Aufwändige Prozesse unter Containment-Bedingungen sind durch Kostendruck, Fachkräftemangel und zusätzliche Sicherheitsanforderungen mit wachsenden Herausforderungen verbunden. Die Zukunft repetitiver Prozesse unter Containment-Bedingungen liegt daher eindeutig in der Laborautomatisierung.
Nicht zuletzt durch die Neufassung des Annex 1 der EU-GMP sind die Auflagen an Hersteller und Forschungseinrichtungen weiter gestiegen. Ausdrücklich werden nun Robotersysteme zur Einhaltung der Hygienevorgaben genannt. Dabei spielt der Aspekt des Containments eine ausserordentlich wichtige Rolle, um den Schutz des Produktes sicherzustellen. Nach der im neuen Annex 1 genannten Contamination Control Strategy (CCS) müssen Hersteller Risiken in ihren Prozessen und Verfahren identifizieren und bewerten, Möglichkeiten zur Risikominimierung prüfen und vorbeugende Massnahmen festlegen. Die CCS erstreckt sich u.a. auf das Design von Anlagen und Prozessen, die Räumlichkeiten und die Ausstattung. Im Mittelpunkt stehen die Risiken durch:
- mikrobielle Kontamination
- Kontamination durch pyrogene oder endotoxine Partikel
- partikuläre Kontamination
Mit Robotik neuen Herausforderungen begegnen
Die Risiken beim Umgang mit gefährlichen Substanzen sind vielfältig und von vielen Faktoren abhängig. Fehler können verheerende Folgen haben. Aber auch wirtschaftliche Aspekte müssen berücksichtigt werden, um im Markt handlungsfähig zu bleiben.
Faktor Mensch: Der zunehmende Fachkräftemangel wirkt sich auch auf das Angebot geschulter und geeigneter Mitarbeitenden aus. Darüber hinaus sind viele Aufgaben im Labor repetitiv und binden wertvolle Arbeitskräfte an zeitaufwändige Standardtätigkeiten. Mit der Robotik werden Aufgaben autonom durchgeführt und Mitarbeitende für komplexere und kreativere Tätigkeiten freigesetzt.
Faktor Produktivität: Automatisierte Systeme können rund um die Uhr arbeiten. So lässt sich die Ausbeute ohne zusätzliche Arbeitskräfte oder Produktionseinrichtungen durch Verlängerung der Betriebszeiten steigern. Das kann auch die Zeit bis zur Markteinführung neuer biotechnologischer oder pharmazeutischer Produkte verkürzen. Neue Entwicklungen erreichen früher die Marktreife und sichern die damit verbundenen Wettbewerbsvorteile.
Faktor Konsistenz: Die Präzision der Robotik in der Laborautomatisierung ermöglicht es, Experimente mit einer Konsistenz durchzuführen, die manuell kaum zu erreichen wäre. Dies verbessert die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse und trägt zur Validität wissenschaftlicher Studien bei. Für die Produktion bedeutet es die zuverlässige Einhaltung vorgegebener Standards.
Containment in der Laborautomatisierung
Die Automatisierung bietet in allen Bereichen des Laborbetriebs von medizinischen Anwendungen bis zur Mikrobiologie und der Forschung mit zellbiologischen Aufgabenstellungen viele Anwendungsmöglichkeiten. Von der Lagerlogistik für Laborware und Probengefässe über die Filtration und Inkubation bis hin zur Detektion von Kolonien ist der gesamte Workflow mit Robotern automatisierbar. Dabei ist der Einsatz von Robotik nicht nur bei grossen Losgrössen sinnvoll, sondern kann schon bei kleinen Batches effizient sein. Der verstärkte Einsatz von Robotiklösungen markiert einen ökonomisch sinnvollen Weg zu mehr Sicherheit.
Wo mit hochaktiven und potenziell gefährlichen Substanzen gearbeitet wird, ist ein effektives Containment unerlässlich. Automatisierte Isolatoren und geschlossene Systeme ermöglichen es, dass selbst hochpotente Substanzen sicher gehandhabt werden können, ohne die Gesundheit des Personals oder die Integrität des Produkts zu gefährden. Die Anwendungsmöglichkeiten im Labor sind sehr vielseitig:
- Magazinieren von Behältnissen und Proben, Öffnen und Schliessen von Gefässen, Dosieren von Feststoffen und Flüssigkeiten unterschiedlicher Viskositäten bis in den Kleinstmengenbereich
- Aufbereiten der Proben durch Mischen, Schütteln, Zentrifugieren, Erhitzen oder Kühlen
- Liquidhandling mit Pipetten und verschiedensten Pumpensystemen
- Automatisierte Kultivierung von verschiedenen Zelllinien in Nährmedien für Asseys und Screening unter Reinraumbedingungen
- Zellwachstum und Ernte in verschiedenen Gefässen wie Mikrotiterplatten, Petrischalen, Flaschen oder Multi-Layer-Gefässen
- Kultivierung von Zelllinien in verschiedenen Gefässen: Inkubation, Medienwechsel, Splitten und Ernten, Zentrifugation, Zellzählung und Konfluenzüberwachung
- Einwiegeprozesse, Pipettierautomation und Abfüllung
Anwendungen in der Biopharma
Ob für Aufgaben in Bereich Forschung, Anlegen von Gewebekulturen, Probenvorbereitung, zellfreien Bioproduktion oder Analytik – Laborautomatisierung kann auch für den wissenschaftlichen Fortschritt und die Effizienzsteigerung in Life Sciences und Biotechnologie entscheidend sein. Die Suche nach neuen pharmazeutischen Wirkstoffen, Impfstoffen und therapeutischen Antikörpern ist sehr aufwändig und mit hohen Kosten verbunden. Weltweit wird an innovativen Verfahren geforscht, die der Therapie von Erkrankungen, der nachhaltigen Rohstoffsynthese oder der Energiegewinnung dienen. Erst die Laborautomatisierung ermöglicht, dass wissenschaftliche Entwicklungen schnell von der Grundlagenforschung zur praktischen Anwendung gelangen. Ohne moderne Analyseautomaten ist die wirtschaftliche Durchführung dieser vielfältigen Prozesse nicht denkbar, da es in Zukunft immer mehr auf geringe Testkosten, schnelle Verarbeitung und leichte Interaktion mit LIS/HIS-Systemen ankommt.
Anwendungen in der Pharmazie
Besonders bei Arzneimitteln in flüssiger Form stellt die aseptische Herstellung und Abfüllung eine besondere Herausforderung dar. Während pulverige Substanzen weniger kritisch in der Verarbeitung sind, ist dies bei flüssigen Darreichungsformen deutlich komplexer. Pulver lassen sich besser vor dem Verpacken sterilisieren als z.B. biotechnisch hergestellte Liquida, die zur Injektion vorgesehen sind. Diese Substanzen gehen direkt in die Blutbahn, wohingegen Pulver oder Tabletten häufig erst in der Darmpassage ihre Wirkung entfalten, nachdem diese «natürlich» im Magen des Patienten von eventuell verbliebenen Keimen befreit wurden. Die aseptische Abfüllung in einem automatisierten Prozess, wie im nachfolgenden Beispiel dargestellt, wird künftig ebenso an Bedeutung gewinnen, wie eine personalisierten Medizin oder die wirtschaftliche Entwicklung und Synthese neuer Wirkstoffe. Nicht zuletzt muss hier auch der Aspekt des Kostendrucks im Gesundheitswesen mitberücksichtigt werden.
«Fill and Finish» individueller Injektionslösungen
Die Abfüllung von Vials mit Injektionslösungen stellt hohe Anforderungen an Qualität, Sicherheit und Flexibilität. Der Prozess erfolgt in der Regel in Reinräumen, die eine kontrollierte Umgebung mit geringer Partikel- und Keimbelastung bieten. Für kleine Losgrössen ist die Abfüllung mit konventionellen Anlagen oft unwirtschaftlich und zeitintensiv, da sie einen grossen Rüstaufwand und einen hohen Materialeinsatz verursachen. In einem von Weiss Technik und Goldfuss Engineering gemeinsam konzipierten System simuliert eine roboter-gestützte Abfüllanlage beispielshaft für kleine Losgrössen, wie eine automatisierte und präzise Abfüllung von Vials mit einer individuellen Injektionslösung effizient und sicher erfolgt.
Die Anlage besteht aus einer Sicherheitswerkbank gemäss ISO 5 bzw. Klasse A Reinraumbedingungen mit einem integrierten Roboter in Pharmaausführung. Der Roboter nimmt mit seinem Dreifachgreifer nacheinander den Stopfen, den Deckel sowie das leere Vial aus den Magazinen auf. Zunächst wird das Vial in der Abfüllstation platziert, wo es über eine Dosierpumpe mit Injektionslösung befüllt wird. Eine integrierte Präzisionswaage mit der Genauigkeit von 0,1 mg überprüft gravimetrisch den Füllstand der Vials. Ein Regelalgorithmus minimiert die Abfülltoleranzen der Charge. Nach der Abfüllung wird vom Roboter direkt der Stopfen eingesetzt und das verschlossene Vial in die Verschlussstation transportiert. Dort wird die Kappe auf das Vial aufgesetzt und mit einem Werkzeug vercrimpt. Optische Sensoren überwachen jeweils die exakte Positionierung von Stopfen und Verschlusskappe. Zuletzt setzt der Roboter das fertig abgefüllte und verschlossene Vial in das Ausgabemagazin. Abhängig von den Volumina dauert das Abfüllen und Verschliessen eines Vials rund 30 Sekunden.
Die Sicherheitwerkbank bietet eine laminare Luftströmung, die dem First-Air-Prinzip gemäss Neufassung des EU-GMP Annex 1 «Manufacture of Sterile Medicinal Products» folgt. Diese Anlagen lassen sich modular aufbauen, die Durchsatzzahlen sind nach Bedarf skalierbar.
Gebündelte Kompetenz
Weiss Technik ist ein kompetenter Anbieter von anspruchsvollen Reinluft- und Containment-Lösungen. Das Produktprogramm umfasst unter anderem Barrier-Systeme, Laminar-Flow-Anlagen, Sicherheitswerkbänke, Isolatoren, Schleusensysteme und Stabilitätsprüfsysteme. Zusammen mit der auf Robotiklösungen spezialisierten Goldfuss Engineering GmbH werden Automatisierungssysteme für die unterschiedlichsten Aufgabenstellungen unter Containment-Bedingungen in Biotechnologie- und Pharmalaboren entwickelt.
Weiss Technik AG
CH-8852 Altendorf
info.ch@weiss-technik.com
www.weiss-technik.com
