Simulationstechnologie verspricht besseres Prozessverständnis

Verkürzte Simulationszeit in der pharmazeutischen Biotechnologie

Eine an der TU Graz neu entwickelte Simulationstechnologie soll die Herstellung von Biopharmazeutika für die produzierende Industrie effizienter, sparsamer und verständlicher machen.

Christian Witz (r.) mit seiner Kollegin Laura Schneider und seinem Kollegen Philipp Eibl vom Institut für Prozess- und Partikeltechnik © TU Graz – Andreas Kottlan

Die Nachfrage nach Biopharmazeutika ist groß: Bei sieben der zehn meistverkauften Arzneimitteln 2018 handelt es sich bereits um biopharmazeutische Wirkstoffe, also gentechnisch hergestellte Arzneimittel. Der Anteil wird weiter zunehmen, denn mit biopharmazeutischen Medikamenten lassen sich beispielsweise Krankheiten wie Multiple Sklerose und Blutarmut, aber auch viele Krebsarten und seltene Krankheiten therapieren, die mit chemisch-synthetischen Wirkstoffen nicht behandelbar sind.

Der therapeutische Erfolg hat aber einen Preis: Während es sich bei chemisch hergestellten Medikamenten um sogenannte „small molecules“ handelt, die vergleichsweise einfach zu produzieren und in Tablettenform erhältlich sind, bestehen biopharmazeutische Präparate in der Regel aus vielen hunderten bis tausenden Atomen. Die Herstellung von Biopharmazeutika ist daher hochkomplex: Sie erfolgt mithilfe von Mikroorganismen in Bioreaktoren, wird von teuren Versuchen nach dem „Trial-and-Error“-Prinzip begleitet und basiert auf Erfahrungswerten. „Momentan fehlt es der biotechnologischen Industrie noch an tiefergehendem Prozesswissen. Man weiß zwar, dass der Herstellungsprozess funktioniert, aber nicht warum und wie genau er funktioniert“, erklärt Christian Witz vom Institut für Prozess- und Partikeltechnik der TU Graz.

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Prozesswissen als Erfolgsfaktor für Produktionseffizienz

Computergestützte Simulationen sind der Schlüssel zum Prozesswissen und könnten die Prozesskette vom Labor zur Produktion erheblich beschleunigen. Derzeit am Markt verfügbare Simulationsprogramme eignen sich jedoch nicht für eine routinemäßige Anwendung: Sie benötigen monatelange Berechnungszeiten, Simulationsexpertise und einen Großrechner.

Hier setzt die Forschung von Christian Witz an: Er arbeitet an einer neuen, anwendungsfreundlichen und schnellen Simulationssoftware, die die Prozesssimulation in der biopharmazeutischen Industrie etablieren soll. „Mein System wird die Simulationszeit von Monaten auf Stunden verkürzen. Es kann auch von Personen ohne Simulationswissen bedient werden und wird auf handelsüblichen Grafikprozessoren laufen.“ Die neue Software verkürzt die Fehlersuche und verspricht ein besseres Prozessverständnis. Die Herstellung von Biopharmazeutika wird dadurch effizienter. „Die Firmen benötigen weniger Versuche, um vom Labor in die industrielle Produktion zu kommen und ersparen sich zwischen dreihunderttausend und einer Million Euro“, verweist Witz auf aktuelle Berechnungen.

Ganzheitliche Prozesssimulation unterstützt Herstellungsverfahren

Basis für die neue Software ist ein von Witz entwickelter Simulationscode für gerührte und begaste Bioreaktoren, der seit 2017 in der industriellen Forschung im Einsatz ist. Dieses Programm simuliert zum Beispiel die Bewegungen von Mikroorganismen im Reaktor oder die Ausbreitung des aus den Luftblasen gelösten Sauerstoffs. Im Rahmen des Spin-off Fellowship Projekts ComBioPro (Computational BioProcess Design) wird Witz nun weitere Algorithmen in die Software implementieren, mit denen die physikalischen und biochemischen Prozesse im Bioreaktor noch genauer und benutzerfreundlicher abgebildet werden können. Ziele sind u.a. die Teilautomatisierung der Auswertung der Simulationsrohdaten sowie die Simulation sehr großer Luftblasen im Reaktor. Anhand der Simulationsergebnisse können dann schlussendlich Design- und Produktionsentscheidungen getroffen werden. So könnten Unternehmen mehr Projekte in kürzerer Zeit simulieren und testen, wo und wie es im Reaktor zu Produktivitätsverlusten kommt.

Beispielhafte Auswertung der Simulation eines begasten und gerührten Reaktors. Die Farben signalisieren die Größe der Luftblasen (gelb: groß, blau: klein) © TU Graz – ippt

Denn die neue Technologie gewährt einzigartige Einblicke in biopharmazeutische Produktionsprozesse, so Witz: „Wie kann man jene Bedingungen im Reaktor erzeugen, bei denen die Mikroorganismen am produktivsten sind? Wie beeinflussen die Drehzahl der Rührer oder die Begasungsrate den Prozess? Wo im Reaktor wirken zu hohe Scherkräfte auf die Mikroorganismen? Solche und andere Fragen lassen sich mit der Simulationssoftware beantworten.“

Von der Universität zum eigenen Unternehmen

Für sein Vorhaben erhielt Christian Witz nun eine Förderung im Rahmen des Spin-off Fellowship-Programms der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft FFG. 2021 ist die Gründung eines eigenen Unternehmens geplant, das zum einen die biotechnologische Industrie berät und auf Anfrage Simulationen durchführt. Zum anderen sollen auch Softwarelizenzen an jene Unternehmen verkauft werden, die beispielsweise ihre Geometriedaten nicht teilen und daher selbst mit dem Programm arbeiten möchten. Langfristig möchte Witz mit seinem Unternehmen „Standardpartner der biopharmazeutischen Industrie werden“, wobei die Simulationsalgorithmen sich auch auf andere Technologien und Branchen anwenden lässt.

Quelle: TU Graz

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