Управление производственным процессом в современных биореакторах с использованием инновационных инженерных решений (PAT).
Авторами данной статьи являются: Юрис Ванагс, президент ООО «Biotehniskais centrs» (BTC) (Латвия), Алексей Попов, генеральный директор ООО «Эй Пи Интернэйшнл» (Россия), Дмитрий Попов, генеральный директор ООО «Эй Пи Биосистемы» (Россия), Оскар Григс, докторант Рижского Технического Университета (Латвия), Витаутас Галванаускас, профессор Каунасского Технологического Университета (Литва).
Введение
Согласно философии GMP, производство фармацевтической продукции должно быль настолько хорошо управляемым, чтобы, несмотря на любые изменения входных параметров производственного процесса, на выходе была стандартная продукция надлежащего качества, полностью соответствующая установленным показателям эффективности и безопасности. Причем это должно достигаться именно за счет управления производственным процессом, а не за счет проверки продукции в отделе контроля качества. На повышение управляемости процесса производства лекарственных средств направлены все нововведения, инициированные FDA после провозглашения в 2001 году новой концепции «Фармацевтические GMP в 21 веке». Одним из таких нововведений является требование применять настолько широко, насколько это возможно, инновационные инженерные решения, названные Process Analytical Technology (PAT). По своей сути PAT представляет собой автоматизированную систему управления технологическим процессом, осуществляющую непрерывный мониторинг критических параметров процесса в режиме реального времени (on-line) и автоматически вносящую необходимые корректировки для обеспечения стандартности процесса и продукта.
Использование PAT дает сразу три преимущества с точки зрения GMP. Во-первых, обеспечивается стандартность технологического процесса и получаемого продукта. Во-вторых, сводится к минимуму влияние человеческого фактора, на который приходится больше всего ошибок. В-третьих, на каждую серию продукта имеется полная информация о процессе, являющаяся доказательством того, что процесс проводился в заранее установленных пределах, необходимых для производства продукта надлежащего качества. Однако, производство, использующее PAT, часто получает и другой важный результат. Этим результатом является повышение продуктивности процесса за счет лучшего управления и исключения ошибок персонала.
Известно, что особенно трудно осуществлять управление процессом в биофармацевтическом производстве, где, в отличие от обычного фармацевтического производства, имеет место процесс биосинтеза целевого продукта, осуществляемый с помощью объектов живой природы (микроорганизмов, культур клеток млекопитающих и др.), которые подвержены влиянию многих факторов, в том числе и неизвестных. Процесс биосинтеза целевого продукта (фармацевтической субстанции, например, терапевтического белка) осуществляется в ферментационном оборудовании (ферментерах и в биореакторах). Часто стандартное ферментационное оборудование не обеспечивает технические возможности для надлежащего управления технологическим процессом. Особенно этот вопрос стоит остро, если необходимо внедрять технологический процесс согласно требованиям GMP. В этих условиях, предпочтение следует отдавать оборудованию, имеющему модульный принцип компоновки и позволяющему использовать гибкий подход при объединении отдельных элементов и их связей в единую автоматизированную технологическую систему. Здесь важно, чтобы поставщик такого оборудования хорошо разбирался в процессах биосинтеза. В этом случае, после предварительного ознакомления с технологическим процессом заказчика, поставщик, имея собственный опыт и знания, предлагает такие инженерные решения, которые позволяли бы максимально приблизиться к требованиям технического задания и обеспечить реализацию проекта в рамках разумных затрат и сроков.
В качестве примера решаемых задач для обеспечения стандартности процесса культивирования можно упомянуть следующее:
1. Создание системы автоматического управления различными устройствами, применяемыми для ведения технологического процесса, включая ферментационное оборудование, оборудование для приготовления питательных сред и сбора продукта, а также систему автоматического транспортирования питательных сред и продукта по соединительным асептическим трубопроводам, систему автоматической мойки и стерилизации (CIP/SIP) оборудования и трубопроводов.
2. Создание автоматизированной системы управления процессом биосинтеза, способной в максимальной степени сгладить изменчивость процесса и обеспечить стандартность как процесса, так и продукта, а также высокую продуктивность оборудования.
В настоящей статье излагается опыт создания автоматизированных систем управления ферментационным оборудованием латвийской фирмы ВТС (www.biofermenters.net) с применением ряда инновационных инженерных решений (РАТ). Этот опыт использовался для оснащения биофармацевтических производств комплексно автоматизированными производственными линиями, а также для автоматизированного управления процессом биосинтеза биофармацевтического продукта (терапевтического белка).
Современные инженерные решения (РАТ), обеспечивающие новые возможности для включения лабораторных и пилотных биореактивов в единые автоматизированные технологические линии.
Производимые вышеуказанной фирмой лабораторные и пилотные биореакторы (см. фото 1 и 2) создаются согласно следующим общим принципам:
1) Оснащение лабораторных и пилотных биореакторов дает возможность их включения вместе с вспомогательным оборудованием в единую автоматизированную технологическую линию.
2) Ферментеры и биореакторы выполнены по гибкому модульному принципу, что позволяет их в максимальной степени приспособить для культивирования конкретных микроорганизмов и культур клеток за счет простого изменения компоновки модульных базовых конструкций.
3) Производимое ферментационное оборудование соответствует требованиям GMP (единые системы управления, построенные на принципах GAMP (Good Automated Manufacturing Practice), магнитные мешалки, автоматическая мойка и стерилизация (CIP/SIP) всех узлов, автоматический транспорт продукта и др.).
4) Применение комплексной автоматизации процесса культивирования с использованием современных средств управления, измерения технологических параметров в режиме реального времени и программирования.
5) Предоставление заказчику возможности удалённого доступа и беспроводного управления процессом культивирования, сбора, обработки и документирования данных о процессе (через Wi-Fi), в частности, с применением смартфонов (iPhone и др.) и планшетов (iPad и др.) (см. фото 3).
На Рис.1 представлена типичная обобщенная блок-схема автоматизированной системы управления биореакторов и другого оборудования биофармацевтического производства. Система управления организована по модульному принципу, суть которого состоит в следующем. При выполнении стерилизации паром и при проведении процесса ферментации каждый конкретный биореактор функционирует автономно. При проведении мойки CIP как биореакторов, так и мойки/стерилизации (CIP/SIP) соединительных трубопроводов, а также при транспорте продукта и посевного материала все управляющие воздействия (в том числе выбор параметров процесса и маршрутов транспортировки) осуществляются с помощью системы каскадного управления. Следовательно, хотя каждый биореактор работает автономно, но все биореакторы, система CIP и другое оборудование объединены в единую систему с помощью технологических трубопроводов и системы каскадного управления. Такой подход обеспечивает гибкость системы управления, что позволяет без больших затрат дополнять технологический процесс новым оборудованием и изменять его конфигурацию исходя из текущих потребностей производства.
На практике, данная схема управления была успешно использована при оснащении комплексным технологическим оборудованием различных биотехнологических процессов, в частности, таких как производство пробиотиков и вакцин. Для первых поставлялись системы биореакторов с рабочим объемом до 1000 л, для вторых – с рабочим объемом до 3000 л. В каждом из этих проектов были разные требования к условиям культивирования, разное количество и объем биореаторов, разные схемы транспортировки питательных сред и продуктов по соединительным трубопроводам. Требовались также разные системы мойки и стерилизации (CIP/SIP). Все это отразилось на конструктивных элементах отдельных биореакторов и системы технологических трубопроводов в целом. Но в каждом случае использовался общий модульный принцип управления. Его применение позволило автоматизировать сложный производственный процесс, свести к минимуму влияние человеческого фактора, особенно при выполнении таких критических операций, как мойка и стерилизация оборудования, повысить стандартность процесса и продукта.
Современные инженерные решения (PAT) для автоматического управления процессом биосинтеза с подпиткой субстратом (В FED-BATCH ферментациях)
В процессах биосинтеза, где необходимо обеспечивать получение биомассы с высокой плотностью (например, это характерно для биосинтеза рекомбинантных белков с использованием штаммов E.Coli), существенным является выбор оптимального профиля подпитки культуры субстратом. В научных публикациях имеются описания специально созданных экспериментальных систем для проведения ферментаций с автоматическим управлением скоростью подпитки субстратом на основе сложных математических моделей. Несмотря на это, коммерчески доступные контроллеры биореакторов обеспечивают не более как возможность задания оператором простых профилей подпитки по времени, или возможность автоматического управления скоростью подачи субстрата в зависимости от значения рО2.
Особенностью ферментационных процессов является то, что даже при соблюдении казалось бы абсолютно идентичных условий ведения процесса, никогда не удаётся обеспечивать полностью повторяемые ферментации. Это связано как со свойством посевного материала, так и со многими другими, не до конца известными, факторами. В результате, для обеспечения оптимального профиля подпитки, его необходимо постоянно подправлять в зависимости от прохождения конкретного ферментационного процесса. Реально это означает, что оператор должен постоянно «сидеть на процессе», чтобы корректировать профиль подпитки, и его действия по управлению процессом становятся настоящим искусством, которое под силу только высоко квалифицированным специалистам. Следовательно, «человеческий фактор» приобретает в этом случае исключительное значение как для обеспечения воспроизводимости (стандартности) процесса, так и для его продуктивности и показателей качества продукта. А это вступает в противоречие с требованием GMP минимизировать влияния человеческого фактора на ведение технологического процесса, и, следовательно на качество продукта.
Резюмируя вышесказанное, следует отметить, что в корне проблемы реализации автоматической подпитки субстратом во время ферментационных процессов, лежат ограниченные возможности управления процессом с помощью контроллеров (PLC) и программных средств визуализации процессов (SCADA). Причина этого состоит в том, что для расчёта профилей подпитки следует пользоваться решением дифференциальных управлений. Но это не могут выполнять ни контроллеры (PLC), ни программные средства визуализации процессов (SCADA).
Для определения оптимального профиля подпитки необходимо выполнять решение следующей системы дифференциальных управлений:
1) Концентрация биомассы в культуре, X, г/л:
2) Концентрация глюкозы в среде культивации S, г/л:
3) Концентрация ацетата в среде культивирования, A, г/л:
4) Объём среды культивирования, V, л:
F = Fs+ Fb — Fevp — Fcl
Математическое описание критерия оптимизации процесса культивирования:
Для решения данной задачи была создана инновационная автоматизированная система управления процессом согласно следующей блок-схеме (Рис. 2). В данной схеме главным элементом (интерфейсом), связывающим оператора с процессом ферментации, являются программные средства визуализации процесса SCADA. В нашем случае, программные средства визуализации SCADA созданы на основе промышленного пакета компьютерных программ PcVue, разработанного известной французской фирмой ARC Informatique. Этот пакет программ полностью соответствует современным требованиям cGMP/FDA/GAMP к автоматизированным системам управления технологическими процессами и, к используемому при этом программному обеспечению, которые сформулированы в документе, разработанном FDA, называемом 21 CFR Part 11.
Непосредственный контроль и управление процессом проводит контролер BIO-3 (PLC). Контроллер PLC передаёт все данные процесса в SCADA. Помимо сбора, обработки и визуализации данных о процессе на мониторе персонального компьютера (iPhone, iPad и др.) оператора, SCADA выполняет также функцию расширенной панели управления (т.е. передаёт установки и команды контроллеру PLC). Последний осуществляет сбор, обработку, архивирование данных и их отражение на интуитивном дисплее Touch Screen шкафа управления биореактора. Стандартный набор данных о процессе включает в себя температуру процесса, величину рН, концентрацию растворенного кислорода рО2, число оборотов мешалки, скорость подпитки субстратом. В случае необходимости, этот набор может быть дополнен измерением концентрации биомассы (через оптическую плотность культуры), REDOX потенциала, а также концентрации СО2 в воздухе, выходящем из биореактора. Все вышеперечисленные параметры процесса измеряются в режиме реального времени и отображаются графически (визуализируются) в виде временной зависимости. Помимо этого, в SCADA могут вводиться данные анализов проб, отобранных из биореактора оператором. Все эти данные от SCADA, передаются посредством файла обмена Bio-variables.txt в программу, созданную на основе MATLAB.
Программа MATLAB анализирует полученные данные, и, используя математические модели, оценивает, проводится ли процесс согласно установленным условиям, или откланяется от него. В случае отклонения, программа осуществляет пересчёт профиля подпитки, и этот профиль через файл обмена Bio-profi le.txt передаётся в SCADA. SCADA, в свою очередь, загружает этот профиль в PLC. PLC дает команду на перистальтический насос подачи субстрата и изменяет скорость подпитки в нужную сторону. В результате, подпитка в процессе ферментации будет проводиться согласно установленному профилю до тех пор, пока не произойдёт следующее изменение потребности культуры в субстрате и не будет произведено новое обновление профиля подпитки. В результате, культура не голодает и не испытывает ингибирование чрезвычайно высокой концентрацией субстрата, что часто наблюдается, когда профиль подпитки устанавливается оператором.
На рис.3 отображен фрагмент программных средств SCADA для разработанной инновационной системы управления ферментационными процессами с подпиткой субстратом (fedbatch). Вышеописанная система управления сводит к минимуму влияние человеческого фактора на проведение процесса, так как программа MATLAB «не сидит на процессе», а воздействует только на SCADA, и то, только тогда, когда загружает очередной скорректированный профиль подпитки. Если, по каким-либо причинам, программа MATLAB «зависает», то процесс культивирования продолжается с последним загруженным профилем подпитки Указанная автоматизированная система управления работает очень надежно и показывает отличные результаты при ведении биотехнологических процессов, ориентированных на высокую концентрацию биомассы.
Конкретные результаты использования разработанного процесса управления демонстрируется на нижеприведенном примере.
Практический пример применения инновационной системы управления (PAT) для процесса биосинтеза рекомбинантных белков терапевтического назначения с использованием генномодифицированного штамма E.COLI
С применением данной системы управления проводились ферментации при производстве рекомбинантных белков фармацевтического назначения с использованием генномодифицированного штамма E.Coli. Сравнивались два процесса культивирования E.coli: – процесс с автоматической подпиткой (т.е. по вышеописанной схеме), и – процесс, где оптимальные профили подпитки устанавливались оператором в системе управления (PLC) перед началом процесса культивирования (т.е. по традиционной схеме).
Из Рис. 4 видно, что в ферментации с автоматической подпиткой достигается более высокий уровень концентрации биомассы (примерно на 20%), чем в процессе, управляемом оператором. В процессе без автоматической подпитки в конце ферментации наблюдается избыток концентрации субстрата (глюкозы), а это вызывает накопление ацетата, который оказывает ингибирующее действие на рост культуры и, не только снижает концентрацию биомассы, но и отрицательно влияет на качество продукта.
Заключение
Применение инновационных систем управления (PAT) в биофармацевтическом производстве обеспечивает стандартность (воспроизводимость) технологического процесса, уменьшает влияние «человеческого фактора», что, безусловно, способствует соответствию производства современным требованиям GMP. В свою очередь, применение новой системы управления показало, что она не только дает возможность автоматизировать и стандартизовать процесс, но и существенно повысить продуктивность процесса культивирования E.coli.
Применение модульного принципа построения ферментационного оборудования с инновационной автоматизированной системой управления способствует внедрению производственных систем согласно требованиям заказчика с приемлемыми сроками и затратами. Данную систему управления можно успешно применять как на стадии разработки технологии (R&D), так и в процессах серийного промышленного производства.
Данная статья опубликована в журнале «Новости GMP» 5/2013
