Ob für Lacke in der chemischen Industrie oder für Gesundheits- und Arzneimittel in der pharmazeutischen Industrie und Biotechnologie: Effiziente Systeme für eine automatisierte Formulierungsentwicklung sparen wertvolle Forschungszeit, können den Materialbedarf senken und zu besseren Ergebnissen führen.

Ein Blick auf aktuelle Technologien und Trends zeigt Potenziale für Produktentwickler, Systemhersteller sowie Entwicklungspartner in Industrie und Forschung. Auf der Achema 2015 finden sie zusammen. Im Bereich der Arzneimittelentwicklung sind leistungsfähige Systeme zur Formulierungsentwicklung maßgeblich für den medizinischen Fortschritt. Bis zu 1,6 Milliarden US-Dollar muss ein Unternehmen nach Angaben der Unternehmensberatung CRA International an Kosten veranschlagen, um ein Medikament mit neuem Wirkstoff auf den Markt zu bringen. Rund zehn bis zwölf Jahre vergehen nach Angaben des international führenden Pharmaunternehmens Novartis durchschnittlich bis zur Zulassung. Die Novartis Gruppe in Deutschland hat aktuell rund 200 Projekte in der eigenen klinischen Entwicklung. Um ein neues Medikament zu entwickeln, gilt es in der Forschung bis zu zwei Millionen Ausgangssubstanzen zu untersuchen, wovon schließlich nur ein einziger relevanter Wirkstoff übrig bleibt und in die Zulassung gelangt.

Zeit- und Kostensparnisse

Die Automatisierung von Laborprozessen in der chemischen Industrie kann nach Angaben von Bosch die Laboreffizienz um den Faktor 2,5 erhöhen und damit Zeit- und Kostenersparnisse von bis zu 60 Prozent erreichen. Branchenübergreifend gelten höchste Anforderungen an eine kurze Time to Market bei gleichzeitig zuverlässiger Produktqualität. Hersteller, Produkt- und Systementwickler stellen sich diesen Herausforderungen auf zahlreichen Ebenen. Im Vordergrund der aktuellen Entwicklung stehen sowohl kontinuierliche technologische Neuerungen für automatisierte Prozesse als auch Unternehmen, die sich mit hoch spezialisierten Laborstrukturen als Partner der pharmazeutischen und chemischen Industrie sowie der Biotechnologie etabliert haben. Vergleiche zwischen manuellen und automatisierten Versuchsverfahren bei der Formulierungsentwicklung zeigen, dass Forscher je nach Verfahren zu unterschiedlichen Ergebnissen kommen. So ist es möglich, dass ein manuell praktiziertes Verfahren bestimmte Hilfs- oder Zusatzstoffe als ungeeignet für ein Produkt bewertet. Dieselben Stoffe können sich jedoch in automatisierten Versuchen als nützlich erweisen, indem man sie versuchsweise mit anderen Substanzen kombiniert.

Entwicklungsplattformen

Spezielle Entwicklungsplattformen übernehmen heute sowohl einfache als auch komplexe automatisierbare Prozesse für Entwicklungsaufgaben. Je nach Anbieter und Bedarf sind dabei modulare Systeme oder auch vollständige Roboterplattformen erhältlich, die den gesamten Entwicklungsprozess abdecken: Von der Entwicklung des experimentellen Designs über Auswahl und Verarbeitung der Proben bis hin zu Auswertung, Datenanalyse und Data Mining. Anbieter von modular aufgebauten Komplettsystemen ist unter anderem  Chemspeed Technologies, die mit ihren ersten voll integrierten Flüssigphasen- und Festphasensyntheserobotern eine Beschleunigung von Synthesen um das hundert- bis tausendfache erreicht. Das im Jahr 1997 gegründete Unternehmen entwickelte zahlreiche patentierte Verfahren für die chemische Industrie (Life Science, Materials Science, Commodities), unter anderem über Kopf gravimetrische Dispensierung von Feststoffen, Flüssigkeiten, hochviskosen Flüssigkeiten, Pasten und Wachsen im Zusammenspiel mit hochpräzisen Reaktor-, Formuliergefäss-, Anwendungs- und Testtechnologien. Chemspeed's automatisierte modulare und flexible Lösungen für Probenaufarbeitung, Synthese, Prozessforschung, Formulierung, Anwendung und Testung standardisieren und beschleunigen die chemische Forschung und Entwicklung.

Modulare Lösungen

Einige Hersteller bieten modulare Lösungen für die Formulierungsentwicklung an, die sich flexibel an individuelle Anforderungen und Abläufe anpassen lassen. Dabei greifen die verschiedenen Module auf eine einheitliche technologische Basis zurück und lassen sich bedarfsweise miteinander verknüpfen. Entsprechende Workflowmanager helfen dabei, die Laborprozesse über eine gemeinsame Software zu steuern. Spezialisierte Systeme zur Integration in automatisierte Laborsysteme unterstützen auch hoch spezialisierte Forschungsbereiche bei effizienten Arbeitsabläufen. Hersteller wie Chemspeed Technologies oder Zinsser Analytic ermöglichen eine gezielte Optimierung von Laborprozessen bei der Wirkstoffsuche sowie in der kombinatorischen Chemie, bei Screening und Synthese. Beispiele im Falle von Zinsser sind etwa ein High-Throughput-Synthesizer für mehr als 800 parallele Flüssig- und Feststoffsynthesen oder auch ein Peptidsynthesizer für Peptidbibliotheken, der nach Angaben des Herstellers 864 Peptide in 30 Stunden bewältigt. Zu den jüngsten Innovationen für die Formulierungsentwicklung gehört ein Pipettiertool für Liquid-Handling-Systeme, das auch hochviskose Stoffe präzise dosiert: Eine Eigenschaft, die bei der Probenvorbereitung für die Entwicklung von Gesundheitsprodukten, Schmiermitteln und Polymeren gefragt ist. Eine ähnliche Richtung verfolgt Bosch mit seiner ursprünglich für die chemische Industrie entwickelten BLS-Spritze (Bosch Lab Systems), die sich auch für den Einsatz in pharmazeutischen Labors eignet. Wo herkömmliche Dosiersysteme durch ein bloßes Ansaugen von Flüssigkeiten an ihre Grenzen kommen, ist die BLS-Spritze für die Aufnahme von Medien verschiedenster Konsistenz einschließlich solcher mit hoher Viskosität konzipiert. Die luftfrei gefüllte Spritze lässt sich bei Bedarf gleichzeitig als Reaktionsprozessgefäß nutzen.

Partikelgrößenbestimmung für Mehrphasensysteme

Automatisierte Partikelgrößenbestimmungen, die für die Entwicklung von Mehrphasensystemen (Emulsionen oder Dispersionen) erforderlich sind, lassen sich unter anderem mit einer von BASF entwickelten Roboteranlage für das High-Throughput-Screening durchführen. Die Anlage erlaubt ein vollautomatisches Screening von Formulierungen einschließlich der sie charakterisierenden Inhaltsstoffe. Ziel ist eine gezielte, zeitsparende statistische Analyse von Rezeptur und Produkteigenschaften und damit eine effiziente Formulierungsentwicklung. Durch eine integrierte Partikelgrößenmessung erlaubt das System nach Angaben des Herstellers eine besonders genaue qualitative Beurteilung von Formulierungen. Das Vorgehen: Nachdem das experimentelle Design feststeht, stellt die Anlage die gewählten Ausgangsstoffe durch Dosierautomaten in der benötigten Menge bereit. Anschließend werden diese Stoffe in Homogenisierungsstationen durch Schütteln oder Rühren, Ultraschall oder Ultra Turrax homogenisiert. Damit haben die Proben die optimale Voraussetzung für die Analyse von Fließeigenschaften (Rheologie), Stabilität und Partikelgrößen. Zur Bestimmung der Partikelgröße setzt die Anlage einen Laserstreulichtanalysator mit patentierter PIDS-Technologie (Polarisation Intensity Differential Scattering) von Beckman Coulter ein, die auch bei der Detektion von Partikeln im Submicronbereich höchste Auflösungen erzielt. Die erzielten Kennwerte werden automatisch in das angeschlossene Laborinformationssystem (LIMS) übertragen und stehen dort anschließend zur Auswertung bereit.

Entwicklungs- und Servicepartner

Konzerne wie Evonik Industries und Spezialisten wie Siegfried Holding bieten ein breites Portfolio an eigenen Laborkapazitäten und hoch qualifizierten Mitarbeitern, um insbesondere Kunden aus der Pharmazie bei der Formulierungsentwicklung zu unterstützen. So versteht sich die Siegfried Holding als Integrated Supplier, der seinen Kunden maßgeschneiderte Lösungen für die Formulierungsentwicklung zur Verfügung stellt - angefangen bei der Entwicklung und Produktion von Wirksubstanzen über Zwischenstufen bis hin zu komplexen Darreichungsformen und Produkten aus dem eigenen Portfolio.

Mit derzeit elf ausgestatteten Anwendungs- und Servicelabors in allen wichtigen Pharmamärkten der Welt bietet Evonik Industries ein umfassendes Serviceangebot für die Formulierungsentwicklung von Medikamenten zur oralen sowie zur parenteralen Gabe. Die Labors sind nach Angaben des Konzerns mit führenden Technologien und Infrastrukturen für die Formulierungsentwicklung ausgestattet und mit erfahrenen Spezialisten besetzt. Darüber hinaus stellt Evonik ein breites Spektrum an pharmazeutischen Grundstoffen für eine Vielzahl medizinischer Herausforderungen und Einsatzfelder zur Verfügung.

Fazit

In der Medizin sind derzeit nur gegen ein Drittel aller bekannten Krankheiten wirksame Medikamente verfügbar. Die Entwicklung sogenannter Orphan Drugs (Arzneimittel gegen seltene Erkrankungen) befindet sich erst in den Anfängen. Der Bedarf an effizienten Verfahren für die Formulierungsentwicklung für die Pharmazie ist folglich voller Chancen für alle Beteiligten. Auch Neuentwicklungen und Produktentwicklungen in der Chemie und Biotechnologie sind aus Kostengründen zunehmend auf kurze Entwicklungszeiten angewiesen und profitieren von Vorteilen in der Formulierungsentwicklung. Auf der Achema 2015 wird in der Ausstellungsgruppe „Labor- und Analysentechnik" in Halle 4 ein breites Angebot an Technologien und Dienstleistungen gezeigt.