zellmengen fuumlr die Inokulation Geeignetes Kulturmedium

Zuumlrcher Fachhochschule

bull Gut etabliert im USP Tierische Zellkulturen Geruumlhrte und wellendurchmischte Versionen bis

2 m3 Arbeitsvolumen Shift zu Perfusionsmodi in FampE erkennbar

bull Trotz neuer Erkenntnisse und Entwicklungen noch Limitationen Aber Weiteres Wachstum des Single-Use Bioreaktor-

segmentes prognostiziert Neue Biopharmapplikationen Prozesse mit Bakterien

und Pilzen HyPerforma SUF (30 L 300 L) und XDR MO fermentor (50 L

500 L)

Fazit Single-Use Bioreaktoren in biopharmazeutischen Produktionsprozessen

23

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Zellexpansion fuumlr Zelltherapien

bull Ersatz planarer Kultivierungssysteme

Expansion autologer T-Zellen

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren (max 10 L Arbeitsvolumen)

Expansion humaner mesenchymaler Stammzellen

Autologer und allogener Ansatz

Knochenmark- und Fettstammzellen

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Microcarriern(max 150 L Arbeitsvolumen)

24

Foto Lonza Cologne GmbH

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Pflanzenzellbasierte Kosmetik-wirkstoffe Food und Foodsupplemente

bull Pflanzenzellkulturen fuumlr natuumlrliche undnachhaltige Kosmetikprodukte

Mehr als 20 Produkte in letzten 10 Jahren inEuropa

Am bekanntesten PhytoCellTec Malus Domestica Suspensionskulturen und Hairy Roots Prozessentwicklung und teilweise kommerzielle Pro-

duktion in wellendurchmischten Single-Use Bioreaktoren

bull Auswirkungen auf Lebensmittelindustrie Alternative Produktionsmethoden fuumlr Food und

Foodsupplemente Erste Produkte in EU zugelassen (Echigena Plus) Pflanzliche Suspensionskulturen Essbare Biomasse Farbstoffe Aromastoffe Geschmacksstoffe Suumlssungsmittel

25

Zuumlrcher Fachhochschule 26

Waumldenswil

Page 6: SINGLE-USE BIOREAKTOREN IN BIOPHARMAZEUTISCHEN … · Bioreaktor 0.1 - 100 Sartorius Stedim Biotech Wellendurchmischt Bag, zweidimensional CELL-tainer 0.015 - 200 Celltainer Biotech

Zuumlrcher Fachhochschule

Instrumentierung

6

bull Zwei Loumlsungsansaumltze

in situ Sensoren

ex situ Sensoren (Sterilbarriereoder beruumlhrungsloses Messprinzip)

bull in situ Sensoren

Standardsensoren 12 mm Ports Sonderloumlsungen oder bdquoAsepticConnectorsldquo erforderlich

Single-Use Sensoren Hauptsaumlchlich chemisch-optische Sensoren fuumlr pH und pO2

Weitere optische Single-Use Senso-ren Truumlbung Fluoreszenz Biomas-se

Flexsafe RM

optical

AppliFlex

Standard

Sensor module

Pall Kleenpaktrade Connector Assembly Aid

Insid

e B

PC

Ou

tsid

e B

PC

1 Make Connection

2 Push in bellows

Probe

Probe

TruFluor Sensor

Zuumlrcher Fachhochschule

Groumlsste Vielfalt Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren

7

bull Blasenbeluumlftet und bis max 4 m3 Arbeitsvolumen up-scale-bar

Zylindrisches oder kubisches GefaumlssBag

Zentrisch gelagerte rotierende Ruumlhrer dominieren (Magnetantrieb oder Gleitringdichtung)

Geometrische Aumlhnlichkeit zu wiederverwendbaren Gegenspielern

Zuumlrcher Fachhochschule

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren (rigid) bis 75 L Uumlbersicht

8

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Geruumlhrt rigider Kessel CellVessel 21- und 23 Serie 025 - 75 CerCell

CelliGen BLU Benchtop-

Ruumlhrreaktor

(BioBLU 1c 5c 14c 50c)

025 - 40 Eppendorf

DASGIP Parallel-Bioreaktor

(Bio-Block mit BioBLU 1c)

025 - 125

Mobius CellReady 1 - 24 Merck

UniVessel SU 06 - 2 Sartorius Stedim Biotech

SmartVessel Single-Use

Bioreaktor

05 - 22 Thermo Fisher Scientific

Zuumlrcher Fachhochschule

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren (Bag) bis 4 m3 Uumlbersicht

9

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Geruumlhrt Bag Xcellerex XDR 45 ndash 2`000 GE Healthcare

Mobius CellReady 10 ndash 2`000 Merck

Allegro STR 60 ndash 2`000 Pall Life Sciences

PadReaktor 8 - 960

BIOSTAT STR 125 ndash 2`000 Sartorius Stedim Biotech

HyPerforma SUB 25 ndash 2`000 Thermo Fisher Scientific

Custom Single Run (CSR) 50 - 4`000 ABEC

Zuumlrcher Fachhochschule 10Bildquelle httpabeccomsingle-use-solutionshtml 92017

Zuumlrcher Fachhochschule

Zweitgroumlsste Gruppe Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren

11

bull Durchmischung durch Bewegung des Rockers

Systeme mit 1D-Mischbewegung verfahrenstechnisch am besten untersucht und haumlufigsten fuumlr tierische Zellen verwendet (aber Stofftransferlimitationen fuumlr Pflanzenzellen und Mikroorganismen moumlglich)

Intensitaumlt = f (Kipprate Kippwinkel Befuumlllung 10-50)

Welleninduzierte Mischbewegung bei Oberflaumlchenbegasung und permanenter Erneuerung der Medienoberflaumlche keine Antischaummittelzugabe

Homogenere Energiedissipation im Vergleich zu geruumlhrten Zellkulturrektoren

1D 2D 3D

Zuumlrcher Fachhochschule

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren Produkt-beispiele

12

SmartRocker

20 L 50 L

Allegro XRS 20

20 L

CELL-tainer

200 L

BIOSTAT RM

20 L

Zuumlrcher Fachhochschule

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren bis 500 L Uumlbersicht

13

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Wellendurchmischt

Bag eindimensional

AppliFlex 05 - 25 Applikon

CellTumbler 05 - 10 CerCell

SmartRocker

Bioreaktor

05 - 25 Thermo Fisher Scientific

Wave Bioreaktor System 02 - 500 GE Healthcare

ReadyToProcess WAVE25 02 - 25 GE Healthcare

BIOSTAT RM

Bioreaktor

01 - 100 Sartorius Stedim Biotech

Wellendurchmischt

Bag zweidimensional

CELL-tainer 0015 - 200 Celltainer Biotech

Wellendurchmischt

Bag dreidimensional

Allegro XRS 20 01 - 20 Pall Life Sciences

Zuumlrcher Fachhochschule

Orbital geschuumlttelte Single-Use Bioreaktoren

14

bull Bioverfahrenstechnischer Erkennt-niszuwachs zum orbitalen Schuumltteln

Microwellplatten Tubes und Kolben

Publikationen wwwshakingtechnologycom

Prozess-Scale-up von Tubes und Schuumlttel-kolben auf 3 L Single-Use Fernbachkolben 2 L 10 L und 20 L Bags etc unter Einsatz konventineller Schuumlttler mit speziellen Schuumlttelplattformen wenn mit tierischen Zellkulturen gearbeitet

Entwicklung up-scale barer orbital geschuumlt-telter Single-Use Bioreaktoren fuumlr tierische Zellkulturen

Multitron Cell

3x 2L 2x 10L or 1x 20L

Zuumlrcher Fachhochschule

Orbital geschuumlttelte Single-Use Bioreaktoren (up scale-bar)

15

SB2500-X

10 L 50 L 200 L 2`500 L

Mabion Rituximab (Biosimilar-mAb)

SB200-X

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Orbital geschuumlttelt Bag OrbShake Bioreaktor 1 ndash 2`500 Adolf Kuumlhner

Current Bioreaktor 05 - 300 Hangzhou Amprotein

Bioengineering

Zuumlrcher Fachhochschule

Gegenwaumlrtige Haupteinsatzgebiete der vorgestellten Single-Use Bioreaktoren

bull USP-Prozesse mit tierischen Zellkulturen (1 m3 oder 2 m3)

Saumlugerzellen (und teilweise Insektenzellen)

Produkte

Inokulum

mAbs fuumlr die Therapie von

Krebs- und Autoimmunerkrankungen

biosimilare mAbs

Vakzine fuumlr Mensch und Tier

Verfahren

Fed Batch

Hochleistungszelllinie (gt 5 g L-1)

max 21 d

16

Seed train Inoculum train Antibody expression

Stirred SU bioreactor with 1000L

cultivation bag

Stirred SU bioreactor with 50L200L cultivation bag

Wave-mixed SU bioreactor with 50L200L cultivation bag

Wave-mixed SU bioreactor with 10L20L

cultivation bag1L shake flasksWCB vial

(a) (a)

(b) (b)

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Kultivierungstechnologien mit Single-Use Bio-reaktoren

bull Ziele

Zeit- und Kosteneinsparungen

Erhoumlhung der Raum-Zeit-Ausbeute

Produkt in ausreichender Quanti- und Qualitaumlt

Kurze Prozesszeit Kleiner Scale hohe metabolische Aktivitaumlt

bull Erreichbar durch Prozessintensivierung in Verbindung mit Perfusion

Cell Banking und Inokulumproduktion

LV- oder HCD-WCB Einschrittinokulation und ndashexpansion

Fermentation

Klassische Kontinuierliche Perfusionsproduktion Konzentrierte Fed Batch-Produktion und konzentrierte

kontinuierliche Perfusionsproduktion

High Seed Fed Batch-Produktion

17

Zuumlrcher Fachhochschule 18

Perfusion

SU

centrifuges

SU crossflow

filtrations

devices

Hollow fibers

Macro-

carriers

Internal

Micro-

carriers

SU packed bed

bioreactors

operating with

fiber carriers

Mechanically and

pneumatically

driven SU

bioreactors

Wave-mixed

SU bioreactors

Hollow fiber

SU bioreactors

Hollow fiber

modules

TFF cassettes

ATF devices

Bags with

integrated

membranes

External

Carriers

Stirred and wave-mixed SU

bioreactors

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Welle in USP-Perfusion seit den letzten 5 Jahren

bull Verwendung von Mikro- und Ultrafiltra-tions- anstelle von Dialysemembranen

bull Kontinuierliche Langzeitprozesse uumlber 3 Monate eher selten

bull Beispiele Single-Use Bioreaktoren mit ATF-Modul 50 L bis 2 m3

LG (Korea) CruCell (Niederlande) Transgene (Frankreich) Wuxi (China) Patheon (Australien)

Wellendurchmischte und geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Hohlfasermodul

19

XCellTM ATF 6 Single-use System

Zuumlrcher Fachhochschule

bull LV- oder HCD-WCBs Reduktion der arbeits- und zeitaufwendigen Schritte zur Bereitstellung

des Inokulums fuumlr den Produktionsbioreaktor

Verbesserung der Inokulum- und Produktkonsistenz

bull Voraussetzung fuumlr Bag-to-Bag-Inokulation und Zellexpansion

ohne Zwischenkultivierungsschritte in geruumlhrten wellen-

durchmischten oder orbital geschuumlttelten Single-Use Bioreak-

toren

Cell Banking Einschrittinokulation und -expansion

Thawing from large-volume

working cell bankInoculation Thawing from high cell

density working cell bankInoculation

20

Thawing from

working cell bankCell expansion Inoculation

Bildquelle I Wolfgram 2017

Zuumlrcher Fachhochschule

CHO Zellen Sf-9 Zellen Hi5 Zellen

Zelllinie CHO XM 111-10 (ETHZ)

Sf-9(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Hi5(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Medium ChoMaster HP-1(Cell Culture Technologies)

Sf900III SFM(Thermo Fisher Scientific)

Express Five(Thermo Fisher Scientific)

Inokulumproduktion BIOSTAT RM 20 mit CultiBag RM 2L Perfusion oder Flexsafe RM 2L Perfusion(Sartorius Stedim Biotech)

Cryobag KryoSure FEP Bags (CellGenix)

OriGen PL Bags (OriGen Biomedical)

Celsius-Pak Bags (Sartorius Stedim Biotech)

FP-Flex Bags (Charter Medical)

EVA bags (Macopharma)

Bioreaktor Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Schuumlttelkolben (Corning)

Mobius CellReady 3L (Thermo Fisher Scientific)

SB10-X (Kuumlhner AG)

Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Analytik Zelldichte Viabilitaumlt durchschnittlicher Zelldurchmesser - Cedex HiRes (Roche)

Substrat- und Metabolitenproduktionen - BioProfile 100 Plus (Nova Biomedical)

Produktkonzentration und ndashaktivitaumlt (teilweise SDS-Page und Tierversuche)

21

Zuumlrcher Fachhochschule

High Seed Fed Batch- anstatt Low Seed Fed Batch-Produktion

22

bull Inokulation des Produktionsbioreaktors mit 1107 Zellen mL-1 anstatt 5105 Zellen mL-1

Ziele Gleiche oder houmlhere mAb-Titer innerhalb kuumlrzerer Zeit Erhoumlhung der Produktionsausbeute gt30 Erhoumlhung der Produktionskapazitaumlt (haumlufiges Bottleneck ist

Produktionsbioreaktor)

Problem Konstante Produktqualitaumlt Voraussetzungen

Grosse Zellmengen fuumlr die Inokulation Geeignetes Kulturmedium

Zuumlrcher Fachhochschule

bull Gut etabliert im USP Tierische Zellkulturen Geruumlhrte und wellendurchmischte Versionen bis

2 m3 Arbeitsvolumen Shift zu Perfusionsmodi in FampE erkennbar

bull Trotz neuer Erkenntnisse und Entwicklungen noch Limitationen Aber Weiteres Wachstum des Single-Use Bioreaktor-

segmentes prognostiziert Neue Biopharmapplikationen Prozesse mit Bakterien

und Pilzen HyPerforma SUF (30 L 300 L) und XDR MO fermentor (50 L

500 L)

Fazit Single-Use Bioreaktoren in biopharmazeutischen Produktionsprozessen

23

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Zellexpansion fuumlr Zelltherapien

bull Ersatz planarer Kultivierungssysteme

Expansion autologer T-Zellen

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren (max 10 L Arbeitsvolumen)

Expansion humaner mesenchymaler Stammzellen

Autologer und allogener Ansatz

Knochenmark- und Fettstammzellen

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Microcarriern(max 150 L Arbeitsvolumen)

24

Foto Lonza Cologne GmbH

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Pflanzenzellbasierte Kosmetik-wirkstoffe Food und Foodsupplemente

bull Pflanzenzellkulturen fuumlr natuumlrliche undnachhaltige Kosmetikprodukte

Mehr als 20 Produkte in letzten 10 Jahren inEuropa

Am bekanntesten PhytoCellTec Malus Domestica Suspensionskulturen und Hairy Roots Prozessentwicklung und teilweise kommerzielle Pro-

duktion in wellendurchmischten Single-Use Bioreaktoren

bull Auswirkungen auf Lebensmittelindustrie Alternative Produktionsmethoden fuumlr Food und

Foodsupplemente Erste Produkte in EU zugelassen (Echigena Plus) Pflanzliche Suspensionskulturen Essbare Biomasse Farbstoffe Aromastoffe Geschmacksstoffe Suumlssungsmittel

25

Zuumlrcher Fachhochschule 26

Waumldenswil

Page 7: SINGLE-USE BIOREAKTOREN IN BIOPHARMAZEUTISCHEN … · Bioreaktor 0.1 - 100 Sartorius Stedim Biotech Wellendurchmischt Bag, zweidimensional CELL-tainer 0.015 - 200 Celltainer Biotech

Zuumlrcher Fachhochschule

Groumlsste Vielfalt Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren

7

bull Blasenbeluumlftet und bis max 4 m3 Arbeitsvolumen up-scale-bar

Zylindrisches oder kubisches GefaumlssBag

Zentrisch gelagerte rotierende Ruumlhrer dominieren (Magnetantrieb oder Gleitringdichtung)

Geometrische Aumlhnlichkeit zu wiederverwendbaren Gegenspielern

Zuumlrcher Fachhochschule

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren (rigid) bis 75 L Uumlbersicht

8

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Geruumlhrt rigider Kessel CellVessel 21- und 23 Serie 025 - 75 CerCell

CelliGen BLU Benchtop-

Ruumlhrreaktor

(BioBLU 1c 5c 14c 50c)

025 - 40 Eppendorf

DASGIP Parallel-Bioreaktor

(Bio-Block mit BioBLU 1c)

025 - 125

Mobius CellReady 1 - 24 Merck

UniVessel SU 06 - 2 Sartorius Stedim Biotech

SmartVessel Single-Use

Bioreaktor

05 - 22 Thermo Fisher Scientific

Zuumlrcher Fachhochschule

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren (Bag) bis 4 m3 Uumlbersicht

9

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Geruumlhrt Bag Xcellerex XDR 45 ndash 2`000 GE Healthcare

Mobius CellReady 10 ndash 2`000 Merck

Allegro STR 60 ndash 2`000 Pall Life Sciences

PadReaktor 8 - 960

BIOSTAT STR 125 ndash 2`000 Sartorius Stedim Biotech

HyPerforma SUB 25 ndash 2`000 Thermo Fisher Scientific

Custom Single Run (CSR) 50 - 4`000 ABEC

Zuumlrcher Fachhochschule 10Bildquelle httpabeccomsingle-use-solutionshtml 92017

Zuumlrcher Fachhochschule

Zweitgroumlsste Gruppe Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren

11

bull Durchmischung durch Bewegung des Rockers

Systeme mit 1D-Mischbewegung verfahrenstechnisch am besten untersucht und haumlufigsten fuumlr tierische Zellen verwendet (aber Stofftransferlimitationen fuumlr Pflanzenzellen und Mikroorganismen moumlglich)

Intensitaumlt = f (Kipprate Kippwinkel Befuumlllung 10-50)

Welleninduzierte Mischbewegung bei Oberflaumlchenbegasung und permanenter Erneuerung der Medienoberflaumlche keine Antischaummittelzugabe

Homogenere Energiedissipation im Vergleich zu geruumlhrten Zellkulturrektoren

1D 2D 3D

Zuumlrcher Fachhochschule

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren Produkt-beispiele

12

SmartRocker

20 L 50 L

Allegro XRS 20

20 L

CELL-tainer

200 L

BIOSTAT RM

20 L

Zuumlrcher Fachhochschule

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren bis 500 L Uumlbersicht

13

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Wellendurchmischt

Bag eindimensional

AppliFlex 05 - 25 Applikon

CellTumbler 05 - 10 CerCell

SmartRocker

Bioreaktor

05 - 25 Thermo Fisher Scientific

Wave Bioreaktor System 02 - 500 GE Healthcare

ReadyToProcess WAVE25 02 - 25 GE Healthcare

BIOSTAT RM

Bioreaktor

01 - 100 Sartorius Stedim Biotech

Wellendurchmischt

Bag zweidimensional

CELL-tainer 0015 - 200 Celltainer Biotech

Wellendurchmischt

Bag dreidimensional

Allegro XRS 20 01 - 20 Pall Life Sciences

Zuumlrcher Fachhochschule

Orbital geschuumlttelte Single-Use Bioreaktoren

14

bull Bioverfahrenstechnischer Erkennt-niszuwachs zum orbitalen Schuumltteln

Microwellplatten Tubes und Kolben

Publikationen wwwshakingtechnologycom

Prozess-Scale-up von Tubes und Schuumlttel-kolben auf 3 L Single-Use Fernbachkolben 2 L 10 L und 20 L Bags etc unter Einsatz konventineller Schuumlttler mit speziellen Schuumlttelplattformen wenn mit tierischen Zellkulturen gearbeitet

Entwicklung up-scale barer orbital geschuumlt-telter Single-Use Bioreaktoren fuumlr tierische Zellkulturen

Multitron Cell

3x 2L 2x 10L or 1x 20L

Zuumlrcher Fachhochschule

Orbital geschuumlttelte Single-Use Bioreaktoren (up scale-bar)

15

SB2500-X

10 L 50 L 200 L 2`500 L

Mabion Rituximab (Biosimilar-mAb)

SB200-X

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Orbital geschuumlttelt Bag OrbShake Bioreaktor 1 ndash 2`500 Adolf Kuumlhner

Current Bioreaktor 05 - 300 Hangzhou Amprotein

Bioengineering

Zuumlrcher Fachhochschule

Gegenwaumlrtige Haupteinsatzgebiete der vorgestellten Single-Use Bioreaktoren

bull USP-Prozesse mit tierischen Zellkulturen (1 m3 oder 2 m3)

Saumlugerzellen (und teilweise Insektenzellen)

Produkte

Inokulum

mAbs fuumlr die Therapie von

Krebs- und Autoimmunerkrankungen

biosimilare mAbs

Vakzine fuumlr Mensch und Tier

Verfahren

Fed Batch

Hochleistungszelllinie (gt 5 g L-1)

max 21 d

16

Seed train Inoculum train Antibody expression

Stirred SU bioreactor with 1000L

cultivation bag

Stirred SU bioreactor with 50L200L cultivation bag

Wave-mixed SU bioreactor with 50L200L cultivation bag

Wave-mixed SU bioreactor with 10L20L

cultivation bag1L shake flasksWCB vial

(a) (a)

(b) (b)

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Kultivierungstechnologien mit Single-Use Bio-reaktoren

bull Ziele

Zeit- und Kosteneinsparungen

Erhoumlhung der Raum-Zeit-Ausbeute

Produkt in ausreichender Quanti- und Qualitaumlt

Kurze Prozesszeit Kleiner Scale hohe metabolische Aktivitaumlt

bull Erreichbar durch Prozessintensivierung in Verbindung mit Perfusion

Cell Banking und Inokulumproduktion

LV- oder HCD-WCB Einschrittinokulation und ndashexpansion

Fermentation

Klassische Kontinuierliche Perfusionsproduktion Konzentrierte Fed Batch-Produktion und konzentrierte

kontinuierliche Perfusionsproduktion

High Seed Fed Batch-Produktion

17

Zuumlrcher Fachhochschule 18

Perfusion

SU

centrifuges

SU crossflow

filtrations

devices

Hollow fibers

Macro-

carriers

Internal

Micro-

carriers

SU packed bed

bioreactors

operating with

fiber carriers

Mechanically and

pneumatically

driven SU

bioreactors

Wave-mixed

SU bioreactors

Hollow fiber

SU bioreactors

Hollow fiber

modules

TFF cassettes

ATF devices

Bags with

integrated

membranes

External

Carriers

Stirred and wave-mixed SU

bioreactors

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Welle in USP-Perfusion seit den letzten 5 Jahren

bull Verwendung von Mikro- und Ultrafiltra-tions- anstelle von Dialysemembranen

bull Kontinuierliche Langzeitprozesse uumlber 3 Monate eher selten

bull Beispiele Single-Use Bioreaktoren mit ATF-Modul 50 L bis 2 m3

LG (Korea) CruCell (Niederlande) Transgene (Frankreich) Wuxi (China) Patheon (Australien)

Wellendurchmischte und geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Hohlfasermodul

19

XCellTM ATF 6 Single-use System

Zuumlrcher Fachhochschule

bull LV- oder HCD-WCBs Reduktion der arbeits- und zeitaufwendigen Schritte zur Bereitstellung

des Inokulums fuumlr den Produktionsbioreaktor

Verbesserung der Inokulum- und Produktkonsistenz

bull Voraussetzung fuumlr Bag-to-Bag-Inokulation und Zellexpansion

ohne Zwischenkultivierungsschritte in geruumlhrten wellen-

durchmischten oder orbital geschuumlttelten Single-Use Bioreak-

toren

Cell Banking Einschrittinokulation und -expansion

Thawing from large-volume

working cell bankInoculation Thawing from high cell

density working cell bankInoculation

20

Thawing from

working cell bankCell expansion Inoculation

Bildquelle I Wolfgram 2017

Zuumlrcher Fachhochschule

CHO Zellen Sf-9 Zellen Hi5 Zellen

Zelllinie CHO XM 111-10 (ETHZ)

Sf-9(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Hi5(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Medium ChoMaster HP-1(Cell Culture Technologies)

Sf900III SFM(Thermo Fisher Scientific)

Express Five(Thermo Fisher Scientific)

Inokulumproduktion BIOSTAT RM 20 mit CultiBag RM 2L Perfusion oder Flexsafe RM 2L Perfusion(Sartorius Stedim Biotech)

Cryobag KryoSure FEP Bags (CellGenix)

OriGen PL Bags (OriGen Biomedical)

Celsius-Pak Bags (Sartorius Stedim Biotech)

FP-Flex Bags (Charter Medical)

EVA bags (Macopharma)

Bioreaktor Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Schuumlttelkolben (Corning)

Mobius CellReady 3L (Thermo Fisher Scientific)

SB10-X (Kuumlhner AG)

Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Analytik Zelldichte Viabilitaumlt durchschnittlicher Zelldurchmesser - Cedex HiRes (Roche)

Substrat- und Metabolitenproduktionen - BioProfile 100 Plus (Nova Biomedical)

Produktkonzentration und ndashaktivitaumlt (teilweise SDS-Page und Tierversuche)

21

Zuumlrcher Fachhochschule

High Seed Fed Batch- anstatt Low Seed Fed Batch-Produktion

22

bull Inokulation des Produktionsbioreaktors mit 1107 Zellen mL-1 anstatt 5105 Zellen mL-1

Ziele Gleiche oder houmlhere mAb-Titer innerhalb kuumlrzerer Zeit Erhoumlhung der Produktionsausbeute gt30 Erhoumlhung der Produktionskapazitaumlt (haumlufiges Bottleneck ist

Produktionsbioreaktor)

Problem Konstante Produktqualitaumlt Voraussetzungen

Grosse Zellmengen fuumlr die Inokulation Geeignetes Kulturmedium

Zuumlrcher Fachhochschule

bull Gut etabliert im USP Tierische Zellkulturen Geruumlhrte und wellendurchmischte Versionen bis

2 m3 Arbeitsvolumen Shift zu Perfusionsmodi in FampE erkennbar

bull Trotz neuer Erkenntnisse und Entwicklungen noch Limitationen Aber Weiteres Wachstum des Single-Use Bioreaktor-

segmentes prognostiziert Neue Biopharmapplikationen Prozesse mit Bakterien

und Pilzen HyPerforma SUF (30 L 300 L) und XDR MO fermentor (50 L

500 L)

Fazit Single-Use Bioreaktoren in biopharmazeutischen Produktionsprozessen

23

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Zellexpansion fuumlr Zelltherapien

bull Ersatz planarer Kultivierungssysteme

Expansion autologer T-Zellen

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren (max 10 L Arbeitsvolumen)

Expansion humaner mesenchymaler Stammzellen

Autologer und allogener Ansatz

Knochenmark- und Fettstammzellen

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Microcarriern(max 150 L Arbeitsvolumen)

24

Foto Lonza Cologne GmbH

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Pflanzenzellbasierte Kosmetik-wirkstoffe Food und Foodsupplemente

bull Pflanzenzellkulturen fuumlr natuumlrliche undnachhaltige Kosmetikprodukte

Mehr als 20 Produkte in letzten 10 Jahren inEuropa

Am bekanntesten PhytoCellTec Malus Domestica Suspensionskulturen und Hairy Roots Prozessentwicklung und teilweise kommerzielle Pro-

duktion in wellendurchmischten Single-Use Bioreaktoren

bull Auswirkungen auf Lebensmittelindustrie Alternative Produktionsmethoden fuumlr Food und

Foodsupplemente Erste Produkte in EU zugelassen (Echigena Plus) Pflanzliche Suspensionskulturen Essbare Biomasse Farbstoffe Aromastoffe Geschmacksstoffe Suumlssungsmittel

25

Zuumlrcher Fachhochschule 26

Waumldenswil

Page 8: SINGLE-USE BIOREAKTOREN IN BIOPHARMAZEUTISCHEN … · Bioreaktor 0.1 - 100 Sartorius Stedim Biotech Wellendurchmischt Bag, zweidimensional CELL-tainer 0.015 - 200 Celltainer Biotech

Zuumlrcher Fachhochschule

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren (rigid) bis 75 L Uumlbersicht

8

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Geruumlhrt rigider Kessel CellVessel 21- und 23 Serie 025 - 75 CerCell

CelliGen BLU Benchtop-

Ruumlhrreaktor

(BioBLU 1c 5c 14c 50c)

025 - 40 Eppendorf

DASGIP Parallel-Bioreaktor

(Bio-Block mit BioBLU 1c)

025 - 125

Mobius CellReady 1 - 24 Merck

UniVessel SU 06 - 2 Sartorius Stedim Biotech

SmartVessel Single-Use

Bioreaktor

05 - 22 Thermo Fisher Scientific

Zuumlrcher Fachhochschule

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren (Bag) bis 4 m3 Uumlbersicht

9

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Geruumlhrt Bag Xcellerex XDR 45 ndash 2`000 GE Healthcare

Mobius CellReady 10 ndash 2`000 Merck

Allegro STR 60 ndash 2`000 Pall Life Sciences

PadReaktor 8 - 960

BIOSTAT STR 125 ndash 2`000 Sartorius Stedim Biotech

HyPerforma SUB 25 ndash 2`000 Thermo Fisher Scientific

Custom Single Run (CSR) 50 - 4`000 ABEC

Zuumlrcher Fachhochschule 10Bildquelle httpabeccomsingle-use-solutionshtml 92017

Zuumlrcher Fachhochschule

Zweitgroumlsste Gruppe Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren

11

bull Durchmischung durch Bewegung des Rockers

Systeme mit 1D-Mischbewegung verfahrenstechnisch am besten untersucht und haumlufigsten fuumlr tierische Zellen verwendet (aber Stofftransferlimitationen fuumlr Pflanzenzellen und Mikroorganismen moumlglich)

Intensitaumlt = f (Kipprate Kippwinkel Befuumlllung 10-50)

Welleninduzierte Mischbewegung bei Oberflaumlchenbegasung und permanenter Erneuerung der Medienoberflaumlche keine Antischaummittelzugabe

Homogenere Energiedissipation im Vergleich zu geruumlhrten Zellkulturrektoren

1D 2D 3D

Zuumlrcher Fachhochschule

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren Produkt-beispiele

12

SmartRocker

20 L 50 L

Allegro XRS 20

20 L

CELL-tainer

200 L

BIOSTAT RM

20 L

Zuumlrcher Fachhochschule

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren bis 500 L Uumlbersicht

13

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Wellendurchmischt

Bag eindimensional

AppliFlex 05 - 25 Applikon

CellTumbler 05 - 10 CerCell

SmartRocker

Bioreaktor

05 - 25 Thermo Fisher Scientific

Wave Bioreaktor System 02 - 500 GE Healthcare

ReadyToProcess WAVE25 02 - 25 GE Healthcare

BIOSTAT RM

Bioreaktor

01 - 100 Sartorius Stedim Biotech

Wellendurchmischt

Bag zweidimensional

CELL-tainer 0015 - 200 Celltainer Biotech

Wellendurchmischt

Bag dreidimensional

Allegro XRS 20 01 - 20 Pall Life Sciences

Zuumlrcher Fachhochschule

Orbital geschuumlttelte Single-Use Bioreaktoren

14

bull Bioverfahrenstechnischer Erkennt-niszuwachs zum orbitalen Schuumltteln

Microwellplatten Tubes und Kolben

Publikationen wwwshakingtechnologycom

Prozess-Scale-up von Tubes und Schuumlttel-kolben auf 3 L Single-Use Fernbachkolben 2 L 10 L und 20 L Bags etc unter Einsatz konventineller Schuumlttler mit speziellen Schuumlttelplattformen wenn mit tierischen Zellkulturen gearbeitet

Entwicklung up-scale barer orbital geschuumlt-telter Single-Use Bioreaktoren fuumlr tierische Zellkulturen

Multitron Cell

3x 2L 2x 10L or 1x 20L

Zuumlrcher Fachhochschule

Orbital geschuumlttelte Single-Use Bioreaktoren (up scale-bar)

15

SB2500-X

10 L 50 L 200 L 2`500 L

Mabion Rituximab (Biosimilar-mAb)

SB200-X

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Orbital geschuumlttelt Bag OrbShake Bioreaktor 1 ndash 2`500 Adolf Kuumlhner

Current Bioreaktor 05 - 300 Hangzhou Amprotein

Bioengineering

Zuumlrcher Fachhochschule

Gegenwaumlrtige Haupteinsatzgebiete der vorgestellten Single-Use Bioreaktoren

bull USP-Prozesse mit tierischen Zellkulturen (1 m3 oder 2 m3)

Saumlugerzellen (und teilweise Insektenzellen)

Produkte

Inokulum

mAbs fuumlr die Therapie von

Krebs- und Autoimmunerkrankungen

biosimilare mAbs

Vakzine fuumlr Mensch und Tier

Verfahren

Fed Batch

Hochleistungszelllinie (gt 5 g L-1)

max 21 d

16

Seed train Inoculum train Antibody expression

Stirred SU bioreactor with 1000L

cultivation bag

Stirred SU bioreactor with 50L200L cultivation bag

Wave-mixed SU bioreactor with 50L200L cultivation bag

Wave-mixed SU bioreactor with 10L20L

cultivation bag1L shake flasksWCB vial

(a) (a)

(b) (b)

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Kultivierungstechnologien mit Single-Use Bio-reaktoren

bull Ziele

Zeit- und Kosteneinsparungen

Erhoumlhung der Raum-Zeit-Ausbeute

Produkt in ausreichender Quanti- und Qualitaumlt

Kurze Prozesszeit Kleiner Scale hohe metabolische Aktivitaumlt

bull Erreichbar durch Prozessintensivierung in Verbindung mit Perfusion

Cell Banking und Inokulumproduktion

LV- oder HCD-WCB Einschrittinokulation und ndashexpansion

Fermentation

Klassische Kontinuierliche Perfusionsproduktion Konzentrierte Fed Batch-Produktion und konzentrierte

kontinuierliche Perfusionsproduktion

High Seed Fed Batch-Produktion

17

Zuumlrcher Fachhochschule 18

Perfusion

SU

centrifuges

SU crossflow

filtrations

devices

Hollow fibers

Macro-

carriers

Internal

Micro-

carriers

SU packed bed

bioreactors

operating with

fiber carriers

Mechanically and

pneumatically

driven SU

bioreactors

Wave-mixed

SU bioreactors

Hollow fiber

SU bioreactors

Hollow fiber

modules

TFF cassettes

ATF devices

Bags with

integrated

membranes

External

Carriers

Stirred and wave-mixed SU

bioreactors

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Welle in USP-Perfusion seit den letzten 5 Jahren

bull Verwendung von Mikro- und Ultrafiltra-tions- anstelle von Dialysemembranen

bull Kontinuierliche Langzeitprozesse uumlber 3 Monate eher selten

bull Beispiele Single-Use Bioreaktoren mit ATF-Modul 50 L bis 2 m3

LG (Korea) CruCell (Niederlande) Transgene (Frankreich) Wuxi (China) Patheon (Australien)

Wellendurchmischte und geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Hohlfasermodul

19

XCellTM ATF 6 Single-use System

Zuumlrcher Fachhochschule

bull LV- oder HCD-WCBs Reduktion der arbeits- und zeitaufwendigen Schritte zur Bereitstellung

des Inokulums fuumlr den Produktionsbioreaktor

Verbesserung der Inokulum- und Produktkonsistenz

bull Voraussetzung fuumlr Bag-to-Bag-Inokulation und Zellexpansion

ohne Zwischenkultivierungsschritte in geruumlhrten wellen-

durchmischten oder orbital geschuumlttelten Single-Use Bioreak-

toren

Cell Banking Einschrittinokulation und -expansion

Thawing from large-volume

working cell bankInoculation Thawing from high cell

density working cell bankInoculation

20

Thawing from

working cell bankCell expansion Inoculation

Bildquelle I Wolfgram 2017

Zuumlrcher Fachhochschule

CHO Zellen Sf-9 Zellen Hi5 Zellen

Zelllinie CHO XM 111-10 (ETHZ)

Sf-9(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Hi5(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Medium ChoMaster HP-1(Cell Culture Technologies)

Sf900III SFM(Thermo Fisher Scientific)

Express Five(Thermo Fisher Scientific)

Inokulumproduktion BIOSTAT RM 20 mit CultiBag RM 2L Perfusion oder Flexsafe RM 2L Perfusion(Sartorius Stedim Biotech)

Cryobag KryoSure FEP Bags (CellGenix)

OriGen PL Bags (OriGen Biomedical)

Celsius-Pak Bags (Sartorius Stedim Biotech)

FP-Flex Bags (Charter Medical)

EVA bags (Macopharma)

Bioreaktor Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Schuumlttelkolben (Corning)

Mobius CellReady 3L (Thermo Fisher Scientific)

SB10-X (Kuumlhner AG)

Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Analytik Zelldichte Viabilitaumlt durchschnittlicher Zelldurchmesser - Cedex HiRes (Roche)

Substrat- und Metabolitenproduktionen - BioProfile 100 Plus (Nova Biomedical)

Produktkonzentration und ndashaktivitaumlt (teilweise SDS-Page und Tierversuche)

21

Zuumlrcher Fachhochschule

High Seed Fed Batch- anstatt Low Seed Fed Batch-Produktion

22

bull Inokulation des Produktionsbioreaktors mit 1107 Zellen mL-1 anstatt 5105 Zellen mL-1

Ziele Gleiche oder houmlhere mAb-Titer innerhalb kuumlrzerer Zeit Erhoumlhung der Produktionsausbeute gt30 Erhoumlhung der Produktionskapazitaumlt (haumlufiges Bottleneck ist

Produktionsbioreaktor)

Problem Konstante Produktqualitaumlt Voraussetzungen

Grosse Zellmengen fuumlr die Inokulation Geeignetes Kulturmedium

Zuumlrcher Fachhochschule

bull Gut etabliert im USP Tierische Zellkulturen Geruumlhrte und wellendurchmischte Versionen bis

2 m3 Arbeitsvolumen Shift zu Perfusionsmodi in FampE erkennbar

bull Trotz neuer Erkenntnisse und Entwicklungen noch Limitationen Aber Weiteres Wachstum des Single-Use Bioreaktor-

segmentes prognostiziert Neue Biopharmapplikationen Prozesse mit Bakterien

und Pilzen HyPerforma SUF (30 L 300 L) und XDR MO fermentor (50 L

500 L)

Fazit Single-Use Bioreaktoren in biopharmazeutischen Produktionsprozessen

23

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Zellexpansion fuumlr Zelltherapien

bull Ersatz planarer Kultivierungssysteme

Expansion autologer T-Zellen

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren (max 10 L Arbeitsvolumen)

Expansion humaner mesenchymaler Stammzellen

Autologer und allogener Ansatz

Knochenmark- und Fettstammzellen

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Microcarriern(max 150 L Arbeitsvolumen)

24

Foto Lonza Cologne GmbH

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Pflanzenzellbasierte Kosmetik-wirkstoffe Food und Foodsupplemente

bull Pflanzenzellkulturen fuumlr natuumlrliche undnachhaltige Kosmetikprodukte

Mehr als 20 Produkte in letzten 10 Jahren inEuropa

Am bekanntesten PhytoCellTec Malus Domestica Suspensionskulturen und Hairy Roots Prozessentwicklung und teilweise kommerzielle Pro-

duktion in wellendurchmischten Single-Use Bioreaktoren

bull Auswirkungen auf Lebensmittelindustrie Alternative Produktionsmethoden fuumlr Food und

Foodsupplemente Erste Produkte in EU zugelassen (Echigena Plus) Pflanzliche Suspensionskulturen Essbare Biomasse Farbstoffe Aromastoffe Geschmacksstoffe Suumlssungsmittel

25

Zuumlrcher Fachhochschule 26

Waumldenswil

Page 9: SINGLE-USE BIOREAKTOREN IN BIOPHARMAZEUTISCHEN … · Bioreaktor 0.1 - 100 Sartorius Stedim Biotech Wellendurchmischt Bag, zweidimensional CELL-tainer 0.015 - 200 Celltainer Biotech

Zuumlrcher Fachhochschule

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren (Bag) bis 4 m3 Uumlbersicht

9

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Geruumlhrt Bag Xcellerex XDR 45 ndash 2`000 GE Healthcare

Mobius CellReady 10 ndash 2`000 Merck

Allegro STR 60 ndash 2`000 Pall Life Sciences

PadReaktor 8 - 960

BIOSTAT STR 125 ndash 2`000 Sartorius Stedim Biotech

HyPerforma SUB 25 ndash 2`000 Thermo Fisher Scientific

Custom Single Run (CSR) 50 - 4`000 ABEC

Zuumlrcher Fachhochschule 10Bildquelle httpabeccomsingle-use-solutionshtml 92017

Zuumlrcher Fachhochschule

Zweitgroumlsste Gruppe Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren

11

bull Durchmischung durch Bewegung des Rockers

Systeme mit 1D-Mischbewegung verfahrenstechnisch am besten untersucht und haumlufigsten fuumlr tierische Zellen verwendet (aber Stofftransferlimitationen fuumlr Pflanzenzellen und Mikroorganismen moumlglich)

Intensitaumlt = f (Kipprate Kippwinkel Befuumlllung 10-50)

Welleninduzierte Mischbewegung bei Oberflaumlchenbegasung und permanenter Erneuerung der Medienoberflaumlche keine Antischaummittelzugabe

Homogenere Energiedissipation im Vergleich zu geruumlhrten Zellkulturrektoren

1D 2D 3D

Zuumlrcher Fachhochschule

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren Produkt-beispiele

12

SmartRocker

20 L 50 L

Allegro XRS 20

20 L

CELL-tainer

200 L

BIOSTAT RM

20 L

Zuumlrcher Fachhochschule

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren bis 500 L Uumlbersicht

13

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Wellendurchmischt

Bag eindimensional

AppliFlex 05 - 25 Applikon

CellTumbler 05 - 10 CerCell

SmartRocker

Bioreaktor

05 - 25 Thermo Fisher Scientific

Wave Bioreaktor System 02 - 500 GE Healthcare

ReadyToProcess WAVE25 02 - 25 GE Healthcare

BIOSTAT RM

Bioreaktor

01 - 100 Sartorius Stedim Biotech

Wellendurchmischt

Bag zweidimensional

CELL-tainer 0015 - 200 Celltainer Biotech

Wellendurchmischt

Bag dreidimensional

Allegro XRS 20 01 - 20 Pall Life Sciences

Zuumlrcher Fachhochschule

Orbital geschuumlttelte Single-Use Bioreaktoren

14

bull Bioverfahrenstechnischer Erkennt-niszuwachs zum orbitalen Schuumltteln

Microwellplatten Tubes und Kolben

Publikationen wwwshakingtechnologycom

Prozess-Scale-up von Tubes und Schuumlttel-kolben auf 3 L Single-Use Fernbachkolben 2 L 10 L und 20 L Bags etc unter Einsatz konventineller Schuumlttler mit speziellen Schuumlttelplattformen wenn mit tierischen Zellkulturen gearbeitet

Entwicklung up-scale barer orbital geschuumlt-telter Single-Use Bioreaktoren fuumlr tierische Zellkulturen

Multitron Cell

3x 2L 2x 10L or 1x 20L

Zuumlrcher Fachhochschule

Orbital geschuumlttelte Single-Use Bioreaktoren (up scale-bar)

15

SB2500-X

10 L 50 L 200 L 2`500 L

Mabion Rituximab (Biosimilar-mAb)

SB200-X

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Orbital geschuumlttelt Bag OrbShake Bioreaktor 1 ndash 2`500 Adolf Kuumlhner

Current Bioreaktor 05 - 300 Hangzhou Amprotein

Bioengineering

Zuumlrcher Fachhochschule

Gegenwaumlrtige Haupteinsatzgebiete der vorgestellten Single-Use Bioreaktoren

bull USP-Prozesse mit tierischen Zellkulturen (1 m3 oder 2 m3)

Saumlugerzellen (und teilweise Insektenzellen)

Produkte

Inokulum

mAbs fuumlr die Therapie von

Krebs- und Autoimmunerkrankungen

biosimilare mAbs

Vakzine fuumlr Mensch und Tier

Verfahren

Fed Batch

Hochleistungszelllinie (gt 5 g L-1)

max 21 d

16

Seed train Inoculum train Antibody expression

Stirred SU bioreactor with 1000L

cultivation bag

Stirred SU bioreactor with 50L200L cultivation bag

Wave-mixed SU bioreactor with 50L200L cultivation bag

Wave-mixed SU bioreactor with 10L20L

cultivation bag1L shake flasksWCB vial

(a) (a)

(b) (b)

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Kultivierungstechnologien mit Single-Use Bio-reaktoren

bull Ziele

Zeit- und Kosteneinsparungen

Erhoumlhung der Raum-Zeit-Ausbeute

Produkt in ausreichender Quanti- und Qualitaumlt

Kurze Prozesszeit Kleiner Scale hohe metabolische Aktivitaumlt

bull Erreichbar durch Prozessintensivierung in Verbindung mit Perfusion

Cell Banking und Inokulumproduktion

LV- oder HCD-WCB Einschrittinokulation und ndashexpansion

Fermentation

Klassische Kontinuierliche Perfusionsproduktion Konzentrierte Fed Batch-Produktion und konzentrierte

kontinuierliche Perfusionsproduktion

High Seed Fed Batch-Produktion

17

Zuumlrcher Fachhochschule 18

Perfusion

SU

centrifuges

SU crossflow

filtrations

devices

Hollow fibers

Macro-

carriers

Internal

Micro-

carriers

SU packed bed

bioreactors

operating with

fiber carriers

Mechanically and

pneumatically

driven SU

bioreactors

Wave-mixed

SU bioreactors

Hollow fiber

SU bioreactors

Hollow fiber

modules

TFF cassettes

ATF devices

Bags with

integrated

membranes

External

Carriers

Stirred and wave-mixed SU

bioreactors

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Welle in USP-Perfusion seit den letzten 5 Jahren

bull Verwendung von Mikro- und Ultrafiltra-tions- anstelle von Dialysemembranen

bull Kontinuierliche Langzeitprozesse uumlber 3 Monate eher selten

bull Beispiele Single-Use Bioreaktoren mit ATF-Modul 50 L bis 2 m3

LG (Korea) CruCell (Niederlande) Transgene (Frankreich) Wuxi (China) Patheon (Australien)

Wellendurchmischte und geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Hohlfasermodul

19

XCellTM ATF 6 Single-use System

Zuumlrcher Fachhochschule

bull LV- oder HCD-WCBs Reduktion der arbeits- und zeitaufwendigen Schritte zur Bereitstellung

des Inokulums fuumlr den Produktionsbioreaktor

Verbesserung der Inokulum- und Produktkonsistenz

bull Voraussetzung fuumlr Bag-to-Bag-Inokulation und Zellexpansion

ohne Zwischenkultivierungsschritte in geruumlhrten wellen-

durchmischten oder orbital geschuumlttelten Single-Use Bioreak-

toren

Cell Banking Einschrittinokulation und -expansion

Thawing from large-volume

working cell bankInoculation Thawing from high cell

density working cell bankInoculation

20

Thawing from

working cell bankCell expansion Inoculation

Bildquelle I Wolfgram 2017

Zuumlrcher Fachhochschule

CHO Zellen Sf-9 Zellen Hi5 Zellen

Zelllinie CHO XM 111-10 (ETHZ)

Sf-9(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Hi5(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Medium ChoMaster HP-1(Cell Culture Technologies)

Sf900III SFM(Thermo Fisher Scientific)

Express Five(Thermo Fisher Scientific)

Inokulumproduktion BIOSTAT RM 20 mit CultiBag RM 2L Perfusion oder Flexsafe RM 2L Perfusion(Sartorius Stedim Biotech)

Cryobag KryoSure FEP Bags (CellGenix)

OriGen PL Bags (OriGen Biomedical)

Celsius-Pak Bags (Sartorius Stedim Biotech)

FP-Flex Bags (Charter Medical)

EVA bags (Macopharma)

Bioreaktor Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Schuumlttelkolben (Corning)

Mobius CellReady 3L (Thermo Fisher Scientific)

SB10-X (Kuumlhner AG)

Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Analytik Zelldichte Viabilitaumlt durchschnittlicher Zelldurchmesser - Cedex HiRes (Roche)

Substrat- und Metabolitenproduktionen - BioProfile 100 Plus (Nova Biomedical)

Produktkonzentration und ndashaktivitaumlt (teilweise SDS-Page und Tierversuche)

21

Zuumlrcher Fachhochschule

High Seed Fed Batch- anstatt Low Seed Fed Batch-Produktion

22

bull Inokulation des Produktionsbioreaktors mit 1107 Zellen mL-1 anstatt 5105 Zellen mL-1

Ziele Gleiche oder houmlhere mAb-Titer innerhalb kuumlrzerer Zeit Erhoumlhung der Produktionsausbeute gt30 Erhoumlhung der Produktionskapazitaumlt (haumlufiges Bottleneck ist

Produktionsbioreaktor)

Problem Konstante Produktqualitaumlt Voraussetzungen

Grosse Zellmengen fuumlr die Inokulation Geeignetes Kulturmedium

Zuumlrcher Fachhochschule

bull Gut etabliert im USP Tierische Zellkulturen Geruumlhrte und wellendurchmischte Versionen bis

2 m3 Arbeitsvolumen Shift zu Perfusionsmodi in FampE erkennbar

bull Trotz neuer Erkenntnisse und Entwicklungen noch Limitationen Aber Weiteres Wachstum des Single-Use Bioreaktor-

segmentes prognostiziert Neue Biopharmapplikationen Prozesse mit Bakterien

und Pilzen HyPerforma SUF (30 L 300 L) und XDR MO fermentor (50 L

500 L)

Fazit Single-Use Bioreaktoren in biopharmazeutischen Produktionsprozessen

23

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Zellexpansion fuumlr Zelltherapien

bull Ersatz planarer Kultivierungssysteme

Expansion autologer T-Zellen

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren (max 10 L Arbeitsvolumen)

Expansion humaner mesenchymaler Stammzellen

Autologer und allogener Ansatz

Knochenmark- und Fettstammzellen

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Microcarriern(max 150 L Arbeitsvolumen)

24

Foto Lonza Cologne GmbH

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Pflanzenzellbasierte Kosmetik-wirkstoffe Food und Foodsupplemente

bull Pflanzenzellkulturen fuumlr natuumlrliche undnachhaltige Kosmetikprodukte

Mehr als 20 Produkte in letzten 10 Jahren inEuropa

Am bekanntesten PhytoCellTec Malus Domestica Suspensionskulturen und Hairy Roots Prozessentwicklung und teilweise kommerzielle Pro-

duktion in wellendurchmischten Single-Use Bioreaktoren

bull Auswirkungen auf Lebensmittelindustrie Alternative Produktionsmethoden fuumlr Food und

Foodsupplemente Erste Produkte in EU zugelassen (Echigena Plus) Pflanzliche Suspensionskulturen Essbare Biomasse Farbstoffe Aromastoffe Geschmacksstoffe Suumlssungsmittel

25

Zuumlrcher Fachhochschule 26

Waumldenswil

Page 10: SINGLE-USE BIOREAKTOREN IN BIOPHARMAZEUTISCHEN … · Bioreaktor 0.1 - 100 Sartorius Stedim Biotech Wellendurchmischt Bag, zweidimensional CELL-tainer 0.015 - 200 Celltainer Biotech

Zuumlrcher Fachhochschule 10Bildquelle httpabeccomsingle-use-solutionshtml 92017

Zuumlrcher Fachhochschule

Zweitgroumlsste Gruppe Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren

11

bull Durchmischung durch Bewegung des Rockers

Systeme mit 1D-Mischbewegung verfahrenstechnisch am besten untersucht und haumlufigsten fuumlr tierische Zellen verwendet (aber Stofftransferlimitationen fuumlr Pflanzenzellen und Mikroorganismen moumlglich)

Intensitaumlt = f (Kipprate Kippwinkel Befuumlllung 10-50)

Welleninduzierte Mischbewegung bei Oberflaumlchenbegasung und permanenter Erneuerung der Medienoberflaumlche keine Antischaummittelzugabe

Homogenere Energiedissipation im Vergleich zu geruumlhrten Zellkulturrektoren

1D 2D 3D

Zuumlrcher Fachhochschule

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren Produkt-beispiele

12

SmartRocker

20 L 50 L

Allegro XRS 20

20 L

CELL-tainer

200 L

BIOSTAT RM

20 L

Zuumlrcher Fachhochschule

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren bis 500 L Uumlbersicht

13

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Wellendurchmischt

Bag eindimensional

AppliFlex 05 - 25 Applikon

CellTumbler 05 - 10 CerCell

SmartRocker

Bioreaktor

05 - 25 Thermo Fisher Scientific

Wave Bioreaktor System 02 - 500 GE Healthcare

ReadyToProcess WAVE25 02 - 25 GE Healthcare

BIOSTAT RM

Bioreaktor

01 - 100 Sartorius Stedim Biotech

Wellendurchmischt

Bag zweidimensional

CELL-tainer 0015 - 200 Celltainer Biotech

Wellendurchmischt

Bag dreidimensional

Allegro XRS 20 01 - 20 Pall Life Sciences

Zuumlrcher Fachhochschule

Orbital geschuumlttelte Single-Use Bioreaktoren

14

bull Bioverfahrenstechnischer Erkennt-niszuwachs zum orbitalen Schuumltteln

Microwellplatten Tubes und Kolben

Publikationen wwwshakingtechnologycom

Prozess-Scale-up von Tubes und Schuumlttel-kolben auf 3 L Single-Use Fernbachkolben 2 L 10 L und 20 L Bags etc unter Einsatz konventineller Schuumlttler mit speziellen Schuumlttelplattformen wenn mit tierischen Zellkulturen gearbeitet

Entwicklung up-scale barer orbital geschuumlt-telter Single-Use Bioreaktoren fuumlr tierische Zellkulturen

Multitron Cell

3x 2L 2x 10L or 1x 20L

Zuumlrcher Fachhochschule

Orbital geschuumlttelte Single-Use Bioreaktoren (up scale-bar)

15

SB2500-X

10 L 50 L 200 L 2`500 L

Mabion Rituximab (Biosimilar-mAb)

SB200-X

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Orbital geschuumlttelt Bag OrbShake Bioreaktor 1 ndash 2`500 Adolf Kuumlhner

Current Bioreaktor 05 - 300 Hangzhou Amprotein

Bioengineering

Zuumlrcher Fachhochschule

Gegenwaumlrtige Haupteinsatzgebiete der vorgestellten Single-Use Bioreaktoren

bull USP-Prozesse mit tierischen Zellkulturen (1 m3 oder 2 m3)

Saumlugerzellen (und teilweise Insektenzellen)

Produkte

Inokulum

mAbs fuumlr die Therapie von

Krebs- und Autoimmunerkrankungen

biosimilare mAbs

Vakzine fuumlr Mensch und Tier

Verfahren

Fed Batch

Hochleistungszelllinie (gt 5 g L-1)

max 21 d

16

Seed train Inoculum train Antibody expression

Stirred SU bioreactor with 1000L

cultivation bag

Stirred SU bioreactor with 50L200L cultivation bag

Wave-mixed SU bioreactor with 50L200L cultivation bag

Wave-mixed SU bioreactor with 10L20L

cultivation bag1L shake flasksWCB vial

(a) (a)

(b) (b)

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Kultivierungstechnologien mit Single-Use Bio-reaktoren

bull Ziele

Zeit- und Kosteneinsparungen

Erhoumlhung der Raum-Zeit-Ausbeute

Produkt in ausreichender Quanti- und Qualitaumlt

Kurze Prozesszeit Kleiner Scale hohe metabolische Aktivitaumlt

bull Erreichbar durch Prozessintensivierung in Verbindung mit Perfusion

Cell Banking und Inokulumproduktion

LV- oder HCD-WCB Einschrittinokulation und ndashexpansion

Fermentation

Klassische Kontinuierliche Perfusionsproduktion Konzentrierte Fed Batch-Produktion und konzentrierte

kontinuierliche Perfusionsproduktion

High Seed Fed Batch-Produktion

17

Zuumlrcher Fachhochschule 18

Perfusion

SU

centrifuges

SU crossflow

filtrations

devices

Hollow fibers

Macro-

carriers

Internal

Micro-

carriers

SU packed bed

bioreactors

operating with

fiber carriers

Mechanically and

pneumatically

driven SU

bioreactors

Wave-mixed

SU bioreactors

Hollow fiber

SU bioreactors

Hollow fiber

modules

TFF cassettes

ATF devices

Bags with

integrated

membranes

External

Carriers

Stirred and wave-mixed SU

bioreactors

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Welle in USP-Perfusion seit den letzten 5 Jahren

bull Verwendung von Mikro- und Ultrafiltra-tions- anstelle von Dialysemembranen

bull Kontinuierliche Langzeitprozesse uumlber 3 Monate eher selten

bull Beispiele Single-Use Bioreaktoren mit ATF-Modul 50 L bis 2 m3

LG (Korea) CruCell (Niederlande) Transgene (Frankreich) Wuxi (China) Patheon (Australien)

Wellendurchmischte und geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Hohlfasermodul

19

XCellTM ATF 6 Single-use System

Zuumlrcher Fachhochschule

bull LV- oder HCD-WCBs Reduktion der arbeits- und zeitaufwendigen Schritte zur Bereitstellung

des Inokulums fuumlr den Produktionsbioreaktor

Verbesserung der Inokulum- und Produktkonsistenz

bull Voraussetzung fuumlr Bag-to-Bag-Inokulation und Zellexpansion

ohne Zwischenkultivierungsschritte in geruumlhrten wellen-

durchmischten oder orbital geschuumlttelten Single-Use Bioreak-

toren

Cell Banking Einschrittinokulation und -expansion

Thawing from large-volume

working cell bankInoculation Thawing from high cell

density working cell bankInoculation

20

Thawing from

working cell bankCell expansion Inoculation

Bildquelle I Wolfgram 2017

Zuumlrcher Fachhochschule

CHO Zellen Sf-9 Zellen Hi5 Zellen

Zelllinie CHO XM 111-10 (ETHZ)

Sf-9(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Hi5(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Medium ChoMaster HP-1(Cell Culture Technologies)

Sf900III SFM(Thermo Fisher Scientific)

Express Five(Thermo Fisher Scientific)

Inokulumproduktion BIOSTAT RM 20 mit CultiBag RM 2L Perfusion oder Flexsafe RM 2L Perfusion(Sartorius Stedim Biotech)

Cryobag KryoSure FEP Bags (CellGenix)

OriGen PL Bags (OriGen Biomedical)

Celsius-Pak Bags (Sartorius Stedim Biotech)

FP-Flex Bags (Charter Medical)

EVA bags (Macopharma)

Bioreaktor Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Schuumlttelkolben (Corning)

Mobius CellReady 3L (Thermo Fisher Scientific)

SB10-X (Kuumlhner AG)

Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Analytik Zelldichte Viabilitaumlt durchschnittlicher Zelldurchmesser - Cedex HiRes (Roche)

Substrat- und Metabolitenproduktionen - BioProfile 100 Plus (Nova Biomedical)

Produktkonzentration und ndashaktivitaumlt (teilweise SDS-Page und Tierversuche)

21

Zuumlrcher Fachhochschule

High Seed Fed Batch- anstatt Low Seed Fed Batch-Produktion

22

bull Inokulation des Produktionsbioreaktors mit 1107 Zellen mL-1 anstatt 5105 Zellen mL-1

Ziele Gleiche oder houmlhere mAb-Titer innerhalb kuumlrzerer Zeit Erhoumlhung der Produktionsausbeute gt30 Erhoumlhung der Produktionskapazitaumlt (haumlufiges Bottleneck ist

Produktionsbioreaktor)

Problem Konstante Produktqualitaumlt Voraussetzungen

Grosse Zellmengen fuumlr die Inokulation Geeignetes Kulturmedium

Zuumlrcher Fachhochschule

bull Gut etabliert im USP Tierische Zellkulturen Geruumlhrte und wellendurchmischte Versionen bis

2 m3 Arbeitsvolumen Shift zu Perfusionsmodi in FampE erkennbar

bull Trotz neuer Erkenntnisse und Entwicklungen noch Limitationen Aber Weiteres Wachstum des Single-Use Bioreaktor-

segmentes prognostiziert Neue Biopharmapplikationen Prozesse mit Bakterien

und Pilzen HyPerforma SUF (30 L 300 L) und XDR MO fermentor (50 L

500 L)

Fazit Single-Use Bioreaktoren in biopharmazeutischen Produktionsprozessen

23

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Zellexpansion fuumlr Zelltherapien

bull Ersatz planarer Kultivierungssysteme

Expansion autologer T-Zellen

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren (max 10 L Arbeitsvolumen)

Expansion humaner mesenchymaler Stammzellen

Autologer und allogener Ansatz

Knochenmark- und Fettstammzellen

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Microcarriern(max 150 L Arbeitsvolumen)

24

Foto Lonza Cologne GmbH

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Pflanzenzellbasierte Kosmetik-wirkstoffe Food und Foodsupplemente

bull Pflanzenzellkulturen fuumlr natuumlrliche undnachhaltige Kosmetikprodukte

Mehr als 20 Produkte in letzten 10 Jahren inEuropa

Am bekanntesten PhytoCellTec Malus Domestica Suspensionskulturen und Hairy Roots Prozessentwicklung und teilweise kommerzielle Pro-

duktion in wellendurchmischten Single-Use Bioreaktoren

bull Auswirkungen auf Lebensmittelindustrie Alternative Produktionsmethoden fuumlr Food und

Foodsupplemente Erste Produkte in EU zugelassen (Echigena Plus) Pflanzliche Suspensionskulturen Essbare Biomasse Farbstoffe Aromastoffe Geschmacksstoffe Suumlssungsmittel

25

Zuumlrcher Fachhochschule 26

Waumldenswil

Page 11: SINGLE-USE BIOREAKTOREN IN BIOPHARMAZEUTISCHEN … · Bioreaktor 0.1 - 100 Sartorius Stedim Biotech Wellendurchmischt Bag, zweidimensional CELL-tainer 0.015 - 200 Celltainer Biotech

Zuumlrcher Fachhochschule

Zweitgroumlsste Gruppe Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren

11

bull Durchmischung durch Bewegung des Rockers

Systeme mit 1D-Mischbewegung verfahrenstechnisch am besten untersucht und haumlufigsten fuumlr tierische Zellen verwendet (aber Stofftransferlimitationen fuumlr Pflanzenzellen und Mikroorganismen moumlglich)

Intensitaumlt = f (Kipprate Kippwinkel Befuumlllung 10-50)

Welleninduzierte Mischbewegung bei Oberflaumlchenbegasung und permanenter Erneuerung der Medienoberflaumlche keine Antischaummittelzugabe

Homogenere Energiedissipation im Vergleich zu geruumlhrten Zellkulturrektoren

1D 2D 3D

Zuumlrcher Fachhochschule

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren Produkt-beispiele

12

SmartRocker

20 L 50 L

Allegro XRS 20

20 L

CELL-tainer

200 L

BIOSTAT RM

20 L

Zuumlrcher Fachhochschule

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren bis 500 L Uumlbersicht

13

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Wellendurchmischt

Bag eindimensional

AppliFlex 05 - 25 Applikon

CellTumbler 05 - 10 CerCell

SmartRocker

Bioreaktor

05 - 25 Thermo Fisher Scientific

Wave Bioreaktor System 02 - 500 GE Healthcare

ReadyToProcess WAVE25 02 - 25 GE Healthcare

BIOSTAT RM

Bioreaktor

01 - 100 Sartorius Stedim Biotech

Wellendurchmischt

Bag zweidimensional

CELL-tainer 0015 - 200 Celltainer Biotech

Wellendurchmischt

Bag dreidimensional

Allegro XRS 20 01 - 20 Pall Life Sciences

Zuumlrcher Fachhochschule

Orbital geschuumlttelte Single-Use Bioreaktoren

14

bull Bioverfahrenstechnischer Erkennt-niszuwachs zum orbitalen Schuumltteln

Microwellplatten Tubes und Kolben

Publikationen wwwshakingtechnologycom

Prozess-Scale-up von Tubes und Schuumlttel-kolben auf 3 L Single-Use Fernbachkolben 2 L 10 L und 20 L Bags etc unter Einsatz konventineller Schuumlttler mit speziellen Schuumlttelplattformen wenn mit tierischen Zellkulturen gearbeitet

Entwicklung up-scale barer orbital geschuumlt-telter Single-Use Bioreaktoren fuumlr tierische Zellkulturen

Multitron Cell

3x 2L 2x 10L or 1x 20L

Zuumlrcher Fachhochschule

Orbital geschuumlttelte Single-Use Bioreaktoren (up scale-bar)

15

SB2500-X

10 L 50 L 200 L 2`500 L

Mabion Rituximab (Biosimilar-mAb)

SB200-X

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Orbital geschuumlttelt Bag OrbShake Bioreaktor 1 ndash 2`500 Adolf Kuumlhner

Current Bioreaktor 05 - 300 Hangzhou Amprotein

Bioengineering

Zuumlrcher Fachhochschule

Gegenwaumlrtige Haupteinsatzgebiete der vorgestellten Single-Use Bioreaktoren

bull USP-Prozesse mit tierischen Zellkulturen (1 m3 oder 2 m3)

Saumlugerzellen (und teilweise Insektenzellen)

Produkte

Inokulum

mAbs fuumlr die Therapie von

Krebs- und Autoimmunerkrankungen

biosimilare mAbs

Vakzine fuumlr Mensch und Tier

Verfahren

Fed Batch

Hochleistungszelllinie (gt 5 g L-1)

max 21 d

16

Seed train Inoculum train Antibody expression

Stirred SU bioreactor with 1000L

cultivation bag

Stirred SU bioreactor with 50L200L cultivation bag

Wave-mixed SU bioreactor with 50L200L cultivation bag

Wave-mixed SU bioreactor with 10L20L

cultivation bag1L shake flasksWCB vial

(a) (a)

(b) (b)

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Kultivierungstechnologien mit Single-Use Bio-reaktoren

bull Ziele

Zeit- und Kosteneinsparungen

Erhoumlhung der Raum-Zeit-Ausbeute

Produkt in ausreichender Quanti- und Qualitaumlt

Kurze Prozesszeit Kleiner Scale hohe metabolische Aktivitaumlt

bull Erreichbar durch Prozessintensivierung in Verbindung mit Perfusion

Cell Banking und Inokulumproduktion

LV- oder HCD-WCB Einschrittinokulation und ndashexpansion

Fermentation

Klassische Kontinuierliche Perfusionsproduktion Konzentrierte Fed Batch-Produktion und konzentrierte

kontinuierliche Perfusionsproduktion

High Seed Fed Batch-Produktion

17

Zuumlrcher Fachhochschule 18

Perfusion

SU

centrifuges

SU crossflow

filtrations

devices

Hollow fibers

Macro-

carriers

Internal

Micro-

carriers

SU packed bed

bioreactors

operating with

fiber carriers

Mechanically and

pneumatically

driven SU

bioreactors

Wave-mixed

SU bioreactors

Hollow fiber

SU bioreactors

Hollow fiber

modules

TFF cassettes

ATF devices

Bags with

integrated

membranes

External

Carriers

Stirred and wave-mixed SU

bioreactors

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Welle in USP-Perfusion seit den letzten 5 Jahren

bull Verwendung von Mikro- und Ultrafiltra-tions- anstelle von Dialysemembranen

bull Kontinuierliche Langzeitprozesse uumlber 3 Monate eher selten

bull Beispiele Single-Use Bioreaktoren mit ATF-Modul 50 L bis 2 m3

LG (Korea) CruCell (Niederlande) Transgene (Frankreich) Wuxi (China) Patheon (Australien)

Wellendurchmischte und geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Hohlfasermodul

19

XCellTM ATF 6 Single-use System

Zuumlrcher Fachhochschule

bull LV- oder HCD-WCBs Reduktion der arbeits- und zeitaufwendigen Schritte zur Bereitstellung

des Inokulums fuumlr den Produktionsbioreaktor

Verbesserung der Inokulum- und Produktkonsistenz

bull Voraussetzung fuumlr Bag-to-Bag-Inokulation und Zellexpansion

ohne Zwischenkultivierungsschritte in geruumlhrten wellen-

durchmischten oder orbital geschuumlttelten Single-Use Bioreak-

toren

Cell Banking Einschrittinokulation und -expansion

Thawing from large-volume

working cell bankInoculation Thawing from high cell

density working cell bankInoculation

20

Thawing from

working cell bankCell expansion Inoculation

Bildquelle I Wolfgram 2017

Zuumlrcher Fachhochschule

CHO Zellen Sf-9 Zellen Hi5 Zellen

Zelllinie CHO XM 111-10 (ETHZ)

Sf-9(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Hi5(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Medium ChoMaster HP-1(Cell Culture Technologies)

Sf900III SFM(Thermo Fisher Scientific)

Express Five(Thermo Fisher Scientific)

Inokulumproduktion BIOSTAT RM 20 mit CultiBag RM 2L Perfusion oder Flexsafe RM 2L Perfusion(Sartorius Stedim Biotech)

Cryobag KryoSure FEP Bags (CellGenix)

OriGen PL Bags (OriGen Biomedical)

Celsius-Pak Bags (Sartorius Stedim Biotech)

FP-Flex Bags (Charter Medical)

EVA bags (Macopharma)

Bioreaktor Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Schuumlttelkolben (Corning)

Mobius CellReady 3L (Thermo Fisher Scientific)

SB10-X (Kuumlhner AG)

Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Analytik Zelldichte Viabilitaumlt durchschnittlicher Zelldurchmesser - Cedex HiRes (Roche)

Substrat- und Metabolitenproduktionen - BioProfile 100 Plus (Nova Biomedical)

Produktkonzentration und ndashaktivitaumlt (teilweise SDS-Page und Tierversuche)

21

Zuumlrcher Fachhochschule

High Seed Fed Batch- anstatt Low Seed Fed Batch-Produktion

22

bull Inokulation des Produktionsbioreaktors mit 1107 Zellen mL-1 anstatt 5105 Zellen mL-1

Ziele Gleiche oder houmlhere mAb-Titer innerhalb kuumlrzerer Zeit Erhoumlhung der Produktionsausbeute gt30 Erhoumlhung der Produktionskapazitaumlt (haumlufiges Bottleneck ist

Produktionsbioreaktor)

Problem Konstante Produktqualitaumlt Voraussetzungen

Grosse Zellmengen fuumlr die Inokulation Geeignetes Kulturmedium

Zuumlrcher Fachhochschule

bull Gut etabliert im USP Tierische Zellkulturen Geruumlhrte und wellendurchmischte Versionen bis

2 m3 Arbeitsvolumen Shift zu Perfusionsmodi in FampE erkennbar

bull Trotz neuer Erkenntnisse und Entwicklungen noch Limitationen Aber Weiteres Wachstum des Single-Use Bioreaktor-

segmentes prognostiziert Neue Biopharmapplikationen Prozesse mit Bakterien

und Pilzen HyPerforma SUF (30 L 300 L) und XDR MO fermentor (50 L

500 L)

Fazit Single-Use Bioreaktoren in biopharmazeutischen Produktionsprozessen

23

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Zellexpansion fuumlr Zelltherapien

bull Ersatz planarer Kultivierungssysteme

Expansion autologer T-Zellen

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren (max 10 L Arbeitsvolumen)

Expansion humaner mesenchymaler Stammzellen

Autologer und allogener Ansatz

Knochenmark- und Fettstammzellen

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Microcarriern(max 150 L Arbeitsvolumen)

24

Foto Lonza Cologne GmbH

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Pflanzenzellbasierte Kosmetik-wirkstoffe Food und Foodsupplemente

bull Pflanzenzellkulturen fuumlr natuumlrliche undnachhaltige Kosmetikprodukte

Mehr als 20 Produkte in letzten 10 Jahren inEuropa

Am bekanntesten PhytoCellTec Malus Domestica Suspensionskulturen und Hairy Roots Prozessentwicklung und teilweise kommerzielle Pro-

duktion in wellendurchmischten Single-Use Bioreaktoren

bull Auswirkungen auf Lebensmittelindustrie Alternative Produktionsmethoden fuumlr Food und

Foodsupplemente Erste Produkte in EU zugelassen (Echigena Plus) Pflanzliche Suspensionskulturen Essbare Biomasse Farbstoffe Aromastoffe Geschmacksstoffe Suumlssungsmittel

25

Zuumlrcher Fachhochschule 26

Waumldenswil

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Zuumlrcher Fachhochschule

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren Produkt-beispiele

12

SmartRocker

20 L 50 L

Allegro XRS 20

20 L

CELL-tainer

200 L

BIOSTAT RM

20 L

Zuumlrcher Fachhochschule

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren bis 500 L Uumlbersicht

13

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Wellendurchmischt

Bag eindimensional

AppliFlex 05 - 25 Applikon

CellTumbler 05 - 10 CerCell

SmartRocker

Bioreaktor

05 - 25 Thermo Fisher Scientific

Wave Bioreaktor System 02 - 500 GE Healthcare

ReadyToProcess WAVE25 02 - 25 GE Healthcare

BIOSTAT RM

Bioreaktor

01 - 100 Sartorius Stedim Biotech

Wellendurchmischt

Bag zweidimensional

CELL-tainer 0015 - 200 Celltainer Biotech

Wellendurchmischt

Bag dreidimensional

Allegro XRS 20 01 - 20 Pall Life Sciences

Zuumlrcher Fachhochschule

Orbital geschuumlttelte Single-Use Bioreaktoren

14

bull Bioverfahrenstechnischer Erkennt-niszuwachs zum orbitalen Schuumltteln

Microwellplatten Tubes und Kolben

Publikationen wwwshakingtechnologycom

Prozess-Scale-up von Tubes und Schuumlttel-kolben auf 3 L Single-Use Fernbachkolben 2 L 10 L und 20 L Bags etc unter Einsatz konventineller Schuumlttler mit speziellen Schuumlttelplattformen wenn mit tierischen Zellkulturen gearbeitet

Entwicklung up-scale barer orbital geschuumlt-telter Single-Use Bioreaktoren fuumlr tierische Zellkulturen

Multitron Cell

3x 2L 2x 10L or 1x 20L

Zuumlrcher Fachhochschule

Orbital geschuumlttelte Single-Use Bioreaktoren (up scale-bar)

15

SB2500-X

10 L 50 L 200 L 2`500 L

Mabion Rituximab (Biosimilar-mAb)

SB200-X

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Orbital geschuumlttelt Bag OrbShake Bioreaktor 1 ndash 2`500 Adolf Kuumlhner

Current Bioreaktor 05 - 300 Hangzhou Amprotein

Bioengineering

Zuumlrcher Fachhochschule

Gegenwaumlrtige Haupteinsatzgebiete der vorgestellten Single-Use Bioreaktoren

bull USP-Prozesse mit tierischen Zellkulturen (1 m3 oder 2 m3)

Saumlugerzellen (und teilweise Insektenzellen)

Produkte

Inokulum

mAbs fuumlr die Therapie von

Krebs- und Autoimmunerkrankungen

biosimilare mAbs

Vakzine fuumlr Mensch und Tier

Verfahren

Fed Batch

Hochleistungszelllinie (gt 5 g L-1)

max 21 d

16

Seed train Inoculum train Antibody expression

Stirred SU bioreactor with 1000L

cultivation bag

Stirred SU bioreactor with 50L200L cultivation bag

Wave-mixed SU bioreactor with 50L200L cultivation bag

Wave-mixed SU bioreactor with 10L20L

cultivation bag1L shake flasksWCB vial

(a) (a)

(b) (b)

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Kultivierungstechnologien mit Single-Use Bio-reaktoren

bull Ziele

Zeit- und Kosteneinsparungen

Erhoumlhung der Raum-Zeit-Ausbeute

Produkt in ausreichender Quanti- und Qualitaumlt

Kurze Prozesszeit Kleiner Scale hohe metabolische Aktivitaumlt

bull Erreichbar durch Prozessintensivierung in Verbindung mit Perfusion

Cell Banking und Inokulumproduktion

LV- oder HCD-WCB Einschrittinokulation und ndashexpansion

Fermentation

Klassische Kontinuierliche Perfusionsproduktion Konzentrierte Fed Batch-Produktion und konzentrierte

kontinuierliche Perfusionsproduktion

High Seed Fed Batch-Produktion

17

Zuumlrcher Fachhochschule 18

Perfusion

SU

centrifuges

SU crossflow

filtrations

devices

Hollow fibers

Macro-

carriers

Internal

Micro-

carriers

SU packed bed

bioreactors

operating with

fiber carriers

Mechanically and

pneumatically

driven SU

bioreactors

Wave-mixed

SU bioreactors

Hollow fiber

SU bioreactors

Hollow fiber

modules

TFF cassettes

ATF devices

Bags with

integrated

membranes

External

Carriers

Stirred and wave-mixed SU

bioreactors

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Welle in USP-Perfusion seit den letzten 5 Jahren

bull Verwendung von Mikro- und Ultrafiltra-tions- anstelle von Dialysemembranen

bull Kontinuierliche Langzeitprozesse uumlber 3 Monate eher selten

bull Beispiele Single-Use Bioreaktoren mit ATF-Modul 50 L bis 2 m3

LG (Korea) CruCell (Niederlande) Transgene (Frankreich) Wuxi (China) Patheon (Australien)

Wellendurchmischte und geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Hohlfasermodul

19

XCellTM ATF 6 Single-use System

Zuumlrcher Fachhochschule

bull LV- oder HCD-WCBs Reduktion der arbeits- und zeitaufwendigen Schritte zur Bereitstellung

des Inokulums fuumlr den Produktionsbioreaktor

Verbesserung der Inokulum- und Produktkonsistenz

bull Voraussetzung fuumlr Bag-to-Bag-Inokulation und Zellexpansion

ohne Zwischenkultivierungsschritte in geruumlhrten wellen-

durchmischten oder orbital geschuumlttelten Single-Use Bioreak-

toren

Cell Banking Einschrittinokulation und -expansion

Thawing from large-volume

working cell bankInoculation Thawing from high cell

density working cell bankInoculation

20

Thawing from

working cell bankCell expansion Inoculation

Bildquelle I Wolfgram 2017

Zuumlrcher Fachhochschule

CHO Zellen Sf-9 Zellen Hi5 Zellen

Zelllinie CHO XM 111-10 (ETHZ)

Sf-9(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Hi5(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Medium ChoMaster HP-1(Cell Culture Technologies)

Sf900III SFM(Thermo Fisher Scientific)

Express Five(Thermo Fisher Scientific)

Inokulumproduktion BIOSTAT RM 20 mit CultiBag RM 2L Perfusion oder Flexsafe RM 2L Perfusion(Sartorius Stedim Biotech)

Cryobag KryoSure FEP Bags (CellGenix)

OriGen PL Bags (OriGen Biomedical)

Celsius-Pak Bags (Sartorius Stedim Biotech)

FP-Flex Bags (Charter Medical)

EVA bags (Macopharma)

Bioreaktor Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Schuumlttelkolben (Corning)

Mobius CellReady 3L (Thermo Fisher Scientific)

SB10-X (Kuumlhner AG)

Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Analytik Zelldichte Viabilitaumlt durchschnittlicher Zelldurchmesser - Cedex HiRes (Roche)

Substrat- und Metabolitenproduktionen - BioProfile 100 Plus (Nova Biomedical)

Produktkonzentration und ndashaktivitaumlt (teilweise SDS-Page und Tierversuche)

21

Zuumlrcher Fachhochschule

High Seed Fed Batch- anstatt Low Seed Fed Batch-Produktion

22

bull Inokulation des Produktionsbioreaktors mit 1107 Zellen mL-1 anstatt 5105 Zellen mL-1

Ziele Gleiche oder houmlhere mAb-Titer innerhalb kuumlrzerer Zeit Erhoumlhung der Produktionsausbeute gt30 Erhoumlhung der Produktionskapazitaumlt (haumlufiges Bottleneck ist

Produktionsbioreaktor)

Problem Konstante Produktqualitaumlt Voraussetzungen

Grosse Zellmengen fuumlr die Inokulation Geeignetes Kulturmedium

Zuumlrcher Fachhochschule

bull Gut etabliert im USP Tierische Zellkulturen Geruumlhrte und wellendurchmischte Versionen bis

2 m3 Arbeitsvolumen Shift zu Perfusionsmodi in FampE erkennbar

bull Trotz neuer Erkenntnisse und Entwicklungen noch Limitationen Aber Weiteres Wachstum des Single-Use Bioreaktor-

segmentes prognostiziert Neue Biopharmapplikationen Prozesse mit Bakterien

und Pilzen HyPerforma SUF (30 L 300 L) und XDR MO fermentor (50 L

500 L)

Fazit Single-Use Bioreaktoren in biopharmazeutischen Produktionsprozessen

23

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Zellexpansion fuumlr Zelltherapien

bull Ersatz planarer Kultivierungssysteme

Expansion autologer T-Zellen

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren (max 10 L Arbeitsvolumen)

Expansion humaner mesenchymaler Stammzellen

Autologer und allogener Ansatz

Knochenmark- und Fettstammzellen

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Microcarriern(max 150 L Arbeitsvolumen)

24

Foto Lonza Cologne GmbH

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Pflanzenzellbasierte Kosmetik-wirkstoffe Food und Foodsupplemente

bull Pflanzenzellkulturen fuumlr natuumlrliche undnachhaltige Kosmetikprodukte

Mehr als 20 Produkte in letzten 10 Jahren inEuropa

Am bekanntesten PhytoCellTec Malus Domestica Suspensionskulturen und Hairy Roots Prozessentwicklung und teilweise kommerzielle Pro-

duktion in wellendurchmischten Single-Use Bioreaktoren

bull Auswirkungen auf Lebensmittelindustrie Alternative Produktionsmethoden fuumlr Food und

Foodsupplemente Erste Produkte in EU zugelassen (Echigena Plus) Pflanzliche Suspensionskulturen Essbare Biomasse Farbstoffe Aromastoffe Geschmacksstoffe Suumlssungsmittel

25

Zuumlrcher Fachhochschule 26

Waumldenswil

Page 13: SINGLE-USE BIOREAKTOREN IN BIOPHARMAZEUTISCHEN … · Bioreaktor 0.1 - 100 Sartorius Stedim Biotech Wellendurchmischt Bag, zweidimensional CELL-tainer 0.015 - 200 Celltainer Biotech

Zuumlrcher Fachhochschule

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren bis 500 L Uumlbersicht

13

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Wellendurchmischt

Bag eindimensional

AppliFlex 05 - 25 Applikon

CellTumbler 05 - 10 CerCell

SmartRocker

Bioreaktor

05 - 25 Thermo Fisher Scientific

Wave Bioreaktor System 02 - 500 GE Healthcare

ReadyToProcess WAVE25 02 - 25 GE Healthcare

BIOSTAT RM

Bioreaktor

01 - 100 Sartorius Stedim Biotech

Wellendurchmischt

Bag zweidimensional

CELL-tainer 0015 - 200 Celltainer Biotech

Wellendurchmischt

Bag dreidimensional

Allegro XRS 20 01 - 20 Pall Life Sciences

Zuumlrcher Fachhochschule

Orbital geschuumlttelte Single-Use Bioreaktoren

14

bull Bioverfahrenstechnischer Erkennt-niszuwachs zum orbitalen Schuumltteln

Microwellplatten Tubes und Kolben

Publikationen wwwshakingtechnologycom

Prozess-Scale-up von Tubes und Schuumlttel-kolben auf 3 L Single-Use Fernbachkolben 2 L 10 L und 20 L Bags etc unter Einsatz konventineller Schuumlttler mit speziellen Schuumlttelplattformen wenn mit tierischen Zellkulturen gearbeitet

Entwicklung up-scale barer orbital geschuumlt-telter Single-Use Bioreaktoren fuumlr tierische Zellkulturen

Multitron Cell

3x 2L 2x 10L or 1x 20L

Zuumlrcher Fachhochschule

Orbital geschuumlttelte Single-Use Bioreaktoren (up scale-bar)

15

SB2500-X

10 L 50 L 200 L 2`500 L

Mabion Rituximab (Biosimilar-mAb)

SB200-X

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Orbital geschuumlttelt Bag OrbShake Bioreaktor 1 ndash 2`500 Adolf Kuumlhner

Current Bioreaktor 05 - 300 Hangzhou Amprotein

Bioengineering

Zuumlrcher Fachhochschule

Gegenwaumlrtige Haupteinsatzgebiete der vorgestellten Single-Use Bioreaktoren

bull USP-Prozesse mit tierischen Zellkulturen (1 m3 oder 2 m3)

Saumlugerzellen (und teilweise Insektenzellen)

Produkte

Inokulum

mAbs fuumlr die Therapie von

Krebs- und Autoimmunerkrankungen

biosimilare mAbs

Vakzine fuumlr Mensch und Tier

Verfahren

Fed Batch

Hochleistungszelllinie (gt 5 g L-1)

max 21 d

16

Seed train Inoculum train Antibody expression

Stirred SU bioreactor with 1000L

cultivation bag

Stirred SU bioreactor with 50L200L cultivation bag

Wave-mixed SU bioreactor with 50L200L cultivation bag

Wave-mixed SU bioreactor with 10L20L

cultivation bag1L shake flasksWCB vial

(a) (a)

(b) (b)

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Kultivierungstechnologien mit Single-Use Bio-reaktoren

bull Ziele

Zeit- und Kosteneinsparungen

Erhoumlhung der Raum-Zeit-Ausbeute

Produkt in ausreichender Quanti- und Qualitaumlt

Kurze Prozesszeit Kleiner Scale hohe metabolische Aktivitaumlt

bull Erreichbar durch Prozessintensivierung in Verbindung mit Perfusion

Cell Banking und Inokulumproduktion

LV- oder HCD-WCB Einschrittinokulation und ndashexpansion

Fermentation

Klassische Kontinuierliche Perfusionsproduktion Konzentrierte Fed Batch-Produktion und konzentrierte

kontinuierliche Perfusionsproduktion

High Seed Fed Batch-Produktion

17

Zuumlrcher Fachhochschule 18

Perfusion

SU

centrifuges

SU crossflow

filtrations

devices

Hollow fibers

Macro-

carriers

Internal

Micro-

carriers

SU packed bed

bioreactors

operating with

fiber carriers

Mechanically and

pneumatically

driven SU

bioreactors

Wave-mixed

SU bioreactors

Hollow fiber

SU bioreactors

Hollow fiber

modules

TFF cassettes

ATF devices

Bags with

integrated

membranes

External

Carriers

Stirred and wave-mixed SU

bioreactors

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Welle in USP-Perfusion seit den letzten 5 Jahren

bull Verwendung von Mikro- und Ultrafiltra-tions- anstelle von Dialysemembranen

bull Kontinuierliche Langzeitprozesse uumlber 3 Monate eher selten

bull Beispiele Single-Use Bioreaktoren mit ATF-Modul 50 L bis 2 m3

LG (Korea) CruCell (Niederlande) Transgene (Frankreich) Wuxi (China) Patheon (Australien)

Wellendurchmischte und geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Hohlfasermodul

19

XCellTM ATF 6 Single-use System

Zuumlrcher Fachhochschule

bull LV- oder HCD-WCBs Reduktion der arbeits- und zeitaufwendigen Schritte zur Bereitstellung

des Inokulums fuumlr den Produktionsbioreaktor

Verbesserung der Inokulum- und Produktkonsistenz

bull Voraussetzung fuumlr Bag-to-Bag-Inokulation und Zellexpansion

ohne Zwischenkultivierungsschritte in geruumlhrten wellen-

durchmischten oder orbital geschuumlttelten Single-Use Bioreak-

toren

Cell Banking Einschrittinokulation und -expansion

Thawing from large-volume

working cell bankInoculation Thawing from high cell

density working cell bankInoculation

20

Thawing from

working cell bankCell expansion Inoculation

Bildquelle I Wolfgram 2017

Zuumlrcher Fachhochschule

CHO Zellen Sf-9 Zellen Hi5 Zellen

Zelllinie CHO XM 111-10 (ETHZ)

Sf-9(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Hi5(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Medium ChoMaster HP-1(Cell Culture Technologies)

Sf900III SFM(Thermo Fisher Scientific)

Express Five(Thermo Fisher Scientific)

Inokulumproduktion BIOSTAT RM 20 mit CultiBag RM 2L Perfusion oder Flexsafe RM 2L Perfusion(Sartorius Stedim Biotech)

Cryobag KryoSure FEP Bags (CellGenix)

OriGen PL Bags (OriGen Biomedical)

Celsius-Pak Bags (Sartorius Stedim Biotech)

FP-Flex Bags (Charter Medical)

EVA bags (Macopharma)

Bioreaktor Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Schuumlttelkolben (Corning)

Mobius CellReady 3L (Thermo Fisher Scientific)

SB10-X (Kuumlhner AG)

Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Analytik Zelldichte Viabilitaumlt durchschnittlicher Zelldurchmesser - Cedex HiRes (Roche)

Substrat- und Metabolitenproduktionen - BioProfile 100 Plus (Nova Biomedical)

Produktkonzentration und ndashaktivitaumlt (teilweise SDS-Page und Tierversuche)

21

Zuumlrcher Fachhochschule

High Seed Fed Batch- anstatt Low Seed Fed Batch-Produktion

22

bull Inokulation des Produktionsbioreaktors mit 1107 Zellen mL-1 anstatt 5105 Zellen mL-1

Ziele Gleiche oder houmlhere mAb-Titer innerhalb kuumlrzerer Zeit Erhoumlhung der Produktionsausbeute gt30 Erhoumlhung der Produktionskapazitaumlt (haumlufiges Bottleneck ist

Produktionsbioreaktor)

Problem Konstante Produktqualitaumlt Voraussetzungen

Grosse Zellmengen fuumlr die Inokulation Geeignetes Kulturmedium

Zuumlrcher Fachhochschule

bull Gut etabliert im USP Tierische Zellkulturen Geruumlhrte und wellendurchmischte Versionen bis

2 m3 Arbeitsvolumen Shift zu Perfusionsmodi in FampE erkennbar

bull Trotz neuer Erkenntnisse und Entwicklungen noch Limitationen Aber Weiteres Wachstum des Single-Use Bioreaktor-

segmentes prognostiziert Neue Biopharmapplikationen Prozesse mit Bakterien

und Pilzen HyPerforma SUF (30 L 300 L) und XDR MO fermentor (50 L

500 L)

Fazit Single-Use Bioreaktoren in biopharmazeutischen Produktionsprozessen

23

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Zellexpansion fuumlr Zelltherapien

bull Ersatz planarer Kultivierungssysteme

Expansion autologer T-Zellen

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren (max 10 L Arbeitsvolumen)

Expansion humaner mesenchymaler Stammzellen

Autologer und allogener Ansatz

Knochenmark- und Fettstammzellen

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Microcarriern(max 150 L Arbeitsvolumen)

24

Foto Lonza Cologne GmbH

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Pflanzenzellbasierte Kosmetik-wirkstoffe Food und Foodsupplemente

bull Pflanzenzellkulturen fuumlr natuumlrliche undnachhaltige Kosmetikprodukte

Mehr als 20 Produkte in letzten 10 Jahren inEuropa

Am bekanntesten PhytoCellTec Malus Domestica Suspensionskulturen und Hairy Roots Prozessentwicklung und teilweise kommerzielle Pro-

duktion in wellendurchmischten Single-Use Bioreaktoren

bull Auswirkungen auf Lebensmittelindustrie Alternative Produktionsmethoden fuumlr Food und

Foodsupplemente Erste Produkte in EU zugelassen (Echigena Plus) Pflanzliche Suspensionskulturen Essbare Biomasse Farbstoffe Aromastoffe Geschmacksstoffe Suumlssungsmittel

25

Zuumlrcher Fachhochschule 26

Waumldenswil

Page 14: SINGLE-USE BIOREAKTOREN IN BIOPHARMAZEUTISCHEN … · Bioreaktor 0.1 - 100 Sartorius Stedim Biotech Wellendurchmischt Bag, zweidimensional CELL-tainer 0.015 - 200 Celltainer Biotech

Zuumlrcher Fachhochschule

Orbital geschuumlttelte Single-Use Bioreaktoren

14

bull Bioverfahrenstechnischer Erkennt-niszuwachs zum orbitalen Schuumltteln

Microwellplatten Tubes und Kolben

Publikationen wwwshakingtechnologycom

Prozess-Scale-up von Tubes und Schuumlttel-kolben auf 3 L Single-Use Fernbachkolben 2 L 10 L und 20 L Bags etc unter Einsatz konventineller Schuumlttler mit speziellen Schuumlttelplattformen wenn mit tierischen Zellkulturen gearbeitet

Entwicklung up-scale barer orbital geschuumlt-telter Single-Use Bioreaktoren fuumlr tierische Zellkulturen

Multitron Cell

3x 2L 2x 10L or 1x 20L

Zuumlrcher Fachhochschule

Orbital geschuumlttelte Single-Use Bioreaktoren (up scale-bar)

15

SB2500-X

10 L 50 L 200 L 2`500 L

Mabion Rituximab (Biosimilar-mAb)

SB200-X

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Orbital geschuumlttelt Bag OrbShake Bioreaktor 1 ndash 2`500 Adolf Kuumlhner

Current Bioreaktor 05 - 300 Hangzhou Amprotein

Bioengineering

Zuumlrcher Fachhochschule

Gegenwaumlrtige Haupteinsatzgebiete der vorgestellten Single-Use Bioreaktoren

bull USP-Prozesse mit tierischen Zellkulturen (1 m3 oder 2 m3)

Saumlugerzellen (und teilweise Insektenzellen)

Produkte

Inokulum

mAbs fuumlr die Therapie von

Krebs- und Autoimmunerkrankungen

biosimilare mAbs

Vakzine fuumlr Mensch und Tier

Verfahren

Fed Batch

Hochleistungszelllinie (gt 5 g L-1)

max 21 d

16

Seed train Inoculum train Antibody expression

Stirred SU bioreactor with 1000L

cultivation bag

Stirred SU bioreactor with 50L200L cultivation bag

Wave-mixed SU bioreactor with 50L200L cultivation bag

Wave-mixed SU bioreactor with 10L20L

cultivation bag1L shake flasksWCB vial

(a) (a)

(b) (b)

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Kultivierungstechnologien mit Single-Use Bio-reaktoren

bull Ziele

Zeit- und Kosteneinsparungen

Erhoumlhung der Raum-Zeit-Ausbeute

Produkt in ausreichender Quanti- und Qualitaumlt

Kurze Prozesszeit Kleiner Scale hohe metabolische Aktivitaumlt

bull Erreichbar durch Prozessintensivierung in Verbindung mit Perfusion

Cell Banking und Inokulumproduktion

LV- oder HCD-WCB Einschrittinokulation und ndashexpansion

Fermentation

Klassische Kontinuierliche Perfusionsproduktion Konzentrierte Fed Batch-Produktion und konzentrierte

kontinuierliche Perfusionsproduktion

High Seed Fed Batch-Produktion

17

Zuumlrcher Fachhochschule 18

Perfusion

SU

centrifuges

SU crossflow

filtrations

devices

Hollow fibers

Macro-

carriers

Internal

Micro-

carriers

SU packed bed

bioreactors

operating with

fiber carriers

Mechanically and

pneumatically

driven SU

bioreactors

Wave-mixed

SU bioreactors

Hollow fiber

SU bioreactors

Hollow fiber

modules

TFF cassettes

ATF devices

Bags with

integrated

membranes

External

Carriers

Stirred and wave-mixed SU

bioreactors

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Welle in USP-Perfusion seit den letzten 5 Jahren

bull Verwendung von Mikro- und Ultrafiltra-tions- anstelle von Dialysemembranen

bull Kontinuierliche Langzeitprozesse uumlber 3 Monate eher selten

bull Beispiele Single-Use Bioreaktoren mit ATF-Modul 50 L bis 2 m3

LG (Korea) CruCell (Niederlande) Transgene (Frankreich) Wuxi (China) Patheon (Australien)

Wellendurchmischte und geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Hohlfasermodul

19

XCellTM ATF 6 Single-use System

Zuumlrcher Fachhochschule

bull LV- oder HCD-WCBs Reduktion der arbeits- und zeitaufwendigen Schritte zur Bereitstellung

des Inokulums fuumlr den Produktionsbioreaktor

Verbesserung der Inokulum- und Produktkonsistenz

bull Voraussetzung fuumlr Bag-to-Bag-Inokulation und Zellexpansion

ohne Zwischenkultivierungsschritte in geruumlhrten wellen-

durchmischten oder orbital geschuumlttelten Single-Use Bioreak-

toren

Cell Banking Einschrittinokulation und -expansion

Thawing from large-volume

working cell bankInoculation Thawing from high cell

density working cell bankInoculation

20

Thawing from

working cell bankCell expansion Inoculation

Bildquelle I Wolfgram 2017

Zuumlrcher Fachhochschule

CHO Zellen Sf-9 Zellen Hi5 Zellen

Zelllinie CHO XM 111-10 (ETHZ)

Sf-9(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Hi5(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Medium ChoMaster HP-1(Cell Culture Technologies)

Sf900III SFM(Thermo Fisher Scientific)

Express Five(Thermo Fisher Scientific)

Inokulumproduktion BIOSTAT RM 20 mit CultiBag RM 2L Perfusion oder Flexsafe RM 2L Perfusion(Sartorius Stedim Biotech)

Cryobag KryoSure FEP Bags (CellGenix)

OriGen PL Bags (OriGen Biomedical)

Celsius-Pak Bags (Sartorius Stedim Biotech)

FP-Flex Bags (Charter Medical)

EVA bags (Macopharma)

Bioreaktor Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Schuumlttelkolben (Corning)

Mobius CellReady 3L (Thermo Fisher Scientific)

SB10-X (Kuumlhner AG)

Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Analytik Zelldichte Viabilitaumlt durchschnittlicher Zelldurchmesser - Cedex HiRes (Roche)

Substrat- und Metabolitenproduktionen - BioProfile 100 Plus (Nova Biomedical)

Produktkonzentration und ndashaktivitaumlt (teilweise SDS-Page und Tierversuche)

21

Zuumlrcher Fachhochschule

High Seed Fed Batch- anstatt Low Seed Fed Batch-Produktion

22

bull Inokulation des Produktionsbioreaktors mit 1107 Zellen mL-1 anstatt 5105 Zellen mL-1

Ziele Gleiche oder houmlhere mAb-Titer innerhalb kuumlrzerer Zeit Erhoumlhung der Produktionsausbeute gt30 Erhoumlhung der Produktionskapazitaumlt (haumlufiges Bottleneck ist

Produktionsbioreaktor)

Problem Konstante Produktqualitaumlt Voraussetzungen

Grosse Zellmengen fuumlr die Inokulation Geeignetes Kulturmedium

Zuumlrcher Fachhochschule

bull Gut etabliert im USP Tierische Zellkulturen Geruumlhrte und wellendurchmischte Versionen bis

2 m3 Arbeitsvolumen Shift zu Perfusionsmodi in FampE erkennbar

bull Trotz neuer Erkenntnisse und Entwicklungen noch Limitationen Aber Weiteres Wachstum des Single-Use Bioreaktor-

segmentes prognostiziert Neue Biopharmapplikationen Prozesse mit Bakterien

und Pilzen HyPerforma SUF (30 L 300 L) und XDR MO fermentor (50 L

500 L)

Fazit Single-Use Bioreaktoren in biopharmazeutischen Produktionsprozessen

23

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Zellexpansion fuumlr Zelltherapien

bull Ersatz planarer Kultivierungssysteme

Expansion autologer T-Zellen

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren (max 10 L Arbeitsvolumen)

Expansion humaner mesenchymaler Stammzellen

Autologer und allogener Ansatz

Knochenmark- und Fettstammzellen

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Microcarriern(max 150 L Arbeitsvolumen)

24

Foto Lonza Cologne GmbH

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Pflanzenzellbasierte Kosmetik-wirkstoffe Food und Foodsupplemente

bull Pflanzenzellkulturen fuumlr natuumlrliche undnachhaltige Kosmetikprodukte

Mehr als 20 Produkte in letzten 10 Jahren inEuropa

Am bekanntesten PhytoCellTec Malus Domestica Suspensionskulturen und Hairy Roots Prozessentwicklung und teilweise kommerzielle Pro-

duktion in wellendurchmischten Single-Use Bioreaktoren

bull Auswirkungen auf Lebensmittelindustrie Alternative Produktionsmethoden fuumlr Food und

Foodsupplemente Erste Produkte in EU zugelassen (Echigena Plus) Pflanzliche Suspensionskulturen Essbare Biomasse Farbstoffe Aromastoffe Geschmacksstoffe Suumlssungsmittel

25

Zuumlrcher Fachhochschule 26

Waumldenswil

Page 15: SINGLE-USE BIOREAKTOREN IN BIOPHARMAZEUTISCHEN … · Bioreaktor 0.1 - 100 Sartorius Stedim Biotech Wellendurchmischt Bag, zweidimensional CELL-tainer 0.015 - 200 Celltainer Biotech

Zuumlrcher Fachhochschule

Orbital geschuumlttelte Single-Use Bioreaktoren (up scale-bar)

15

SB2500-X

10 L 50 L 200 L 2`500 L

Mabion Rituximab (Biosimilar-mAb)

SB200-X

Reaktorkategorie Reaktorname Kapazitaumlt [L] Hersteller

Orbital geschuumlttelt Bag OrbShake Bioreaktor 1 ndash 2`500 Adolf Kuumlhner

Current Bioreaktor 05 - 300 Hangzhou Amprotein

Bioengineering

Zuumlrcher Fachhochschule

Gegenwaumlrtige Haupteinsatzgebiete der vorgestellten Single-Use Bioreaktoren

bull USP-Prozesse mit tierischen Zellkulturen (1 m3 oder 2 m3)

Saumlugerzellen (und teilweise Insektenzellen)

Produkte

Inokulum

mAbs fuumlr die Therapie von

Krebs- und Autoimmunerkrankungen

biosimilare mAbs

Vakzine fuumlr Mensch und Tier

Verfahren

Fed Batch

Hochleistungszelllinie (gt 5 g L-1)

max 21 d

16

Seed train Inoculum train Antibody expression

Stirred SU bioreactor with 1000L

cultivation bag

Stirred SU bioreactor with 50L200L cultivation bag

Wave-mixed SU bioreactor with 50L200L cultivation bag

Wave-mixed SU bioreactor with 10L20L

cultivation bag1L shake flasksWCB vial

(a) (a)

(b) (b)

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Kultivierungstechnologien mit Single-Use Bio-reaktoren

bull Ziele

Zeit- und Kosteneinsparungen

Erhoumlhung der Raum-Zeit-Ausbeute

Produkt in ausreichender Quanti- und Qualitaumlt

Kurze Prozesszeit Kleiner Scale hohe metabolische Aktivitaumlt

bull Erreichbar durch Prozessintensivierung in Verbindung mit Perfusion

Cell Banking und Inokulumproduktion

LV- oder HCD-WCB Einschrittinokulation und ndashexpansion

Fermentation

Klassische Kontinuierliche Perfusionsproduktion Konzentrierte Fed Batch-Produktion und konzentrierte

kontinuierliche Perfusionsproduktion

High Seed Fed Batch-Produktion

17

Zuumlrcher Fachhochschule 18

Perfusion

SU

centrifuges

SU crossflow

filtrations

devices

Hollow fibers

Macro-

carriers

Internal

Micro-

carriers

SU packed bed

bioreactors

operating with

fiber carriers

Mechanically and

pneumatically

driven SU

bioreactors

Wave-mixed

SU bioreactors

Hollow fiber

SU bioreactors

Hollow fiber

modules

TFF cassettes

ATF devices

Bags with

integrated

membranes

External

Carriers

Stirred and wave-mixed SU

bioreactors

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Welle in USP-Perfusion seit den letzten 5 Jahren

bull Verwendung von Mikro- und Ultrafiltra-tions- anstelle von Dialysemembranen

bull Kontinuierliche Langzeitprozesse uumlber 3 Monate eher selten

bull Beispiele Single-Use Bioreaktoren mit ATF-Modul 50 L bis 2 m3

LG (Korea) CruCell (Niederlande) Transgene (Frankreich) Wuxi (China) Patheon (Australien)

Wellendurchmischte und geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Hohlfasermodul

19

XCellTM ATF 6 Single-use System

Zuumlrcher Fachhochschule

bull LV- oder HCD-WCBs Reduktion der arbeits- und zeitaufwendigen Schritte zur Bereitstellung

des Inokulums fuumlr den Produktionsbioreaktor

Verbesserung der Inokulum- und Produktkonsistenz

bull Voraussetzung fuumlr Bag-to-Bag-Inokulation und Zellexpansion

ohne Zwischenkultivierungsschritte in geruumlhrten wellen-

durchmischten oder orbital geschuumlttelten Single-Use Bioreak-

toren

Cell Banking Einschrittinokulation und -expansion

Thawing from large-volume

working cell bankInoculation Thawing from high cell

density working cell bankInoculation

20

Thawing from

working cell bankCell expansion Inoculation

Bildquelle I Wolfgram 2017

Zuumlrcher Fachhochschule

CHO Zellen Sf-9 Zellen Hi5 Zellen

Zelllinie CHO XM 111-10 (ETHZ)

Sf-9(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Hi5(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Medium ChoMaster HP-1(Cell Culture Technologies)

Sf900III SFM(Thermo Fisher Scientific)

Express Five(Thermo Fisher Scientific)

Inokulumproduktion BIOSTAT RM 20 mit CultiBag RM 2L Perfusion oder Flexsafe RM 2L Perfusion(Sartorius Stedim Biotech)

Cryobag KryoSure FEP Bags (CellGenix)

OriGen PL Bags (OriGen Biomedical)

Celsius-Pak Bags (Sartorius Stedim Biotech)

FP-Flex Bags (Charter Medical)

EVA bags (Macopharma)

Bioreaktor Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Schuumlttelkolben (Corning)

Mobius CellReady 3L (Thermo Fisher Scientific)

SB10-X (Kuumlhner AG)

Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Analytik Zelldichte Viabilitaumlt durchschnittlicher Zelldurchmesser - Cedex HiRes (Roche)

Substrat- und Metabolitenproduktionen - BioProfile 100 Plus (Nova Biomedical)

Produktkonzentration und ndashaktivitaumlt (teilweise SDS-Page und Tierversuche)

21

Zuumlrcher Fachhochschule

High Seed Fed Batch- anstatt Low Seed Fed Batch-Produktion

22

bull Inokulation des Produktionsbioreaktors mit 1107 Zellen mL-1 anstatt 5105 Zellen mL-1

Ziele Gleiche oder houmlhere mAb-Titer innerhalb kuumlrzerer Zeit Erhoumlhung der Produktionsausbeute gt30 Erhoumlhung der Produktionskapazitaumlt (haumlufiges Bottleneck ist

Produktionsbioreaktor)

Problem Konstante Produktqualitaumlt Voraussetzungen

Grosse Zellmengen fuumlr die Inokulation Geeignetes Kulturmedium

Zuumlrcher Fachhochschule

bull Gut etabliert im USP Tierische Zellkulturen Geruumlhrte und wellendurchmischte Versionen bis

2 m3 Arbeitsvolumen Shift zu Perfusionsmodi in FampE erkennbar

bull Trotz neuer Erkenntnisse und Entwicklungen noch Limitationen Aber Weiteres Wachstum des Single-Use Bioreaktor-

segmentes prognostiziert Neue Biopharmapplikationen Prozesse mit Bakterien

und Pilzen HyPerforma SUF (30 L 300 L) und XDR MO fermentor (50 L

500 L)

Fazit Single-Use Bioreaktoren in biopharmazeutischen Produktionsprozessen

23

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Zellexpansion fuumlr Zelltherapien

bull Ersatz planarer Kultivierungssysteme

Expansion autologer T-Zellen

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren (max 10 L Arbeitsvolumen)

Expansion humaner mesenchymaler Stammzellen

Autologer und allogener Ansatz

Knochenmark- und Fettstammzellen

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Microcarriern(max 150 L Arbeitsvolumen)

24

Foto Lonza Cologne GmbH

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Pflanzenzellbasierte Kosmetik-wirkstoffe Food und Foodsupplemente

bull Pflanzenzellkulturen fuumlr natuumlrliche undnachhaltige Kosmetikprodukte

Mehr als 20 Produkte in letzten 10 Jahren inEuropa

Am bekanntesten PhytoCellTec Malus Domestica Suspensionskulturen und Hairy Roots Prozessentwicklung und teilweise kommerzielle Pro-

duktion in wellendurchmischten Single-Use Bioreaktoren

bull Auswirkungen auf Lebensmittelindustrie Alternative Produktionsmethoden fuumlr Food und

Foodsupplemente Erste Produkte in EU zugelassen (Echigena Plus) Pflanzliche Suspensionskulturen Essbare Biomasse Farbstoffe Aromastoffe Geschmacksstoffe Suumlssungsmittel

25

Zuumlrcher Fachhochschule 26

Waumldenswil

Page 16: SINGLE-USE BIOREAKTOREN IN BIOPHARMAZEUTISCHEN … · Bioreaktor 0.1 - 100 Sartorius Stedim Biotech Wellendurchmischt Bag, zweidimensional CELL-tainer 0.015 - 200 Celltainer Biotech

Zuumlrcher Fachhochschule

Gegenwaumlrtige Haupteinsatzgebiete der vorgestellten Single-Use Bioreaktoren

bull USP-Prozesse mit tierischen Zellkulturen (1 m3 oder 2 m3)

Saumlugerzellen (und teilweise Insektenzellen)

Produkte

Inokulum

mAbs fuumlr die Therapie von

Krebs- und Autoimmunerkrankungen

biosimilare mAbs

Vakzine fuumlr Mensch und Tier

Verfahren

Fed Batch

Hochleistungszelllinie (gt 5 g L-1)

max 21 d

16

Seed train Inoculum train Antibody expression

Stirred SU bioreactor with 1000L

cultivation bag

Stirred SU bioreactor with 50L200L cultivation bag

Wave-mixed SU bioreactor with 50L200L cultivation bag

Wave-mixed SU bioreactor with 10L20L

cultivation bag1L shake flasksWCB vial

(a) (a)

(b) (b)

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Kultivierungstechnologien mit Single-Use Bio-reaktoren

bull Ziele

Zeit- und Kosteneinsparungen

Erhoumlhung der Raum-Zeit-Ausbeute

Produkt in ausreichender Quanti- und Qualitaumlt

Kurze Prozesszeit Kleiner Scale hohe metabolische Aktivitaumlt

bull Erreichbar durch Prozessintensivierung in Verbindung mit Perfusion

Cell Banking und Inokulumproduktion

LV- oder HCD-WCB Einschrittinokulation und ndashexpansion

Fermentation

Klassische Kontinuierliche Perfusionsproduktion Konzentrierte Fed Batch-Produktion und konzentrierte

kontinuierliche Perfusionsproduktion

High Seed Fed Batch-Produktion

17

Zuumlrcher Fachhochschule 18

Perfusion

SU

centrifuges

SU crossflow

filtrations

devices

Hollow fibers

Macro-

carriers

Internal

Micro-

carriers

SU packed bed

bioreactors

operating with

fiber carriers

Mechanically and

pneumatically

driven SU

bioreactors

Wave-mixed

SU bioreactors

Hollow fiber

SU bioreactors

Hollow fiber

modules

TFF cassettes

ATF devices

Bags with

integrated

membranes

External

Carriers

Stirred and wave-mixed SU

bioreactors

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Welle in USP-Perfusion seit den letzten 5 Jahren

bull Verwendung von Mikro- und Ultrafiltra-tions- anstelle von Dialysemembranen

bull Kontinuierliche Langzeitprozesse uumlber 3 Monate eher selten

bull Beispiele Single-Use Bioreaktoren mit ATF-Modul 50 L bis 2 m3

LG (Korea) CruCell (Niederlande) Transgene (Frankreich) Wuxi (China) Patheon (Australien)

Wellendurchmischte und geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Hohlfasermodul

19

XCellTM ATF 6 Single-use System

Zuumlrcher Fachhochschule

bull LV- oder HCD-WCBs Reduktion der arbeits- und zeitaufwendigen Schritte zur Bereitstellung

des Inokulums fuumlr den Produktionsbioreaktor

Verbesserung der Inokulum- und Produktkonsistenz

bull Voraussetzung fuumlr Bag-to-Bag-Inokulation und Zellexpansion

ohne Zwischenkultivierungsschritte in geruumlhrten wellen-

durchmischten oder orbital geschuumlttelten Single-Use Bioreak-

toren

Cell Banking Einschrittinokulation und -expansion

Thawing from large-volume

working cell bankInoculation Thawing from high cell

density working cell bankInoculation

20

Thawing from

working cell bankCell expansion Inoculation

Bildquelle I Wolfgram 2017

Zuumlrcher Fachhochschule

CHO Zellen Sf-9 Zellen Hi5 Zellen

Zelllinie CHO XM 111-10 (ETHZ)

Sf-9(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Hi5(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Medium ChoMaster HP-1(Cell Culture Technologies)

Sf900III SFM(Thermo Fisher Scientific)

Express Five(Thermo Fisher Scientific)

Inokulumproduktion BIOSTAT RM 20 mit CultiBag RM 2L Perfusion oder Flexsafe RM 2L Perfusion(Sartorius Stedim Biotech)

Cryobag KryoSure FEP Bags (CellGenix)

OriGen PL Bags (OriGen Biomedical)

Celsius-Pak Bags (Sartorius Stedim Biotech)

FP-Flex Bags (Charter Medical)

EVA bags (Macopharma)

Bioreaktor Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Schuumlttelkolben (Corning)

Mobius CellReady 3L (Thermo Fisher Scientific)

SB10-X (Kuumlhner AG)

Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Analytik Zelldichte Viabilitaumlt durchschnittlicher Zelldurchmesser - Cedex HiRes (Roche)

Substrat- und Metabolitenproduktionen - BioProfile 100 Plus (Nova Biomedical)

Produktkonzentration und ndashaktivitaumlt (teilweise SDS-Page und Tierversuche)

21

Zuumlrcher Fachhochschule

High Seed Fed Batch- anstatt Low Seed Fed Batch-Produktion

22

bull Inokulation des Produktionsbioreaktors mit 1107 Zellen mL-1 anstatt 5105 Zellen mL-1

Ziele Gleiche oder houmlhere mAb-Titer innerhalb kuumlrzerer Zeit Erhoumlhung der Produktionsausbeute gt30 Erhoumlhung der Produktionskapazitaumlt (haumlufiges Bottleneck ist

Produktionsbioreaktor)

Problem Konstante Produktqualitaumlt Voraussetzungen

Grosse Zellmengen fuumlr die Inokulation Geeignetes Kulturmedium

Zuumlrcher Fachhochschule

bull Gut etabliert im USP Tierische Zellkulturen Geruumlhrte und wellendurchmischte Versionen bis

2 m3 Arbeitsvolumen Shift zu Perfusionsmodi in FampE erkennbar

bull Trotz neuer Erkenntnisse und Entwicklungen noch Limitationen Aber Weiteres Wachstum des Single-Use Bioreaktor-

segmentes prognostiziert Neue Biopharmapplikationen Prozesse mit Bakterien

und Pilzen HyPerforma SUF (30 L 300 L) und XDR MO fermentor (50 L

500 L)

Fazit Single-Use Bioreaktoren in biopharmazeutischen Produktionsprozessen

23

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Zellexpansion fuumlr Zelltherapien

bull Ersatz planarer Kultivierungssysteme

Expansion autologer T-Zellen

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren (max 10 L Arbeitsvolumen)

Expansion humaner mesenchymaler Stammzellen

Autologer und allogener Ansatz

Knochenmark- und Fettstammzellen

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Microcarriern(max 150 L Arbeitsvolumen)

24

Foto Lonza Cologne GmbH

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Pflanzenzellbasierte Kosmetik-wirkstoffe Food und Foodsupplemente

bull Pflanzenzellkulturen fuumlr natuumlrliche undnachhaltige Kosmetikprodukte

Mehr als 20 Produkte in letzten 10 Jahren inEuropa

Am bekanntesten PhytoCellTec Malus Domestica Suspensionskulturen und Hairy Roots Prozessentwicklung und teilweise kommerzielle Pro-

duktion in wellendurchmischten Single-Use Bioreaktoren

bull Auswirkungen auf Lebensmittelindustrie Alternative Produktionsmethoden fuumlr Food und

Foodsupplemente Erste Produkte in EU zugelassen (Echigena Plus) Pflanzliche Suspensionskulturen Essbare Biomasse Farbstoffe Aromastoffe Geschmacksstoffe Suumlssungsmittel

25

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Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Kultivierungstechnologien mit Single-Use Bio-reaktoren

bull Ziele

Zeit- und Kosteneinsparungen

Erhoumlhung der Raum-Zeit-Ausbeute

Produkt in ausreichender Quanti- und Qualitaumlt

Kurze Prozesszeit Kleiner Scale hohe metabolische Aktivitaumlt

bull Erreichbar durch Prozessintensivierung in Verbindung mit Perfusion

Cell Banking und Inokulumproduktion

LV- oder HCD-WCB Einschrittinokulation und ndashexpansion

Fermentation

Klassische Kontinuierliche Perfusionsproduktion Konzentrierte Fed Batch-Produktion und konzentrierte

kontinuierliche Perfusionsproduktion

High Seed Fed Batch-Produktion

17

Zuumlrcher Fachhochschule 18

Perfusion

SU

centrifuges

SU crossflow

filtrations

devices

Hollow fibers

Macro-

carriers

Internal

Micro-

carriers

SU packed bed

bioreactors

operating with

fiber carriers

Mechanically and

pneumatically

driven SU

bioreactors

Wave-mixed

SU bioreactors

Hollow fiber

SU bioreactors

Hollow fiber

modules

TFF cassettes

ATF devices

Bags with

integrated

membranes

External

Carriers

Stirred and wave-mixed SU

bioreactors

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Welle in USP-Perfusion seit den letzten 5 Jahren

bull Verwendung von Mikro- und Ultrafiltra-tions- anstelle von Dialysemembranen

bull Kontinuierliche Langzeitprozesse uumlber 3 Monate eher selten

bull Beispiele Single-Use Bioreaktoren mit ATF-Modul 50 L bis 2 m3

LG (Korea) CruCell (Niederlande) Transgene (Frankreich) Wuxi (China) Patheon (Australien)

Wellendurchmischte und geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Hohlfasermodul

19

XCellTM ATF 6 Single-use System

Zuumlrcher Fachhochschule

bull LV- oder HCD-WCBs Reduktion der arbeits- und zeitaufwendigen Schritte zur Bereitstellung

des Inokulums fuumlr den Produktionsbioreaktor

Verbesserung der Inokulum- und Produktkonsistenz

bull Voraussetzung fuumlr Bag-to-Bag-Inokulation und Zellexpansion

ohne Zwischenkultivierungsschritte in geruumlhrten wellen-

durchmischten oder orbital geschuumlttelten Single-Use Bioreak-

toren

Cell Banking Einschrittinokulation und -expansion

Thawing from large-volume

working cell bankInoculation Thawing from high cell

density working cell bankInoculation

20

Thawing from

working cell bankCell expansion Inoculation

Bildquelle I Wolfgram 2017

Zuumlrcher Fachhochschule

CHO Zellen Sf-9 Zellen Hi5 Zellen

Zelllinie CHO XM 111-10 (ETHZ)

Sf-9(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Hi5(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Medium ChoMaster HP-1(Cell Culture Technologies)

Sf900III SFM(Thermo Fisher Scientific)

Express Five(Thermo Fisher Scientific)

Inokulumproduktion BIOSTAT RM 20 mit CultiBag RM 2L Perfusion oder Flexsafe RM 2L Perfusion(Sartorius Stedim Biotech)

Cryobag KryoSure FEP Bags (CellGenix)

OriGen PL Bags (OriGen Biomedical)

Celsius-Pak Bags (Sartorius Stedim Biotech)

FP-Flex Bags (Charter Medical)

EVA bags (Macopharma)

Bioreaktor Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Schuumlttelkolben (Corning)

Mobius CellReady 3L (Thermo Fisher Scientific)

SB10-X (Kuumlhner AG)

Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Analytik Zelldichte Viabilitaumlt durchschnittlicher Zelldurchmesser - Cedex HiRes (Roche)

Substrat- und Metabolitenproduktionen - BioProfile 100 Plus (Nova Biomedical)

Produktkonzentration und ndashaktivitaumlt (teilweise SDS-Page und Tierversuche)

21

Zuumlrcher Fachhochschule

High Seed Fed Batch- anstatt Low Seed Fed Batch-Produktion

22

bull Inokulation des Produktionsbioreaktors mit 1107 Zellen mL-1 anstatt 5105 Zellen mL-1

Ziele Gleiche oder houmlhere mAb-Titer innerhalb kuumlrzerer Zeit Erhoumlhung der Produktionsausbeute gt30 Erhoumlhung der Produktionskapazitaumlt (haumlufiges Bottleneck ist

Produktionsbioreaktor)

Problem Konstante Produktqualitaumlt Voraussetzungen

Grosse Zellmengen fuumlr die Inokulation Geeignetes Kulturmedium

Zuumlrcher Fachhochschule

bull Gut etabliert im USP Tierische Zellkulturen Geruumlhrte und wellendurchmischte Versionen bis

2 m3 Arbeitsvolumen Shift zu Perfusionsmodi in FampE erkennbar

bull Trotz neuer Erkenntnisse und Entwicklungen noch Limitationen Aber Weiteres Wachstum des Single-Use Bioreaktor-

segmentes prognostiziert Neue Biopharmapplikationen Prozesse mit Bakterien

und Pilzen HyPerforma SUF (30 L 300 L) und XDR MO fermentor (50 L

500 L)

Fazit Single-Use Bioreaktoren in biopharmazeutischen Produktionsprozessen

23

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Zellexpansion fuumlr Zelltherapien

bull Ersatz planarer Kultivierungssysteme

Expansion autologer T-Zellen

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren (max 10 L Arbeitsvolumen)

Expansion humaner mesenchymaler Stammzellen

Autologer und allogener Ansatz

Knochenmark- und Fettstammzellen

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Microcarriern(max 150 L Arbeitsvolumen)

24

Foto Lonza Cologne GmbH

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Pflanzenzellbasierte Kosmetik-wirkstoffe Food und Foodsupplemente

bull Pflanzenzellkulturen fuumlr natuumlrliche undnachhaltige Kosmetikprodukte

Mehr als 20 Produkte in letzten 10 Jahren inEuropa

Am bekanntesten PhytoCellTec Malus Domestica Suspensionskulturen und Hairy Roots Prozessentwicklung und teilweise kommerzielle Pro-

duktion in wellendurchmischten Single-Use Bioreaktoren

bull Auswirkungen auf Lebensmittelindustrie Alternative Produktionsmethoden fuumlr Food und

Foodsupplemente Erste Produkte in EU zugelassen (Echigena Plus) Pflanzliche Suspensionskulturen Essbare Biomasse Farbstoffe Aromastoffe Geschmacksstoffe Suumlssungsmittel

25

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Perfusion

SU

centrifuges

SU crossflow

filtrations

devices

Hollow fibers

Macro-

carriers

Internal

Micro-

carriers

SU packed bed

bioreactors

operating with

fiber carriers

Mechanically and

pneumatically

driven SU

bioreactors

Wave-mixed

SU bioreactors

Hollow fiber

SU bioreactors

Hollow fiber

modules

TFF cassettes

ATF devices

Bags with

integrated

membranes

External

Carriers

Stirred and wave-mixed SU

bioreactors

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Welle in USP-Perfusion seit den letzten 5 Jahren

bull Verwendung von Mikro- und Ultrafiltra-tions- anstelle von Dialysemembranen

bull Kontinuierliche Langzeitprozesse uumlber 3 Monate eher selten

bull Beispiele Single-Use Bioreaktoren mit ATF-Modul 50 L bis 2 m3

LG (Korea) CruCell (Niederlande) Transgene (Frankreich) Wuxi (China) Patheon (Australien)

Wellendurchmischte und geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Hohlfasermodul

19

XCellTM ATF 6 Single-use System

Zuumlrcher Fachhochschule

bull LV- oder HCD-WCBs Reduktion der arbeits- und zeitaufwendigen Schritte zur Bereitstellung

des Inokulums fuumlr den Produktionsbioreaktor

Verbesserung der Inokulum- und Produktkonsistenz

bull Voraussetzung fuumlr Bag-to-Bag-Inokulation und Zellexpansion

ohne Zwischenkultivierungsschritte in geruumlhrten wellen-

durchmischten oder orbital geschuumlttelten Single-Use Bioreak-

toren

Cell Banking Einschrittinokulation und -expansion

Thawing from large-volume

working cell bankInoculation Thawing from high cell

density working cell bankInoculation

20

Thawing from

working cell bankCell expansion Inoculation

Bildquelle I Wolfgram 2017

Zuumlrcher Fachhochschule

CHO Zellen Sf-9 Zellen Hi5 Zellen

Zelllinie CHO XM 111-10 (ETHZ)

Sf-9(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Hi5(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Medium ChoMaster HP-1(Cell Culture Technologies)

Sf900III SFM(Thermo Fisher Scientific)

Express Five(Thermo Fisher Scientific)

Inokulumproduktion BIOSTAT RM 20 mit CultiBag RM 2L Perfusion oder Flexsafe RM 2L Perfusion(Sartorius Stedim Biotech)

Cryobag KryoSure FEP Bags (CellGenix)

OriGen PL Bags (OriGen Biomedical)

Celsius-Pak Bags (Sartorius Stedim Biotech)

FP-Flex Bags (Charter Medical)

EVA bags (Macopharma)

Bioreaktor Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Schuumlttelkolben (Corning)

Mobius CellReady 3L (Thermo Fisher Scientific)

SB10-X (Kuumlhner AG)

Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Analytik Zelldichte Viabilitaumlt durchschnittlicher Zelldurchmesser - Cedex HiRes (Roche)

Substrat- und Metabolitenproduktionen - BioProfile 100 Plus (Nova Biomedical)

Produktkonzentration und ndashaktivitaumlt (teilweise SDS-Page und Tierversuche)

21

Zuumlrcher Fachhochschule

High Seed Fed Batch- anstatt Low Seed Fed Batch-Produktion

22

bull Inokulation des Produktionsbioreaktors mit 1107 Zellen mL-1 anstatt 5105 Zellen mL-1

Ziele Gleiche oder houmlhere mAb-Titer innerhalb kuumlrzerer Zeit Erhoumlhung der Produktionsausbeute gt30 Erhoumlhung der Produktionskapazitaumlt (haumlufiges Bottleneck ist

Produktionsbioreaktor)

Problem Konstante Produktqualitaumlt Voraussetzungen

Grosse Zellmengen fuumlr die Inokulation Geeignetes Kulturmedium

Zuumlrcher Fachhochschule

bull Gut etabliert im USP Tierische Zellkulturen Geruumlhrte und wellendurchmischte Versionen bis

2 m3 Arbeitsvolumen Shift zu Perfusionsmodi in FampE erkennbar

bull Trotz neuer Erkenntnisse und Entwicklungen noch Limitationen Aber Weiteres Wachstum des Single-Use Bioreaktor-

segmentes prognostiziert Neue Biopharmapplikationen Prozesse mit Bakterien

und Pilzen HyPerforma SUF (30 L 300 L) und XDR MO fermentor (50 L

500 L)

Fazit Single-Use Bioreaktoren in biopharmazeutischen Produktionsprozessen

23

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Zellexpansion fuumlr Zelltherapien

bull Ersatz planarer Kultivierungssysteme

Expansion autologer T-Zellen

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren (max 10 L Arbeitsvolumen)

Expansion humaner mesenchymaler Stammzellen

Autologer und allogener Ansatz

Knochenmark- und Fettstammzellen

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Microcarriern(max 150 L Arbeitsvolumen)

24

Foto Lonza Cologne GmbH

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Pflanzenzellbasierte Kosmetik-wirkstoffe Food und Foodsupplemente

bull Pflanzenzellkulturen fuumlr natuumlrliche undnachhaltige Kosmetikprodukte

Mehr als 20 Produkte in letzten 10 Jahren inEuropa

Am bekanntesten PhytoCellTec Malus Domestica Suspensionskulturen und Hairy Roots Prozessentwicklung und teilweise kommerzielle Pro-

duktion in wellendurchmischten Single-Use Bioreaktoren

bull Auswirkungen auf Lebensmittelindustrie Alternative Produktionsmethoden fuumlr Food und

Foodsupplemente Erste Produkte in EU zugelassen (Echigena Plus) Pflanzliche Suspensionskulturen Essbare Biomasse Farbstoffe Aromastoffe Geschmacksstoffe Suumlssungsmittel

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Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Welle in USP-Perfusion seit den letzten 5 Jahren

bull Verwendung von Mikro- und Ultrafiltra-tions- anstelle von Dialysemembranen

bull Kontinuierliche Langzeitprozesse uumlber 3 Monate eher selten

bull Beispiele Single-Use Bioreaktoren mit ATF-Modul 50 L bis 2 m3

LG (Korea) CruCell (Niederlande) Transgene (Frankreich) Wuxi (China) Patheon (Australien)

Wellendurchmischte und geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Hohlfasermodul

19

XCellTM ATF 6 Single-use System

Zuumlrcher Fachhochschule

bull LV- oder HCD-WCBs Reduktion der arbeits- und zeitaufwendigen Schritte zur Bereitstellung

des Inokulums fuumlr den Produktionsbioreaktor

Verbesserung der Inokulum- und Produktkonsistenz

bull Voraussetzung fuumlr Bag-to-Bag-Inokulation und Zellexpansion

ohne Zwischenkultivierungsschritte in geruumlhrten wellen-

durchmischten oder orbital geschuumlttelten Single-Use Bioreak-

toren

Cell Banking Einschrittinokulation und -expansion

Thawing from large-volume

working cell bankInoculation Thawing from high cell

density working cell bankInoculation

20

Thawing from

working cell bankCell expansion Inoculation

Bildquelle I Wolfgram 2017

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CHO Zellen Sf-9 Zellen Hi5 Zellen

Zelllinie CHO XM 111-10 (ETHZ)

Sf-9(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Hi5(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Medium ChoMaster HP-1(Cell Culture Technologies)

Sf900III SFM(Thermo Fisher Scientific)

Express Five(Thermo Fisher Scientific)

Inokulumproduktion BIOSTAT RM 20 mit CultiBag RM 2L Perfusion oder Flexsafe RM 2L Perfusion(Sartorius Stedim Biotech)

Cryobag KryoSure FEP Bags (CellGenix)

OriGen PL Bags (OriGen Biomedical)

Celsius-Pak Bags (Sartorius Stedim Biotech)

FP-Flex Bags (Charter Medical)

EVA bags (Macopharma)

Bioreaktor Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Schuumlttelkolben (Corning)

Mobius CellReady 3L (Thermo Fisher Scientific)

SB10-X (Kuumlhner AG)

Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Analytik Zelldichte Viabilitaumlt durchschnittlicher Zelldurchmesser - Cedex HiRes (Roche)

Substrat- und Metabolitenproduktionen - BioProfile 100 Plus (Nova Biomedical)

Produktkonzentration und ndashaktivitaumlt (teilweise SDS-Page und Tierversuche)

21

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High Seed Fed Batch- anstatt Low Seed Fed Batch-Produktion

22

bull Inokulation des Produktionsbioreaktors mit 1107 Zellen mL-1 anstatt 5105 Zellen mL-1

Ziele Gleiche oder houmlhere mAb-Titer innerhalb kuumlrzerer Zeit Erhoumlhung der Produktionsausbeute gt30 Erhoumlhung der Produktionskapazitaumlt (haumlufiges Bottleneck ist

Produktionsbioreaktor)

Problem Konstante Produktqualitaumlt Voraussetzungen

Grosse Zellmengen fuumlr die Inokulation Geeignetes Kulturmedium

Zuumlrcher Fachhochschule

bull Gut etabliert im USP Tierische Zellkulturen Geruumlhrte und wellendurchmischte Versionen bis

2 m3 Arbeitsvolumen Shift zu Perfusionsmodi in FampE erkennbar

bull Trotz neuer Erkenntnisse und Entwicklungen noch Limitationen Aber Weiteres Wachstum des Single-Use Bioreaktor-

segmentes prognostiziert Neue Biopharmapplikationen Prozesse mit Bakterien

und Pilzen HyPerforma SUF (30 L 300 L) und XDR MO fermentor (50 L

500 L)

Fazit Single-Use Bioreaktoren in biopharmazeutischen Produktionsprozessen

23

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Zellexpansion fuumlr Zelltherapien

bull Ersatz planarer Kultivierungssysteme

Expansion autologer T-Zellen

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren (max 10 L Arbeitsvolumen)

Expansion humaner mesenchymaler Stammzellen

Autologer und allogener Ansatz

Knochenmark- und Fettstammzellen

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Microcarriern(max 150 L Arbeitsvolumen)

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Foto Lonza Cologne GmbH

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Neue Applikationen Pflanzenzellbasierte Kosmetik-wirkstoffe Food und Foodsupplemente

bull Pflanzenzellkulturen fuumlr natuumlrliche undnachhaltige Kosmetikprodukte

Mehr als 20 Produkte in letzten 10 Jahren inEuropa

Am bekanntesten PhytoCellTec Malus Domestica Suspensionskulturen und Hairy Roots Prozessentwicklung und teilweise kommerzielle Pro-

duktion in wellendurchmischten Single-Use Bioreaktoren

bull Auswirkungen auf Lebensmittelindustrie Alternative Produktionsmethoden fuumlr Food und

Foodsupplemente Erste Produkte in EU zugelassen (Echigena Plus) Pflanzliche Suspensionskulturen Essbare Biomasse Farbstoffe Aromastoffe Geschmacksstoffe Suumlssungsmittel

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bull LV- oder HCD-WCBs Reduktion der arbeits- und zeitaufwendigen Schritte zur Bereitstellung

des Inokulums fuumlr den Produktionsbioreaktor

Verbesserung der Inokulum- und Produktkonsistenz

bull Voraussetzung fuumlr Bag-to-Bag-Inokulation und Zellexpansion

ohne Zwischenkultivierungsschritte in geruumlhrten wellen-

durchmischten oder orbital geschuumlttelten Single-Use Bioreak-

toren

Cell Banking Einschrittinokulation und -expansion

Thawing from large-volume

working cell bankInoculation Thawing from high cell

density working cell bankInoculation

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Thawing from

working cell bankCell expansion Inoculation

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CHO Zellen Sf-9 Zellen Hi5 Zellen

Zelllinie CHO XM 111-10 (ETHZ)

Sf-9(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Hi5(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Medium ChoMaster HP-1(Cell Culture Technologies)

Sf900III SFM(Thermo Fisher Scientific)

Express Five(Thermo Fisher Scientific)

Inokulumproduktion BIOSTAT RM 20 mit CultiBag RM 2L Perfusion oder Flexsafe RM 2L Perfusion(Sartorius Stedim Biotech)

Cryobag KryoSure FEP Bags (CellGenix)

OriGen PL Bags (OriGen Biomedical)

Celsius-Pak Bags (Sartorius Stedim Biotech)

FP-Flex Bags (Charter Medical)

EVA bags (Macopharma)

Bioreaktor Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Schuumlttelkolben (Corning)

Mobius CellReady 3L (Thermo Fisher Scientific)

SB10-X (Kuumlhner AG)

Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Analytik Zelldichte Viabilitaumlt durchschnittlicher Zelldurchmesser - Cedex HiRes (Roche)

Substrat- und Metabolitenproduktionen - BioProfile 100 Plus (Nova Biomedical)

Produktkonzentration und ndashaktivitaumlt (teilweise SDS-Page und Tierversuche)

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High Seed Fed Batch- anstatt Low Seed Fed Batch-Produktion

22

bull Inokulation des Produktionsbioreaktors mit 1107 Zellen mL-1 anstatt 5105 Zellen mL-1

Ziele Gleiche oder houmlhere mAb-Titer innerhalb kuumlrzerer Zeit Erhoumlhung der Produktionsausbeute gt30 Erhoumlhung der Produktionskapazitaumlt (haumlufiges Bottleneck ist

Produktionsbioreaktor)

Problem Konstante Produktqualitaumlt Voraussetzungen

Grosse Zellmengen fuumlr die Inokulation Geeignetes Kulturmedium

Zuumlrcher Fachhochschule

bull Gut etabliert im USP Tierische Zellkulturen Geruumlhrte und wellendurchmischte Versionen bis

2 m3 Arbeitsvolumen Shift zu Perfusionsmodi in FampE erkennbar

bull Trotz neuer Erkenntnisse und Entwicklungen noch Limitationen Aber Weiteres Wachstum des Single-Use Bioreaktor-

segmentes prognostiziert Neue Biopharmapplikationen Prozesse mit Bakterien

und Pilzen HyPerforma SUF (30 L 300 L) und XDR MO fermentor (50 L

500 L)

Fazit Single-Use Bioreaktoren in biopharmazeutischen Produktionsprozessen

23

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Zellexpansion fuumlr Zelltherapien

bull Ersatz planarer Kultivierungssysteme

Expansion autologer T-Zellen

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren (max 10 L Arbeitsvolumen)

Expansion humaner mesenchymaler Stammzellen

Autologer und allogener Ansatz

Knochenmark- und Fettstammzellen

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Microcarriern(max 150 L Arbeitsvolumen)

24

Foto Lonza Cologne GmbH

Zuumlrcher Fachhochschule

Neue Applikationen Pflanzenzellbasierte Kosmetik-wirkstoffe Food und Foodsupplemente

bull Pflanzenzellkulturen fuumlr natuumlrliche undnachhaltige Kosmetikprodukte

Mehr als 20 Produkte in letzten 10 Jahren inEuropa

Am bekanntesten PhytoCellTec Malus Domestica Suspensionskulturen und Hairy Roots Prozessentwicklung und teilweise kommerzielle Pro-

duktion in wellendurchmischten Single-Use Bioreaktoren

bull Auswirkungen auf Lebensmittelindustrie Alternative Produktionsmethoden fuumlr Food und

Foodsupplemente Erste Produkte in EU zugelassen (Echigena Plus) Pflanzliche Suspensionskulturen Essbare Biomasse Farbstoffe Aromastoffe Geschmacksstoffe Suumlssungsmittel

25

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Page 21: SINGLE-USE BIOREAKTOREN IN BIOPHARMAZEUTISCHEN … · Bioreaktor 0.1 - 100 Sartorius Stedim Biotech Wellendurchmischt Bag, zweidimensional CELL-tainer 0.015 - 200 Celltainer Biotech

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CHO Zellen Sf-9 Zellen Hi5 Zellen

Zelllinie CHO XM 111-10 (ETHZ)

Sf-9(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Hi5(GibcoThermo Fisher

Scientific)

Medium ChoMaster HP-1(Cell Culture Technologies)

Sf900III SFM(Thermo Fisher Scientific)

Express Five(Thermo Fisher Scientific)

Inokulumproduktion BIOSTAT RM 20 mit CultiBag RM 2L Perfusion oder Flexsafe RM 2L Perfusion(Sartorius Stedim Biotech)

Cryobag KryoSure FEP Bags (CellGenix)

OriGen PL Bags (OriGen Biomedical)

Celsius-Pak Bags (Sartorius Stedim Biotech)

FP-Flex Bags (Charter Medical)

EVA bags (Macopharma)

Bioreaktor Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Schuumlttelkolben (Corning)

Mobius CellReady 3L (Thermo Fisher Scientific)

SB10-X (Kuumlhner AG)

Schuumlttelkolben (Corning)

BIOSTAT RM2050 mit CultiBag RM 2L und

CultiBag RM 10L(Sartorius Stedim Biotech)

Analytik Zelldichte Viabilitaumlt durchschnittlicher Zelldurchmesser - Cedex HiRes (Roche)

Substrat- und Metabolitenproduktionen - BioProfile 100 Plus (Nova Biomedical)

Produktkonzentration und ndashaktivitaumlt (teilweise SDS-Page und Tierversuche)

21

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High Seed Fed Batch- anstatt Low Seed Fed Batch-Produktion

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bull Inokulation des Produktionsbioreaktors mit 1107 Zellen mL-1 anstatt 5105 Zellen mL-1

Ziele Gleiche oder houmlhere mAb-Titer innerhalb kuumlrzerer Zeit Erhoumlhung der Produktionsausbeute gt30 Erhoumlhung der Produktionskapazitaumlt (haumlufiges Bottleneck ist

Produktionsbioreaktor)

Problem Konstante Produktqualitaumlt Voraussetzungen

Grosse Zellmengen fuumlr die Inokulation Geeignetes Kulturmedium

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bull Gut etabliert im USP Tierische Zellkulturen Geruumlhrte und wellendurchmischte Versionen bis

2 m3 Arbeitsvolumen Shift zu Perfusionsmodi in FampE erkennbar

bull Trotz neuer Erkenntnisse und Entwicklungen noch Limitationen Aber Weiteres Wachstum des Single-Use Bioreaktor-

segmentes prognostiziert Neue Biopharmapplikationen Prozesse mit Bakterien

und Pilzen HyPerforma SUF (30 L 300 L) und XDR MO fermentor (50 L

500 L)

Fazit Single-Use Bioreaktoren in biopharmazeutischen Produktionsprozessen

23

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Neue Applikationen Zellexpansion fuumlr Zelltherapien

bull Ersatz planarer Kultivierungssysteme

Expansion autologer T-Zellen

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren (max 10 L Arbeitsvolumen)

Expansion humaner mesenchymaler Stammzellen

Autologer und allogener Ansatz

Knochenmark- und Fettstammzellen

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Microcarriern(max 150 L Arbeitsvolumen)

24

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Neue Applikationen Pflanzenzellbasierte Kosmetik-wirkstoffe Food und Foodsupplemente

bull Pflanzenzellkulturen fuumlr natuumlrliche undnachhaltige Kosmetikprodukte

Mehr als 20 Produkte in letzten 10 Jahren inEuropa

Am bekanntesten PhytoCellTec Malus Domestica Suspensionskulturen und Hairy Roots Prozessentwicklung und teilweise kommerzielle Pro-

duktion in wellendurchmischten Single-Use Bioreaktoren

bull Auswirkungen auf Lebensmittelindustrie Alternative Produktionsmethoden fuumlr Food und

Foodsupplemente Erste Produkte in EU zugelassen (Echigena Plus) Pflanzliche Suspensionskulturen Essbare Biomasse Farbstoffe Aromastoffe Geschmacksstoffe Suumlssungsmittel

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bull Inokulation des Produktionsbioreaktors mit 1107 Zellen mL-1 anstatt 5105 Zellen mL-1

Ziele Gleiche oder houmlhere mAb-Titer innerhalb kuumlrzerer Zeit Erhoumlhung der Produktionsausbeute gt30 Erhoumlhung der Produktionskapazitaumlt (haumlufiges Bottleneck ist

Produktionsbioreaktor)

Problem Konstante Produktqualitaumlt Voraussetzungen

Grosse Zellmengen fuumlr die Inokulation Geeignetes Kulturmedium

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bull Gut etabliert im USP Tierische Zellkulturen Geruumlhrte und wellendurchmischte Versionen bis

2 m3 Arbeitsvolumen Shift zu Perfusionsmodi in FampE erkennbar

bull Trotz neuer Erkenntnisse und Entwicklungen noch Limitationen Aber Weiteres Wachstum des Single-Use Bioreaktor-

segmentes prognostiziert Neue Biopharmapplikationen Prozesse mit Bakterien

und Pilzen HyPerforma SUF (30 L 300 L) und XDR MO fermentor (50 L

500 L)

Fazit Single-Use Bioreaktoren in biopharmazeutischen Produktionsprozessen

23

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Neue Applikationen Zellexpansion fuumlr Zelltherapien

bull Ersatz planarer Kultivierungssysteme

Expansion autologer T-Zellen

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren (max 10 L Arbeitsvolumen)

Expansion humaner mesenchymaler Stammzellen

Autologer und allogener Ansatz

Knochenmark- und Fettstammzellen

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Microcarriern(max 150 L Arbeitsvolumen)

24

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Neue Applikationen Pflanzenzellbasierte Kosmetik-wirkstoffe Food und Foodsupplemente

bull Pflanzenzellkulturen fuumlr natuumlrliche undnachhaltige Kosmetikprodukte

Mehr als 20 Produkte in letzten 10 Jahren inEuropa

Am bekanntesten PhytoCellTec Malus Domestica Suspensionskulturen und Hairy Roots Prozessentwicklung und teilweise kommerzielle Pro-

duktion in wellendurchmischten Single-Use Bioreaktoren

bull Auswirkungen auf Lebensmittelindustrie Alternative Produktionsmethoden fuumlr Food und

Foodsupplemente Erste Produkte in EU zugelassen (Echigena Plus) Pflanzliche Suspensionskulturen Essbare Biomasse Farbstoffe Aromastoffe Geschmacksstoffe Suumlssungsmittel

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bull Gut etabliert im USP Tierische Zellkulturen Geruumlhrte und wellendurchmischte Versionen bis

2 m3 Arbeitsvolumen Shift zu Perfusionsmodi in FampE erkennbar

bull Trotz neuer Erkenntnisse und Entwicklungen noch Limitationen Aber Weiteres Wachstum des Single-Use Bioreaktor-

segmentes prognostiziert Neue Biopharmapplikationen Prozesse mit Bakterien

und Pilzen HyPerforma SUF (30 L 300 L) und XDR MO fermentor (50 L

500 L)

Fazit Single-Use Bioreaktoren in biopharmazeutischen Produktionsprozessen

23

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Neue Applikationen Zellexpansion fuumlr Zelltherapien

bull Ersatz planarer Kultivierungssysteme

Expansion autologer T-Zellen

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren (max 10 L Arbeitsvolumen)

Expansion humaner mesenchymaler Stammzellen

Autologer und allogener Ansatz

Knochenmark- und Fettstammzellen

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Microcarriern(max 150 L Arbeitsvolumen)

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Neue Applikationen Pflanzenzellbasierte Kosmetik-wirkstoffe Food und Foodsupplemente

bull Pflanzenzellkulturen fuumlr natuumlrliche undnachhaltige Kosmetikprodukte

Mehr als 20 Produkte in letzten 10 Jahren inEuropa

Am bekanntesten PhytoCellTec Malus Domestica Suspensionskulturen und Hairy Roots Prozessentwicklung und teilweise kommerzielle Pro-

duktion in wellendurchmischten Single-Use Bioreaktoren

bull Auswirkungen auf Lebensmittelindustrie Alternative Produktionsmethoden fuumlr Food und

Foodsupplemente Erste Produkte in EU zugelassen (Echigena Plus) Pflanzliche Suspensionskulturen Essbare Biomasse Farbstoffe Aromastoffe Geschmacksstoffe Suumlssungsmittel

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bull Ersatz planarer Kultivierungssysteme

Expansion autologer T-Zellen

Wellendurchmischte Single-Use Bioreaktoren (max 10 L Arbeitsvolumen)

Expansion humaner mesenchymaler Stammzellen

Autologer und allogener Ansatz

Knochenmark- und Fettstammzellen

Geruumlhrte Single-Use Bioreaktoren mit Microcarriern(max 150 L Arbeitsvolumen)

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Neue Applikationen Pflanzenzellbasierte Kosmetik-wirkstoffe Food und Foodsupplemente

bull Pflanzenzellkulturen fuumlr natuumlrliche undnachhaltige Kosmetikprodukte

Mehr als 20 Produkte in letzten 10 Jahren inEuropa

Am bekanntesten PhytoCellTec Malus Domestica Suspensionskulturen und Hairy Roots Prozessentwicklung und teilweise kommerzielle Pro-

duktion in wellendurchmischten Single-Use Bioreaktoren

bull Auswirkungen auf Lebensmittelindustrie Alternative Produktionsmethoden fuumlr Food und

Foodsupplemente Erste Produkte in EU zugelassen (Echigena Plus) Pflanzliche Suspensionskulturen Essbare Biomasse Farbstoffe Aromastoffe Geschmacksstoffe Suumlssungsmittel

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bull Pflanzenzellkulturen fuumlr natuumlrliche undnachhaltige Kosmetikprodukte

Mehr als 20 Produkte in letzten 10 Jahren inEuropa

Am bekanntesten PhytoCellTec Malus Domestica Suspensionskulturen und Hairy Roots Prozessentwicklung und teilweise kommerzielle Pro-

duktion in wellendurchmischten Single-Use Bioreaktoren

bull Auswirkungen auf Lebensmittelindustrie Alternative Produktionsmethoden fuumlr Food und

Foodsupplemente Erste Produkte in EU zugelassen (Echigena Plus) Pflanzliche Suspensionskulturen Essbare Biomasse Farbstoffe Aromastoffe Geschmacksstoffe Suumlssungsmittel

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