Prozessanalysetechnologie (PAT)

Prozessanalysetechnologie (PAT) wird definiert als „ein System für die Planung, Analyse und Steuerung von Herstellungsprozessen anhand der zeitnahen Erfassung (d. h. während der Herstellung selbst) kritischer Qualitäts- und Leistungsdaten von Rohstoffen und Inprozessmaterialien sowie Prozessen zum Zwecke der Qualitätssicherung des Endprodukts.“¹¹ Analysiert werden mit PAT sowohl Ausgangsstoffe als auch Zwischen- und Endprodukte. Die durchgeführten Messungen liefern wichtige Daten, die zum Verständnis des Einflusses von Prozessvariablen auf die Reaktionschemie, auf Bioprozesse oder aber partikelbasierte Systeme beitragen. In F&E, Scale-up und Herstellung können dank PAT zuvor unbekannte Zwischenprodukte gemessen sowie Reaktionsmechanismen und -endpunkte beobachtet und beschrieben werden.

Prozessanalysetechnologie in F&E-Laboren

Umfassendes Reaktionsverständnis
In Forschung und Entwicklung lassen sich mit PAT-Messungen Echtzeitdaten gewinnen, die erstmals die Beschreibung unbekannter Prozesskomponenten und ihres Zusammenwirkens erlauben. Anhand datenintensiver Experimente können Forscher so die Mechanismen genauer beleuchten, die Formulierungen, Fermentations- und Kristallisationsvorgängen sowie anderen Reaktionen zugrunde liegen. Lückenlose Daten für jede Experimentphase geben Aufschluss über die Auswirkungen von Prozessparametern auf die Produktqualität oder die Leistung nachgelagerter Prozesse. Mit Echtzeitdaten behalten Forscher den Überblick über jedes Experiment. So können sie rasch eine fundierte Entscheidung treffen und jedes weitere Experiment verbessern.
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Gesteigerte Produktivität
Forscher erfassen die Auswirkungen von Versuchsbedingungen, sammeln empirische Daten zur Validierung von Vorhersagemodellen, und erhalten Gewissheit über die sichere Skalierbarkeit von Prozessen. Die Datenerfassung erfolgt rund um die Uhr – für lückenlose und zuverlässige Ergebnisse. Auch die behördlich oft geforderte Dokumentation des Prozessverständnisses ist mit Prozessanalysetechnologie (PAT) einfacher zu leisten.

Erfahren Sie, wie Novartis mittels Inline-PAT der Bildung von Nebenprodukten auf die Spur kam

Mehr Sicherheit am Arbeitsplatz
In situ-Messungen sind oft präziser als Offline-Messungen, da hierbei keine Fehler durch Probennahme und Probenvorbereitung auftreten. In F&E mindert der Einsatz von PAT die mit der Handhabung von Gefahrenstoffen einhergehenden Sicherheitsrisiken für Mitarbeiter (Probennahme und prozessintegrierte Kontrollen giftiger oder ätzender Stoffe, Experimente unter hohen Drücken).

Erfahren Sie, in welchen Punkten PAT der Offline-Probennahme überlegen ist – Eli Lilly

PAT für das Scale-up vom Labor bis zur Produktion

Fehlererkennung und Prozessoptimierung in Pilotanlagen
PAT unterstützt auch die Steuerung von Prozessschritten beim Scale-up für die Pilotherstellung. So können Wissenschaftler mithilfe der PAT eine Art „Signatur“ oder „Fingerabdruck“ entwickeln, um die Prozesswiederholbarkeit beim Technologietransfer zu überwachen. Häufig nutzen Ingenieure PAT für das Scale-up, um so konsistente Endpunkte in Batch-Prozessen oder den Steady-State-Betrieb in der kontinuierlichen Fertigung zu prüfen. Die Inline-Überwachung liefert kontinuierliche Datenströme, ganz ohne manuelle Probennahme, -vorbereitung oder -analyse. So können Wissenschaftler sofort entscheiden, ohne auf Offline-Daten warten zu müssen. Mit umfassenden Prozessinformationen aus der PAT-Überwachung können Fehler rasch erkannt und behoben und Verfahren somit optimiert werden. Bei unerwarteten Prozessabweichungen kann PAT oft dazu beitragen, die Ursache zu finden – etwa schwankende Bedingungen in vorgelagerten Prozessen, Verunreinigungen oder Rohmaterialien. PAT sorgt für mehr Sicherheit, indem exotherme Reaktionen besser überwacht werden können und Bedienern die mitunter gefährliche Probennahme erspart wird.
Verbessertes Scale-up dank PAT – Roche Ireland

Fehlerbehebung und Kontrolle in der Produktion
Idealerweise sollten Prozesse robust genug sein, dass im Herstellungsmassstab keine weitere Überwachung erforderlich ist. Häufig ist für konsistente Produkte oder die Verbesserung von Downstream-Prozessen jedoch eine engmaschige Kontrolle erforderlich. Das gilt besonders beim Scale-up für die Serienfertigung. PAT-Applikationen in der Fertigung werden häufig in zwei Bereiche unterteilt: a) Datensammlung zur Steigerung der allgemeinen Prozessrobustheit, einschliesslich Ursachenbestimmung bei Prozessabweichungen; b) Prozesssteuerung für Batch- oder kontinuierliche Prozesse, insbesondere wenn Offline-Messungen instabil, zeitraubend oder gefährlich sind oder zu selten erfolgen.

Dass sich die Investition in PAT im Produktionsmassstab schnell rentiert, liegt angesichts der Einsparungen durch weniger Ausfälle, höhere Erträge und kürzere Zykuszeiten auf der Hand. Zu bedenken sind bei der Implementierung von PAT in der Fertigung Punkte wie: Sicherheit in Ex-Umgebungen, chemische Kompatibilität, cGMP-Anforderungen, Kommunikation mit einem Fertigungssteuerungssystem und die Integration in die bestehenden Prozessanlagen.

In Situ-Prozessanalyse für die Prozesssteuerung – Lubrizol

Applikationen von PAT

PAT liefert wichtige Informationen für eine Vielzahl von Applikationen, darunter:

• Kontinuierliche Strömungschemie
• Kristallisation und Fällung
• Formulierungen und Produktentwicklung
• Fermentation und Bioprozesse
• PAT für chemische Reaktionen

Kontinuierliche Überwachung wichtiger Reaktionsspezies

Als Instrumente für die PAT sind In-situ-Sonden, Online-Messungen, Softwarelösungen oder Schüttgutmessungen denkbar. Spektroskopie-Instrumente, wie Mid-IR, Raman, UV-VIS und NIR, sind bei der kontinuierlichen Überwachung wichtiger Reaktionsspezies bereits etabliert. Sie ermöglichen Forschern ein tieferes Verständnis von Reaktionsmechanismen und damit fundiertere Entscheidungen zur Optimierung von Prozessdesign und -qualität.   

Messung von Partikeln bei voller Prozesskonzentration

Mit der Inline-Messung von Partikelgrössen können Änderungen der Partikelgrösse, -form und -anzahl, wie sie natürlich im Prozess vorkommen, direkt, ohne Probennahme und bei voller Konzentration ermittelt werden.  Erst durch das Verständnis dieser Veränderungen können Wissenschaftler Reaktionsendpunkte sicher erkennen, die Konsistenz batchübergreifend sicherstellen und den Downstream-Durchsatz und die Produktqualität optimieren.

Safety by Design

Massenmessungen, wie die Wärmefluss-Kalorimetrie, ermöglichen die automatische Kontrolle exothermer Reaktionen und tragen so dazu bei, Unfälle zu vermeiden. Nur wenn klar ist, unter welchen Bedingungen Wärme freigesetzt wird und wie sich dieser Vorgang vermeiden lässt, kann ein Reaktions-Scale-up sicher und zuverlässig gelingen.

Prozessanalysetechnologie (PAT) Literaturhinweise

1. Food and Drug Administration (FDA) Guidance for Industry: PAT A Framework for Innovative Pharmaceutical Development, Manufacturing, and Quality Assurance, Rockville, MD, Sept. 2004.

2. Simon, L. L. et al. Assessment of Recent Process Analytical Technology (PAT) Trends: A Multiauthor Review. Org. Process Res. Dev., 2015, 19 (1), S. 3 – 62.

3. Chanda, A. et al. Industry Perspectives on Process Analytical Technology: Tools and Applications in API Development. Org. Process Res. Dev., 2015, 19 (1), S. 63 – 83.