Zellkulturen und Mikroorganismen reagieren sehr sensibel auf äußere Einflüsse. Daher müssen die Bedingungen während des Vermehrungsprozesses präzise gestaltet und überwacht werden. Hierzu zählen beispielsweise Temperatur, pH-Wert oder gelöster Sauerstoff. Die Zelldichte gehört mit zu den wichtigen Prozessmerkmalen und lässt sich z. B. auf Basis der optischen Dichte eines Mediums bestimmen.
Wenn komplexe Wirkstoffe für die pharmazeutische Produktion nicht durch chemische Synthese hergestellt werden können, kommen häufig biotechnologische Prozesse zum Einsatz. Hierbei werden z. B. monoklonale Antikörper oder andere rekombinante Proteine durch gentechnisch veränderte Organismen hergestellt. Unter anderem in Abhängigkeit von der späteren Verwendung sowie von der benötigten posttranslationalen Modifikation oder Proteinfaltung werden hierfür Bakterien, Hefe- oder Säugetierzellen verwendet.
Dabei steht die Komplexität des Wirkstoffs oft in direktem Zusammenhang zum Aufwand und der Anfälligkeit des benötigten Prozesses. Bereits kleinste Veränderungen können einen signifikanten Einfluss auf die Eigenschaften und damit die Wirkweise des gewonnenen Stoffes haben. Daher gehören biopharmazeutische Prozesse mit zu den anspruchsvollsten Verfahren bei der Wirkstoffgewinnung.
Betrachtet man alle nötigen Herstellschritte, kommt vor allem dem Upstream-Prozess eine besondere Bedeutung zu. Hier findet die Anzucht der Zellen sowie deren anschließende Vermehrung in Bioreaktoren u. a. mittels Batch-, Fed-Batch- oder Perfusionsprozessen statt. Um die größtmögliche Menge des gewünschten Stoffes in entsprechender Qualität zu produzieren, müssen die Bedingungen im Bioreaktor optimal eingestellt werden. Zu den wichtigsten Parametern zählen die Temperatur, der pH-Wert, die Rührgeschwindigkeit sowie die Konzentration von Nährmedium und gelöstem Sauerstoff.
Optische Dichte geeignet
Ein Indikator für eine erfolgreiche Vermehrung der Zellkulturen ist die Bestimmung der optischen Dichte (OD), die z. B. mithilfe der Absorptionsmessung ermittelt werden kann. Hierbei wird ein Lichtstrahl in das Medium geleitet und mit einem Detektor der Lichtverlust bestimmt. Die Reduktion des abgestrahlten Lichts steht dabei in direktem Zusammenhang zur jeweiligen Zelldichte. Diese gehört mit zu den wichtigsten Prozessmerkmalen, da die Menge des Zielproteins oft durch die Anzahl der Zellen bedingt ist. Sie wird benötigt um den Zeitpunkt für eine Zufütterung, den Wechsel der Kohlenstoffquelle, die Induktion oder die Ernte zu bestimmen. Auch können Verdünnungsraten anhand der optischen Dichte berechnet werden.
Um die für die meisten Zellen optimalen Absorptionen zu erzielen und um Farbeinflüsse auszuschließen, werden für die Bestimmung der Zelldichte meist Sensoren mit einem nahinfraroten (NIR) Wellenbereich eingesetzt. Detektiert werden dabei alle Teilchen, die das Licht streuen oder absorbieren. Hierzu gehören neben lebenden auch tote Zellen und Zelltrümmer. Die beschriebene Sensorart hat sich jedoch als besonders effektiv darin bewiesen, durch schnelle und einfach durchzuführende Inline-Messungen zuverlässige Werte in der Wachstumsphase bereitzustellen. Auch die frühe Erkennung von Prozessabweichungen, die sich durch ein vermindertes Zellwachstum bemerkbar machen können, stellt eine der Stärken der OD-Messung dar.
