Life Sciences Innovations

Kontinuierliche Bioprozessentwicklung - vom Labor- bis zum Produktionsmaßstab

Die Entwicklung und Optimierung von biotechnologischen Produktionsprozessen für Bio-Pharmazeutika dauert fünf bis acht Jahre. Verglichen mit anderen industriellen Prozessen ist das eine sehr lange Zeit, was nicht zuletzt hohe Investitionskosten und Risiken nach sich zieht. infoteam ist Teil des Verbundprojektes AutoBIO mit dem Ziel, Dauer und Kosten der Bioprozessentwicklung signifikant zu verringern. Die Automatisierung der experimentellen Schritte auf Liquid-Handling-Plattformen und die Optimierung dieser Prozesse durch ein modellgetriebenes, experimentelles Design sind die entscheidenden Elemente dieses Lösungsansatzes.

Bioprozessentwicklung bedeutet häufig, dass ein Prozess, der im Screening-Maßstab mehr oder weniger gut funktioniert, ohne Anpassung der spezifischen Prozessparameter auf einen größeren Maßstab übertragen wird. Die Qualität des Prozesses und die Produktausbeute sind oft entsprechend schlecht. Der hier gewählte Ansatz ist anders: Technisch bedingte Sachverhalte und die Steuerung des Scale-Ups werden von Beginn der Prozessentwicklung an genauso stark berücksichtigt wie die biologischen und biochemischen Aspekte. Somit werden Qualitätsstandards eingeführt, und eine konsistente Bioprozessentwicklung vom Mikrotiter-Maßstab bis zum Produktionsmaßstab wird ermöglicht. infoteam hat umfassende Erfahrung in der Laborautomatisierung und in der Entwicklung von Software für regulierte Märkte, zum Beispiel für medizinische Geräte und In-Vitro-Diagnostik-Systeme (IVD). Innerhalb des AutoBIO Verbundprojektes ist die infoteam Software AG dafür verantwortlich, eine Software-Plattform für die geräteunabhängige Analyse, die Visualisierung und den Vergleich von Experiment-Daten und deren Integration in eine zentrale Datenbank zu entwickeln.

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Produktvision iLAB
iLAB ist eine flexible, geräteunabhängige Software-Plattform, die eine einfach zu bedienende Benutzeroberfläche zur Überwachung und Visualisierung biotechnologischer Prozesse zur Verfügung stellt. iLAB basiert auf existierenden Standards der Laborautomatisierung. Das Herzstück ist eine leistungsfähige Datenbank. Die Integration von unterschiedlichen Laborgeräten in iLAB erfolgt mit Hilfe von SiLA (Standardization in Lab Automation).

Skalierung des Bioprozesses

Durch die Einbindung von Prozessmodellierungswerkzeugen und der Rückkopplung von Stellgrößen in den laufenden Prozess wird eine durchgängig dokumentierte Online-Prozessoptimierung umgesetzt. Dadurch wird die Entwicklung des biotechnologischen Prozesses vom Labor- bis in den Produktionsmaßstab signifikant verbessert, wobei sowohl die Entwicklungszeiten verkürzt als auch die Produktionsmenge erhöht wird.

Überblick über die Architektur
iLAB besteht aus zwei Hauptkomponenten: der grafischen Bedienoberfläche (GUI) und einem Datenbank-Backend. Für die Kommunikation mit dem Prozessmanagement-System (PMS) des Kultivierungssystems setzt iLAB auf den SiLA Standard. Dafür wird entweder eine Liquid-Handling-Plattform oder ein Bioreaktor angesprochen.

Typische Komponenten der Bioprozessentwicklung.

iLAB Bedienoberfläche
Die iLAB Bedienoberfläche erlaubt es dem Benutzer, verschiedenste Parameter von Experimenten zu konfigurieren, die auf einem automatisierten Kultivierungssystem ablaufen. Experimente können in Projekte und Arbeitspakete gruppiert werden, damit es möglich ist, den Überblick über eine Reihe zusammengehöriger Experimente zu behalten. Alle anfallenden Daten können in der iLAB Bedienoberfläche mit Hilfe von grafischen Berichten visualisiert, analysiert und verglichen oder aber in Standard-Dateiformate exportiert werden.

iLAB Datenbank
Die iLAB Datenbank läuft im Hintergrund. Das PMS des Kultivierungssystems kontrolliert den Ablauf des Experiments und sendet Daten via SiLA an die Datenbank. Bei solchen Daten kann es sich um Werte handeln, die entweder in bestimmten Intervallen gemessen werden, oder um statische Ereignisse, wie dem Beginn oder dem Ende eines Experiments. Die iLAB Datenbank dient als Langzeitarchiv für experimentspezifische Daten wie Messwerte, Prozessparameter, Stellgrößen und Beobachtungen des Labor-Personals.

SiLA verbindet die Prozesskontrolle und iLAB.

Da die Datenbank die Experimentdaten mit Kontextinformationen wie dem Setup, die Ausgangsbedingungen oder auch Standardvorgehensweisen (SOP) bei der Durchführung des Experiments verbindet, entstehen ganz neue Möglichkeiten für den Datenaustausch zwischen verschiedenen Laboren untereinander. Kostenintensive Experimente müssen nicht mehrfach durchgeführt werden, wenn Informationen und Daten verfügbar und vergleichbar sind. Die Hierarchie der Experimentverwaltung in der Bedienoberfläche erlaubt es Forschungsteams, an unterschiedlichen Aspekten eines Projekts zu arbeiten und am Ende die Daten aus unterschiedlichen Quellen zu einem aussagekräftigen Gesamtbild zusammenzuführen.

Laborintegration
Wie wird iLAB nun in den Aufbau eines Labors integriert? Normalerweise besteht eine Laborumgebung aus vielen verschiedenartigen Geräten mit den jeweiligen Schnittstellen und Software-Tools in unterschiedlichen Versionen. iLAB vereinfacht die Integration heterogener Geräte durch die Zentralisierung der Experimentdaten in eine einzige Datenbank und durch die Verwendung von Standardschnittstellen wie SiLA. Der SiLA Standard erleichtert auch die Integration neuer Geräte in das System, da keine neuen, gerätespezifischen Schnittstellen angesprochen werden müssen.

iLAB Bedienoberfläche - Konfiguration eines Experiments mit einer 24-Well-MTP.

Der SiLA Standard basiert auf TCP/IP und Ethernet. Geräte ohne SiLA Unterstützung werden über eine Embedded PC-Konverter-Box an das SiLA Netzwerk angeschlossen. Die iLAB Bedienoberfläche kann nicht nur auf dem Hostrechner der iLAB Datenbank, sondern auch auf jeder anderen Workstation innerhalb des Labornetzwerks installiert werden und ermöglicht so einen dezentralen Zugriff auf ein oder mehrere Systeme gleichzeitig.

Kontext der Regularien, Gesetze und Standards
Die iLAB Software Plattform ist konform zu den folgenden Standards:

  • IEC 62366 - Anwendung der Gebrauchstauglichkeit auf Medizinprodukte.
  • IEC 62304 - Medizingeräte-Software ¿ Software-Lebenszyklus-Prozesse.
  • IVDD - In-Vitro Diagnostic Directive 98/79/EC.
  • CFR 21 Part 11 - Food and Drug Administration (FDA) guidelines on electronic records and electronic signatures.
  • EN ISO13485 Medizinprodukte - Qualitätsmanagementsysteme ¿ Anforderungen für regulatorische Zwecke.

Autor:
Birgit Stehlik
infoteam Software AG
91088 Bubenreuth

Referenzen
[1] SiLA Consortium. (2010). SiLA Device Control & Data Interface Specification. SiLA Consortium. http://www.sila-standard.org.
[2] AutoBio. http://www.bioprocess.tu-berlin.de/menue/research/verbundprojekt_autobio.

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