EP2780355A1 - Vorrichtung zur filtration, trocknung und lagerung - Google Patents
Vorrichtung zur filtration, trocknung und lagerungInfo
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- EP2780355A1 EP2780355A1 EP12787704.1A EP12787704A EP2780355A1 EP 2780355 A1 EP2780355 A1 EP 2780355A1 EP 12787704 A EP12787704 A EP 12787704A EP 2780355 A1 EP2780355 A1 EP 2780355A1
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Classifications
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- C07K—PEPTIDES
- C07K1/00—General methods for the preparation of peptides, i.e. processes for the organic chemical preparation of peptides or proteins of any length
- C07K1/14—Extraction; Separation; Purification
- C07K1/34—Extraction; Separation; Purification by filtration, ultrafiltration or reverse osmosis
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F26—DRYING
- F26B—DRYING SOLID MATERIALS OR OBJECTS BY REMOVING LIQUID THEREFROM
- F26B17/00—Machines or apparatus for drying materials in loose, plastic, or fluidised form, e.g. granules, staple fibres, with progressive movement
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D29/00—Filters with filtering elements stationary during filtration, e.g. pressure or suction filters, not covered by groups B01D24/00 - B01D27/00; Filtering elements therefor
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D9/00—Crystallisation
Definitions
- the invention relates to a device for filtration, drying and storage of solids from a suspension (FDS unit) and carried out in this Appendix process for working up and drying of a solid suspension in particular of crystallizable therapeutic proteins or active ingredients.
- the FDS unit designed for use as a disposable system is a device with which drug crystals, with closed process control, i. can be filtered, dried, stored and reconstituted without intermediate opening or decanting, gently and safely.
- the DSP is generally based on chromatography-based separation processes.
- the requirements for the cleaning process based on several separation steps with regard to purity and freedom from contamination are constantly being increased according to the experience of recent years. This is especially true for the manufacture of pharmaceutical agents such as therapeutic peptides and proteins to eliminate unintended biological side effects from the numerous by-products produced during fermentation.
- proteins Due to the chemical and thermal instability of proteins, the processes to be used in industrial production are currently limited in downstream processing.
- pH shifts changes in ionic strength or temperature
- proteins are caused by u.a. Aggregation, hydrolysis, deamidation, isomerization, Degly k osy 1 ieru ng and oxidation or reduction can be deactivated.
- the Stabiiticiansprobieme can be minimized by protein solutions are stored at the lowest possible temperatures. This reduces the rate of possible chemical modification reactions.
- the surrounding environment of the proteins can be optimized so that the effects of denaturation are minimized.
- a stabilization of the proteins can also be done by drying, as the reactions are slowed by withdrawal of the water, so that they no longer or significantly slowed down during storage. If deamidation and hydrolysis of the proteins in solutions are the main problems, these processes play a minor role in the dried state (McNally, E.J., Pharm. Sei., 2000, 99).
- oxidation reactions decrease with decreasing residual moisture content (Franks, F., Bio / Technology, 1994, 12, 253-256, Christensen, H., Pain, RH Molten globule intermediates and protein folding, Eur. Biophys., J. 1991 , 19, 221-229).
- the main advantage of drying proteins lies in the increased thermal stability, which in turn leads to improved storage stability.
- the DSP of dried crystals causes significant risks of contamination of environment (personnel exposure) and product (cross-contamination), especially when dealing with dry powdery substances, cross-contamination between product batches and especially between different types of products
- the equipment used for the solid-liquid treatment must be subjected to an intensive cleaning procedure with subsequent cleaning validation, resulting in high expenditure of time and personnel and the open handling requires expensive rinsing environment and complex safety measures (exposure protection, protection against dust explosion etc.)
- Processing of pharmaceutically active protein crystals (or crystals of other pharmaceutically active substances) including separation, drying
- the transport, storage and reconstitution should therefore be carried out in such a way that neither employees are endangered by material leakage nor is there a danger of contamination of the product.
- the patent WO 00/44767 Al describes the use of a centrifugal dryer for the isolation (filtration), washing and drying and further processing of insulin crystals. Particular attention is paid to the introduction of a drying medium consisting of a mixture of water and a non-aqueous, water-miscible solvent having a lower vapor pressure than water. In addition, a water-moistened nitrogen stream is used for drying. The amount of water results from the optimal residual moisture for the protein (insulin and insulin derivatives).
- a disadvantage of this approach are the large apparatus complexity of the centrifugal dryer and the associated expense for the cleaning and reclamation validation.
- the object of the present invention was therefore to provide a device for filtration, washing, drying, transport, storage and optionally re-suspension / re-solubilization of crystalline active ingredient products that is simple, safe and gentle to the product , whereby a contamination risk is minimized or excluded.
- FDS unit a device which can be used as a disposable system and which is placed in a single vessel - i. without an intermediate opening - the sequential steps filtration, washing, drying, sampling, transport, storage and re-suspension / re-solubilization allows - hereinafter referred to as "FDS unit"
- FDS unit can be product gentle crystalline proteins or provide peptides without the risk of product contamination for the subsequent formulation steps, product losses or employee exposure to unintentional product release, such as hazardous dust emissions, can be minimized through closed process management.
- the first subject of the present invention is therefore a filter unit (FDS unit) for the filtration of solid particles from a suspension comprising:
- a filter housing (10) comprising a filter chamber (13), a liquid distributor (50) at the end of at least one inlet fs (15) to the filter chamber (13) and a bottom (12) and a
- Filter medium (1 1) wherein the filter chamber (13) and the bottom (12) in the region of the filter medium (11) by a compound sealingly against the environment and against the filter medium (11) are connected,
- the material of the FDS unit is selected so that the usual cleaning and sterilization processes in the pharmaceutical industry, such as autoclaving or gamma irradiation are applicable.
- filter media (1 1) usually made of fibers or sintered materials, suitable for pharmaceutical purposes filter plates or filter cloth are used, which are made of suitable materials known to the expert such as plastics, glass, metals or ceramic materials and have an optimized on the filtration process or the product quality in terms of product loss, throughput or pressure loss pore size.
- suitable materials known to the expert such as plastics, glass, metals or ceramic materials and have an optimized on the filtration process or the product quality in terms of product loss, throughput or pressure loss pore size.
- suitable materials known to the expert such as plastics, glass, metals or ceramic materials and have an optimized on the filtration process or the product quality in terms of product loss, throughput or pressure loss pore size.
- suitable materials known to the expert such as plastics, glass, metals or ceramic materials and have an optimized on the filtration process or the product quality in terms of product loss, throughput or pressure loss pore size.
- Particularly preferred for use as the FDS unit as a disposable system is the use of inexpensive materials such as sintered or sintered stainless steel mesh or
- the filter medium (11) is clamped horizontally as a filter plate (17) in the filter housing (10).
- the filter element may be designed as a continuous, preferably cylindrical tube or as a filter cartridge (18) (FIGS. 2 and 6), which may be surrounded by a concentric outer filter tube (19) (FIG. 6).
- the filtration takes place in an annular space formed by the filter tube (19) and the filter candle (18) with the gap width (58).
- the filter housing (10) is usually made of approved for drug production plastics.
- standard methods for the deformation of plastics injection molding, extrusion, etc.
- the filter housing made of thermoplastic, known in the art plastics such. Polyethylene, polypropylene, PMMA, POM, polycarbonate (especially macroion).
- the product-contacting walls of the filter chamber (13) and possibly the bottom (12) are in a preferred embodiment also made of plastic films and thus the filter housing completely or partially designed as a plastic bag.
- the upper pressure required for filtration is transferred at least within the filter chamber (13) via the bag walls to a pressure-stable holding device.
- This solution is preferably used for larger scale from about 5-50L, from which the cost of the FDS unit could otherwise complicate a single-use application.
- a closure clip eg Triclamp
- the filter housing can be screwed together (eg by means of thread or Bayonet lock).
- filter chamber chamber (13) and possibly the bottom (12) are in a preferred embodiment also made of plastic films and thus the filter housing completely or partially designed as a plastic bag.
- the upper pressure required for filtration is transferred at least within the filter chamber (13) via the bag walls to a pressure-stable holding device.
- This solution is preferably used for larger scale from about 5-50L, from which the cost of the FDS unit could otherwise complicate a single
- a re-suspension / re-solubilization of the protein crystals within the FDS unit is desirable for the closed processing of the product in closable FDS units, but for non-detachable connections between the filter chamber (13) and bottom (12) for product removal is absolutely necessary.
- the energy input required for accelerated re-suspension / re-solubilization is thereby preferably non-invasive, i. without interference with the closed system, e.g. via orbital or rotationally oscillating shaking into the FiUerhunt (13) registered.
- a suspension (30) of protein crystals is fed into the filter chamber (13).
- the filter chamber (13) is in this case vented via a closable vent pipe (22).
- the usual size of the FDS unit for the small scale is 5 mL and 500 mL, but on a large scale FDS units with a total volume of up to 50 L or larger can be produced.
- the slenderness levels (ratio of height to diameter H / D) of the filter chamber (13) depend on the type and efficiency of the liquid distribution at the head of the filter housing (10) and the optimum achievable height of the filter cake (20).
- the degree of slimming is usually selected so that a filter cake height of 1 to 20 cm, preferably between 2 to 8 cm, more preferably between 3 and 5 cm in the device can be achieved, the specific properties of the protein crystals to be filtered in particular size, stability and compressibility the crystals are taken into account.
- the suspension (30) of protic crystals is fed via the liquid component distributor (50) with at least one inlet (15) into the filter chamber (13) (FIGS. 1, 2, 4, 5, 6 and 7).
- the suspension (20) is introduced into the FDS unit so that a uniform structure of the filter cake (20) takes place.
- the uniform structure of the filter cake (20) is for the function of the FDS unit of essential importance, because this determines the duration and intensity of drying and thus the extent of unwanted, product impurities and activity losses causing side reactions.
- the suspension (30) is preferably a liquid distributor (50) consisting of a single inlet (15) with a tangential or centric axial inlet direction supplied (Fig. 1 and 2).
- a liquid distributor (50) consisting of a single inlet (15) with a tangential or centric axial inlet direction supplied (Fig. 1 and 2).
- the liquid distributor (50) are preferably equipped with a distributor plate (54)
- Distribution plates with distributor plate are often used in chromatography, but are mostly unsuitable for distribution of suspension due to the low channel height, sharp creases, dead spaces, and lack of orientation of the lines (solid settling).
- WO2010 / 138061 A I describes a tree-shaped liquid distributor with distributor plate, in which the outlet openings are arranged like a lattice.
- the complicated tree-shaped line construct is made by "free form fabrication” and is particularly easy to clean.
- the described distributor would be quite suitable for the distribution of a suspension, but is complicated to manufacture and expensive for the intended one-way application here.
- the disposable liquid distributor (50) has a pre-distributor (56) connected to a distributor plate (54) by means of hose lines (52) of the same length and diameter and thus approximately equal pressure losses (FIG. 4).
- the hose lines (52) open under spreading and possible steady gradient (avoidance of solid deposits) in vertical outlet openings (53) of a distributor plate (54).
- Useful angles of attack of the outer tube fibers are depending on the diameter of the FDS unit between 5 ° and 75 ° are particularly preferred attack angle of 20 - 60 °.
- the distribution of exit flows (53) on the distributor plate (54) is usually designed (Fig.
- the number of outlet openings per area required for a sufficient solids distribution depends on numerous factors, such as the particle density and size distribution, or the rate of descent of the particles, the Fi ltrations Aus, the height of the filter cake (20) the slenderness of the filter chamber (13) ,
- a filter chamber (13) with a diameter of 190 mm, charged via the distributor according to the invention, produced in a model experiment with 10 ⁇ g / L PANX particles an average absolute height difference of about 2% -3%, based on the cake height, about 40 mm and thus at a H / D ratio of H / D 0.5 already a sufficiently good particle distribution.
- the distributor used for this purpose has a drainage distance of approx. 63 mm at 7 outlets.
- each outlet opening is connected to a pre-distributor (56) by means of a non-branched hose line (52).
- hose line usually, silicone hoses are used as the hose line.
- the hoses are plugged into the pre-distributor, poured, welded or glued bundled
- the pre-distributor is usually supplied via an axially or tangentially arranged inlet (15) with the suspension (30).
- the filter cake For a further increase in the process scale or in the case of products which are difficult to filter, it may be advantageous to construct the filter cake non-planar, but in the annular space between a filter candle (18) and a filter tube (19) (FIG. 6). This creates the great advantage that the pressure loss is independent of the height of the filter cake is adjustable. This makes it possible to realize a slender geometry regardless of the scale, which, among other things, generates considerable advantages in terms of space requirements or the compressive strength of the apparatuses.
- the height of the Filtcrcinoplasty (18, 19) should preferably correspond as closely as possible to the height of the filter cake (20).
- the filtrate (40), which flows through the filter medium (1 1) can be discharged through the preferably central outlet (14) at the bottom (12) of the lower filter housing.
- the filter cake (20) can be washed after filtration in the FDS unit.
- the inventive FDS unit is preferably used in a plant as shown in FIG. 3 without being limited thereto.
- the remaining filtrate (40) consisting of mother liquor or washing liquid is usually displaced from the filter cake (20) by means of a gas (140), preferably sterile filtered air or nitrogen.
- the gas usually enters via the inlet (15), the gas and / or liquid outlet via the outlet (14).
- the gas (140) is raised to a defined temperature by means of a gas heater (160) and set to a minimum residual moisture content by means of a gas humidifier (165).
- the latter is intended to prevent the product from being stored at too low moisture contents, e.g. is irreversibly damaged by clumping, discoloration or caramelization. In particular, a false residual moisture can lead to denaturation or difficulties in resolubilization (loss of activity inclusive).
- the inlet and outlet of the FDS unit can be disconnected.
- hose clamps (67) with the on the inlet (15) - and drain (14) - pruned wound flexible hose lines (66), preferably from pharma-conform form silicone or C-Flex can be disconnected.
- the filtered, washed and dried protein crystals can also be left in the FDS unit during transport and subsequent storage without interim opening. In this way, a completely closed handling is possible.
- the FDS unit can be moved on a special orbital shaker (60) (Fig. 8) .
- the shaker (60) has a container (62) for receiving the FDS unit including the hoses (66) and hose clamps (Fig.
- flow-breaking elements eg polygonal cross-section or baffles
- Another object of the present invention is therefore a plant for operating the FDS unit according to the invention comprising: z a crystallization vessel (100) which via lines to one or more reservoirs for crystallization or precipitation and correction means (101) and on the other hand to one or a plurality of FDS units according to the invention in parallel, sequential or intermittent operation is connected, z a mother liquor reservoir (1 10), which is connected via to the outlet (14) of the FDS unit.
- the suspension (30) is passed preferably without particle damage while avoiding pumps, preferably by means of a slight overpressure at moderate transport speeds into the filter chamber (13) of the FDS unit.
- a gas pressure for example via a three-way stopcock (120) connected to the top of the crystallization vessel and adjusted via a pressure measurement (230).
- the filtration of the crystal suspension is usually carried out at a filtration pressure of 0.2 to 1 .5 bar, preferably at 0.5 to 1 .0 bar.
- the suspension (30) is retained by the filter medium (1 1, 17, 18 or 19 depending on the structure of the FDS unit).
- the filtrate (40) derived from the outlet (14) of the FDS unit is fed in a preferred embodiment via a further three-way valve (130) to the filtrate reservoir (110).
- the filtration is complete when the entire crystallization vessel (100) and FDS unit liquid has been squeezed out so that only the pre-dried filter cake (20) remains in the FDS unit.
- the filter cake (20) is still surrounded after filtration by the crystallization liquid.
- the crystallization liquid is now replaced by a drying gas.
- the drying gas can be passed through the filtration unit.
- compressed gas of defined residual moisture is used for drying with a pre-pressure of 1 to 3 bar, preferably at 2 to 3 bar. An apparatus conversion for drying is avoided.
- the drying unit has a drying unit comprising a separate drying gas line and three-way taps (120, 130). These are adjusted in such a way that the drying gas (with the corresponding moisture load) is bypassed by a bypass on the crystallization reactor.
- al gas heater 160 may be used e.g. a pipe with heating jacket can be used.
- the moisture content of the drying gas is set to a minimum value.
- the moisture of the drying gas is preferably adjusted prior to introduction into the drying unit and controlled by means of a moisture sensor (210). For a greater moisture requirement, the minimum moisture can be adjusted via a humidifier (165) in the gas flow.
- the drying of the filter cake is also monitored by means of a moisture sensor (220) at the output of the disposable FDS unit.
- the in the filtration in the reservoir (1 10) collected filtrate (40) is used in the drying as a washing liquid for the exhaust gas (150) to minimize potential occurring during drying dust emissions.
- the FDS unit according to the invention has a means for minimally invasive sampling of the filter cake.
- the FDS unit has a closable opening for inserting a dagger into the filter cake.
- a spade can be inserted horizontally and vertically into the filter cake.
- a further subject of the present invention is therefore a process for working up a solid suspension comprising the following steps:
- the convection drying is carried out with adjustable parameters such as temperature, volume flow or moisture content or with a combination thereof.
- the disposable FDS unit according to the invention is particularly suitable for the separation of protein crystals (pharmaceutically active peptides and proteins as well as therapeutic antibodies) without being limited thereto. It is also advantageous for the separation of other crystalline compounds, especially in cases where regulations of good manufacturing practice for pharmaceuticals must be observed.
- the FDS unit according to the invention and the installation for its application are shown schematically by way of example in FIGS. 1 to 6, without being limited to the embodiments shown.
- Fig. L FDS unit with filter plate
- Fig. 2 FDS unit with filter cartridge
- FIG. 3 Integration of the FDS unit in the system according to the invention for carrying out the filtration (filtration), drying (drying) and provision for transport and storage (storage)
- FIG. 4 fractal liquid distributor (side view: pre-distributor, distributor plate)
- FIG. 5 Fractal distributor (top view: distributor plate with example for the distribution of the outlet openings)
- FIG. 6 FDS unit with filter cartridge, filter tube and fractal distributor for the large scale formed by both Filtcrrrohren annulus Fig. 7 Top view of FDS unit for the large process scale
- Fig.8 Orbital Schüttbl Huber Drived Energy into the FDS unit for the purpose of suspension and resolubilization in closed process control.
- an FDS unit according to FIG. 1 was constructed from a filter housing (10) with a volume of the filter chamber (13) of 100 ml, a diameter of 26 mm and a slenderness ratio of 5.8 and a screw-down bottom part (12 ) made of polyoxymethylene (POM).
- the wall thicknesses of the filter housing (10) and bottom (12) were dimensioned for the selected conditions of an operating pressure up to 3 bar and a temperature of -10 ⁇ [T ° C] ⁇ 60 °.
- As a filter medium (1 1) sintered metal plates were used with a pore size of 5 ⁇ (diameter 34 mm, thickness 5 mm). Filter chamber (13), filter medium (1 1) and bottom (12) were fastened together by means of clamping connections with closing clamp (Triclamp). Crystallization
- the model protein was initially dissolved in a concentration of 10 g / L in 40 mM Na citrate (initial pH 2.7). This was followed by the addition of the precipitant (caustic soda 0.75 M, addition of 15 L in 5 minutes) to a nucleation pH of 3.2. At this pH, the solution was stirred for a further 3 hours (stirring speed 200 rpm). After the nucleation time, the precipitant was added to the solution to a final pH of 4.5. The solution was stirred at room temperature for an additional 17 hours. The determination of optimal process parameters of the subsequent filtration and drying of the protein crystals was carried out by "design-of-experiments" the optimal process parameters emerge. Filtratipn
- an optimum compressed air pres- sure of 2.5 bar ( ⁇ 0.5) was determined.
- the drying temperature (temperature of the compressed gas) depends on the temperature stability of the target protein and was set between 30 ° C to 50 ° C.
- compressed air with an optimum temperature of 45 ° C ( ⁇ 5) was used.
- the relative humidity of the compressed air of 0.5- 1.0%, could be submitted without additional humidifier. It was sufficiently sized to prevent product damage by over drying the filter cake.
- an optimal drying time of 17.5 h ( ⁇ 1) was determined.
- the gas heater (60) constructed from a pipe with a heating jacket, it was possible to heat volume flows of up to 4 m 3 / h to a temperature of 55 ° C.
- Solids / FDS unit loading capacity: 13 [g of crystalline solids / FDS unit] (Vol: 22 cm 3 ) Residual moisture content (Karl Fisher method): 4 [%] Product purity (RP-HPLC): 95 [%]
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Filtration, Trocknung und Lagerung von Feststoffen aus einer Suspension (FDS-Unit) und ein in dieser Anlage durchgeführtes Verfahren zum Down Stream Processing von einer Feststoff-Suspension insbesondere von kristallisierbaren therapeutischen Proteinen oder Wirkstoffe. Die für den Einsatz als Einwegsystem konzipierte FDS-Unit, ist eine Vorrichtung, mit der Wirkstoffkristalle, bei geschlossener Prozessführung, d.h. ohne zwischenzeitliches Öffnen oder Umfüllen, schonend und sicher filtriert, getrocknet, gelagert und rekonstituiert werden können.
Description
VORRICHTUNG ZUR FILTRATION, TROCKNUNG UND LAGERUNG
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Filtration, Trocknung und Lagerung von Festsstoffen aus einer Suspension (FDS-Unit) und ein in dieser Anlage durchgeführtes Verfahren zur Aufarbeitung und Trocknung von einer Festsstoff -Suspension insbesondere von kristallisierbaren therapeutischen Proteinen oder Wirkstoffen. Die für den Einsatz als Einwegsystem konzipierte FDS-Unit, ist eine Vorrichtung, mit der Wirkstoffkristalle, bei geschlossener Prozessführung, d.h. ohne zwischenzeitliches Öffnen oder Umfüllen, schonend und sicher filtriert, getrocknet, gelagert und rekonstituiert werden können.
Die Herstellung pharmazeutisch aktiver Peptide und Proteine sowie therapeutischer Antikörper erfolgt im sog.„Upstream Processing" (USP) durch Fermentation. Anschließend werden die Proteine im sog. „Downstream Processing" (DSP) gereinigt und per Formulierung in eine für die medizinische Anwendung geeignete Darreichungsform übergeführt.
Für das DSP werden heute in der Regel auf Chromatographie basierte Trennverfahren eingesetzt. Die Anforderungen an die aus mehreren Trennschritten aufgebauten Reinigungsverfahren bezüglich Reinheit und Kontaminationsfreiheit werden nach den Erfahrungen der letzten Jahre ständig erhöht. Dies trifft besonders auf die Herstellung von pharmazeutischen Wirkstoffen wie etwa therapeutischen Peptiden und Proteinen zu, um nicht beabsichtigte biologische Nebenwirkungen durch die während der Fermentation entstehenden zahlreichen Nebenprodukte auszuschließen. Zum weitest gehenden Vermeiden der Kontaminationen werden zum Teil sehr aufwendige und teure DSP-Schritte benötigt. Dies beeinflusst die Wirtschaftlichkeit des Gesamtprozesses entscheidend, zumal in den letzten Jahren bedingt durch die Effizienz Steigerung im USP eine erhebliche Kostenverschiebung zu Ungunsten des DSP stattgefunden hat. Experten prognostizieren eine Fortsetzung dieses Trends sowie ein sich noch weiter verstärkendes Kapazitätsdefizit, das heute bereits al der entscheidende Engpass vieler Bioprozesse anzusehen ist
(http:/ biopharminternational. findpharma.com/biopharm/Trends/Downstream- Processing/ArticleStandard/Article/detai 1/627965).
Um dem starken Kostendruck zu begegnen zu können, werden in der biopharmazeutischen Industrie neue hocheffiziente, preiswerte und ressourcenschonende Reinigungs- und Lagerverfahren für therapeutische Proteine und Peptide benötigt. Diese Verfahren haben einen entscheidenden Einfluss darauf, ob biotechnologische Verfahren langfristig im Wettbewerb bestehen können (Presse- Information; ACIIE A 2009; 29. Internationaler Ausstellungskongress für Chemische Technik,
Umweltschutz und Biotechnologie; Frankfurt am Main, 11. - 15. Mai 2009; Trendbericht Nr. 20:
Selektive Trenntechniken).
Im Vergleich zu den heute für die Herstellung therapeutischer Proteine vorwiegend eingesetzten chromatographischen Trenntechniken kann die hochselektive Proteinkristallisation eine wirtschaftliche Alternative darstellen. Die ursprünglich zur Aufklärung der dreidimensionalen Molekülstruktur durch Röntgenkristallographie angewendete Methode erhält als technische Proteinkristallisation zunehmend Zugang i die modernen Aufreinigungsverfahren. Bei dieser Reinigungsmethode wird die Löslichkeit der Proteine durch den vorsichtigen Zusatz von Fällungsmitteln allmählich herabgesetzt, bis sich nach wenigen Minuten bis Stunden erste Kristalle zeigen. Die Vorteile der Technologie gegenüber den Alternativverfahren bestehen im Wesentlichen in der Kombination folgender Merkmale:
• hohe Reinheitsgrade, die in einem einzigen Prozessschritt erzielt werden,
• hohe Spezifität mit der sich u.a. auch Protein-Isoformen und/ oder glykosylierte Varianten trennen lassen,
• niedrige Kosten,
• hohe Lagerstabilität der Kristalle,
• reduzierte Produktverluste während der Lagerung,
» hohe Konzentration der Kristalle mit relativ kleinen Apparatevolumi na für die Lagerung,
• kosteneffizienter Einsatz klassischer Fest-Flüssig-Trennmethoden nach der Kristallisation, die Option einer Slow-Release-Formulierung zur Vergleichmäßigung der Bioverfügbarkeit der Wirkstoffe
Navarro et al. (Separation and Purification Technology 2009, 68: 129-137) fassen die Vorteile der Proteinkristallisation wie folgt zusammen:
Bedingungen Kristallisation Chromatographie
Temperatur Oering (0-50°C) Gering (0-50°C)
Zeit länger Kür/er
Kosten Instrumente S2/Monat $20/Tag ohne Säulen und
Laborkosten $30/Stunde $30/Stunde
Separation einstufig mehrstufig
Lösungsmittelqual ität geringer höher
Aufgrund der chemischen und thermischen Instabilität von Proteinen sind die einzusetzenden Verfahren bei einer großtechnischen Produktion gerade im Downstream Processing begrenzt. Bei Lagerung von Proteinen in Lösung können geringfügige physikochemische Änderungen in der Mikro Umgebung der Proteine (pH- Verschiebungen, Änderung der lonenstärke oder der Temperatur) zu einer reversiblen oder aber meist zu einer irreversiblen Änderung der Tertiärstruktur führen, die mit einem Aktivitätsverlust einhergeht. Zusätzlich kommt hinzu, dass Proteine durch u.a. Aggregation, Hydrolyse, Deamidierung, Isomerisierung, Degly k osy 1 ieru ng und Oxidation oder Reduktion deaktiviert werden können. Die Stabiiitätsprobieme können minimiert werden, indem Protein lösungen bei möglichst niedrigen Temperaturen gelagert werden. Dadurch wird die Geschwindigkeit möglicher chemischer Modifikationsreaktionen reduziert. Außerdem kann das umgebende Milieu der Proteine so optimiert werden, dass die Einflüsse der Denaturierung minimiert sind. Eine Stabilisierung der Proteine kann ebenfalls durch Trocknung erfolgen, da durch Entzug des Wassers die Reaktionen verlangsamt werden, so dass sie während der Lagerung nicht mehr oder erheblich verlangsamt auftreten. Stellen Deamidierung und Hydrolyse der Proteine in Lösungen die Hauptprobleme dar, so spielen diese Vorgänge im getrockneten Zustand eine untergeordnete Rolle (McNally, E. J.; Pharm. Sei., 2000; 99). Zusätzlich wurde beobachtet, dass Oxidationsreaktionen mit abnehmendem Restfeuchtegehalt abnehmen (Franks, F., Bio/Technology. 1994, 12, 253-256; Christensen, H.; Pain, R. H. Molten globule intermediates and protein folding. Eur. Biophys. J. 1991 , 19, 221-229). Der wesentliche Vorteil bei der Trocknung von Proteinen liegt in der erhöhten thermischen Stabilität, die wiederum zu einer verbesserten Lagerstabilität führt.
Das aktuelle Standardverfahren in der pharmazeuti ehen Industrie stellt die Gefriertrocknung (Lyophilisation) dar (Cleland, J. L et al., Critical reviews in therapeutic drug carrier Systems. 1993, 10,307-377; Wang, W., Int. J. Pharm. 2000, 203, 1 -60). Dieses kontinuierlich oder diskontinuierlich zu betreibende Verfahren trocknet gleichmäßig bei niedrigen Temperaturen. Die Rekonstitution der Proteine verläuft in der Regel schnell und problemlos. Der erhöhte Zeit- (bis zu einer Woche) und Energiebedarf führen jedoch zu einem sehr kostenintensiven Verfahren, welches zudem auch denaturierend auf Proteine wirken kann. Die Lyophilisation ist nur als finaler Verfahrensschritt zur kurz- und langfristigen Lagerung einsetzbar. Eine Reinigung wie bei der technischen Proteinkristallisation findet nicht statt.
Somit stellt die Proteinkristallisation mit der kombinierten Möglichkeit der hochspezifischen Produktrcinigung bei gleichzeitiger Verbesserung der Lagerstabilität ein besonders kosteneffizientes Verfahren dar.
Im Rahmen des DSP von getrockneten Kristallen verursacht das Umfüllen der wirksamen Produkte erhebliche Kontaminationsrisiken für Umgebung (Exposition des Personals) und Produkt (Kreuzkontamination. Ein sehr hohes Risikopotential birgt dabei insbesondere der Umgang mit trockenen pulverförmigen Substanzen. Um Kreuzkontamination zwischen den Produktchargen und besonders zwischen unterschiedlichen Produkten auszuschließen, müssen die zur Fest-Flüssig- Behandlung verwendeten Gerätschaften vor einem wiederholten Einsatz einer intensiven Reinigungsprozedur mit anschließender Reinigungsvalidierung unterzogen werden, was hohen personellen und zeitlichen Aufwand verursacht. Zudem erfordert die offene Handhabung teure Rcinraumumgebung sowie aufwändige Sicherheitsmaßnahmen (Expositionsschutz, Schutz vor Staubexplosion etc.). Eine Verarbeitung von pharmazeutisch wirksamen Protein-Kristallen (oder von Kristallen anderer pharmazeutisch aktiver Substanzen) einschließlich Separation, Trocknung, Transport, Lagerung und Rekonstitution sollte daher so erfolgen, dass weder Mitarbeiter durch Stoffaustritt gefährdet werden, noch eine Kon taminationsgefahr für das Produkt besteht. Die fehlerfreie Anwendung der aufgeführten Vcrtährensschritte sowie die Reduzierung von personellem und zeitlichem Aufwand sind für die sichere und wirtschaftliche Anwendung der Kristallisation im DSP von ausschlaggebender Bedeutung. Bisher ist für diese Fragestellung noch keine ausreichende technische Lösung im Hinblick auf die besonderen Anforderungen für die Handhabung biotechnologischer Wirkstoffe beschrieben worden.
In der gängigen Literatur sind nur wenige Verfahren beschrieben, die sich mit der technischen Aufarbeitung von Proteinkristallen und deren Lagerung beschäftigen.
So beschreibt das Patent WO 00/44767 AI die Nutzung eines Zentrifugaltrockners für die Isolierung (Filtration), Waschung und Trocknung und Weiterverarbeitung von Insulin-Kristallen. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Einbringung eines Trocknungsmediums, das aus einer Mischung von Wasser und einem nicht-wässrigen, mit Wasser in jedem Verhältnis mischbaren Lösungsmittel besteht, welches einen niedrigeren Dampfdruck als Wasser besitzt. Zudem wird zur Trocknung ein mit Wasser angefeuchteter StickstofT trom verwendet. Die Menge an Wasser ergibt sich aus der für das Protein (Insulin und Insulinderivate) bestimmten optimale Restfeuchte. Nachteilig bei dieser Vorgehens weise
sind die große apparative Komplexität des Zentrifugaltrockners und der damit verbundene Aufwand für die Reinigung und die Rcinigungsvalidierung.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand daher darin, eine Vorrichtung zur Filtration, zum Waschen, zur Trocknung, zum Transport, zur Lagerung und ggf. zur Re-Suspension/-Re- Solubilisierung von kristallinen Wirkstoffprodukten bereitszustellen, die einfach, sicher und produktschonend handhabbar ist, wobei ein Kontaminationsrisiko minimiert bzw. ausschlössen wird.
Die oben genannte Aufgabe wurde durch die Bereitstellung einer als Einwegsystem verwendbaren Vorrichtung gelöst, welche in einem einzigen Gefäß— d.h. ohne ein zwischenzeitliches öffnen - die sequentiellen Schritte Filtration, Waschen, Trocknung, Probeentnahme, Transport ,Lagerung und Re- Suspension/Re-Solubilisierung ermöglicht - im Weiteren als„FDS-Unit" bezeichnet. Mit Hilfe der FDS-Unit lassen sich produktschonend kristalline Proteine oder Peptide ohne die Gefahr von Produktverunreinigungen für die nachfolgenden Formulierungsschritte bereitstellen. Produktverluste oder die Gefährdung der Mitarbeiter durch unbeabsichtigte Produktfreisetzung, z.B. gefährliche Staubemissionen, können durch die geschlossene Prozessführung auf ein Minimum reduziert werden.
Erster Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher eine Filtereinheit (FDS-Unit) zur Filtration von festen Partikeln aus einer Suspension umfassend:
-. ein Filtergehäuse ( 10) umfassend eine Filterkammer ( 13), einen Flüssigkeitsverteiler (50) am Ende mindestens eines Einlau fs (15) zur Filterkammer (13) und ein Boden (12) sowie ein
Filtermedium (1 1), wobei die Filterkammer ( 13) und der Boden (12) im Bereich des Filtermediums (11) durch eine Verbindung dichtend gegen die Umgebung und gegen das Filtermedium (11) verbunden werden,
= mindestens einen Ablauf (14) am Boden (12) des Filtergehäuses ( 10).
Das Material der FDS-Unit ist so ausgewählt, dass die in der pharmazeutischen Industrie üblichen Reinigungs- und Sterilisationsverfahren, wie das Autoklavieren oder die Gamma-Bestrahlung anwendbar sind.
Als Filtermedien (1 1 ) werden üblicherweise aus Fasern oder Sintermaterialien hergestellte, für pharmazeutische Zwecke geeignete Filterplatten oder Filtergewebe verwendet, die aus geeigneten, dem Fachmann bekannten Werkstoffen wie Kunststoffen, Glas, Metallen oder keramischen Werkstoffen
bestehen und eine auf den Filtrationsprozess bzw. die Produktbeschaffenheit hinsichtlich Produktverlust, Durchsatz bzw. Druckverlust optimierte Porengröße besitzen. Besonders bevorzugt für den Einsatz als der FDS-Unit als Einwegsystem ist die Verwendung preiswerter Materialien wie beispielsweise Sinterplatten oder Sintergewebe aus Edelstahl oder Kunststoffmaterialien, wie z.B. Polyethylen, Polyester, Polyphenylensulfid, Polytetrafluorethylen. Je nach der im Kristallisationsprozess erreichbaren Partikelgröße bzw. Partikelgrößenverteilung des kristallinen Wirkstoffes werden Porengrößen von 0.2 bis 50 μηι verwendet. Für den optimalen Filtrationsprozess wird individuell für jedes Produkt eine maximal mögliche Porengröße ausgewählt, mit der hohe Durchsätze bzw. Fi Iterflächenbelastungen erzielbar sind, ohne eine Verstopfung der Filterplatte durch eindringendes Produkt oder ein Ausschwemmen der Suspension zu verursachen.
Bevorzugt wird das Filtermedium (11) horizontal als Filterplatte (17) in das Filtergehäuse (10) eingespannt. Zur Vergrößerung der spezifischen Filterfläche kann es sinnvoll sein, das Filterelement als durchgängiges, bevorzugt zylindrisches Rohr oder als Filterkerze (18) (Fig. 2 und 6) auszuführen, das umgeben sein kann von einem konzentrischen äußere Filterrohr (19) (Fig. 6). In diesem Fall findet die Filtration in einem vom Filterrohr (19) und der Filterkerze (18) gebildeten Ringraum mit der Spaltweite (58) statt.
Das Filtergehäuse ( 10) ist üblicherweise aus für Arzneimittelproduktion zugelassenen Kunststoffen gefertigt. Zur Herstellung der Filtergehäuse werden Standardmethoden zur Verformung von Kunststoffen (Spritzgießen, Extrudieren, usw.) verwendet. Vorzugsweise werden die Filtergehäuse aus thermoplastischen, dem Fachmann bekannten Kunststoffen wie z. B. Polyethylen, Polypropylen, PMMA, POM, Polycarbonat (insbesondere Makroion) hergestellt.
Die produktberührenden Wände der Filterkammer (13) wie unter Umständen auch des Bodens (12) sind in einer bevorzugten Ausführungsform auch aus Kunststofffilmen hergestellt und somit das Filtergehäuse ganz oder teilweise als Kunststoffbeutel ausgeführt. In diesem Fall wird der zur Filtration erforderliche Oberdruck zumindest innerhalb der Filterkammer (13) über die Beutelwände an eine druckstabile Haltevorrichtung übertragen. Diese Lösung wird bevorzugt für größere Maßstabe ab ca. 5- 50L eingesetzt, ab dem die Kosten der FDS-Unit ansonsten eine Single-use-Anwendung erschweren könnten. Um als einfach lösbare Verbindung zwischen Filterkammer (13) und Boden (12) typische Klemmverbindungen mit Verschlussklammer (z. B. Triclamp) verwenden zu können, kann es sinnvoll sein, Filterkammer (13) und Boden (12) mit entsprechenden Anschlussflanschcn zu versehen. Alternativ können die Filtergehäuse miteinander verschraubt (z.B. mittels Gewinde oder
Bajonettverschluss) werden. In einer weiteren bevorzugten Ausfuhrungsform werden Filterkammer
(13) und Boden (12) mittels Schweiß-, Klebe- oder Pressverbindung nicht lösbar mit einander verbunden.
Eine Re-Suspension/Re-Solubilisierung der Proteinkristalle innerhalb der FDS-Unit ist für das geschlossene Prozessieren des Produktes in verschließbaren FDS-Units wünschenswert, jedoch bei nicht-lösbaren Verbindungen zwischen Filterkammer (13) und Boden (12) zur Produktentnahme zwingend erforderlich. Der für eine beschleunigte Re-Suspension/Re-Solubilisierung erforderliche Energieeintrag wird dabei bevorzugt nicht-invasiv, d.h. ohne Eingriff in das geschlossene System z.B. über orbitales oder rotatorisch oszillierendes Schütteln in die FiUerkammer (13) eingetragen. Um die Mischmethode der rotatorischen Oszillation einsetzen zu können, kann es sinnvoll sein, das Filtergehäuse (10) zumindest im Bereich der Filterkammer ( 13) mit strombrechenden Elementen ( z.B. Stromstörer oder einen vieleckigen Querschnitt ) zu versehen.
Zur Durchführung der Filtration wird eine Suspension (30) aus Proteinkristallen in die Filterkammer (13) eingespeist Die Filterkammer (13) wird hierbei über ein verschließbares Entlüftungsrohr (22) entlüftet. Die übliche Größe der FDS-Unit für den kleinen Maßstab beträgt von 5 mL und 500 ml, Im großen Maßstab sind aber auch FDS-Units mit einem Gesamtvolumen von bis zu 50 L oder größer herstellbar. Die Schlankheitsgrade (Verhältnis aus Höhe zu Durchmesser H/D) der Filterkammer ( 13) hängen von der Art und Effizienz der Flüssigkeitsverteilung am Kopf des Filtergehäuses ( 10) sowie der optimalen erreichbaren Höhe des Filterkuchens (20) ab. Der Schlankheitsgrad wird üblicherweise so ausgewählt, dass eine Filterkuchenhöhe von 1 bis 20 cm, bevorzugt zwischen 2 bis 8 cm besonders bevorzugt zwischen 3 und 5 cm in der Vorrichtung erreicht werden kann, wobei die spezifischen Eigenschaften der zu filtrierenden Proteinkristalle insbesondere Größe, Stabilität und Kompressibilität der Kristalle berücksichtigt werden.
Wegen möglicher Druckverlustprobleme (der Druckverlust hängt neben der Größenverteilung, Stabilität und Kompressibilität der Kristalle, der Viskosität der Lösung erheblich von der Kuchenhöhe ab) ist eine annähernd konstante Kuchenhöhe bei der Maßstabsvergrößerung vorteilhaft. Das bedingt bei der Verwendung von horizontalen Filterplalten (17), dass das H/D-Verhältnis der Filterkammer mit der Maßstabs Vergrößerung kontinuierlich abnimmt. Um dennoch eine gleichmäßige Kuchenhöhe zu realisieren wird bei größeren Maßstäben ggf. ein Mittel zur effektiven Flüssigkeitsverteilung notwendig.
Üblicherweise wird die Suspension (30) aus Protcinkristallcn über den Flüssigkcitsverteilcr (50) mit mindestens einem Einlauf (15) in die Filterkammer (13) eingespeist (Fig.1 , 2, 4, 5, 6 und 7).
Vorzugsweise wird die Suspension (20) so in die FDS-Unit eingeführt, dass ein gleichmäßiger Aufbau des Filterkuchens (20) erfolgt. Der gleichmäßige Aufbau des Filterkuchens (20) ist für die Funktion der FDS-Unit von essentieller Bedeutung, weil dieser die Dauer und Intensität der Trocknung und damit das Ausmaß unerwünschter, Produktverunrein igungen und Aktivitätsverluste verursachender Nebenreaktionen bestimmt.
Bei kleinen Baugrößen von 5 mL und 500 mL und oder großen Schlankheitsgraden von H/D > 1 der FDS-Unit wird die Suspension (30) über einen Flüssigkeitsverteiler (50) bevorzugt bestehend aus einem einzigen Einlauf ( 15) mit einer tangentialen oder zentrischen-axialen Einlaufrichtung zugeführt (Fig. 1 und 2). Bei großen Filterkammern (13) von bis zu 50 L und/oder kleinen Schlankheitsgraden H/D « 1 ist dagegen eine erheblich bessere Verteilung der Suspension über den Querschnitt der Filterkammer (13) vorteilhaft. Der Flüssigkeitsverteiler (50) werden dazu bevorzugt mit einer Verteilerplatte (54) ausgestattet
Flüssigkeitsvertei 1er mit Verteilerplatte werden in der Chromatographie oft eingesetzt, sind aber meistens für die Verteilung von Suspension aufgrund der geringen Kanalhöhe, wegen scharfen Knicken, toten Räumen und mangelnder fallender Orientierung der Leitungen (Absetzen von Feststoff) ungeeignet. WO2010/ 138061 A I beschreibt ein baumförmiger Flüssigkeitsverteiler mit Verteilerplatte, bei der die Austrittöffnungen gitterfÖrmig arrangiert sind. Das komplizierte baumförmige Leitungskonstrukt wird durch „Free Form Fabrication" hergestellt und ist besonders einfach zu reinigen. Der beschriebene Verteiler wäre für die Verteilung einer Suspension durchaus geeignet, ist aber in der Herstellung kompliziert und teuer für die hier angestrebte Einweg- Anwendung.
Es bestand daher die Aufgabe einen Flüssigkeitsverteiler bereit zu stellen, der zur gleichmäßigen Verteilung einer Suspension geeignet i t, d. h. keine toten Räume aufweist und ein durchgehendes regelmäßigen Fallen der Suspension über die Verteilerplatte ermöglicht, wobei dieser Verteiler einfach und günstig erstellt werden sollte.
Der erfindungsgemäße für Einweganwendungen geeignete Flüssigkeitsverteiler (50) weist einen Vorverteiler (56) verbunden mit einer Verteilerplatte (54) mittels Schlauchleitungen (52) gleicher Länge und gleicher Durchmesser und somit etwa gleicher Druckverluste auf (Fig. 4). Die Schlauchleitungen (52) münden unter Aufspreizung und mögl ichst stetigem Gefälle (Vermeidung von Feststoffablagerungen) in vertikalen Austrittsöffnungen (53) einer Verteilerplatte (54). Sinnvolle Anstellwinkel der äußeren Schlauch fasern liegen je nach Durchmesser der FDS-Unit zwischen 5° und 75° besonders bevorzugt sind Anstellwinkel von 20 - 60°. Die Verteilung der Austrittöflhungen (53)
auf der Verteilerplatte (54) ist üblicherweise so gestaltet (Fig. 5), dass sie die Öffnungen einerseits analog einer 60°-Tcilung einen ungefähr konstanten Abstand zueinander aufweisen und andererseits dennoch auf einer Kreislinie (57) positioniert sind, um auch in Wandnähe eine gleichmäßige Verteilung zu erreichen. Der Wandabstand der Austrittöffnungen (53) entspricht dabei bevorzugt dem halben Abstand der Kreislinien (57) zueinander. Die Anzahl der Bohrungen pro Kreisl inienumfang wird bei diesem für vertikal angeordnete Filterplatten (17) geeigneten Konzept konstant gehalten und steigt um jeweils 6 Austrittöffnungen (53) beim Sprung auf die nächst größere Kreislinie (57). Die für eine ausreichende Feststoffverteilung benötigte Anzahl der Austrittöffnungen pro Fläche hängt von zahlreichen Faktoren ab, wie z.B. der Partikeldichte und -größenverteilung, bzw. der Sinkgeschwindigkeit der Partikel, der Fi ltrationsgeschwindigkeit, der Höhe des Filterkuchens (20) dem Schlankheitsgrad der Filterkammer (13). Eine über den erfindungsgemäßen Verteiler beschickte Filterkammer (13) mit dem Durchmesser von 190 mm lieferte in einem Modellexperiment mit lOg/L PANX-Partikeln einen mittleren absoluten Höhenuntersch ied von ca. 2% -3% bezogen auf die Kuchenhöhe ca. 40 mm und damit bei einem H/D - Verhältnis von H/D = 0.5 bereits eine ausreichend gute Partikelverteilung. Der hierfür benutzte Verteiler besitzt bei einem Bohrungsabstand von ca. 63 mm bei 7 Austri ttö fnun gen .
In einer besonderen Ausführungsform der erfi n dungsgemäßen Verteiler wird jede Austrittöffnung mit Hilfe einer nicht verzweigten Schlauchleitung (52) mit einem Vorverteiler (56) verbunden. Üblicherweise werden als Schlauchleitung Silikonschläuchen verwendet. Üblicherweise werden die Schlauchleitungen in dem Vorverteiler aufgesteckt, eingegossen, verschweißt oder verklebt gebündelt
(Fig 4).
Der Vorverteiler wird üblicherweise über einen axial oder tangential angeordneten Zulauf (15) mit der Suspension (30) versorgt.
Bei einer weiteren Vergrößerung des Prozessmaßstabes oder bei schwer filtri erbaren Produkten kann es vorteilhaft sein, den Filterkuchen nicht flächig, sondern im Ringraum zwischen einer Filterkerze ( 18) und einem Filterrohr ( 19) aufzubauen (Fig. 6). Hierdurch entsteht der große Vorteil, dass der Druckverlust unabhängig von der Höhe des Filterkuchens einstellbar ist. Hierdurch lässt sich unabhängig vom Maßstab eine schlanke Geometrie realisieren, die u.a. erhebliche Vorteile beim Platzbedarf oder der Druckbelastbarkeit der Apparate generiert. Bei dieser Anordnung sollten die Höhe der Filtcrcinrichtung (18, 19) bevorzugt möglichst exakt der Höhe des Filterkuchens (20) entsprechen. Während die Filtration durch gleichzeitigen Abzug über beide Filterelemente (18 und 19) bzw. die Abläufe (14 und 16) erfolgt, wird die Trocknung durch Zugabe des Trocknungsgases entweder über Ablauf (14) bei Abzug über Ablauf ( 16), also von innen nach außen, oder durch Vertauschen der
Anschlüsse in umgekehrter Richtung durchgeführt. Bei identischer Kuchen- und Filterhöhe ergibt sich der Vorteil einer gleichmäßigen Druckverlustverteilung im Kuchen, und einer sehr gleichmäßigen Trocknung des Produktes. Es kann vorteilhaft sein, einen kleinen Begasungsanteil an Trocknungsgas zusätzlich über der Einlauf ( 15) einzuleiten, um insbesondere bei zu hohen Füllgraden die obersten Schichten besser trockenen zu können und den ansonsten entstehenden Totraumbereich über dem Filterkuchen (20) zu eliminieren. Die Anordnung der Austrittbohrungen des fraktalen Flüssigkeitsverteilers in der Verteilerplatte (54) erfolgt bevorzugt bei einem Verhältnis von Lochabstand L (59) zur Breite B (58) des Ringkanals von L B = 1 auf der mittleren Kreislinie (57) des Ringkanales. Das Filtrat (40), das durch das Filtermedium (1 1 ) strömt, kann durch den vorzugsweise zentralen Ablauf (14) am Boden (12) des unteren Filtergehäuses abgeführt werden.
Der Filterkuchen (20) kann nach der Filtration in der FDS-Unit gewaschen werden.
Die erfinderische FDS-Unit wird vorzugsweise in einer Anlage wie auf Fig. 3 dargestellt verwendet, ohne sich darauf zu begrenzen. Vor der Trocknung der Proteinkristalle wird üblicherweise das restliche Filtrat (40) bestehend aus Mutterlauge oder Waschflüssigkeit aus dem Filterkuchen (20) mittels eines Gases (140), bevorzugt steril filtrierte Luft- oder Stickstoff, verdrängt. Der Gaseintritt erfolgt üblicherweise über den Einlauf ( 15), der Gas- und/oder Flüssigkeitsaustritt über den Ablauf (14). Vorzugsweise wird spätestens zur Trocknung das Gas (140) mittels Gaserhitzer (160) auf eine definierte Temperatur angehoben und mittels einer Gasbefeuchter ( 165) auf einen minimalen Restfeuchtegehalt eingestellt. Letzterer soll verhindern, dass das Produkt bei zu geringen Feuchtegehalten z.B. durch Verklumpung, Verfärbung oder Karamellisierung irreversibel geschädigt wird. Insbesondere kann eine falsche Restfeuchte zu einer Denaturierung oder zu Schwierigkeiten bei der Resolubilisierung (Aktivitätsverluste inklusive) führen.
Nach erfolgter Trocknung können Zu- bzw. Ablauf der FDS-Unit abgeklemmt werden. Hierzu eignen sich beispielsweise Schlauchklemmen (67) mit den auf dem Einlauf (15)- und Ablauf (14) - stutzen aufgezogene flexiblen Schlauchleitungen (66), bevorzugt aus pharma-kon formem Silikon oder C-Flex, abgeklemmt werden können. So können die filtrierten, gewaschenen und getrockneten Proteinkristalle auch während des Transportes und der anschließenden Lagerung ohne ein zwischenzeitliches Öffnen in der FDS-Unit belassen werden. Auf diese Weise wird eine vollständig geschlossene Handhabung ermöglicht.
Sollen die Proteinkristalle wieder rückgelöst werden, so empfiehlt sich eine Produktentnahme nach öffnen der Filtereinheit. Bevorzugt wird jedoch unter Wahrung der geschlossenen Betriebsweise eine
Re-Solubilisierung oder Re-Suspension innerhalb der FDS-Unit durchgeführt. Dies kann nicht-invasiv bei mäßigem Energieeintrag z.B. durch Rückwärtsspülung (zuerst über den Ablauf (14) und anschließend über den Einlauf (15) mit einer geeigneten Flüssigkeit erfolgen. Zur Verbesserung der hydrodynamischen Mischleistung, der Suspendierung der Kristalle bzw. letztlich der Vergrößerung der Solubilisierungsgeschwindgkeit kann die FDS-Unit auf einem speziellen orbitalen Schüttler (60) bewegt werden (Fig. 8). Der Schüttler (60) besitzt einen Behälter (62) für die Aufnahme der FDS-Unit einschließlich der Schlauchleitungen (66) und der Schlauchkl emmen (67) und wird über einen Exzenter (63) in eine orbital oszillatorische Bewegung versetzt. Im Falle der Integration strömungsbrechender Elemente (z.B. vieleckiger Querschnitt oder Strombrecher) in die Filterkammer (13) der FDS-Unit kann auch eine vertikal-rotatori sch oszillierende Reaktorbewegung für einer intensive Durchmischung, Suspendierung und beschleunigte Solubilisierung sorgen.
Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher eine Anlage zum Betrieb der erfindungsgemäßen FDS-Unit umfassend: z ein Kristallisationskessel (100), welcher über Leitungen an einem oder mehreren Reservoirs für Kristallisations- bzw. Fällungs- und Korrekturmittel (101 ) und andererseits an eine oder mehrere erfindungsgemäße FDS-Units im parallelen, sequentiellen oder intermittierendem Betrieb angeschlossen ist, z ein Mutterlaugenreservoir (1 10), das über an den Ablauf (14) der FDS-Unit angeschlossen ist.
Die technische Kristallisation von Proteinen (pharmazeutisch aktive Peptide und Proteine sowie therapeutische Antikörper) oder andere kristallisierbare oder fällbare Wirkstoffe findet in dem Kristallisationskessel (100) statt, welcher über eine ausreichende Anzahl von Anschlüsse zu den Reservoirs für alle notwendigen Kristallisations- und Korrekturmittel verfügt.
Nach der Kristallisation wird die Suspension (30) möglichst ohne Partikelschädigung unter Vermeidung von Pumpen bevorzugt mittels eines leichten Überdruckes bei moderaten Transportgeschwindigkeiten in die Filterkammer (13) der FDS-Unit geleitet. Dazu wird ein Gasdruck z.B. über einen Drei-Wege-Hahn (120) auf den Kopf des Kristallisationskessels aufgeschaltet und über eine Druckmessung (230) justiert. Die Filtration der Kristallsuspension erfolgt üblicherweise bei einem Filtrationsvordruck von 0.2 bis 1 .5 bar, bevorzugt bei 0.5 bis 1 .0 bar. Die Suspension (30) wird durch das Filtermedium (1 1 , 17, 18 oder 19 je nach Aufbau der FDS-Unit) zurückgehalten. Das aus dem Ablauf ( 14) der FDS-Unit abgeleitete Filtrat (40) wird in einer bevorzugten Ausführung über einen weiteren Drei-Wege-Hahn (130) dem Filtratreservoir (1 10) zugeführt.
Die Filtration ist beendet, wenn die gesamte Flüssigkeit aus Kristallisationskessel (100) und FDS-Unit herausgedrückt wurde, so dass nur noch der vorgetrocknete Filterkuchen (20) in der FDS-Unit verbleibt.
Der Filterkuchen (20) ist nach der Filtration noch von der Kristallisationsflüssigkeit umgeben. Vorzugsweise wird die Kristallisationsflüssigkeit nun durch ein Trocknungsgas ersetzt.
Dazu kann das Trocknungsgas durch die Filtrationseinheit geleitet werden. Üblicherweise wird zur Trocknung komprimiertes Gas definierter Restfeuchte mit einem Vordruck von 1 bis 3 bar, bevorzugt bei 2 bis 3 bar verwendet. Ein apparativer Umbau für die Trocknung wird so vermieden.
In einer bevorzugten Aus führun gs form weist die Anlage für die Trocknung eine Trocknungseinheit auf, die eine separate Trocknungsgasleitung, und Drei-Wege-Hähne ( 120, 130) umfasst. Diese werden derart eingestellt, dass das Trocknungsgas (mit entsprechender Feuchtigkeitslast) über einen Bypass am den Kri stall i sationsreaktor vorbeigeführt wird. Zum Transport und zur Erwärmung des Trocknungsgases kann al Gaserhitzer (160) z.B. eine Rohrleitung mit Heizmantel eingesetzt werden. Es wird außerde bevorzugt der Feuchtigkeitsgehalt des Trocknungsgases auf einen Mindestwert eingestellt. Hierfür wird vorzugsweise die Feuchtigkeit des Trockengases vor Einleitung in die Trocknungseinheit eingestellt und mittels eines Feuchtigkeitssensors (210) kontrolliert. Bei einem größeren Feuchtigkeitsbedarf kann die Mindestfeuchte über eine Befeuchtungseinrichtung (165) im Gas ström eingestellt werden.
Vorzugsweise wird die Trocknung des Filterkuchens ebenfalls mittels eines Feuchtigkeitssensors (220) am Ausgang der Einweg-FDS-Unit überwacht.
Das bei der Filtration im Reservoir (1 10) aufgefangene Filtrat (40) dient bei der Trocknung als Wasch flüssigkeit für das Abgas (150), um potentiell bei der Trocknung auftretende Staubemissionen zu minimieren.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die erfindungsgemäße FDS-Unit ein Mittel zur minimal-invasiven Beprobung des Filterkuchens auf. Zum Beispiel verfügt die FDS-Unit über eine verschließbare Öffnung zur Einführung eines Stechspatens in den Filterkuchen. Vorzugsweise kann ein Stechspaten horizontal und vertikal in den Filterkuchen eingeführt werden.
Die im Folgenden beschriebene Erfindung ermöglicht die Verbindung gleich mehrerer Verfahrensschritte des Down Stream Processing von einer Festsstoff-Suspension.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zur Aufarbeitung von einer Festsstoff-Suspension, umfassend folgende Schritte:
1) Filtration einer Festsstoff-Suspension in einer einzelnen oder in parallel geschalteten Filtereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einer Anlage gemäß einem der Ansprüche 0 bis 12;
2) Waschen bzw. Mediumwechsel der zurückgehaltenen Festsstoffe und optional Konvektionstrocknung der zurückgehaltenen Festsstoffe mittels eines Trocknungsgases;
3) Abnehmen der mit Festsstoffe gefüllten Filtrationseinheit aus der Anlage;
4) Transportieren und Lagern der mit Festsstoffe gefüllten Filtrationseinheit und, optional, Rekonstitution der Proteine durch Auflösen bzw. Resuspendieren in der Filtereinheit.
Vorzugsweise wird die Konvektionstrocknung mit regulierbaren Parametern wie Temperatur, Volumenstrom oder Feuchtegehalt oder mit einer Kombination davon durchgeführt.
Durch den Einsatz von Filterplatten mit unterschiedlichen Poren großen können alle dargelegten Schritte an die jeweilige Applikation bzw. an die jeweilige Proteinkristallsuspension angepasst werden. Verglichen mit Edelstahl- oder Glasausführungen wird durch den Einweg-Aufbau der erfindungsgemäßen FDS-Unit der Aufwand der Reinigung und der Reinigungsvalidierung stark reduziert.
Die erfindungsgemäße Einweg-FDS-Unit eignet sich insbesondere zur Abtrennung von Proteinkristallen (pharmazeutisch aktive Peptide und Proteine sowie therapeutische Antikörper) ohne sich darauf zu begrenzen. Sie ist zur Abtrennung anderer kristalliner Verbindungen insbesondere in Fällen, wo Vorschriften der guten Herstellpraxis für Arzneimittel beachtet werden müssen, ebenfalls vorteilhaft einsetzbar.
Die erfindungsgemäße FDS-Unit sowie die Anlage zur ihrer Anwendung werden beispielhaft in den Figuren 1 bis 6 schematisch dargestellt, ohne sich auf die gezeigten Ausfuhrungsformen zu begrenzen.
Fig. l : FDS-Unit mit Filterplatte
Fig. 2: FDS-Unit mit Filterkerze
Fig. 3 : Einbindung der FDS-Unit in den erfindungsgemäßen Anlage zur Durchführung der der Filtration (Filtration), Trocknung (Drying) und Bereitstellung für Transport und Lagerung (Storage) Fig. 4: Fraktaler Flüssigkeitsverteiler (Seitenansicht: Vorverteiler, Verteilerplatte)
Fig.5: Fraktaler Verteiler (Draufsicht: Verteileiplatte mit Beispiel für die Aufteilung der Austrittsöflhungen)
Fig. 6 FDS-Unit mit Filterkerze, Filterrohr und fraktalem Verteiler für den von beiden Filtcrrrohren gebildeten Ringraum für den großen Maßstab Fig. 7 Draufsicht auf FDS-Unit für den großen Prozessmaßstab
Fig.8: Orbitale Schüttcleinrichtung für den nicht-invasiven Energieeintrag in die FDS-Unit zum Zwecke der Suspendierung und Resolubilisierung bei geschlossener Prozessführung.
Zeichenerklärungen
10 Filtergehäuse
11 Filtermedium
12 Boden
13 Filterkammer
14 Ablauf
15 Einlauf
16 Ablauf
17 Filterplatte
18 Filterker/e
20 Filterkuchen
22 Entlüfrungsrohr
30 Suspension
40 Filtrat
50 Flüssigkeitsverteiler
51 60°-Teilung
52 Schlauchleitung
53 Austrittsöffnung
54 Verteilerplatte
56 Vorverteiler
57 Kreislinie
58 Ringspaltbreite
59 Lochabstand
60 Schüttler
62 Behälter
63 Exzenter
66 Schlauchleitung
67 Schiauchklemme
100 Kri stall isationskessel / Fällungskessel
101 Korrekturmittel
110 Reservoir
120 Drei-Wege-Hahn / Ventil
130 Drei- Wege-Hahn / Ventil
140 Gas
150 Abgas
160 Gaserhitzer
165 Gasbefeuchter
200 Durchflussmessung
210 Feuchtigkeits- / Temperatursensor
220 Feuchtigkeitssensor
230 Druckmessung
Beis i l:
Für die Filtration eines Modellproteins wurde eine FDS-Unit gemäß Fig. 1 aus einem Filtergehäuse (10) mit einem Volumen der Filterkammer (13) von 100 mL, einem Durchmesser von 26 mm und einem Schlankheitsgrad von 5,8 und einem verschraubbaren Bodenteil (12) aus Polyoxymethylen (POM) angefertigt. Die Wandstärken des Filtergehäuses (10) und Boden (12) wurden für die gewählten Bedingungen eines Betriebsdruckes bis 3 bar und einer Temperatur von -10 < [T °C] < 60° dimensioniert. Als Filtermedium (1 1 ) wurden Sintermetallplatten mit einer Porengröße von 5μητ eingesetzt (Durchmesser 34 mm; Dicke 5 mm). Filterkammer (13), Filtermedium ( 1 1) und Boden (12) wurden mittels Klemmverbindungen mit Verschlussklammer (Triclamp) zusammen befestigt. Kristallisation
Das Modellprotein wurde in einer Konzentration von 10 g/L in 40 mM Na-Citrat (initialer pH- Wert 2,7) gelöst vorgelegt. Es folgte die Zugabe des Präzipitanten (Natronlauge 0,75 M; Zugabe von 15 L in 5 Minuten) bis zu einem Nukleations-pH-Wert von 3,2. Bei diesem pH-Wert wurde die Lösung für weitere 3 Stunden gerührt (Rührgeschwindigkeit 200 rpm). Nach der Nukieationszeit wurde der Präzipitant bis zu einem finalen pH-Wert von 4,5 in die Lösung gegeben. Die Lösung wurde bei Raumtemperatur für weitere 17 Stunden gerührt.
Die Ermittlung optimaler Prozessparameter der anschließenden Filtration und Trocknung der Proteinkristalle erfolgte durch statistische Versuchsplanung („design-of-experiments"). Es wurde ein Wirkungsflächenmodell („response surface model") erstellt, aus dem die Haupt- und Zwei-Faktor- Wechselwirkungen sowie die optimalen Prozessparameter hervorgehen. Filtratipn
Für das verwendete Modellprotein wurde ein optimaler Filtrationsvordruck von 0.5 bar ermittelt. Für das verwendete Modeilprotein wurde eine optimale Kuchenhöhe von 4,5 cm (±0.5) ermittelt.
Trockn g
Für das verwendete Modellprotein wurde ein optimaler Vordruck von komprimierter Luft von 2.5 bar (±0.5) ermittelt. Die Trocknungstemperatur (Temperatur des komprimierten Gases) ist von der Temperaturstabil ität des Zielproteins abhängig und wurde zwischen 30°C bis 50°C eingestellt. Für das verwendete Modellprotein wurde komprimierte Luft mit einer optimalen Temperatur von 45 °C (±5) verwendet. Die relative Feuchte der komprimierten Luft von 0.5- 1.0%, konnte ohne zusätzlichen Luftbefeuchter vorgelegt werden. Sie war ausreichend bemessen, um eine Produktschädigung durch zu starkes Austrocknen des Filterkuchens zu verhindern. Für das verwendete Modellprotein wurde eine optimale Trocknungszeit von 17.5 h (±1) ermittelt. Mit dem aus einer Rohrleitung mit Heizmantel aufgebauten Gaserhitzer ( 60) ließen sich Volumenströme von bis 4 m3/h auf eine Temperatur von 55 °C aufheizen.
Unter den oben genannten experimentellen Bedingungen wurden die folgenden Messwerte erfasst: Kristallisationsausbeute: 98 [%]
Produktverlust in der Mutterlauge: 1 [%]
Filtrationsflux: 1556 [L/h x m2 x bar]
Feststoff / FDS-Einheit (Beladbarkeit): 13 [g Kristallfeststoff / FDS-Einheit] (Vol: 22 cm3) Restfeuchtegehalt (Karl-Fisher-Methode): 4 [%] Produktreinheit (RP-HPLC): 95 [%]
Claims
Ansprüche
1. Filtereinheit zur Filtration von festen Partikel aus einer Suspension umfassend:
- ein Filtergehäuse (10) umfassend eine Filterkammer (13), einen Flüssigkeitsverteiler (50) am Ende mindestens eines Einlaufs (15) zur Filterkammer (13) und ein Boden (12) sowie ein Filtermedium (1 1), wobei die Filterkammer (13) und der Boden (12) im Bereich des Filtermediums (11) durch eine Verbindung dichtend gegen die Umgebung und gegen das Filtermedium (11) verbunden werden,
= mindestens einen Ablauf (14) am Boden (12) des Filtergehäuses (10).
2. Filtereinheit nach Anspruch 1 , wobei das Filtergehäuse aus Kunststoff gefertigt ist.
3. Filtereinheit nach eine der Ansprüche 1 oder 2 wobei das Filtergehäuse ganz oder teilweise als Kunststoffbeutel ausgeführt ist.
4. Filtereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3 wobei das Filtermedium aus einer Gruppe bestehend aus einer oder mehreren Filterplatte, zylindrischer Filter, Kerze oder Kombination davon ausgewählt ist.
5. Filtereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Filterkammer (13) und der Boden (12) unlösbar verbunden sind.
6. Filtercinhcit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zur Flüssigkeitsverteilung ein
Flüssigkeitsverteiler mit Filterplatte eingesetzt wird.
7. Flüssigkeits Verteiler bestehend aus einem Vorverteiler (56) verbunden mit einer Verteilerplatte (54) mittels Schlauchleitungen (52) gleicher Länge und gleicher Durchmesser, wobei die Schlauchleitungen (52) unter Aufspreizung und möglichst stetigem Gefalle in vertikalen Austrittsöffnungen (53) der Verteilerplatte (54) münden dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöfmungen (53) auf konzentri sehen Bahnen angeordnet sind.
8. Flüssigkeitsverteiler nach Anspruch 7, wobei die Austrittöffnungen mit einer 60°-Anordnung und in gleiche Abstände zueinander, mit einem konstanten Abstand zur Außenwand der Filterkammer angeordnet sind, oder mit einer bestmöglichen Kombination davon angeordnet sind.
9. Flüssigkeitsverteiler nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei jede Austrittöfmung mit Hilfe einer nicht verzweigten Schlauchleitung (52) mit dem Vorverteiler (56) verbunden ist.
10. Anlage zur Filtration von festen Partikel aus einer Suspension umfassend:
- ein Kristallisationskessel (100), welcher über Leitungen an einem oder mehreren Reservoir für Kristallisations- und Korrekturmittel (101 ) einerseits und andererseits an eine Filtereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder mehrere parallel temporär angeschlossen ist und
; ein Mutterlaugenreservoir (110), welcher über Anschlüsse an dem Ablauf (14) der Filtereinheit temporär angeschlossen ist
Anlage nach Anspruch 10 umfassend eine Trocknungseinheit, eine Befeuchtungseinheit, oder beides.
Anlage nach Anspruch 11 umfassend ein Mittel zur nicht invasiven Bewegung des Inhalts der FDS Unit ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem orbitalen Schüttler oder einem vertikal rotatorisch - oszillierenden Schüttler
Verfahren zum Down Stream Processing von einer Festsstoff-Suspension umfassend folgende Schritte:
- Filtration der Festsstoff-Suspension in einer einzelnen oder in parallel geschalteten Filtereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einer Anlage gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12;
2 Waschen bzw. Mediumwechsel der zurückgehaltenen Festsstoffe und optional Konvektionstrocknung der zurückgehaltenen Kristalle mittels eines Trocknungsgases; z Abnehmen der mit Festsstoffe gefüllte Filtrationseinheit aus der Anlage;
- Transportieren und Lagern der mit Festsstoffe gefüllten Filtrationseinheit und optional Rekonstitution der Proteine durch Auflösen in der Filtereinheit.
14. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei die Konvektionstrocknung mit regulierbaren Temperatur, Volumenstrom oder Feuchtegehalt oder mit einer Kombination davon durchgeführt wird.
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