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Ex und hopp: Einweg-Kunststoffe halten Einzug in biopharmazeutische Industrie

Über den Einsatz von Kunststoffen vor allem in der biopharmazeutischen Herstellung diskutierten 80 Experten aus Wirtschaft, Wissenschaft und Verwaltung auf dem 15. BioRegio-Meeting im Parkhotel Jordanbad in Biberach. Das Thema Einweg statt Mehrweg beherrscht seit Monaten die Konferenzen der biopharmazeutischen Industrie und ist auch im biopharmazeutischen Cluster der BioRegionUlm, BioPharMaXX, für die global agierenden Unternehmen ein Thema.

Kunststoffe werden meist noch auf Basis von Erdöl hergestellt, doch dessen Vorräte schwinden. Am FuE-Horizont tauchen Biopolymere und Biowerkstoffe auf, die das postfossile Zeitalter einläuten. Über Aktivitäten, Beispiele aus der Praxis und dem Forschungslabor berichtete Dr. Ralf Kindervater, Geschäftsführer der landeseigenen BIOPRO Baden-Württemberg GmbH und erweiterte damit das Thema in weitere Branchen.

Biodisposables – günstig und flexibel

Upstream-Spezialist Aziz Cayli, CellCa, Laupheim © CellCa GmbH

Biodisposables, wie die Fachwelt die Einwegsysteme auf Basis von Kunststoff nennt, haben sich mit derselben Rasanz wie Zellen und Produktionssysteme entwickelt und sich vor allem im Upstream-Bereich der biopharmazeutischen Produktion etabliert.

Aziz Cayli, Geschäftsführer des in Laupheim ansässigen Zellspezialisten CellCa stellte vorneweg die Schlüsselfrage aller biopharmazeutischen Hersteller: Ist die Einweg-Produktion auf Basis von Kunststoff derjenigen in Edelstahl ebenbürtig? Caylis Kniff: Er zeigte Einweglösungen als einen von mehreren Wegen, die biopharmazeutische Produktion zu optimieren. Die „Vorliebe für Plastik" hat nach seinen Worten zwei handfeste Gründe: Kostenersparnis und erhöhte Flexibilität.  

Bei einem Kostenvergleich einer Antikörper-Herstellung im 1.000-Liter-Prozess fallen bei der Einweg-Lösung (Kunststoff) bis zu 40 Prozent weniger Fixkosten (Abschreibung, weniger Instandhaltung, erhöhte Produktionskapazität) als bei der Herstellung in Edelstahl an. Der Herstellungsprozess von Antikörpern (IgG1) lasse sich in der Einweg-Lösung von einem 5-Liter-Schüttelkolben in einen 200-Liter-Rühr-Bioreaktor umsetzen, berichtete Cayli von Versuchen mit einem Ausrüster.

Zur Optimierung führen verschiedene Wege

Ähnliches Einsparpotenzial sieht Cayli in effizienteren Herstellungsprozessen: Verdoppelt man in einem 1.000-Liter Bioreaktor die Produktkonzentration auf fünf Gramm pro Liter, erspare man sich einen zweiten Lauf und damit die Hälfte der Kosten. Der Einsatz von Biodisposables ermöglicht nach Caylis Worten eine Zeitersparnis von einigen Wochen; Zeit (und damit auch Kostenersparnis) lassen sich aber auch erreichen, indem man auf die Medien- und Prozessentwicklung im Bioreaktor verzichtet und mit den optimierten (Säuger-)Zellen sofort in die Produktion geht. „Ist der Prozess gut, läuft er in allen Reaktoren“, so Caylis Fazit. Wesentlich sei es, die Produktionszellen und das Medium zu optimieren, dann spiele die „Hardware“ (Plastik oder Stahl) keine Rolle.

Tatsächlich ist der Aufbau einer Single-Use-Anlage mit Zeit- und damit auch finanziellen Vorteilen verbunden, berichtete Roland Wagner von Rentschler Biotechnologie. Binnen Jahresfrist sei es dem Laupheimer Unternehmen gelungen, eine Einweg-Anlage in einer Halle produktionsfertig zu machen; statt sechs Produktionsläufen in Edelstahl seien zehn Läufe in Einweg möglich.

Unternehmens-Allianz vorgestellt

Biologische Flüssigkeiten werden in sterile Einweg-Bags gefüllt und in speziellen Tanks gelagert. © Saratorius Stedim Biotech

Der Einweg-Trend in der biopharmazeutischen Herstellung hat auch zwei Unternehmen zusammengeführt, den Biotech- und Pharma-Zulieferer Sartorius Stedim Biotech (SSB) und die Tochter des Verpackungsspezialisten Südpack (Hauptsitz in Ochsenhausen), die im schweizerischen Baar ansässige Südpack Medica. Beide wollen bei Entwicklung, Herstellung und Belieferung von mehrschichtigen Folien aus Polymer-Kunststoffen für den biopharmazeutischen Markt zusammenarbeiten.

In der zunächst auf zehn Jahre beschränkten exklusiven Kooperation wird Südpack für SSB Kunststofffolien produzieren, die bei der Herstellung von Einwegbeuteln und -systemen verarbeitet werden. Diese Beutel werden für die Zellkultivierung, den Transport und die Lagerung biopharmazeutischer Flüssigkeiten verwendet. Entwickelt wird gerade ein 2.000-Liter Einweg-Bioreaktor, der in spätestens einem Jahr marktreif sein soll. 

Einweg in Upstream – weiter Weg zum Standard

Familiengeführt, langfristig planend: Verpackungsspezialist Südpack kooperiert seit Juni 2011 mit Sartorius. Unser Bild zeigt eine Blasfolienextrusion. Daraus werden zum Teil direkt Beutel gefertigt, zum Beispiel zur Käsereifung. © Südpack Verpackungen

„Einwegprodukte sind aus unserer Branche nicht mehr wegzudenken", sagte Heiko Hackel, Vice President Global Sourcing von SSB. Systeme auf Basis von Kunststoff avancierten zum „Industriestandard" mit jährlichen Wachstumsraten von 15 Prozent. Er stellte zusammen mit Südpack-Medica-Geschäftsführer Ingo Schnellenbach die Kooperation vor. Den „Systemwechsel" von Mehr- auf Einweg befördern nach Hackels Worten reduzierte Kreuz-Kontamination, weniger Ausfallzeiten, reduzierte Kosten, geringere Investitionen in Anlagen sowie eine höhere Flexibilität, zum Beispiel beim interkontinentalen Transfer der Produktion eines erfolgreichen Medikaments. 

In kleinvolumigen Labor- und Pilotprozessen seien Biodisposables bereits etabliert. Nach Meinung der in Biberach versammelten Experten verläuft die Grenze von Kunststoff zu Edelstahl bei 2.000 Litern. Die großvolumige Fertigung geschieht nach wie vor in stählernen Biofermentern, oft werden noch Hybrid-Technologien (Kunststoff- und Stahl-Kombination) eingesetzt. Auf dem Weg zum industriellen Standard müssen Einweg-Systeme in der Bioproduktion noch nachbessern: Experten sehen in Sensortechnik und Chromatographie großen Entwicklungsbedarf. Als „größte Schwachstelle" gilt die fehlende Standardisierung und Vergleichbarkeit der Systeme untereinander, auch die zu traditionellen. Mangelware sind auch noch Design- und Anwendungsempfehlungen für Einweg-Systeme und -Produktionsanlagen. Noch fehlen Risikoanalysen wie auch Tests zur Prüfung der Integrität von SUS (Single-Use-System) vor ihrem Einsatz oder Regularien für den Gesamtprozess (Dechema Biotechnologie, Statuspapier des temporären Arbeitkreises Single-Use-Technologien in der biopharmazeutischen Produktion, 2011, S. 37).

Biopolymere für die postfossile Zukunft

Einweg-Technologien beschränken sich nicht nur auf säugerzellbasierte Bioproduktion, sondern halten nach Ansicht von Experten auch Einzug in die mikrobielle Fertigung. Einen Schritt zurück – zum Rohstoff – und gleichzeitig einen Schritt vorwärts – in das postfossile Zeitalter – ging Dr. Ralf Kindervater von der BIOPRO Baden-Württemberg. Noch dominierten petrochemisch produzierte Kunststoffe wie PA, PC, PE und PP oder CA in den Einwegsystemen der Ausrüster für die biopharmazeutische Industrie. Wegen begrenzter Ressourcen und aus Gründen der Nachhaltigkeit (Kindervater: „Der Carbon Fingerprint wird immer wichtiger“) wird die Forschung und Entwicklung von Biopolymeren und Biowerkstoffen vorangetrieben. Kindervater berichtete über den seit 2007 geförderten Cluster Biopolymere/Biowerkstoffe.

Die zweite Generation von Biopolymeren ist mittlerweile nicht mehr ausschließlich auf Kompostierbarkeit getrimmt. In Verbundprojekten wurden biobasierte Werkstoffe (wie ein nicht abbaubares Bio-Polyamid) für den Einsatz in der Automobilindustrie in Zusammenarbeit von Forschung, Kunststoffproduzent und Anwender entwickelt.

Immer mehr Kunststoff in Medizintechnik

Auch in der Medizintechnik verdrängt Kunststoff immer mehr Metall. Die Hälfte der dort eingesetzten Materialien stellen nach Kindervaters Worten bereits Kunststoffe, wovon der größte Teil als Einwegartikel genutzt wird. Entwickler neuer Biopolymere für den medizintechnischen Einsatz müssen die Oberflächeneigenschaften von Polymeren verbessern und deren Benetzbarkeit, Haftung, Reibung und Kompatibilität optimieren.

Funktionalisierte, traditionell synthetisierte Kunststoffe werden als Implantat, Einweg-Katheter oder als Diagnostik-Hilfsmittel für die klinische Labortestung eingesetzt, decken höchst unterschiedliche Anwendungen ab. Und dennoch gibt es bereits Biokunststoffe im Einsatz, wie resorbierbares Nahtmaterial (aus Poly-4-Hydroxybutyrat) oder resorbierbare Schrauben auf Polylaktid-Basis im Orthopädie-Bereich, berichtete Kindervater. Sogar ein bioresorbierbarer Stent auf Basis von Polymilchsäure zur Behandlung der koronaren Herzkrankheit soll Ende 2012 auf den Markt gebracht werden.

Im Stadium der Forschung und Entwicklung befinden sich nach Kindervaters Worten Projekte, die sich mit biomimetischen Gerüststrukturen für Knochen- und Knorpelersatz beschäftigen, mit Nervenleitschienen aus abbaubarem Kunststoff oder mit antibakteriellen Atemwegsstents, die einwachsen sollen.

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