Derin Okuma — Aşı Çift Aşamalı Dolum

Camın içindeki hayalet

Steril bir dolum tesisinde, saatte yirmi dört bin flakonun aktığı hattın en sakin noktası, iğnelerin flakonlara daldığı istasyondur. Dışarıdan bakan biri, pistonlu pompanın sıvıyı flakonun dibine boşalttığını ve flakonun ağzına kadar dolduğunu varsayar. Oysa 10 dozluk bir flakonun iç hacminin neredeyse yarısı boşluktur. Camın içinde asılı duran bu görünmez rezerv, üretim hattındaki en pahalı mühendislik kararlarından birinin sonucudur. Flakon başına kaybedilen her mililitre, yıllık kapasite hesaplarına vurulduğunda milyonlarca doza denk gelir. Aşı üretiminde darboğaz denince akla ilk biyoreaktörler gelse de, asıl sessiz kriz dolum iğnelerinin ucunda yaşanır. Mesele sadece sıvıyı flakona koymak değil, aynı zamanda o sıvının aylar sonra bir sağlık ocağında tam doz olarak geri çekilebilmesini garanti etmektir.

Neden flakonun yarısı boş

Aşı dolumunda karşımıza çıkan temel gerilim şudur. Bir yanda her flakona mümkün olan en fazla sıvıyı doldurmak isteyen kapasite baskısı, diğer yanda sağlık çalışanının enjektörü daldırdığında tam dozu çekebilmesini garanti eden fiziksel zorunluluklar. Flakon lastik tıpayla kapatılmış kapalı bir sistemdir. İçine iğne batırdığınızda, çektiğiniz sıvının yerini hava almadığı sürece vakum oluşur ve piston geri gelmez. Kliniğe ulaşan bir flakonun iç basıncı atmosfer basıncına eşit olmak zorundadır. Aksi halde enjektörün pistonu her çekişte artan bir dirençle karşılaşır ve son dozlar fiziksel olarak çekilemez hale gelir.

İşte o boşluk, enjeksiyon anında hava girişi için ayrılmış bir manevra alanıdır. Buna farmasötik dilde "tepe boşluğu" denir. Tepe boşluğu, flakon hacminin kabaca yüzde kırkı ila ellisi arasında seyreder. 10 mililitrelik bir flakonda 5 mililitre sıvı varsa, kalan 5 mililitre havadır. Oran sadece kullanım kolaylığı değil, aynı zamanda liyofilize yani dondurularak kurutulmuş aşılarda çözücünün rahatça enjekte edilip karıştırılabilmesi için de kritiktir. Liyofilize bir kekin üzerine enjekte edilen çözücü, kekin gözeneklerine nüfuz edebilmek için bir sıçrama mesafesine ihtiyaç duyar.

Tepe boşluğu bu sıçrama odasını sağlar. Oran yüzde kırkın altına düştüğünde, çözücü keki tam ıslatamaz ve flakonun dibinde çözünmemiş partikül kalma riski yükselir. Düzenleyici otoriteler, çözünmemiş partikül içeren bir flakonun hastaya uygulanmasını kategorik olarak reddeder. Flakonun yarısını boş bırakmak, bir israf değil, son kullanıcıya kadar uzanan bir kalite zincirinin ilk halkasıdır.

İki aşamalı bale

Dolum hattına çıplak gözle baksanız, sürekli dönen bir karuselin etrafında flakonların sıralandığını ve her birinin sırasıyla bir iğnenin altında durakladığını görürsünüz. Oysa perdenin arkasında iki ayrı hassas terazi çalışır. Çift aşamalı dolumun özü, sıvıyı flakona tek seferde boşaltmak yerine ölçerek ve düzelterek iki adımda yerleştirmektir. Tek aşamalı dolumda, pompanın her strokunda birebir aynı hacmi tutturması gerekir ki bu, sıvı viskozitesindeki ufak bir kayma veya pompa odacığındaki bir hava kabarcığı karşısında imkansıza yakın bir beklentidir. Çift aşamalı sistem, kaba bir yaklaşımı ince bir düzeltmeyle evlendirerek bu imkansızlığı aşar.

### Kaba dolum istasyonu ve peristaltik mantık

İlk aşama kaba dolumdur. Flakon, dolum istasyonuna geldiğinde pistonlu bir pompa hedef hacmin yaklaşık yüzde doksan beşini içine bırakır. Aşamada hız esastır. Dakikada dört yüz ila altı yüz flakon geçer bu istasyondan. Pompanın strok uzunluğu, sıvının viskozitesine göre ayarlanmıştır. Aşı emülsiyonları genellikle su bazlı olduğu için viskozite düşüktür ve 1 centipoise civarında seyreder.

Ancak adjuvan içeren formülasyonlarda, özellikle skualen bazlı emülsiyonlarda viskozite 3 ila 5 centipoise aralığına yükselebilir. Aradaki fark küçük görünse de, pompa odacığının dolum süresini milisaniyelerle uzatır ve strok başına aktarılan hacmi etkiler.

Kaba dolum pompası genellikle bir döner pistonlu veya peristaltik sistemdir. Döner pistonlu pompada, seramik bir piston bir silindir içinde döner ve her dönüşte sabit bir hacmi önündeki boşluğa hapsedip çıkışa iter. Seramik tercih edilmesinin sebebi, aşınmaya karşı yüksek direnci ve sterilizasyon kimyasallarına dayanıklılığıdır. Peristaltik sistem ise esnek bir hortumu dışarıdan sıkan rotorlar kullanır. Sıvı yalnızca hortumun iç yüzeyine temas eder. Pompanın hareketli parçaları sıvıyla hiç buluşmaz.

Peristaltik pompanın avantajı, çapraz kontaminasyon riskini sıfıra indirmesidir. Dezavantajı ise hortumun her sıkışma döngüsünde mikrometrik düzeyde yorulması ve zamanla iç çapının değişmesidir. 1 milimetre genişlediğinde, strok başına aktarılan hacim yüzde iki ila üç sapabilir. O yüzden peristaltik hatlarda hortum, her iki yüz bin strokta bir otomatik olarak ilerletilir veya değiştirilir.

Kaba dolumun hedefi neden yüzde yüz değil de yüzde doksan beştir? Sebep, pozitif toleransın yarattığı geri dönülemez risktir. Kaba dolum tek başına hedef hacmi aşarsa, flakonun içindeki sıvıyı geri çekmek sterilite zincirini kırmadan mümkün değildir. Eksik doldurmak her zaman düzeltilebilir. Fazla doldurmak ise flakonu kaybetmek demektir.

O yüzden kaba dolum güvenli tarafta, yani hedefin hafifçe altında kalacak şekilde programlanır. Sapma payı tipik olarak hedef hacmin eksi yüzde üçü ila eksi yüzde beşi arasında tutulur. Kaba dolumdan çıkan flakon, içinde hedeften bir miktar eksik sıvıyla ikinci istasyona ilerler.

### İnce dolum, tartım hücresi ve paralelleştirme matematiği

İkinci aşama ince dolumdur. Flakon burada tartılır. Tartım, miligram hassasiyetinde bir yük hücresiyle yapılır. Yük hücresi, üzerine binen kütleye orantılı bir elektrik sinyali üreten bir piezoelektrik veya gerinim ölçer tabanlı sensördür. Modern dolum hatlarında kullanılan yük hücrelerinin çözünürlüğü 1 miligramın altındadır. 1 miligram mertebesinde okuma yapabilenler dahi mevcuttur.

Tartım anında flakon, bir taşıyıcı plaka üzerinde milisaniyeliğine durur. Sistem, önce boş flakonun darasını -ki bu daralama işlemi hattın girişinde her flakon için ayrı ayrı yapılmıştır- hafızadan çağırır, kaba dolum sonrası brüt ağırlığı okur ve net ağırlığı hesaplar. Hedef net ağırlık ile okunan net ağırlık arasındaki fark, tamamlanması gereken mililitre cinsinden hacme çevrilir.

Ardından çok daha küçük çaplı bir iğne devreye girer. İnce dolum iğnesinin iç çapı tipik olarak 0.5 ila 0.8 milimetre aralığındadır. Kaba dolum iğnesinin iç çapı 2 ila 3 milimetre civarındayken, ince dolum iğnesi neredeyse bir enjektör iğnesi inceliğindedir. Küçük çap, akış hızını saniyede 0.1 mililitrenin altına düşürür. Sayede son 0.25 mililitre, tıpkı bir büretten damlatır gibi kontrollü biçimde flakona eklenir.

Damlacık kontrolü tam bu noktada devreye girer. İğne ucunda oluşan son damlanın flakona düşüp düşmediği, bir optik sensör veya yüksek hızlı kamera ile doğrulanır. Optik sensör, iğne ucu ile flakon tabanı arasına konumlandırılmış bir kızılötesi ışık perdesidir. Damla bu perdeyi kestiği anda sensör bir sinyal üretir. Perdeyi kesen damla sinyali geldikten sonra tartım hücresindeki ağırlık artışı doğrulanmazsa, sistem damlanın iğne ucunda asılı kaldığına veya flakon dışına düştüğüne hükmeder ve flakonu reddeder. Damla kopma doğrulaması, ince dolumun kalite güvencesindeki en kritik adımdır çünkü eksik bir son damla, flakonun net hacmini tolerans dışına iter ve hasta başında eksik doz riski yaratır.

İnce dolum istasyonundaki bir flakonun işlem süresi, kaba doluma kıyasla yaklaşık üç kat daha uzundur. 5 saniye arasında sürer. O yüzden hat tasarımında genellikle bir kaba dolum istasyonuna iki veya üç ince dolum istasyonu düşer. Paralelleştirme matematiği basittir. 67 flakon çıkışı demektir. 5 saniye döngü).

Aradaki farkı kapatmak için en az on paralel ince dolum istasyonu gerekir. Pratikte bu sayı, karuselin fiziksel alanı ve maliyet kısıtları nedeniyle altı ila sekiz arasında tutulur ve kaba dolum hızı bu sayıya göre geri çekilir. Paralelleştirme, hattın genel ritmini korumanın tek yoludur. Aynı zamanda tesisin metrekaresi başına düşen çıktıyı belirleyen asıl mimari karardır.

### Kalibrasyon döngüsü ve vardiya disiplini

İnce dolum istasyonundaki tartım hücresinin doğruluğu, hattın toplam verimliliğini belirleyen temel değişkendir. Tartım hücresi zamanla kayar. Kaymanın sebepleri arasında sıcaklık dalgalanmaları, karuselin titreşimi ve hücrenin üzerine biriken mikroskobik sıvı kalıntıları sayılabilir. 0.1 miligram çözünürlüklü bir hücrede, ortam sıcaklığındaki 1 santigrat derecelik artış bile okumayı birkaç miligram saptırabilir. O yüzden kalibrasyon her vardiya başında, çoğu tesiste vardiya ortasında da tekrarlanır.

Kalibrasyon prosedürü şöyle işler. Operatör, darası ve brüt ağırlığı sertifikalı bir referans laboratuvarında ölçülmüş, kütlesi bilinen bir dizi paslanmaz çelik referans flakonu hatta sürer. Sistem bu flakonları tartar ve kendi okumasını referans değerle karşılaştırır. 01'i veya mutlak olarak 1 miligram- dışındaysa, hücrenin offset ve kazanç parametreleri yazılımdan düzeltilir. Düzeltme sonrası referans flakonlar tekrar geçirilir ve sapmanın tolerans içine çekildiği doğrulanır. Doğrulama başarısız olursa, üretim durdurulur ve hücre değiştirilir.

Bir tartım hücresinin değişimi, hattın dört ila altı saat durması demektir. Vardiya ortası kalibrasyonunun varoluş sebebi, bu dört saati plansız bir duruş olarak değil, planlı bir mikro-mola olarak yaşamaktır.

Yüzde birlik sapmanın anatomisi

Dolum hassasiyeti söz konusu olduğunda, toleranslar gözle görülmez bir dünyada gezinir. 5 mililitredir. 0 mililitredir. Farmakope standartları -örneğin Avrupa Farmakopesi (Ph. ) ve ABD Farmakopesi (USP)- flakon başına kabul edilebilir sapmayı genellikle hedef hacmin yüzde biriyle sınırlar. 05 mililitre, yani 50 mikrolitrelik bir pencere demektir.

50 mikrolitre, kabaca bir su damlasının ortalama hacmidir. Hattın bu bandın dışına çıkan her flakonu reddetmesi gerekir.

Reddedilen flakonlar doğrudan atılmaz. İçlerindeki aşı, sterilite zinciri kırılmadıysa geri kazanılabilir. Geri kazanım süreci şöyle işler. Reddedilen flakon, hattın geri kazanım kuyruğuna yönlendirilir. Kuyruktaki flakonlar belirli bir sayıya ulaştığında, bir operatör veya robot kol bu flakonları steril bir izolatör içinde açar. 22 mikrometre gözenekli bir sterilize edici filtreden geçirilerek ana dolum tankına geri beslenir.

Filtrasyon adımı, flakon açma sırasında teorik olarak oluşabilecek partikül kontaminasyonunu yakalamak içindir. 5 ila 2 katıdır. Her bir reddedilen flakon, hattın anlık verimini düşürür. Yüzde bir red oranı bile, yılda yüz milyon flakon üreten bir tesiste bir milyon flakonun yeniden işlenmesi anlamına gelir ve bu yeniden işleme, hattın net çıktısından çalar.

Red nedenleri arasında en sık görüleni, ince dolum son damlasının flakona düşmemesidir. Optik sensör damlayı yakalar, ancak tartım hücresi karşılık gelen ağırlık artışını kaydetmez. İkinci sıklıkta gelen neden ise kaba dolumun hedefin alt sınırının da altında kalmasıdır. 60 mililitre basılması. Pompanın strokunda bir hava kabarcığı sıkıştığında, strok başına aktarılan hacim aniden düşer. Hava kabarcığı, peristaltik sistemlerde hortumun iç yüzeyinden kopan bir mikro-baloncuk, döner pistonlu sistemlerde ise dolum tankındaki sıvı seviyesinin kritik eşiğin altına düşmesiyle oluşan bir kavitasyon ürünüdür.

Dolum tankındaki sıvı seviyesi, pompanın emiş ağzının üzerinde en az 20 santimetre hidrostatik yükseklik sağlayacak düzeyde tutulmazsa, kavitasyon riski katlanır. Seviye sensörü ile pompa kontrolcüsü arasındaki kapalı döngü, tank seviyesini bu eşiğin üzerinde tutmak için sürekli çalışır.

Red oranının yüzde 0.5'ten yüzde 1.5'e çıkması, genellikle tek bir kök nedene işaret eder. İnce dolum iğnesinin ucundaki hidrofobik kaplamanın aşınması, damla kopma dinamiğini bozar. Kopma anındaki titreşim, tartım hücresinin okumasını gürültüye boğar ve flakon haksız yere reddedilir. Yahut kaba dolum pompasının seramik pistonunda bir mikro-çatlak oluşmuştur ve strok başına hacim mililitrenin onda biri mertebesinde kaymaya başlamıştır. Operatör vardiya ortası kalibrasyonunda bu kaymayı fark eder, ancak kayma ani değil sinsi olduğu için fark edilene kadar geçen sürede yüzlerce flakon çoktan reddedilmiş olabilir.

Yüzey gerilimi ve iğne ucundaki savaş

İnce dolum iğnesinin ucunda olup bitenler, makro ölçekteki pompa ayarlarından çok daha fazla baş ağrıtır. Sıvı iğneden çıkarken, yüzey gerilimi damlanın hemen kopmasını engeller. Damla belirli bir kritik kütleye ulaşana kadar iğne ucunda asılı kalır. Kritik kütle, sıvının yüzey gerilimine, iğnenin dış çapına ve iğne malzemesinin ıslanabilirliğine bağlıdır. Paslanmaz çelik iğnelerde, su bazlı çözeltiler için bu kritik damla hacmi yaklaşık 15 ila 25 mikrolitre arasındadır. İnce dolumun son damlası bu aralığa denk gelirse, damlanın ne zaman kopacağı belirsizleşir.

Kopma anındaki titreşim, flakonun tartım hücresinde okunmasını zorlaştıran bir gürültü yaratır. Problem şudur, 25 mikrolitrelik bir damlanın kopup kopmadığını milisaniye mertebesinde doğrulamak zorundasınız, ama damlanın kendisi size ne zaman kopacağını önceden söylemez.

Mühendisler bu sorunu üç koldan çözer, iğne geometrisi, yüzey kaplaması ve akış profili.

İğne ucu düz kesilmez, belirli bir açıyla eğimlendirilir. Standart bir ince dolum iğnesinin uç açısı 15 ila 30 derece arasındadır. Eğimli uç, damlanın tek bir dairesel temas hattında değil, eliptik bir hat boyunca tutunmasını sağlar. Eliptik temas hattı, damlanın yüzey gerilimiyle iğne ucuna tutunma kuvvetini dağıtır ve kopmayı daha öngörülebilir bir kritik kütlede gerçekleştirir. Düz kesilmiş bir iğnede damla, iğnenin tüm çevresine eşit kuvvetle tutunur ve kopma anı ani bir sıçrama şeklinde olur. Eğimli uçta ise damla, elipsin uzun ekseni boyunca kademeli olarak sıyrılır ve kopma daha yumuşak bir geçişle tamamlanır. Yüksek hızlı kamera görüntüleri, eğimli uçtan kopan damlanın tartım hücresinde yarattığı titreşim pikinin, düz uca kıyasla yüzde otuz ila kırk daha düşük genlikli olduğunu gösterir.

Bazı ileri sistemlerde iğne ucuna hidrofobik kaplama uygulanır. Kaplama, genellikle floropolimer tabanlı -örneğin PTFE (Teflon) benzeri- bir ince filmdir ve kalınlığı 5 ila 20 mikrometre arasındadır. Hidrofobik kaplama, sıvının iğne yüzeyine yapışma işini yani adezyon enerjisini azaltır. Adezyon enerjisi düştüğünde, damla daha küçük bir kritik kütlede kopar. Kaplamalı bir iğnede, su bazlı çözeltiler için kritik damla hacmi 5 ila 10 mikrolitre aralığına inebilir. İnce dolumun son damlası 5 mikrolitre mertebesinde koptuğunda, kopma belirsizliği neredeyse ortadan kalkar çünkü damla artık tartım hücresinin gürültü tabanının çok üzerinde bir sinyal üretir.

5 mikrolitrelik bir damla, 5 miligramlık bir kütle artışı demektir. 1 miligram çözünürlüklü bir hücre için bu, gürültü tabanının elli katı büyüklüğünde bir sinyaldir. Kaplamasız iğnede 25 mikrolitrelik damla ise 25 miligramlık sinyal üretir, ancak kopma anındaki titreşim gürültüsü 10 miligram mertebesine çıkabildiği için sinyal-gürültü oranı düşer.

Akış profili ise üçüncü kontrol koludur. İnce dolum pompası, son damlayı basarken akış hızını rampa profiliyle düşürür. 01 mililitreye kadar yavaşlatılır. Yavaşlatma, damlanın iğne ucunda büyüme hızını azaltır ve kopmayı adeta bir ağır çekim sahnesine dönüştürür. Rampa profilinin eğimi, sıvının reolojik özelliklerine -özellikle yüzey gerilimine ve dinamik viskoziteye- göre her ürün için ayrıca parametrize edilir. Bir mRNA aşısının lipid nanopartikül içeren formülasyonu ile bir adjuvanlı grip aşısının emülsiyonu, aynı rampa profilinde aynı damla kopma davranışını göstermez. O yüzden dolum hattının ürün değişiminde, ince dolum parametreleri sıfırdan karakterize edilir ve bir dizi validasyon koşusunda doğrulanır.

Piyasa Hafızası

Pfizer-BioNTech ve Kalamazoo'daki şişe krizi (Aralık 2020)

Aralık 2020'nin ikinci haftasında, Pfizer'in Michigan Kalamazoo'daki dolum tesisinden beklenen sevkiyat miktarı aniden yarıya düştü. Sebep, formülasyonun kendisi ya da hammadde eksikliği değildi. Sorun, flakon başına planlanan doz sayısı ile gerçekte çekilebilen doz sayısı arasındaki farktı. 5 dozluk olarak etiketlenen flakonlardan, sağlık çalışanları özel iğne ve şırınga kombinasyonlarıyla 6 hatta 7 doz çekebiliyordu. ABD Gıda ve İlaç Dairesi (FDA) bu durumu onayladı, ancak Avrupa İlaç Ajansı (EMA) 5 doz etiketinde ısrar etti. Bir gecede, aynı fiziksel flakon Avrupa'da 5, Amerika'da 6 doz sayılmaya başlandı.

Pfizer'in sözleşmeye dayalı teslimatları doz adedi üzerinden olduğu için, Avrupa'ya taahhüt edilen dozları üretmek için neredeyse iki kat flakon doldurmak gerekti. Kalamazoo hattı, ince dolum ayarlarını değiştirmeden, sadece etiketleme ve partilerin ayrıştırılması yüzünden kapasitesinin altında kaldı. Ders nettir. Dolum hattının hassasiyeti sadece mühendislik değil, aynı zamanda düzenleyici metinlerin bir fonksiyonudur. Bir flakonun içindeki sıvı miktarı ile o sıvıdan çekilebilen doz sayısı arasındaki fark, küresel aşı dağıtımının rotasını değiştirebilir.

Küçük Bir Hesap

Sayılar temsili, mantık gerçek.

Şimdi duyarlılık twisti. Red oranının %0.5'ten %1.5'e çıktığını varsayalım. Sebep, iğne ucundaki hidrofobik kaplamanın aşınması ve damla kopma belirsizliğinin artması olsun. Yıllık reddedilen flakon 1 milyon 725 bine fırlar. Yıllık red maliyeti 34.5 milyon dolara çıkar.

Üstelik bu sadece doğrudan aşı maliyetidir. Yeniden işleme, kalite kontrol testleri ve hattın duruş süresi hesaba katıldığında, gerçek maliyet kolayca iki katına ulaşır. İnce dolum iğnesinin ucundaki birkaç mikrometrelik aşınma, yıllık bilançoda on milyonlarca dolarlık bir delik açar.

Görünenin ardındaki terazi

Aşı dolum hattı, ilk bakışta basit bir şişeleme operasyonu gibi görünür. Oysa üç katmanlı bir okuma gerektirir. İlk katman, görünen fiziksel süreçtir. Sıvı pompalanır, flakon dolar, kapak kapanır. Katmanda aşı, bir sıvı transferi problemidir.

İkinci katman, toleransların ekonomisidir. Her bir damlanın maliyeti, reddedilen her flakonun geri kazanım bedeli ve hattın duruş süresinin fırsat maliyeti burada saklıdır. İnce dolum iğnesinin geometrisinden tartım hücresinin kalibrasyon döngüsüne kadar her mühendislik kararı, bu ekonomik katmanda bir karşılık bulur. Üçüncü katman ise düzenleyici metinlerle fiziksel gerçeklik arasındaki makastır. Bir flakonun içindeki sıvı miktarı ile o sıvıdan çekilebilen doz sayısı aynı şey değildir. Aradaki fark, bir pandemide ülkeler arası aşı akışının yönünü tayin eder.

Flakonun içindeki boşluk, bir kusur değil, bir terazi odasıdır.