Upstream Process Scientist

Upstream er første halvdel af biologisk produktion. Cellerne dyrkes, og produktet dannes. Alt bagefter — rensning og filtrering — er downstream og en anden persons ansvar.

En upstream process scientist arbejder med levende systemer. Cellen er selve fabrikken. Man ændrer temperatur, pH, ilt, fodring og medieindhold og ser, hvad cellerne svarer.

De typiske systemer i Danmark:

• CHO-celler til antistoffer og komplekse proteiner. Vokser langsomt, er følsomme og dyre at køre
• Gær (Saccharomyces og Pichia) til insulin og industrielle proteiner. Novo Nordisks kerneteknologi
• E. coli til mindre proteiner og peptider. Hurtig, men produktet ender ofte i uopløselige klumper (inclusion bodies)
• Svampe og bakterier til enzymer hos Novonesis
• Virusbaserede systemer til vacciner, blandt andet hos Bavarian Nordic

Typiske opgaver:

• Køre fermenteringer og celledyrkninger fra få milliliter op til pilotskala
• Screene og udvælge cellelinjer sammen med cellelinjeudvikling
• Optimere dyrkningsmedie og fodringsstrategi (fed-batch eller perfusion)
• Styre kritiske parametre: ilttilførsel, omrøring, CO2-afgivelse, pH og temperaturskift undervejs
• Designe forsøgsserier statistisk med Design of Experiments, ofte i Ambr-systemer med mange parallelle kørsler
• Tage prøver og måle celletæthed, levedygtighed, glukose, laktat og produkttiter
• Fejlsøge, når en kørsel går galt: skumdannelse, iltmangel, forurening eller uventet cellevækst
• Beregne opskalering: samme iltoverførsel og omrøringseffekt i en større tank kræver andre indstillinger
• Definere kritiske proceparametre og kvalitetsattributter (CPP og CQA) for upstream-trinnene
• Overdrage processen til produktionen og stå ved siden af operatørerne under de første kørsler
• Skrive udviklingsrapporter og bidrage til modul 3 i ansøgningen om markedsføringstilladelse

En almindelig dag styres af kørslerne. Man starter med at tjekke natten: har en reaktor tabt ilt eller pH? Formiddagen går med prøvetagning og analyse. Efter frokost sætter man en ny Ambr-serie op med fjorten forskellige fodringsstrategier. Sidst på dagen samler man data fra de sidste tre uger og ser, om den nye medieformulering rent faktisk gav højere titer.

Tiden styres af biologien, ikke af kalenderen. En CHO-kørsel tager typisk 14 dage, en gærfermentering ofte 2-4 dage. Prøver skal tages, når de skal — også lørdag morgen. Weekendvagt går på skift i de fleste afdelinger.

Det svære er, at cellerne ikke opfører sig ens ved skala. Omrøring, der er skånsom i 5 liter, kan slå celler ihjel i 2.000 liter. Iltoverførsel opfører sig anderledes, når tanken bliver dyb. Man skal forstå fysikken bag, ikke bare kende opskriften.

Hvilken lovgivning dækker denne rolle?

Titlen kræver ingen autorisation, men processen er reguleret. EU's GMP-regler i EudraLex Volume 4 gælder for lægemiddelproduktion, og Bilag 2 dækker specifikt biologiske lægemidler til mennesker. Lægemiddelstyrelsen udsteder fremstillingstilladelse og fører GMP-inspektion i Danmark. Retningslinjerne ICH Q8 om lægemiddeludvikling, ICH Q9 om risikostyring og ICH Q11 om udvikling af aktive stoffer beskriver, hvordan valget af proceparametre skal begrundes, mens ICH Q5D stiller krav til cellebanker og deres karakterisering. Arbejde med genetisk modificerede mikroorganismer kræver godkendelse til indesluttet brug efter Miljøstyrelsens GMO-regler, og arbejdet med biologisk materiale er omfattet af Arbejdstilsynets bekendtgørelse om biologiske agenser.

Man kommer ind med en teknisk-naturvidenskabelig uddannelse, hvor både mikrobiologi og procesteknik indgår.

De mest brugte danske uddannelser:

• Civilingeniør i bioteknologi — DTU eller Aalborg Universitet, fem år i alt. Den mest direkte vej
• Civilingeniør i kemi og bioteknologi eller kemiteknik — DTU, AAU eller SDU
• Cand.scient. i biotechnology, mikrobiologi, biokemi eller molekylærbiologi — Københavns Universitet, Aarhus Universitet eller DTU
• Diplomingeniør i bioteknologi — 3,5 år med praktik. Meget produktionsnær
• Laborant eller procesteknolog — kortere uddannelser. Kommer typisk ind som tekniker og arbejder sig op med erfaring

Adgangskravet til ingeniøruddannelserne er typisk Matematik A, Fysik B og Kemi B.

De fag, der tæller mest, er fermenteringsteknologi, transportprocesser, mikrobiel fysiologi og celledyrkning. Kan man regne på iltoverførsel og omrøring, står man stærkt. Ren molekylærbiologi uden procesteknik er en svagere profil til netop denne rolle.

En ph.d. er ikke et krav, men er almindelig i stillinger med titlen scientist eller senior scientist. Uden ph.d. hedder titlen ofte process engineer, upstream technician eller research associate i starten.

Alternative veje ind i faget:

• Via specialesamarbejde eller studiejob hos Novo Nordisk, Novonesis, Bavarian Nordic eller et CDMO. Meget udbredt vej ind
• Fra laboratoriet: laborant med hands-on erfaring med bioreaktorer, der får eget forsøgsansvar
• Fra produktionen: procesoperatør fra et fermenteringsanlæg, der læser videre
• Fra bryggeri- eller fødevareindustrien, hvor fermentering følger samme principper
• Fra forskning: postdoc i mikrobiologi eller systembiologi, der skifter til industriel skala

GMP-træning er et krav i praksis og gives internt. Kurser i statistisk forsøgsplanlægning (DoE) vejer tungt, fordi upstream-optimering næsten altid er multifaktoriel.

Engelsk på højt niveau er nødvendigt. Rapporter og møder er på engelsk i de fleste virksomheder.

Regn med et til tre år, før man selvstændigt planlægger en optimeringskampagne og en opskalering. Herefter går karrieren til senior scientist, principal scientist eller projektleder for teknologioverførsel. Andre spor er MSAT, procesvalidering, cellelinjeudvikling, produktionsledelse eller kvalitetssikring. Nogle skifter til udstyrsleverandører som Sartorius, Cytiva eller Eppendorf som applikationsspecialister. Skift til downstream sker, men er mindre almindeligt, fordi de to halvdele kræver forskellig erfaring.

Faget er hands-on. Man arbejder med udstyr, prøver og data i samme uge.

• Mikroskala-systemer: Sartorius Ambr 15 og Ambr 250 kører 12-48 parallelle mini-bioreaktorer med automatisk prøvetagning. Standardværktøj til screening i dag
• Laboratoriebioreaktorer: Sartorius BIOSTAT, Eppendorf DASGIP og BioFlo eller Applikon, typisk 1-15 liter
• Pilotfermentorer: 50-1.000 liter i rustfrit stål eller som engangsposer (single-use), for eksempel Thermo Fisher HyPerforma eller Cytiva Xcellerex
• Analyse under kørslen: Nova BioProfile eller Cedex til glukose, laktat, celletæthed og levedygtighed. Blodgasanalysator til pH og opløst ilt
• Produktmåling: HPLC og UPLC til titer, Octet eller Biacore til bindingsanalyse, ELISA og SDS-PAGE
• Sterilteknik: LAF-bænke, autoklave, sterilfiltrering og aseptisk arbejde. Kontaminering er den hyppigste årsag til tabte kørsler
• PAT: online-sensorer, der måler undervejs — kapacitans til celletæthed, NIR eller Raman-spektroskopi til metabolitter
• Dataanalyse: JMP, Minitab eller Design-Expert til DoE. Python, MATLAB eller R til modellering af vækst og fodring
• Modellering af skalering: beregninger af kLa (iltoverførsel), tip speed og blandetid ved skift til større tank
• Dokumentation: elektronisk laboratoriejournal som Benchling eller LabArchives, LIMS til prøvedata, plus SCADA-logfiler fra reaktorerne

Cellebanker er en fast del af arbejdet. Master- og working cell banks opbevares i flydende kvælstof og skal dokumenteres efter ICH Q5D. Hver kørsel starter med et optøet hætteglas fra samme bank.