Tecnologia analitica di processo per i biofarmaci
13 lug 2026
Prodotto
Condividi l'articolo
Nel contesto della ricerca e della produzione, il tempo e le risorse sono estremamente preziosi. Flussi di lavoro manuali, lenti e inefficienti, comportano una maggiore variabilità dei processi, costi più elevati e persino la perdita di prodotto. Per superare queste criticità, molti professionisti si stanno orientando verso l'adozione di tecnologie analitiche di processo (PAT) direttamente integrate; si tratta di sistemi che integrano l'acquisizione e il controllo dei dati in tempo reale all'interno dei processi produttivi.
Tale tecnologia svolge un ruolo fondamentale nel garantire la qualità del prodotto, nell'ottimizzare l'efficienza dei processi e nel soddisfare rigorosi requisiti normativi. L'integrazione della PAT migliora la visibilità sui parametri chiave e consente il controllo del processo in tempo reale. L'articolo definisce la PAT e ne illustra le modalità di implementazione, presentando esempi applicativi specifici che mostrano dove questa tecnologia viene impiegata nell'industria biofarmaceutica.
Questo articolo tratta i seguenti argomenti:
Cos'è la PAT?
La PAT è un framework introdotto dalla U.S. Food and Drug Administration (FDA) per migliorare la comprensione e il controllo dei processi attraverso l'integrazione di diverse tecniche analitiche negli ambienti di produzione [1]. Si tratta di un approccio basato sulla scienza e sulla gestione del rischio per la progettazione, il monitoraggio e il controllo dei processi produttivi, attuato mediante la misurazione in tempo reale o quasi reale degli attributi critici di qualità (CQA) [2,3] e dei parametri di processo. La PAT si articola in tre categorie: progettazione, analisi e controllo. Tale approccio garantisce una qualità costante del prodotto e una misurazione accurata dei CQA. [4].
Metrohm Process Analytics offre diverse soluzioni che semplificano l'integrazione della PAT nelle attività operative. Ciò consente di ottenere risultati analitici accurati, non distruttivi e in tempo reale direttamente dal processo.
LScopri di più sulla necessità di utilizzare la PAT e su come possiamo supportare le tue attività leggendo la nostra serie di articoli sul blog.
Vantaggi della PAT nei biofarmaci
I biofarmaci offrono terapie rivoluzionarie, tuttavia la loro complessità pone sfide significative per la costanza produttiva e la qualità del prodotto. Tali complessità richiedono una comprensione approfondita e un controllo preciso dei processi di produzione, obiettivi sempre più difficili da raggiungere con gli approcci convenzionali. Consapevoli di queste sfide, gli enti regolatori come la FDA stanno promuovendo l'avanzamento delle scienze della produzione, ambito in cui la PAT (Process Analytical Technology) si sta affermando come elemento cardine di questa evoluzione.
Il settore farmaceutico è stato tra i primi ad adottare i principi PAT. I progressi nel comparto biofarmaceutico sono stati graduali, ma i potenziali vantaggi sono significativi. La PAT offre all'industria biofarmaceutica un valido motivo per esplorare diversi strumenti analitici al fine di sviluppare processi produttivi più robusti ed efficienti. Tale approccio migliora la comprensione del processo e consente un controllo della produzione in tempo reale, superando la dipendenza esclusiva dai test sul prodotto finito [3].
La PAT segna il passaggio dai test empirici sul prodotto finito a un approccio basato sulla scienza e sulla gestione del rischio, incentrato sul monitoraggio, sul controllo e sull'ottimizzazione del processo in tempo reale. Questa evoluzione trasforma la bioproduzione, spingendo il settore ad adottare strategie di processo predittive e ricche di dati, in grado di migliorare la qualità del prodotto, ridurre la variabilità e sostenere i principi della "Quality by Design" (QbD). Di conseguenza, le aziende possono ora progettare processi robusti, scalabili ed economicamente sostenibili fin dalle prime fasi di sviluppo, migliorando così il "time-to-market" e soddisfacendo al contempo rigorosi requisiti normativi e standard di qualità.
Un modo per migliorare l'efficienza produttiva e la qualità del prodotto consiste nell'utilizzare metodi di monitoraggio specifici che forniscano misurazioni in tempo reale o quasi reale (inline, online, atline; Figure 1). Il monitoraggio continuo dei parametri di processo critici e di altri parametri rilevanti viene effettuato mediante idonee apparecchiature di analisi di processo. Ad esempio, gli analizzatori di processo sono in grado di monitorare in modo continuo importanti eventi chimici e fisici durante i bioprocessi. Tali informazioni in tempo reale offrono ai produttori una comprensione più approfondita del processo, accrescendone la conoscenza [3].
Combinando tecnologie di analisi di processo quali chemiometria (spettrometri), analizzatori di processo, metodi di rilevamento del punto finale e sistemi di gestione della conoscenza, i produttori possono implementare un controllo dinamico e reattivo della propria produzione [3].
Vuoi saperne di più? Leggi il nostro articolo su come scegliere la soluzione PAT più adatta per ottenere dati estremamente accurati e affidabili.
Realizzare una fabbrica più intelligente implementando soluzioni di Process Analytics 4.0
Principali metodi PAT per i biofarmaci
I metodi di monitoraggio in tempo reale sono fondamentali per valutare la crescita cellulare, il consumo di substrato e la formazione del prodotto. Essi consentono un controllo preciso del bioprocesso e migliorano la resa, la produttività e la costanza dei risultati. È dunque essenziale implementare tecniche analitiche affidabili in grado di monitorare online i parametri chiave del processo [6].
Quando si prende in considerazione il monitoraggio dei bioprocessi, vengono tipicamente valutate tre categorie principali di parametri:
- variabili fisiche (ad es. pressione, temperatura, viscosità, velocità dell'agitatore)
- variabili chimiche (ad es. pH, ossigeno disciolto (DO), anidride carbonica disciolta (pCO2), nutrienti come il glucosio, metaboliti come il lattato)
- variabili biologiche (ad es. concentrazione di biomassa, metabolismo cellulare)
Per ciascuna di queste variabili sono disponibili diverse tecniche analitiche, ognuna concepita per applicazioni specifiche. Alcune di queste tecniche vengono illustrate di seguito, tra cui la spettroscopia nel vicino infrarosso, la spettroscopia Raman e i sensori chimici.
Indipendentemente dalla tecnica di analisi, le sonde di rilevamento progettate per il monitoraggio dei processi negli impianti biofarmaceutici industriali devono soddisfare requisiti specifici per operare efficacemente all'interno dei sistemi di bioreattori. Tali sonde sono solitamente immerse direttamente nel mezzo di coltura del bioreattore e devono essere in grado di resistere a condizioni gravose, nonché a variazioni di temperatura e pressione. Affinché una sonda risulti efficace in ambito industriale, deve garantire elevata selettività, sensibilità, robustezza, ripetibilità, stabilità, bassi limiti di rilevabilità, linearità, tempi di risposta rapidi e una lunga vita operativa [6]. L'implementazione di tecniche analitiche di tipo "online" o "inline" che soddisfino tali criteri rappresenta tuttora una sfida significativa.
Spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS)
La spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS) è ampiamente utilizzata nella PAT per l'analisi rapida e non distruttiva di materie prime, prodotti intermedi e prodotti finiti. Tra i suoi principali vantaggi figurano la minima preparazione del campione e solide capacità di quantificazione.
La spettroscopia NIR si basa sull'assorbimento della luce nel vicino infrarosso da parte delle molecole presenti in un campione. La quantità di luce assorbita fornisce informazioni fondamentali sulla composizione chimica e sulla qualità. Quando la luce nel vicino infrarosso interagisce con il campione, viene assorbita dai legami chimici. La luce assorbita genera specifiche bande di assorbimento, caratteristiche dei componenti chimici presenti nel campione. Tali bande vengono analizzate per determinare la concentrazione di vari componenti, come umidità, proteine, zuccheri e lipidi.
Vuoi saperne di più sulla spettroscopia NIR? Inizia con la nostra serie di articoli del blog dedicata a questo argomento.
Spettroscopia Raman
La spettroscopia Raman è una tecnica analitica non distruttiva e priva di reagenti che fornisce preziose informazioni chimiche su una matrice di campione. Funziona misurando l'interazione tra la luce (fotoni) e le molecole. Quando i fotoni di un laser incidente interagiscono con un campione, si verifica un fenomeno di diffusione. Una parte della luce viene diffusa elasticamente (diffusione Rayleigh), mentre una piccola frazione subisce una diffusione anelastica (diffusione Raman). Lo spostamento Raman risultante contiene informazioni chimiche che vengono visualizzate sotto forma di spettri e analizzate in base all'intensità o all'altezza dei picchi, oppure mediante modelli chemiometrici.
Scopri di più sulla teoria alla base della spettroscopia Raman e sulle sue applicazioni nella nostra serie di articoli del blog.
Domande frequenti (FAQ) sulla spettroscopia Raman: teoria e utilizzo
Una sfida comune nell'analisi di campioni biologici è la fluorescenza, un effetto di disturbo che complica le misurazioni. Tuttavia, in alcuni casi e a seconda dell'applicazione, la fluorescenza può correlare con la biomassa, lo stato metabolico o la vitalità cellulare. Inoltre, esistono metodi efficaci e brevettati (basati sia su hardware che su software) in grado di ridurre al minimo l'impatto della fluorescenza mediante tecniche di pre-elaborazione dei dati [7], consentendo così una misurazione accurata di altri parametri.
Condizioni igieniche rigorose e ambienti di lavoro sterili sono fondamentali per prevenire la proliferazione di microrganismi indesiderati. Le fibre ottiche e le sonde Raman appositamente progettate rappresentano la soluzione ideale a tal fine. Questi componenti svolgono un ruolo chiave convogliando la luce verso il campione e riportandola al rivelatore. Garantiscono una trasmissione della luce precisa ed efficiente, aspetto vitale per un'accurata analisi del processo. La sonda funge da "occhio" che osserva il processo, effettuando misurazioni direttamente nell'ambiente di produzione (Figura 2). Le sonde ottiche possono essere integrate nel processo in diverse modalità: inline o online. La loro versatilità e adattabilità sono essenziali per ottenere misurazioni accurate e riproducibili in tempo reale.
Queste sonde sono inoltre progettate per resistere a condizioni operative gravose, come variazioni di pressione, pH e temperatura. Se utilizzate con spettrometri ottici Raman, le sonde in linea garantiscono risultati ottimali in termini di intensità del laser e riproducibilità dei valori di concentrazione.
A volte è necessario evitare l'uso di sonde in linea che entrano in contatto diretto con il campione. Ciò è particolarmente vero quando l'analizzatore di processo deve essere spostato o trasferito tra diversi punti di misura, come avviene in laboratorio o negli impianti pilota. Un altro aspetto da considerare è il processo di convalida di un nuovo punto di campionamento PAT, che richiede molto tempo e risorse, un impegno che molte aziende non possono permettersi.
Per tali applicazioni, una soluzione economicamente vantaggiosa consiste nell'impiego di un attacco standard ViewPort™ (tipo Ingold) o PG13.5 per bioreattori, utilizzabile in contesti che spaziano dalla scala di laboratorio (da banco) a quella industriale. Gli steli delle sonde Raman sono ottimizzati per massimizzare il segnale Raman, mantenendo la sonda stessa separata dal campione; le misurazioni avvengono attraverso una finestra integrata nel ViewPort™. Ciò consente un approccio non invasivo al monitoraggio in tempo reale dei bioprocessi in condizioni di sterilità, senza la necessità di riconvalidare il punto di misura PAT.
Sensori chimici
Molti biofarmaci si basano sulla fermentazione, processo in cui è fondamentale bilanciare i livelli ottimali di pH, ossigeno e anidride carbonica. I microrganismi prosperano entro intervalli ben definiti per questi parametri; di conseguenza, misurazioni precise sono essenziali per preservarne la vitalità.
Sono fondamentali sensori di alta qualità in grado di trasmettere tempestivamente informazioni critiche sul processo di fermentazione. I sensori ProTrode di Metrohm Process Analytics soddisfano i rigorosi requisiti della produzione biofarmaceutica. Progettati per resistere senza problemi ai cicli di autoclavaggio e sterilizzazione, sono disponibili in diverse lunghezze e dotati di filettatura standard PG 13.5, rendendoli compatibili con i più comuni bioreattori.
I modelli ProTrodes 200 e 300 sono ideali per le misurazioni di pH PAT. Questi sensori all'avanguardia forniscono dati affidabili e precisi durante l'intero processo di produzione a lotti.
Per la misurazione dell'ossigeno disciolto, il sensore ProTrode DO di Metrohm Process Analytics si distingue per il rapido tempo di risposta e per il design esclusivo che ne prolunga la vita utile. Il principio di misura di questo sensore DO si basa sul quenching della luminescenza e garantisce misurazioni affidabili nell'intervallo 0–250% di saturazione dell'aria (0–50% O2).
Per un'introduzione più approfondita alla misurazione dell'ossigeno disciolto (compresi gli aspetti pratici), leggi il nostro articolo del blog «Misurazione dell'ossigeno disciolto: più semplice che mai».
Il sensore di ossigeno disciolto (DO) è costituito da un'unità di misura (comprensiva dell'elettronica) e da un corpo sonda dotato di membrana sostituibile. Le uniche parti del sensore a contatto con la soluzione in fermentazione sono il corpo sonda e la membrana; ciò consente di limitare l'autoclavaggio e la sterilizzazione a questi componenti, preservando l'unità contenente l'elettronica.
Il sensore ProTrode pCO2 per l'anidride carbonica disciolta (pCO2) di Metrohm Process Analytics si basa sul principio di Severinghaus. Il suo campo di misura (10–800 mbar pCO2) è perfettamente idoneo a soddisfare i requisiti di questa applicazione.
Dove può essere applicata la PAT?
La PAT può essere applicata nelle diverse fasi della produzione biofarmaceutica, dallo sviluppo iniziale alla produzione su larga scala. Il suo valore principale risiede nella capacità di fornire informazioni utili a ottimizzare le fasi critiche del processo e a garantire la qualità del prodotto. Tra le principali aree di applicazione figurano la fermentazione e le colture cellulari.
Fermentazione
La fermentazione svolge un ruolo fondamentale nella produzione di un'ampia gamma di prodotti biotecnologici, che spaziano dai prodotti farmaceutici ai biocarburanti e agli ingredienti alimentari. L'impiego di processi biotecnologici nella produzione farmaceutica è cresciuto in modo significativo: attualmente, oltre il 59% dei nuovi farmaci approvati in Europa viene prodotto mediante metodi biotecnologici [8].
I processi biotecnologici basati sulla fermentazione offrono alternative sostenibili ed efficienti nell'uso delle risorse rispetto ai metodi di produzione tradizionali. La produzione di sostanze chimiche complesse di origine biologica (come biopolimeri, biosurfattanti, proteine ed enzimi ottenuti tramite fermentazione microbica) riduce la dipendenza da risorse limitate e minimizza l'impatto ambientale grazie a un minor consumo di materie prime. Tali processi non solo portano allo sviluppo di nuovi prodotti e applicazioni, ma favoriscono anche la creazione di un mondo più sostenibile.
Il monitoraggio in linea dei processi di fermentazione è fondamentale per ottimizzare la produzione e garantire una qualità costante del prodotto. I metodi di analisi tradizionali comportano spesso lunghe fasi di preparazione del campione e ritardi nell'ottenimento dei risultati, non fornendo quel feedback in tempo reale necessario per adattarsi rapidamente alle variazioni del processo. L'analisi in linea basata su tecniche avanzate, come la spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS), consente un monitoraggio continuo e in tempo reale dei parametri chiave, senza l'impiego di reagenti. Ciò permette di apportare tempestive correzioni a variabili quali le miscele enzimatiche e microbiche, la temperatura e le condizioni di fermentazione.
Il 2060 NIR Process Analyzer è uno strumento all'avanguardia per questa applicazione. Consente il monitoraggio continuo e senza reagenti di parametri chiave quali etanolo, glucosio, maltosio e acidi organici, direttamente all'interno del bioreattore di fermentazione. Ciò fornisce agli operatori informazioni in tempo reale che migliorano l'efficienza del processo, riducono i tempi di fermentazione e, in ultima analisi, incrementano la produttività e la redditività.
Leggi la nostra Application Note per saperne di più.
Colture cellulari
Nella produzione biofarmaceutica, e in particolare nei processi di coltura cellulare, preservare la salute ottimale delle cellule è fondamentale per ottenere rese elevate e garantire la qualità del prodotto. L'accumulo di lattato, sottoprodotto della glicolisi, rappresenta una sfida significativa nelle colture cellulari, poiché può indurre acidità, causando stress cellulare e inibendo la crescita. Tradizionalmente, i livelli di glucosio e lattato vengono monitorati mediante metodi di laboratorio manuali di tipo "offline"; tuttavia, tali metodi sono soggetti a rischi di contaminazione e potrebbero non fornire dati tempestivi e accurati.
Per affrontare queste problematiche, la spettroscopia Raman in linea offre una soluzione per il monitoraggio in tempo reale direttamente nel bioreattore. Il 2060 Raman Process Analyzer di Metrohm consente un'analisi continua e senza contatto delle concentrazioni di glucosio e lattato, fornendo un riscontro immediato per eventuali regolazioni del processo. Questa tecnica non distruttiva e priva di reagenti garantisce l'integrità del campione, riducendo così il rischio di contaminazione e migliorando l'efficienza del processo.
Grazie alla spettroscopia Raman, gli operatori possono monitorare lo stato della coltura cellulare in tempo reale. È possibile tenere traccia del consumo di glucosio e dell'accumulo di lattato, apportando tempestive correzioni per ottimizzare le condizioni di crescita cellulare. In combinazione con i software Vision e IMPACT di Metrohm, il 2060 Raman Process Analyzer consente di sviluppare un modello di calibrazione per confrontare i dati in tempo reale con metodi di riferimento quali l'HPLC o la titolazione. Ciò favorisce un controllo del processo accurato ed efficiente, migliorando al contempo la qualità e la costanza dei prodotti biofarmaceutici.
Oltre a operare senza contatto, il 2060 Raman Process Analyzer è in grado di misurare simultaneamente più parametri. Ciò offre una visione completa dell'ambiente di coltura cellulare, favorendo l'individuazione precoce di potenziali fallimenti del lotto, riducendo al minimo i rischi di contaminazione e migliorando la produttività complessiva del processo. Integrando questa soluzione avanzata di monitoraggio in linea, i produttori possono potenziare significativamente il controllo e l'efficienza dei propri processi di coltura cellulare, garantendo così prodotti biofarmaceutici di qualità superiore.
Scopri di più su questa applicazione qui.
Monitoraggio in linea di colture cellulari mediante spettroscopia Raman
Conclusione
La Process Analytical Technology (PAT) migliora la produzione consentendo il monitoraggio e il controllo in tempo reale dei parametri critici di processo. Nella produzione biofarmaceutica, la PAT accresce la qualità del prodotto, favorisce la conformità normativa e riduce i costi operativi. Integrando negli ambienti produttivi strumenti PAT quali la spettroscopia Raman, la spettroscopia nel vicino infrarosso e vari sensori chimici, i produttori ottengono un controllo preciso sui processi critici. Ciò permette di prendere decisioni più rapidamente, riduce al minimo i fallimenti dei lotti e diminuisce la necessità di interventi manuali o di ulteriori e costosi test sul prodotto finito.
Riferimenti
[1] Guidance for Industry PAT — A Framework for Innovative Pharmaceutical Development, Manufacturing, and Quality Assurance U.S. Department of Health and Human Services Food and Drug Administration Center for Drug Evaluation and Research (CDER) Center for Veterinary Medicine (CVM) Office of Regulatory Affairs (ORA) Pharmaceutical CGMPs September 2004; U.S. Department of Health and Human Services, 2004.
[2] Process Analytical Technology - an overview | ScienceDirect Topics. https://www.sciencedirect.com/topics/chemistry/process-analytical-technology (accessed 2025-04-01).
[3] Undey, C.; Low, D.; Menezes, J. C.; et al. PAT Applied in Biopharmaceutical Process Development And Manufacturing: An Enabling Tool for Quality-by-Design; CRC Press, 2011.
[4] Read, E. K.; Park, J. T.; Shah, R. B.; et al. Process Analytical Technology (PAT) for Biopharmaceutical Products: Part I. Concepts and Applications. Biotech & Bioengineering 2010, 105 (2), 276–284. DOI:10.1002/bit.22528
[5] Owczarek, D. Bioprocessing 4.0 and the Benefits of Introducing AI to Biopharmaceutical Manufacturing. Nexocode. https://nexocode.com/blog/posts/bioprocessing-4-ai-in-biopharmaceutical-manufacturing/ (accessed 2025-04-02).
[6] Veloso, A. C.; Ferreira, E. C. Online Analysis for Industrial Bioprocesses. In Current Developments in Biotechnology and Bioengineering; Elsevier, 2017; pp 679–704. DOI:10.1016/B978-0-444-63663-8.00023-9
[7] Gelwicks, M. J.; Zemtsop, C.; Allen, M. W. Fluorescence Rejection in Raman Spectroscopy: An Algorithmic Approach and Applications. In Photonic Instrumentation Engineering XI; SPIE, 2024; Vol. 12893, pp 84–92. DOI:10.1117/12.3000516
[8] Biopharmazeutika: Marktanteil wächst | vfa. https://www.vfa.de/de/forschung-entwicklung/medizinische-biotechnologie/biotech-deutschland/medizinische-biotechnologie-in-deutschland-2023 (accessed 2025-03-27).
Risorse aggiuntive
Brochure: Analisi farmaceutica – Controllo qualità dei prodotti farmaceutici
Flyer: Sensore farmaceutico ProTrode 200/300
Application Note: Monitoraggio in linea di colture cellulari mediante spettroscopia Raman
Scarica l'Applications Book
Scopri di più sulle nostre competenze: dall'ammoniaca in salamoia satura e fertilizzanti all'estrazione e purificazione dello zinco, abbiamo affrontato ogni tipo di applicazione. Il nostro catalogo delle applicazioni offre una panoramica completa delle soluzioni fornite all'industria di processo negli ultimi 50 anni e oltre. Con oltre 10.000 analizzatori di processo installati in tutto il mondo, abbiamo la soluzione giusta per ogni vostra sfida.
