Entwicklung der Bioverfahrenstechnik

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1 Entwicklung der Bioverfahrenstechnik Karl Bayer

2 Bioverfahrenstechnik vereinigt ingenieurwissenschaftliche und naturwissenschaftliche Erkenntnisse in einem integrativen Ansatz zur vielfältigen Nutzung biologischer Komponenten und Systeme Biosynthesen: komplexe Moleküle, Transformationen: einzelne Reaktionsschritte in chemischen Synthesketten Abbauvorgänge: Entsorgung, Detoxifikation Anwendungsfelder: Gesundheit, Ernährung, Umwelt und Energie evon up2date

3 Entwicklung der Bioverfahrenstechnik Ingenieurwissenschaftliche Ausrichtung der Bioverfahrenstechnik begann in den Jahren mit der Notwendigkeit Penicillin in großen Mengen herstellen zu müssen (Ersatz der Oberflächenkultur durch Submers-Kultivierung in Milchflaschen) In Zusammenarbeit von Mikrobiologen und Technikern Entwicklung von Rührkesselreaktor submers kultivierbarer Penicillium-Stamm In den Folgejahren Prozessoptimierung durch ausgereifte Reaktortechnik, Automatisierung, Selektion und Konstruktion von Hochleistungsstämmen evon up2date

4 Prinzipielle Konfiguration eines Bioprozesses Upstream - processing Cell suspension supernatant Cooling cells Substrate tank Fermenter Storage tank Centrifuge Cooling homogeniser centrifuge filtration dilution IEX chromatography Downstream - processing product Ultra/diafiltration Gel filtration evon up2date

5 Zelle = Synthesemaschine Prozessführung empirisch, Handsteuerung Substrat + O 2 Bioprocess (Fermentation) black box Produkt Biomasse Endprodukte Wasser, CO 2

6 Weitere technische Entwicklungen: 1939 PID controller 1969 Programmable controllers 1962 DDC (Direct Digital Control) 1964 Integrated circuits 1977 Process controllers, SCADA (supervisory control and data acquisition) Vorteile dieser Entwicklungen in der BVT nur teilweise umgesetzt Molekularbiologische Entwicklungen 1973: erstes rekombinantes Genkonstrukt (E.coli) Prozessführungsstrategie: Strikte Einhaltung einmal validierter Prozessbedingungen Quality by Testing : aufgrund geringer Beobachtbarkeit der Prozesse und der hohen Anforderungen an die Qualitätssicherung wird aus der Produktqualität auf den Prozessablauf geschlossen

7 Wesentliche Nachteile dieser Philosophie Optimierung bestehender Prozesse sehr eingeschränkt viele Prozesse nicht ökonomisch Der in anderen Industrien erreichte Automatisierungsgrad wurde in der BVT bisher nicht erreicht Process Analytical Technology (PAT) 2002 startete die FDA eine in der chemischen Industrie laufende Initiative für die pharmazeutische Industrie um Anreize zur Optimierung der Herstellungsprozesse zu schaffen. Quality by Design Konzept vom empirischen zum wissenschaftlichen Ansatz verbessertes Prozessverständnis durch umfassende Prozesskontrolle Erarbeitung von Lösungsräumen innerhalb derer der Prozess betrieben wird

8 2nd Generation Prozessentwicklung Conceptual Framework Erweiterung der Monitoring Plattform Implementierung neuer Sensorsysteme (dielektrische Spektroskopie, Fluoreszenzspektroskopie, PTR MS, u.a. Anwendung statistischer Methoden (PLS, ANNs, Random Forests, SVM) zur Identifikation prozessrelevanter Variabler (data mining) Modellierung /Vorhersage nicht direkt lesbarer Messgrößen (Biomasse, Produkt, PCN, Metabolite) in Echtzeit Implementierung neuer Steuerungskonzepte

9 Monitoring Plattform zur in-situ in- und on-line Signal Erfassung Classical signals Exhaust gas O 2 /CO 2 Base consumption Proton Transfer Reaction Mass Spectrometry Near Infrared Spectroscopy BioView 2-D multi-wavelength Fluorescence Spectroscopy Dielectric Spectroscopy Biomass monitor

10 Compilation of on-line Signals Sensor device O 2 off gas (OUR) CO 2 off gas (CER) Base consumption rate Dielectric spectroscopy (capacity, conductivity) Multi-wave fluorescence PTR-MS NIR Total Number of signals up to 60 1 up to 215

11 Beispiele Modellierung komplexer Messgrößen Biomasse RBF ANN Plasmid Copy Number RBF ANN rec. Protein löslich RBF ANN rec. Protein inclusion bodies RBF ANN Integration komplexer Variabler in neue Steuerungskonzepte Luchner M. et al. Online prediction of product titer and solubility of recombinant proteins in Escherichia coli fed-batch cultivations, JCBT, 2014 in press)

12 AG Mikrobielle Fermentation Eberhard Dürrschmid, Franz Clementschitsch, Gerald Striedner, Markus Luchner, Michael Riepler Statistik BOKU Harald Strelec TU Wien/BOKU Fritz Leisch, Theresa Scharl-Hirsch University Newcastle, University Linköping Ionimed Rene Gutmann ISE Robert Mikler K ind Kompetenzentrumsprogramm ACBT und Comet Programm ACIB Danke für die Aufmerksamkeit