Raman-Prozessanalysator zur Echtzeitüberwachung von Rapamycin: Ergebnisse vergleichbar mit HPLC

Die Raman-Spektroskopie, wenn sie als Raman-Prozessanalysator für Echtzeitmessungen eingesetzt wird, ist eine leistungsstarke Technologie zur Prozesskontrolle und -optimierung in der pharmazeutischen und biotechnologischen Produktion. In diesem Zusammenhang zeichnet sich der inline Raman-Prozessanalysator, entwickelt und hergestellt von IRIS Technology Solutions (Barcelona), als hochleistungsfähige analytische Lösung zur Echtzeitquantifizierung kritischer Verbindungen und zur kontinuierlichen Überwachung der Prozessleistung aus.

Im Gegensatz zu konventionellen analytischen Techniken wie der HPLC, die mit verzögerten Reaktionszeiten, Verbrauchsmaterialien und einem hohen Laboraufwand verbunden sind, ermöglicht ein Raman-Prozessanalysator einen direkten und unmittelbaren Einblick in den Prozess. Dieser Artikel stellt eine konkrete industrielle Anwendung vor: den Einsatz des Visum Raman In-Line-Analysators zur Überwachung der Rapamycin-Konzentration während der Reinigungsstufe.

Die Ergebnisse zeigen, dass dieser Raman-Prozessanalysator, integriert in einer At-Line-Konfiguration und auf einem mobilen Rack montiert, die Offline-HPLC-Analyse effektiv ersetzen kann. Die Anwendung wurde in Zusammenarbeit mit dem pharmazeutischen Unternehmen MyBiotech GmbH (Deutschland) entwickelt und verdeutlicht den Mehrwert der Raman-basierten Prozessanalytik innerhalb von PAT-Strategien.

Rapamycin ist eine makrolide Verbindung, die breit zur Verhinderung von Organabstoßungen nach Transplantationen eingesetzt wird. Es wird durch Fermentation hergestellt, indem Streptomyces rapamycinicus in Bioreaktoren unter kontrollierten Bedingungen hinsichtlich Substratzufuhr, Temperatur und pH-Wert kultiviert wird. Nach der Fermentation wird Rapamycin mithilfe eines organischen Lösungsmittels extrahiert, wodurch eine komplexe Mischung entsteht, die den Zielwirkstoff und mehrere Nebenprodukte enthält.

Der Extrakt wird anschließend mithilfe einer chromatographischen Säule gereinigt, in der Rapamycin von Verunreinigungen getrennt und in angereicherten Fraktionen gesammelt wird. Traditionell werden Proben manuell am Säulenausgang entnommen und mittels HPLC analysiert, um festzustellen, welche Fraktionen Rapamycin enthalten und in welcher Konzentration.

Zur Ersetzung dieses Offline-Workflows wurde am Ausgang der chromatographischen Säule eine spezielle Messkammer installiert. Eine Tauchsonde, die mit dem Raman-Prozessanalysator verbunden ist, wurde in diese Kammer eingeführt und ermöglichte eine kontinuierliche Echtzeitmessung der Rapamycin-Konzentration. Dieses Setup erlaubte sofortige Entscheidungen zur Fraktionssammlung, Klassifizierung, Lösungsmittelrezirkulation oder Verwerfung und vermied Fehler, Verzögerungen und Kontaminationsrisiken, die mit manueller Probenahme verbunden sind.

Der Visum Raman In-Line wurde als Raman-Prozessanalysator in einer Inline-Konfiguration eingesetzt und in einer At-Line-Umgebung auf einem mobilen Rack installiert. Diese flexible Integration ermöglichte den Betrieb des Analysators direkt neben dem Reinigungssystem bei gleichzeitig vollständigem Zugang und guter Sichtbarkeit für das Bedienpersonal.

Die Raman-Sonde maß kontinuierlich den Prozessstrom am Säulenausgang und lieferte Echtzeitinformationen über das Vorhandensein und die Konzentration von Rapamycin. Während eines typischen Trennlaufs, der mehrere Stunden dauern kann, wurden für jede Fraktion zahlreiche Raman-Messungen erfasst, was eine deutlich höhere zeitliche Auflösung als die HPLC-basierte Analyse ermöglichte.

^{Abbildung 1.
Oben: Rapamycin-Reinigungssystem.
Unten links: Raman-Sonde in der Messkammer.
Unten rechts: Bildschirm des Raman-Prozessanalysators auf einem mobilen Rack mit Anzeige der Rapamycin-Konzentration in Echtzeit.}

Zur Kalibrierung des Raman-Prozessanalysators wurden sechs verschiedene Präparationen untersucht. Diese deckten einen Bereich von Rapamycin-Konzentrationen, Nebenproduktprofilen und Durchflussraten ab und stellten somit eine realistische Prozessvariabilität sicher.

Der Analysator wurde so konfiguriert, dass drei Raman-Spektren pro Minute erfasst und gemittelte Werte ausgegeben wurden. Für die Entwicklung des chemometrischen Modells wurden alle während der Befüllung jedes Kolbens aufgezeichneten Raman-Spektren gemittelt, um ein repräsentatives Spektrum zu erhalten, das dem jeweiligen HPLC-Referenzwert entsprach.

Zur Verarbeitung der spektralen Daten und zum Aufbau quantitativer Modelle wurden fortschrittliche chemometrische Methoden eingesetzt. Um eine realistische Leistungsbewertung zu gewährleisten, wurde jede Präparation als externes Validierungsset behandelt. In der Praxis wurde das Modell zur Vorhersage einer Präparation mit Daten der jeweils anderen fünf Präparationen entwickelt. Dieses Vorgehen wurde wiederholt, bis alle sechs Präparationen unabhängig vom Analysator vorhergesagt worden waren.

Abbildung 2 zeigt die mit dem Inline-Raman-Prozessanalysator erzielten Vorhersageergebnisse für die sechs Präparationen. Der Trend der durch Raman-Spektroskopie vorhergesagten Rapamycin-Konzentration folgt eng dem mittels HPLC gemessenen Verlauf.

Für jeden HPLC-Datenpunkt standen zwischen drei und acht Raman-Vorhersagen zur Verfügung. Der Mittelwert dieser Raman-Vorhersagen zeigte eine starke Übereinstimmung mit den entsprechenden HPLC-Werten. Eine Abweichung wurde bei Präparation 3 beobachtet, bei der es vermutlich aufgrund zeitlicher Unterschiede zwischen Messung und Fraktionssammlung zu einer Diskrepanz zwischen Raman-Messung und HPLC-Probe kam.

Beim Vergleich aller vorhergesagten und referenzierten Werte erreichte der Analysator einen niedrigen Vorhersagefehler von 15,7 mg/L sowie einen hohen Bestimmtheitskoeffizienten (R² = 0,98). Dieser Vorhersagefehler ist mit der Quantifizierungsgrenze der Methode vergleichbar.

Bei Rapamycin-Konzentrationen unter 15 mg/L schwankten die Raman-Vorhersagen zwischen −15 und +15 mg/L, was die praktische Nachweisgrenze des Modells widerspiegelt. Innerhalb des validierten Konzentrationsbereichs von 15–450 mg/L zeigte der Inline-Raman-Prozessanalysator eine ausgezeichnete Genauigkeit mit Ergebnissen, die denen der HPLC sehr ähnlich sind.

^{Abbildung 2.
Durch den Raman-Prozessanalysator vorhergesagte Rapamycin-Konzentration und HPLC-Referenzdaten im Zeitverlauf für die sechs Präparationen.}

Diese Studie bestätigt, dass ein Raman-Prozessanalysator eine zuverlässige und präzise Lösung für die Echtzeitüberwachung der Rapamycin-Reinigung ist. Der Visum Raman In-Line ermöglichte die kontinuierliche Quantifizierung von Rapamycin mit einer Leistung vergleichbar zur HPLC und verbesserte gleichzeitig die Prozesseffizienz und Reaktionsfähigkeit erheblich.

Durch den Wegfall manueller Probenahmen und Offline-Analysen reduzierte der Inline-Raman-Prozessanalysator Visum den Laboraufwand, beschleunigte Entscheidungsprozesse und verbesserte die Prozesskontrolle. Diese Vorteile machen die Raman-basierte Prozessanalytik besonders attraktiv für die pharmazeutische und biotechnologische Produktion.

Dieser Ansatz ist vollständig auf andere Anwendungen übertragbar, bei denen eine Echtzeitquantifizierung während der Reinigung oder Formulierung entscheidend ist, etwa bei Antikörpern, rekombinanten Proteinen, Impfstoffen, Metaboliten und anderen pharmazeutischen Wirkstoffen. Als Teil einer umfassenden PAT-Strategie liefert ein Raman-Prozessanalysator kontinuierliche Prozesseinblicke und ermöglicht höhere Effizienz, bessere Qualitätskontrolle und robustere Produktionsabläufe.