Sommaire
- Assurance Qualité & Production : impacts de la nouvelle annexe 1 des BPF
- Un expert en inspection visuelle doit-il être un expert technique en système de vision ?
- Taux résiduel de peroxyde d'hydrogène présent dans les isolateurs lors de tests de stérilité. Quel impact sur les données générées ?
- Médicaments de thérapie innovante à base de bactéries.
- Supplier & End-User Disinfectant Qualification Comparison for Cleanrooms
- Achat de remplisseuses BFS pour un site spécialisé dans le PFS.
- Mise en œuvre d’un procédé de fabrication d’ingénierie tissulaire dans le cadre d’un MTI expérimental en thérapie cellulaire.
Médicaments de thérapie innovante à base de bactéries. Éliminer l’oxygène des isolateurs pharmaceutiques permet d’accéder à de nouveaux champs thérapeutiques.
Intéressons-nous aujourd’hui à la composition de l’atmosphère régnant à l’intérieur des isolateurs pharmaceutiques. Celle-ci dépend de l’usage qui en est fait, des process internes et pour beaucoup du potentiel de réactivité des principes actifs ou micro-organismes qui doivent être manipulés dans l’enceinte. Pendant des années les isolateurs ont principalement fonctionné sous air en pression positive ou pression négative suivant l’utilisation prioritaire qui en était faite.
Le contrôle de l’atmosphère en humidité et en oxygène des enceintes de confinement est en fait déjà parfaitement maîtrisé depuis des décennies dans des secteurs de la Recherche et de l’Industrie. Des laboratoires de biologie font des études très poussées sur des métalloprotéines en boîtes à gants sous conditions anaérobies : cristallisation, purification et caractérisation notamment. La chimie et la physique ont recours à des boîtes à gants/isolateurs sous atmosphère pure < 1 ppm O2 dans la synthèse de produits ultra-sensibles à l’air et le développement de nouveaux matériaux fonctionnels. A titre d’exemple, les boîtes à gants sous atmosphère contrôlée en oxygène et/ou en humidité permettent quotidiennement des avancées extraordinaires dans des secteurs de pointe, tels que la conversion et le stockage d’énergie (batteries, cellules photovoltaïques, OLED…) et sécurisent des procédés industriels robotisés en fabrication additive et dans le secteur nucléaire. On peut donc affirmer aujourd’hui que la technique d’élimination de l’oxygène est éprouvée et fiable.
Le secteur pharmaceutique prend une nouvelle orientation dans le contrôle de l’oxygène depuis quelque temps. Savoir maîtriser son atmosphère, notamment en oxygène, présente des avantages indéniables, et intéresse de plus en plus d’industriels du secteur pharmaceutique dans la conception de leurs lignes d’isolateurs. Un choix motivé avant tout par le fait que de nouveaux champs thérapeutiques voient le jour.
Commençons par un bref rappel sur le contrôle de l’humidité et le contrôle de l’oxygène. Les techniques permettant de contrôler l’atmosphère d’un environnement en humidité et en oxygène sont totalement différentes. Les valeurs requises divergent également car les objectifs ne sont pas les mêmes.En plus de leur fonction initiale qu’est la protection, certains isolateurs pharmaceutiques, se voient dotés régulièrement d’un contrôle en humidité : une atmosphère régulée à quelques pourcents d’humidité relative permet d’éviter une dégradation des composés mis en œuvre. Un système de purge bien conçu permet une dilution efficace et précise de l’atmosphère interne avec de l’azote propre et pur pour travailler de manière stable à des teneurs < 2% HR.
Pour l’oxygène, la maîtrise est plus complexe car elle nécessite un traitement gazeux sans interruption, sans quoi le niveau d’oxygène remonte irrémédiablement ; un phénomène dû en grande partie à une perméation importante de l’oxygène à travers les matériaux, gants et manchettes en particulier. Il existe en fait deux méthodes classiques destinées à faire baisser ou à éliminer drastiquement le niveau résiduel en oxygène d’une enceinte : la première consiste à purger l’isolateur avec un gaz neutre (circuit ouvert ou semi-ouvert), la seconde recourt à un épurateur de traitement du gaz (circuit fermé). Avant toute chose, l’industriel ou le laboratoire pharmaceutique doit connaître le “seuil bas en oxygène” à atteindre dès la rédaction du cahier des charges pour le nouvel équipement. Ce niveau bas en oxygène, suivant les besoins, se classifie en deux grandes catégories d’exigence : seuil en % et seuil en ppm.
1. Pour un niveau d’exigence en % O2
Il existe une technique ancienne et simple dite en balayage : elle permet, grâce à une purge continue avec un gaz neutre pur (azote ou argon) de reproduire une atmosphère pauvre en oxygène qui conviendra par exemple au développement de bactéries microaérophiles. Par l’inertage, on peut ainsi aisément faire baisser le niveau d’oxygène de l’air de 20,95 % à une valeur comprise dans une zone de 2 à 10% O2.
La méthode a de prime abord un avantage : son faible coût. Néanmoins, celui-ci peut vite se révéler illusoire. En effet, si la purge en gaz parait simple et économique, elle s’avère à l’utilisation assez rapidement dispendieuse en gaz. Amélioration de la pureté en oxygène résiduel de l’isolateur rime forcément avec taux de renouvellement horaire accru et donc une augmentation du débit de gaz entrant. Par ailleurs, un seuil souhaité en pourcentage laisse souvent peu de place à des interrogations sur le niveau d’étanchéité requis. Un constat qui ne revêt pas une importance capitale pour les isolateurs fonctionnant sous air, sans contrôle d’oxygène ou d’humidité. Ces derniers assument au demeurant parfaitement leur rôle en travaillant à une pression positive plus faible que celle préconisée dans les enceintes à atmosphère contrôlée. En revanche, pour les enceintes travaillant sous atmosphère modifiée où le contrôle de l’oxygène résiduel est important, les préconisations vont dans le sens d’une pression de travail légèrement supérieure et d’un renforcement de la classe d’étanchéité au niveau 1 ou 2 suivant la norme ISO 10648-2. Faute de quoi, pour ce type d’enceintes, le risque est de rendre le contrôle en oxygène aléatoire, sans évolution possible vers une amélioration future de la qualité de l’atmosphère.
Pour un projet d’isolateur à faible teneur en oxygène, le cahier des charges se définit certes par rapport à des critères de pureté, mais il ne doit pas pour autant s’attacher à exiger de la sur-qualité si ce n’est pas fondamental. Ainsi, pour des cas de R&D qui nécessitent une utilisation modérée de l’installation, un contrôle en pourcentage O2 peut convenir et donner de bons résultats. Pour un usage un peu plus soutenu, tout en restant dans une gamme pourcentage, les isolateurs sous”balayage intelligent” représentent une alternative intéressante, un peu plus économique en gaz en comparaison du circuit ouvert. En effet, il suffit de paramétrer sa valeur de consigne en % O2 sur l’interface (écran tactile) et un circuit de gaz neutre va purger l’isolateur de son air tant que la concentration résiduelle en oxygène est trop élevée. Quand l’atmosphère atteint la qualité souhaitée, l’alimentation en gaz est coupée automatiquement et l’isolateur fonctionne alors en boucle fermée sur des filtres HEPA. Le système va maintenir l’enceinte à cette consigne et réinjecter ponctuellement du gaz dans le circuit en cas d’augmentation de la proportion en oxygène.
2. Pour un niveau d’exigence en ppm (parties par million) O2
Le ppm est la fraction valant 10-6 ; pour se rendre mieux compte de ce qu’est le niveau d’exigence en ppm d’oxygène, il suffit de faire la conversion : 1ppm O2 = 0,0001% O2. Pour un contrôle de l’atmosphère d’un isolateur à des valeurs en ppm, la méthode de purge en gaz est à écarter d’emblée et seule la méthode de recirculation en circuit fermé est envisageable.
L’industriel du secteur pharmaceutique devra considérer deux aspects pour répondre aux impératifs d’une excellente pureté du gaz. D’une part, comme déjà évoqué, l’herméticité de l’isolateur avec une validation en classe 1 de l’étanchéité suivant la norme ISO 10648-2. D’autre part, la connexion de l’isolateur avec un système d’élimination de l’oxygène performant, dont les caractéristiques et les fonctionnalités devront être détaillées et clairement fixées pour coïncider avec les requis du process interne. Ces unités font partie des rares systèmes en place sur le marché actuellement permettant non seulement d’éliminer l’oxygène du gaz de travail de manière fiable et durable, mais aussi de créer des conditions atmosphériques reproductibles.
Une unité de purification de gaz neutre permet la recirculation en boucle fermée du gaz de l’atmosphère de l’isolateur sur un épurateur à catalyseur régénérable qui élimine l’oxygène. Ce système, totalement intégré dans une unité autonome indépendante nommée “unité de purification de gaz” ou “purificateur de gaz” se connecte sur l’isolateur et nécessite des systèmes de transfert adaptés de manière à préserver l’enceinte de toute pollution atmosphérique. Une unité de purification de gaz neutre élimine en continu les traces d’oxygène et, en fonction du process interne, du nombre de gants, de la pression de travail (pression positive ou négative), du volume de l’enceinte et des conditions de travail, elle permet l’obtention d’une atmosphère stable en oxygène à un niveau résiduel < 5 ppm O2 (couramment dans une gamme 1-10 ppm O2). Si besoin, il est tout à fait possible de compléter l’élimination de O2 par l’élimination de H2O à des niveaux similaires.
3. Utilité pour les laboratoires de cette nouvelle forme d’espace de production
De nouvelles études sont menées par des laboratoires sur une grande variété de cellules souches, y compris des souches anaérobies extrêmement sensibles à l’oxygène (EOS), des agents biologiques et des micro-organismes pathogènes, des OGM et souches virulentes… Les isolateurs à atmosphère contrôlée gardent leur fonction première “d’isolement” et assurent déjà une protection efficace pour l’environnement et les opérateurs des risques de contact avec les micro-organismes.Les isolateurs purifiés en oxygène permettent de reproduire des environnements comparables aux différents microbiotes humains et favorisent le développement de micro-organismes et bactéries spécifiques à chacun d’entre eux. Ces équipements constituent des banques de cellules. Ce sont des volumes de travail expérimentaux sécurisés et fiabilisés. Ces environnements anaérobies permettent également d’évaluer la sécurité des souches, de fabriquer des substances médicamenteuses et des produits médicamenteux destinés à être utilisés dans des études précliniques et des essais cliniques. Une validation donnera finalement le feu vert pour un approvisionnement commercial futur au sein d’une production GMP. Les isolateurs purifiés sont également nécessaires au développement analytique. ils permettent l’optimisation des tests de caractérisation et libératoires de produits bio thérapeutiques vivants.
4. Pourquoi l’oxygène est-il toxique ?
L’oxygène est toxique pour les bactéries anaérobies obligatoires extrêmement sensibles à l’oxygène (EOS) car elles ne possèdent pas de mécanismes de défense pour protéger les enzymes des oxydants. Les bactéries anaérobies ne peuvent se multiplier que sur des sites à faible potentiel d’oxydoréduction. L’oxygène peut aussi réagir avec d’autres éléments chimiques et former des molécules particulières destructrices, les peroxydes. Ces peroxydes sont notamment : l’ion superoxyde, le peroxyde d’hydrogène (H2O2). Ce sont des oxydants puissants qui détruisent les molécules organiques (ADN, protéines) et qu’il faut éliminer par certaines enzymes. Les êtres vivants qui ne possèdent pas ces enzymes meurent en présence d’oxygène et sont donc anaérobies stricts.
5. Quelles sont les exigences liées au procédé de retrait de l’oxygène ?
La vitesse relative du process. Le temps mis pour réduire l’atmosphère de l’isolateur à des teneurs extrêmement faibles en oxygène, de l’ordre de quelques ppm, peut varier sensiblement d’un isolateur à l’autre. En fonction de la taille de l’enceinte et d’autres facteurs critiques déjà cités précédemment, il faudra de quelques heures à quelques jours de fonctionnement de l’unité de purification pour atteindre les valeurs fixées.
Les requis préalables du process. Avant toute mise en fonctionnement d’un épurateur d’oxygène, l’isolateur doit être préalablement conditionné. Cela signifie qu’il est nécessaire de procéder pendant plusieurs heures à une purge complète de l’isolateur avec un gaz neutre. Les catalyseurs cuivre utilisés dans le processus d’élimination de l’oxygène sont des espèces chimiques destinées à purifier les gaz neutres, pas l’air ambiant.
La vigilance pour le maintien de la pureté. Une fois l’atmosphère stabilisée à quelques ppm, toute opération, toute manœuvre ou manipulation devra être envisagée eu égard aux contraintes liées à l’oxygène. Tous les systèmes de transfert (sas, ports, BIBOs) doivent être conçus spécialement pour éviter tout risque de pollution à l’air lors de leur fonctionnement et équipés d’interverrouillages de sécurité. L’ouverture de panneaux relevables, courants sur les isolateurs pharmaceutiques, doit être soumise à une procédure stricte préalable. Après ouverture d’un panneau, et remise à l’atmosphère, le reconditionnement de l’espace de travail avec un retour à des valeurs faibles en oxygène va demander un temps d’immobilisation de l’installation.
La technicité pour l’obtention d’une ambiance < 5 ppm O2.Obtenir une atmosphère ultra pure de cet ordre est un procédé que peu de fournisseurs maîtrisent réellement dans le monde pharmaceutique. Contrôler l’atmosphère d’un isolateur en oxygène demande d’une part l’utilisation d’une unité de purification parfaite, c’est-à-dire ayant des capacités d’épuration bien calculées et un débit de recirculation idéalement dimensionné permettant un taux de renouvellement performant. D’autre part, il est impératif que l’isolateur soit, comme déjà énoncé, validé de classe 1 en étanchéité suivant la norme ISO 10648-2. Cela sous-entend que l’étanchéité de tous les composants et du circuit process doivent aussi être testés unitairement.
La régénération du système de purification. On peut comparer les systèmes de purification actuels à des éponges. Elles ont une capacité d’adsorption limitée. Une fois saturé, l’épurateur doit être régénéré, au risque sinon de voir les teneurs en oxygène remonter rapidement jusqu’à remettre en cause la validation des opérations ou des expérimentations en cours. La régénération d’un épurateur, bien que gérée de manière totalement autonome par un automate et une IHM ergonomique, est une opération délicate qui suppose l’immobilisation de l’isolateur pendant des heures et fait appel à un cycle mêlant chauffage et gaz à faible teneur en H2. Cette opération de maintenance, parfaitement programmée par le fournisseur, ne doit être envisagée que de manière occasionnelle, ce qui rendra l’attrait d’un système de purification d’autant plus grand. En effet, celui-ci doit se justifier par une importante économie de gaz et agir sur la durée de manière à procurer une stabilité de la pureté interne. La régénération des systèmes d’épuration est un processus éprouvé de longue date et fiable. Son circuit est indépendant de l’isolateur et ne génère pas de transformation particulaire, moléculaire ou chimique de l’atmosphère ou des micro-organismes internes. La régénération est intégrale et peut être réalisée autant de fois que nécessaire pour un coût modique et maîtrisé pendant des années.
En marge de ces systèmes de purification de gaz neutre extrêmement performants, mais dont les conditions opératoires et de maintenance peuvent paraître contraignantes, certains industriels cherchent à mettre au point de nouveaux procédés alternatifs. Parmi ces nouveaux procédés, encore souvent au stade expérimental, on peut citer à titre d’exemple ceux sur lesquels Gloveboxes Group se penche :
- le développement de nouveaux matériaux issus de la conception ou des structures actuelles de nanomatériaux permettant de piéger l’oxygène mais aussi l’eau.
- L’étude de nouveaux procédés mettant en œuvre des matériaux aux propriétés physico-chimiques réagissant au contact de l’oxygène ou de l’humidité. Des champs magnétiques permettant d’orienter les molécules d’oxygène et d’eau vers des réceptacles techniques.
Derrière ces études se cachent un engouement scientifique et un intérêt économique certain avec une volonté affichée de simplifier et d’optimiser le processus d’élimination de l’oxygène et de l’humidité à un niveau industriel. Malgré cela, il n’en reste pas moins que les procédés de purification gazeuse actuels ont encore de beaux jours devant eux. En effet, même si les principes d’adsorption de l’humidité et de l’oxygène sont anciens et ont été mis au point il y a plus de soixante ans, leurs performances se sont nettement améliorées au fil du temps et leurs propriétés ont été sensiblement consolidées. Cette amélioration est en partie due à différents facteurs : l’industrialisation des systèmes de purification soutenue par un marché constamment en plein essor, une conception rationalisée au moyen d’outils de simulation surpuissants, une amélioration de la qualité et une fabrication innovante grâce à des outils de production ultra performants offrant une plus grande flexibilité de réalisation. Les industriels historiques ayant développé ces systèmes bénéficient d’un retour d’expérience incroyable dans des domaines variés qui leur confère une avance technologique et laisse libre cours à l’innovation.
Conclusion
En conséquence, les technologies actuelles offertes par les épurateurs de gaz neutre sont très performantes par bien des aspects :
- leur coût abordable avec un retour sur investissement rapide au vu des performances et des résultats,
- leur consommation énergétique et électrique modérée,
- leur maintenance espacée et bien automatisée,
- leur capacité inégalée à descendre à des niveaux très bas (ppm) pour une pureté de l’atmosphère optimale,
- leur faculté de fonctionner en continu 24/7 de manière fiable et durable,
- leur potentiel de recirculation permettant le traitement en gaz de volumes de travail et de production de plusieurs dizaines de m3,
- leur diversité en systèmes standard ou multilignes adaptés à toutes les étapes de recherche et de production industrielles,
- leur gestion automatisée paramétrable et ergonomique qui simplifie les opérations et renforce la sécurité des procédés,
- leur montage est équipé de capteurs et d’analyseurs toujours plus fiables.
La compréhension grandissante des interactions médicamenteuses et les progrès scientifiques en biologie et physiologie humaine ont motivé le développement de médicaments de thérapie innovante à l’exemple des anticancéreux nanoparticulaires et de la science du microbiome. Il est sûr que les prochaines années verront de belles découvertes dans ces métiers. A mesure que de nouveaux champs thérapeutiques verront le jour, de nouveaux procédés et des équipements adaptés seront proposés aux industriels du secteur pharmaceutique. L’innovation permettra aux patients d’accéder à des thérapies sans cesse plus performantes et des traitements médicamenteux toujours mieux ciblés.
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Glossaire
Boîte à gants : enceinte hermétique protectrice pour manipulations dans le secteur nucléaire, industriel et de la recherche (chimie, physique, biologie).
Isolateur : enceinte hermétique protectrice utilisée dans le secteur pharmaceutique.
ppm : parties par millions (10-6) ; l’air contient 20,95 % O2, soit 209500 ppm O2.
Surpression : pression positive appliquée aux enceintes par rapport à la pression atmosphérique environnante.
Dépression : pression négative appliquée aux enceintes par rapport à la pression atmosphérique environnante.
Circuit ouvert : l’air ou le gaz entrant est entièrement évacué vers une gaine d’extraction après passage dans l’enceinte.
Circuit fermé : le gaz entrant est continuellement totalement recyclé, traité et réinjecté dans l’enceinte.
Unité de purification de gaz : système autonome comprenant en partie un circulateur, un épurateur d’oxygène, un capteur d’oxygène, des vannes, des automatismes, différents circuits gazeux et une interface de contrôle (pour des explications détaillées, voir par exemple la gamme d’unités de purification CORE chez Jacomex).
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