Analizzatore di processo Raman per il monitoraggio in tempo reale della rapamicina: risultati comparabili all’HPLC

La spettroscopia Raman, quando implementata come analizzatore di processo Raman per misurazioni in tempo reale, è una tecnologia potente per il controllo e l’ottimizzazione dei processi nella produzione farmaceutica e biotecnologica. In questo contesto, l’analizzatore di processo Raman in-line sviluppato e prodotto da IRIS Technology Solutions (Barcellona) si distingue come una soluzione analitica ad alte prestazioni per la quantificazione in tempo reale di composti critici e il monitoraggio continuo delle prestazioni di processo.

A differenza delle tecniche analitiche convenzionali come l’HPLC, che comportano tempi di risposta ritardati, materiali di consumo e un uso intensivo delle risorse di laboratorio, un analizzatore di processo Raman consente una visione diretta e in tempo reale del processo. Questo articolo presenta un’applicazione industriale concreta: l’utilizzo dell’analizzatore Visum Raman In-Line per monitorare la concentrazione di rapamicina durante la fase di purificazione.

I risultati dimostrano che questo analizzatore di processo Raman, integrato in una configurazione at-line e montato su un rack mobile, può sostituire efficacemente l’analisi HPLC offline. L’applicazione è stata sviluppata in collaborazione con l’azienda farmaceutica MyBiotech GmbH (Germania) e illustra il valore dell’analisi di processo basata su Raman all’interno delle strategie PAT.

La rapamicina è un composto macrolide ampiamente utilizzato per prevenire il rigetto nei trapianti di organi. Viene prodotta mediante fermentazione coltivando Streptomyces rapamycinicus in bioreattori sotto condizioni controllate di alimentazione del substrato, temperatura e pH. Dopo la fermentazione, la rapamicina viene estratta utilizzando un solvente organico, dando origine a una miscela complessa contenente il composto target e diversi sottoprodotti.

L’estratto viene successivamente purificato mediante una colonna cromatografica, dove la rapamicina viene separata dalle impurità e raccolta in frazioni arricchite. Tradizionalmente, aliquote vengono prelevate manualmente dall’uscita della colonna e analizzate mediante HPLC per determinare quali frazioni contengono rapamicina e a quale concentrazione.

Per sostituire questo flusso di lavoro offline, è stata installata una camera di misura dedicata all’uscita della colonna cromatografica. Una sonda a immersione collegata all’analizzatore di processo Raman è stata inserita in questa camera, consentendo la misurazione continua e in tempo reale della concentrazione di rapamicina. Questa configurazione ha permesso decisioni immediate sulla raccolta delle frazioni, classificazione, ricircolo del solvente o scarto, evitando errori, ritardi e rischi di contaminazione associati al campionamento manuale.

Il Visum Raman In-Line è stato implementato come analizzatore di processo Raman in-line, configurato in un ambiente at-line su un rack mobile. Questa integrazione flessibile ha consentito all’analizzatore di operare direttamente accanto al sistema di purificazione, mantenendo al contempo pieno accesso e visibilità per gli operatori.
La sonda Raman ha misurato continuamente il flusso di processo all’uscita della colonna, fornendo feedback in tempo reale sulla presenza e sulla concentrazione di rapamicina. Durante una tipica esecuzione di separazione, che può durare diverse ore, sono state raccolte numerose misurazioni Raman per ciascuna frazione, offrendo una risoluzione temporale significativamente superiore rispetto all’analisi basata su HPLC.

^{Figura 1.
In alto: sistema di purificazione della rapamicina.
In basso a sinistra: sonda Raman inserita nella camera di misura.
In basso a destra: schermo dell’analizzatore di processo Raman montato su un rack mobile, che visualizza la concentrazione di rapamicina in tempo reale.}

Per calibrare l’analizzatore di processo Raman, sono state valutate sei diverse preparazioni. Queste preparazioni coprivano un intervallo di concentrazioni di rapamicina, profili di sottoprodotti e portate, garantendo una variabilità di processo realistica.

L’analizzatore è stato configurato per acquisire tre spettri Raman al minuto e riportare valori medi. Per lo sviluppo del modello chemiometrico, tutti gli spettri Raman registrati durante il riempimento di ciascun matraccio sono stati mediati per ottenere uno spettro rappresentativo corrispondente a ciascun valore di riferimento HPLC.

Sono state applicate tecniche chemiometriche avanzate per elaborare i dati spettrali e costruire modelli quantitativi. Per garantire una valutazione realistica delle prestazioni, ciascuna preparazione è stata trattata come set di validazione esterna. In pratica, il modello utilizzato per prevedere una preparazione è stato sviluppato utilizzando i dati delle altre cinque preparazioni. Questo approccio è stato ripetuto fino a quando tutte e sei le preparazioni sono state previste in modo indipendente dall’analizzatore.

La Figura 2 presenta i risultati di previsione ottenuti con l’analizzatore di processo Raman in-line per le sei preparazioni. L’andamento della concentrazione di rapamicina prevista dalla spettroscopia Raman segue da vicino l’andamento misurato mediante HPLC.

Per ciascun punto dati HPLC, erano disponibili tra tre e otto previsioni Raman. La media di queste previsioni Raman ha mostrato una forte concordanza con i corrispondenti valori HPLC. Una deviazione è stata osservata nella Preparazione 3, dove probabilmente si è verificato un disallineamento tra la misurazione Raman e il campione HPLC raccolto a causa di differenze temporali tra la misurazione e la raccolta delle frazioni.

Quando tutti i valori previsti e di riferimento sono stati confrontati, l’analizzatore ha raggiunto un basso errore di previsione di 15,7 mg/L e un elevato coefficiente di determinazione (R² = 0,98). Questo errore di previsione è comparabile al limite di quantificazione del metodo.

A concentrazioni di rapamicina inferiori a 15 mg/L, le previsioni Raman hanno oscillato tra −15 e +15 mg/L, indicando il limite pratico di rilevazione del modello. All’interno dell’intervallo di concentrazione validato di 15–450 mg/L, l’analizzatore di processo Raman in-line ha dimostrato un’eccellente accuratezza, con risultati notevolmente simili a quelli ottenuti mediante HPLC.

^{Figura 2.
Concentrazione di rapamicina prevista dall’analizzatore di processo Raman e dati di riferimento HPLC nel tempo per le sei preparazioni.}

Questo studio conferma che un analizzatore di processo Raman è una soluzione affidabile e precisa per il monitoraggio in tempo reale della purificazione della rapamicina. Il Visum Raman In-Line ha consentito la quantificazione continua della rapamicina con prestazioni comparabili all’HPLC, migliorando significativamente l’efficienza e la reattività del processo.

Eliminando la necessità di campionamento manuale e analisi offline, l’analizzatore di processo Raman in-line Visum ha ridotto il carico di lavoro del laboratorio, accelerato il processo decisionale e migliorato il controllo del processo. Questi vantaggi rendono l’analisi di processo basata su Raman particolarmente interessante per la produzione farmaceutica e biotecnologica.

È importante sottolineare che questo approccio è completamente trasferibile ad altre applicazioni in cui la quantificazione in tempo reale durante la purificazione o la formulazione è critica, come anticorpi, proteine ricombinanti, vaccini, metaboliti e altri principi attivi farmaceutici. Come parte di una strategia PAT più ampia, un analizzatore di processo Raman fornisce una visione continua del processo, consentendo una maggiore efficienza, un migliore controllo della qualità e operazioni di produzione più robuste.