Vom Labor in die Produktion

Forschungsinitiative für neue Biotechnologie-Verfahrenskonzepte

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29.10.2012 Forschung für Produktion von morgen - das ist eines der Leitmotive, unter denen die Forschungskooperation Autobio steht. Ziel des Projektes ist es, durch interdisziplinäre Ansätze zwischen Biotechnologie, Verfahrens- und Elektrotechnik sowie der Informatik Entwicklungszeiten zu verkürzen, eine entscheidende Verringerung der Entwicklungskosten sowie eine Steigerung der Effizienz der Prozessentwicklung biotechnologischer Verfahren zu erzielen.

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Kürzere Entwicklungszeiten für die Biotechnologie sind ein wichtiger Aspekt. Denn noch steckt die Technologie teilweise in den Kinderschuhen, teilweise existieren Pilotanlagen. Noch wird nur mit wenigen Biotechnologie-Verfahren bereits problemlos im industriellen Maßstab produziert. „In der roten Biotechnologie findet ein zunehmend steigender Kostendruck auf die Pharmazeutischen Produzenten statt. In der weißen Biotechnologie stellt sich die Frage nach den Ausgangsmaterialien, seit die steigende Anzahl von bioenergetischen Anlagen in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion getreten ist. In beiden Fällen muss die Lösung in der Optimierung der Prozesse liegen“, erklärt Dr. Gernot John, Director Marketing & Innovation bei Presens, einem Partner im Verbundprojekt Autobio. Prozesse lassen sich durch partielle Automatisierung optimieren, was widerum einen signifikanten Beitrag für verkürzte Entwicklungszeiten leisten kann.

In diesem Zusammenhang und dadurch, dass der Endprozess weitere Anforderungen definiert, werden in dem Forschungsvorhaben innovative automatisierte Sensorik, Medien und Rezepturen, mathematische Modelle und IT-Tools entwickelt. Die Geräte kommen versuchsweise in echten Prozessen zum Einsatz, um die Auswirkung der ganzheitlichen Bioprozessentwicklung anhand von Applikationsbeispielen zu evaluieren. Für diese Beispiele soll die höhere Effizienz der systematischen Entwicklungsmethode vom Screening bis zum prä-industriellen Prozess nachgewiesen werden.

„Die hohe Komplexität biologischer Systeme stellt außerordentlich hohe Anforderungen an die Entwicklung von Prozessen zur Produktion biotechnologisch hergestellter Moleküle“, erklärt Dr. Guido Meurer, Unit Head Strain Development bei der Brain AG, einem weiteren Projektpartner. Brain als Unternehmen der Biotechnologie ist spezialisiert auf die Entwicklung von Bioprozessen im Rahmen strategischer F&E-Kooperationen. „Wir versprechen uns von dem Verbundprojekt einerseits wirtschaftliche Vorteile hinsichtlich verkürzter Umsetzungszeiten vom Screening-Kandidaten zum Prozesseinsatz, andererseits auch direkt verkürzte Screeningzeiten durch Einsatz automatisierter, prozessnaher Kultivierung kombiniert mit Biosensor-Technik.“

Autobio ist Teil der Initiative ‚Forschung für die Produktion von morgen‘, die das Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Hightech-Strategie 2020 ins Leben gerufen hat. Neue Produktionstechnologien und -systeme sollen darin entstehen, die die Voraussetzung für technologischen Vorsprung, Ressourcenschonung, Zuverlässigkeit und Kundenindividualität bilden. Autobio wird koordiniert von der Technischen Universität Berlin und läuft von 2012 bis 2015. „Schon jetzt profitieren wir von dem Austausch mit unseren Partnern. Gespannt sind wir auch auf die Rückmeldung vom projektbegleitenden Ausschuss. Erste kommerzielle Ergebnisse sind nach dem Projekt zu erwarten“, berichtet Dr. John von Presens.

Prozesse in der Biotechnologie noch schwer zu simulieren

Prozessentwicklungen, die im Bereich der Biotechnologe stattfinden, sind an der Basis naturwissenschaftlich dominiert. Ingenieurwissenschaftliche Fragestellungen werden erst in den späteren Phasen der Entwicklung berücksichtigt. Daraus folgt, dass die Entwicklung von Prozessen nicht als ganzheitlicher und auf das Endverfahren ausgerichteter Prozess stattfindet, sondern vor allem in der Anfangsphase mit viel ‚trial-and-error‘ verbunden ist. Oftmals kommt es dazu, dass eingefahrene Strategien im Prozess der Maßstabsvergrößerung beibehalten und weitergeführt werden, um das Risiko zu minimieren. Jedoch bewirkt dies oft das Gegenteil, nämlich, dass sich das Risiko eines technischen und wirtschaftlichen Fehlschlags erhöht, da viele technische Faktoren zu beachten sind.

Entwicklung auf statistischer Basis

Im Fokus des Autobio-Projektes steht eine ganzheitliche und systematische Methode zur Bioprozessentwicklung. Dazu erfolgt zuerst die intelligente Kombination von Laborrobotern, Zellkultursystemen und modernen Analysegeräten. Anhand der Daten, die sich mit Einsatz der Sensorik gewinnen lassen, werden statistische Modelle generiert. Auf dieser Basis wird eine Entscheidungsgrundlage geschaffen, um den Prozess weiterentwickeln zu können. In einem zweiten Schritt werden in einem kleinen Bioreaktor exakte Prozessparameter wie pH-Wert und Sauerstoffgehalt getestet. Anschließend wird die Robustheit unter optimalen Bedingungen getestet sowie unter der Nachstellung der industriellen Bedingungen im Labormaßstab. Presens beispielsweise kann im Rahmen des Projektes seine Sensoren in Zusammenarbeit designen, sodass der Austausch nicht nur mit dem Anwender, sondern auch mit den Herstellern von Robotik und Software erfolgen kann. Damit lassen sich die Spezifikationen der technischen Entwicklungen von Anfang an unter realen Bedingungen überprüfen.

Denn in bisher dauert es heute noch bis zu acht Jahre, um ein biotechnologisches Produkt zu entwickeln. Lange Entwicklungszyklen und vergleichsweise hohe Investitionskosten stellen Hemmnisse dar, die Firmen nicht immer überwinden wollen oder können. Begründet liegen die hohen Kosten unter anderem darin, dass in frühen Produktentwicklungsphasen sowohl Prozessbedingungen als auch -strategien durch Ausprobieren ermittelt werden müssen. Auch ingenieurwissenschaftliche Fragestellungen, beispielsweise Prozesskalibrierung und -führung werden erst spät auf dem Weg vom Labor in die Produktion berücksichtigt. Diese Tatsache wird in der Forschungskooperation berücksichtigt: „Wir treten im Verbundprojekt als Demonstrator auf. Das heißt wir implementieren Technologieentwicklungen aus dem Verbundprojekt für die Automatisierung von Screening-Programmen im Hochdurchsatz-Format auf unserem Robotersystem und zeigen eine Effizienzsteigerung anhand von drei unterschiedlichen Screeningansätzen“, erläutert Dr. Daniel Meyer, der bei Brain als Projektleiter für Autobio fungiert. „Erste Entwicklungen der Verbundpartner wurden bereits für den automatisierten Einsatz auf dem Robotersystem evaluiert.“

Bereits kurz nach Ende des Projektes sollen innovative Produkte zur Verfügung stehen, beispielsweise Medienprodukte für neue Kundensegmente, Automatisierungslösungen zur integrierten Bioprozessentwicklung für Roboterhersteller und Endanwender, sowie ein erweitertes Portfolio für die pH-Messtechnik.
Biotechnologische Endanwender sollen außerdem eine Verkürzung von Prozessentwicklungszeiten um rund 30 % und damit eine Einsparung von mindestens 15 % der Entwicklungskosten erreichen können, unter anderem durch eine höhere Effizienz der Produkte biotechnologischer Firmen, zum Beispiel Enzymen, Pharmazeutika, Nahrungsergänzungsmitteln und Ausgangsstoffen für die chemische Industrie.

 

 

Heftausgabe: Oktober 2012
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Tina Walsweer, Redaktion

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