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Optimierte Bio-Prozesse

Simulationswerkzeug speziell für die Biotechnologie
Optimierte Bio-Prozesse

In einem aktuellen Forschungsprojekt entwickelt die Inosim zusammen mit hochrangigen Partnern aus Industrie und Wissenschaft eine Simulationssoftware für die Biotechnologie. Das Tool enthält Modelle für die in der biotechnologische Produktion typischen Vorgänge und Stoffe. Mithilfe einer adaptiven Modellbibliothek lässt sich die Simulation im Laufe des Prozessdesigns anhand von Laborerkenntnissen und Analyseergebnissen weiterentwickeln. Methoden zur Apparatedimensionierung, Kostenschätzung und Prozessoptimierung runden das Leistungsangebot des Simulators ab.

Die Autorin: Katrin Sulzbacher Projektmanagement, Inosim Consulting

Die Biotechnologie gilt als Zukunftsbranche mit sehr guten Perspektiven. Die Produktion neuartiger Substanzen mit Hilfe lebendiger Organismen soll Kranke heilen, knapp werdende Rohstoffe ersetzen und unser Leben einfacher und komfortabler machen. Täglich wachsen die Märkte für Life-Science-Produkte. Den hier engagierten Unternehmen winken gigantische Umsätze.
Unspektakulärer vielleicht, aber ebenso zukunftsorientiert hat sich die Simulationstechnologie entwickelt. Auch sie verspricht Profit und vielfache Erleichterungen: Die virtuelle Nachbildung und Optimierung von Produktionsabläufen am Rechner spart Risiken, Kosten und Umweltbelastungen. Heute muss man keine Versuchsanlagen mehr einrichten, um Erkenntnisse über das optimale Prozessdesign zu gewinnen. Moderne Simulationssoftware hilft stattdessen, geplante oder bestehende Anlagen kostengünstig und ohne Risiko in verfahrenstechnischer und betriebswirtschaftlicher Hinsicht zu optimieren.
Der Einsatz von Simulationswerkzeugen hat sich folgerichtig in der chemischen Industrie längst etabliert. Doch der Biotechnologie fehlte es bislang an geeigneten Tools. Denn die biotechnologischen Prozesse stellen für Simula- tion und Optimierung eine besondere Herausforderung dar: Anders als in der klassischen chemischen Industrie müssen im Bio-Engineering Stoffgemische unbekannter Zusammensetzung sowie fehlende physikalische Stoffdaten von der Simulationssoftware verarbeitet werden. Biotech-spezifische Stoffdaten sind in ihrer spezifischen Dynamik darzustellen, und branchenspezifische Aufreinigungstechniken (wie z. B. Proteinfällung oder Zerschäumung) müssen mit eigenen mathematisch-physikalischen Modellen abgebildet werden. Die am Markt erhältliche Prozesssimulationssoftware für die chemische Industrie erlaubt zwar prinzipiell auch die Simulation biotechnologischer Prozesse; jedoch fehlen ihr durchweg noch wesentliche Funktionen für diesen spezifischen Einsatzbereich. So kann beispielsweise konventionelle Prozesssimulationssoftware heute die Masse von Proteinen betrachten, nicht aber deren Aktivität. Auch die mittlerweile unter dem Label „Bioprozess-Simulator“ verkauften Software-Tools erfüllen nicht wirklich ihren Zweck.
Weiterentwickelter Bio-Simulator
Aus diesen Gründen wurde in einem Kooperationsprojekt von industriellen und wissenschaftlichen Partnern, allen voran Bayer Technology Services GmbH, TU Dortmund und Inosim Software GmbH, mit der Entwicklung einer neuen Software-Prototyps speziell für die Biotechnologie begonnen. In zwei Forschungsprojekten, deren zweites im Dezember 2012 endet, wurden die wissenschaftlichen und methodischen Grundlagen gelegt und in einem Software-Prototypen umgesetzt. Derzeit befindet sich das Tool Inosim Bio im Pilotbetrieb bei verschiedenen Projektpartnern. Die Marktreife ist für 2013 geplant.
Als Grundgerüst dafür diente das etablierte Prozesssimulationswerkzeug Inosim Professional, das zunächst um ein spezielles Datenmodell zur Arbeit mit biotechnologischen Stoffgemischen und -eigenschaften erweitert wurde. Mittlerweile wurde die Software auch noch um eine adaptive Modellbibliothek ergänzt, die generische und verfahrenstechnische Berechnungsmodelle in verschiedenen Detaillierungsgraden anbietet. Diese Modellbibliothek erlaubt die schnelle und einfache Anpassung (Adaption) der Produktionsrezepte an die im Verlauf der Prozessplanung gewonnenen neuen Erkenntnisse aus Laborexperimenten, Datenanalysen etc. Ein Beispiel: Zu Beginn des Prozessdesigns kennt man vielleicht nur die Adsorptionsausbeute, später auch die Adsorptionsisotherme, am Ende sogar das Strömungsverhalten in der Säule. Statt wie bisher immer das Projekt neu aufsetzen bzw. fertige Bausteine des existierenden Modells löschen zu müssen, um anschließend neue Bausteine einzusetzen und zu verknüpfen, ist mit der neuen Modellbibliothek die flexible Anpassung und Weiterentwicklung eines vorhandenen Modells möglich.
Im Unterschied zu anderen marktüblichen Simulationstools bietet Inosim Professional die Möglichkeit, die Prozessmodelle einzusehen und bei Bedarf auch benutzerdefiniert zu verändern. Das ist immer dann hilfreich, wenn sich in der Praxis zeigt, dass die im Laborversuch ermittelten Parameter von den realen Gegebenheiten abweichen. Zum Beispiel kann im realen Betrieb herauskommen, dass eine Sauerstoffuntersättigung im Produktionsfermenter dazu führt, dass nur ein Bruchteil der eingesetzten Biomasse weiter wächst und produziert. Dieser Bruchteil kann dann als Anpassungsfaktor in eine existierende Modellgleichung eingebaut werden.
Darüber hinaus werden im Projekt Methoden zur Apparatedimensionierung, Kostenschätzung und Prozessoptimierung entwickelt, die speziell auf biotechnologische Prozesse zugeschnitten sind. Die bisherigen Projektergebnisse wurden in einem Software-Prototypen umgesetzt, der zur Zeit durch verschiedene Projektpartner im Pilotbetrieb getestet wird. Ein Beispiel: Die Entwicklung eines Herstellungsverfahrens für eine antibakteriell wirksame Substanz aus einer Pflanzenzellkultur. Aufgabe war es, den existierenden Laborprozess zu überprüfen und zu optimieren. Dabei bewies die neuartige Simulationssoftware auf Anhieb ihre Fähigkeit, den Produktionsprozess aus Biotech-typischen Verfahren (wie z. B. Fermenta-tion, Zellaufschluss, Chromatographie) schnell und einfach nachzubilden. Unwirtschaftliche Prozesselemente konnten identifiziert und entfernt werden. Die iterative Prozessentwicklung aus Laborexperimenten und Überprüfung durch die Simulation ergab so am Ende einen industriellen Prozess, der mit der Hälfte an Arbeitsschritten auskam und dadurch um ein Mehrfaches wirtschaftlicher war, als es ein reiner Upscale des Laborprozesses ohne Simulation gewesen wäre.
prozesstechnik-online.de/cav1112454

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