copyrightSchaum, AlexanderGraf, Alexander2026-02-262026-02-262025https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/1876810.60848/13698In 2022 close to a hundred billion units of pharmaceuticals were sold in Germany alone (Radtke, 2023). Patient safety and high efficacy are the most critical factors in producing these drugs. This results in a need for manufacturers to constantly output high-quality products. Consequently, there has been an ongoing adoption of Quality by Design (QbD) and Process Analytical Technologies (PAT) in the industry over the last decades. This thesis focused on advancing different spectroscopic methods as PAT tools in the context of QbD. First, a novel 2D-fluorescence (2DF) sensor was investigated for its usability in-process monitoring of mammalian cell cultures – qualitative and quantitative. Second, Raman spectroscopy was examined for its use in bioprocess development and as a control device in production bioreactors. In the first part of this work, the 2DF technology demonstrated its versatility as, on the one hand, an effective method for golden batch monitoring, i.e., for promptly detecting deviations within the process. On the other hand, the fluorescence signals can be correlated to cell count and viability, making it a suitable in-line alternative to traditional off-line cell counting. In the context of QbD, fluorescence spectroscopy can furthermore give the user more insight into the cellular metabolism, as, for example, co-enzymes like NADH can be detected. The second part focuses on Raman spectroscopy as a valuable tool during process development and for in-line process control of critical process parameters. First, a Raman spectrometer was integrated into two automated mini-bioreactor systems – one with 15 mL and the other with 250 mL single-use vessels. These systems are commonly used in cell line development and upstream process development campaigns, especially for economic execution of Design of Experiment studies. Integrating a Raman spectrometer in these highly automated systems made it possible to efficiently generate a large Raman dataset for robust modeling of several essential process parameters, such as glucose, lactate, glutamine, glutamate, and target protein titer. In the case of the glucose model, scale-up to a 50 L bioreactor was successfully made for in-line monitoring of said parameter. Finally, Raman spectroscopy was integrated into a perfusion process. In combination with a biocapacitance probe for in-line cell count control, the Raman system was successfully utilized for on-line control of the glucose concentration. This paper proves that PAT sensors can be utilized as enablers for process intensification and, consequently, as a step toward continuous processing.Im Jahr 2022 wurden alleine in Deutschland fast einhundert Milliarden Arzneimitteleinheiten verkauft (Radtke, 2023). Die wichtigsten Faktoren bei der Herstellung dieser Arzneimittel sind Patientensicherheit und hohe Wirksamkeit. Daraus ergibt sich für die Produzenten die Notwendigkeit, konstant qualitativ hochwertige Medikamente herzustellen. Aus ebendiesem Grund hat die pharmazeutische Industrie in den letzten Jahrzehnten zunehmend „Quality by Design“ (QbD) und prozessanalytische Technologien (PAT) implementiert. Diese Dissertation konzentriert sich auf die Weiterentwicklung verschiedener spektroskopischer Methoden zum Einsatz als PAT-Werkzeuge im Kontext von QbD. Zunächst wurde ein neuartiger 2D-Fluoreszenz (2DF) Sensor auf seine Eignung für die qualitative und quantitative Prozessüberwachung von Säugetierkultivierungen untersucht. Nachfolgend wurde Raman-Spektroskopie im Einsatz in der Bioprozessentwicklung und als Kontrollinstrument in Produktionsbioreaktoren betrachtet. Im ersten Teil dieser Arbeit, hat die 2DF-Technologie ihre Vielseitigkeit, einerseits als wertvolles Werkzeug für die Überwachung im Kontext von sog. „golden batches“, also zur frühzeitigen Detektion von Abweichungen von der Norm, unter Beweis gestellt. Andererseits können die Fluoreszenzsignale mit der Zellzahl und Viabilität korreliert werden, was diese Methode zu einer geeigneten in-line-Alternative zu traditionellen off-line Zellzählmethoden macht. Im Zusammenhang mit QbD kann die Fluoreszenzspektroskopie dem Anwender darüber hinaus einen tieferen Einblick in den zellulären Stoffwechsel bieten, da z. B. Co-Enzyme wie NADH quantifiziert werden können. Der zweite Teil der Dissertation konzentriert sich auf die Raman-Spektroskopie als gewinnbringendes Werkzeug während der Prozessentwicklung, sowie zur Prozesskontrolle kritischer Prozessparameter. Zunächst wurde ein Raman-Spektrometer in zwei verschiedene automatisierte Mini-Bioreaktorsysteme integriert - eines mit 15 mL und das andere mit 250 mL Einwegreaktoren. Diese Systeme werden üblicherweise in der Zelllinien- und Upstream-Prozessentwicklung eingesetzt, insbesondere zur effektiven Umsetzung von Design of Experiment-Studien. Durch die Integration eines Raman-Spektrometers in diese hochautomatisierten Anlagen konnte im ersten Schritt effizient ein großer Raman-Datensatz erzeugt werden. Dieser konnte wiederum für die robuste Modellierung mehrerer wichtiger Prozessparameter, wie Glukose-, Laktat-, Glutamin-, Glutamat- und Zielprotein-Konzentration, genutzt werden. Im Falle des Glukosemodells wurde erfolgreich ein Scale-up auf einen 50-Liter-Bioreaktor für die in-line Überwachung dieses Parameters durchgeführt. Zuletzt wurde ein Raman-Spektrometer in einen Perfusionsprozess integriert. Hierbei wurde das Raman-System, in Kombination mit einer Bio-Kapazitätssonde (zur in-line Kontrolle der Zellzahl), erfolgreich für die on-line Kontrolle des Glukosefeeds eingesetzt. Dies zeigt, dass PAT-Sensoren auch als Wegbereiter für weitere Prozessintensivierung, und somit als weiterer Schritt Richtung kontinuierliche Produktion, eingesetzt werden können.engProcess Analytical Technology (PAT)Quality by Design (QbD)Mammalian cell cultureSpectroscopyProcess monitoring and controlMultivariate data analysis (MVDA)500DoctoralThesis1962993477