Bioprozesse / Daten /Automatisierung Rück und Ausblick

Transkript

1 Bioprozesse / Daten /Automatisierung Rück und Ausblick Assoc. Prof. DI Dr. Gerald Striedner Universität für Bodenkultur Wien Department für Biotechnologie 1

2 Industrie 4.0 und IN-PROZESS Kontrolle der Produktqualität in der biotechnologischen Produktion Potentielle Herausforderung Innovationswiderstand im Bereich Produktion 2

3 Besonderheiten der Bioprozesstechnik 3

4 Besonderheiten der Bioprozesstechnik Zukunftstechnologie mit antiken Wurzeln > Jahre Erfahrung mit empirischer Produktion NEVER CHANGE A RUNNING SYSTEM 4

5 Besonderheiten der Bioprozesstechnik Begrenztes Prozessverständnis INPUTS OUTPUTS BLACKBOX Konzepte repräsentieren den Stand der Technik 5

6 Besonderheiten der Bioprozesstechnik Organismen als Produktionsvehikel Pathway-map of E. coli K genes 276 pathways 1657 reactions 2114 components 6

7 Besonderheiten der Bioprozesstechnik Vielstufige Produktionsverfahren Produktion monoklonaler Antikörper 7

8 Besonderheiten der Bioprozesstechnik Vorreitertechnologie oder Mitläufer? Zellengineering Biologie, Molekularbiologie Pioniertechnologien Innovativ und forschungsgetrieben Verfahrenstechnik Fermentation, Produktreinigung (DSP) Folgetechnologie Messtechnik & Automatisierung Ansätze aus Chemie, Chemical Engineering & Pioniertechnologie neue Aufgabenstellungen die gelöst werden müssen 8

9 Besonderheiten der Bioprozesstechnik Hohe Anforderungen an die Prozessanalytik sterile Prozessumgebung Echtzeitmessung in einem fest-flüssig-gas Gemisch keine direkte Messung intrazellulärer Komponenten 9

10 Besonderheiten der Bioprozesstechnik Regulatorische Vorgaben Enge Spezifikationen Fixierte Produktionsprozesse Intensives Testen der Endproduktqualität Lösungsansatz: QUALITY by TESTING (QbT) 10

11 Besonderheiten der Bioprozesstechnik Biopharmazeutika Produktion Verhältnis Produktionskosten zu Verkaufswert extrem niedrig (5 20%) Anteil der Personalkosten an COG sehr hoch (ähnlich Extrem lange Zeit zum Markt (bis zu 10 Jahren) bis Produkt verkauft werden kann (klinische Studien und Zulassungsprozedur) inklusive hohem Ausfallrisiko Entwicklungskosten extrem hoch (1 2 Milliarden ) 11

12 Aktuelle Entwicklungen System und Prozessverständnis 12

13 Aktuelle Entwicklungen Enorme Fortschritte in bioanalytischen Technologien und Methoden zur offline Charakterisierung von Bioprozessen Chromatographie (HPLC, GC), Kapillarelektrophorese, Immunchemie, Spektroskopie (IR, FT-IR, Fluoreszenz, Raman), Massenspektrometrie, FACS, NMR,. Sequencing Technologien, -omics Technologien (Transkriptom, Proteom, Metabolom, Fluxome ) Miniaturisierung und Hochdurchsatzlösungen & vieles mehr 13

14 Aktuelle Entwicklungen QUALITY by DESIGN (QbD) Quality can not be tested it must be build into products Basic requirement PROCESS UNDERSTANDING Implementation of process analytical technology (PAT) AKTUELL?? Start dieser Initiative

15 Aktuelle Entwicklungen Implementierung von PAT Werkzeugen zur In-situ Echtzeitmessung Adaptierung von Laborgeräten zur on-line Messung, Einbindung dieser Geräte in Prozessleit- und Datenbanksysteme (Datenspeicherung) Softsensoren Vorhersage nicht direkt erfassbarer Prozessgrößen mit Modellen (datengetrieben oder parametrisch) Ansätze für advanced Prozesskontrolle modellbasierte Prozesskontrolle 15

16 Aktuelle Entwicklungen Prozessintegration Charakterisierung von Unit Operations (vertikale Forschung) und anschließend Integration der Einzelverfahren (horizontale Vernetzung) Holistisches Prozessdesign zur optimalen Abstimmung aller Prozessschritte 16

17 Ausblick OFFENE BAUSTELLEN LÖSUNGSANSÄTZE 17

18 Ausblick Herausforderungen Daten (Menge und Komplexität) Datenanalyse (zb. neue Methoden im Bereich omics Daten p>>>n) Online Daten: Automatische Datenerfassung & Plausibilitätsprüfung, Rohdaten (Definition, Handhabung), Datenprozessierung (Alignment, Filtern, Modelierung) Datenintegration von on- und offline Daten sowie von unterschiedlichen Prozesseinheiten Datenvernetzung vom Entwicklungslabor - Pilotanlagen- Produktion - Sites 18

19 Ausblick Herausforderungen Interdisziplinarität Notwendigkeit weitere wissenschaftliche Expertisen aktiv einzubinden (Statistik, Mathematik, Informatik, Bioinformatik, Regeltechnik ) Implementierung von QbD und PAT erfordert einen Schulterschluss und offene Zusammenarbeit zwischen Anlagenplanern, Automatisierern, Softwarefirmen, Geräteherstellern (Sensoren, Analysatoren), Biopharmazeutischer Industrie, regulatorischen Behörden und Universitäten Ausbildung von entsprechenden Fachkräften in diesem Bereich für Pharma und auch für Behörden 19

20 Ausblick Innovationstreiber Wettbewerbsdruck steigt Biosimilarproduktion Produktionskostenanteil wird wichtiger Kostendruck öffentliche Gesundheitssysteme Weiße Biotechnologie Versuchsfeld für modellbasierte/ modellprediktive Steuerung 20

21 ES GIBT VIEL ZU TUN für ALLE Beteiligten! 21