Plattformtechnologien für automatisierte Bioprozessentwicklung (AutoBio)

Problemstellung

Prozessentwicklungen im Bereich der Biotechnologe sind an der Basis naturwissenschaftlich dominiert und ingenieurwissenschaftliche Fragestellungen werden erst in den späteren Phasen der Entwicklung berücksichtigt. Als Konsequenz erfolgt die Prozessentwicklung nicht als ganzheitlicher auf das Endverfahren ausgerichteter Prozess, sondern insbesondere in den Anfangsphasen mit einem hohen Grad an „trial-and-error“. Oftmals werden eingefahrene Strategien mit dem Ziel der Risikominimierung im Prozess der Maßstabsvergrößerung einfach weitergeführt. Allerdings wird durch die Vielzahl an technischen Faktoren gerade bei dieser Vorgehensweise das Risiko eines technischen und wirtschaftlichen Fehlschlags erhöht.

Projektziele

Im Verbundprojekt Autobio war es das Ziel, durch interdisziplinäre Ansätze zwischen der Biotechnologie, der Verfahrens- und Elektrotechnik sowie der Informatik Entwicklungszeiten durch partielle Automatisierung signifikant zu verkürzen (ca. 30%), sowie eine entscheidende Verringerung der Entwicklungskosten (ca. 15%) und eine Steigerung der Effizienz der Prozessentwicklung biotechnologischer Verfahren zu erzielen. In diesem Zusammenhang und ausgerichtet an den durch den Endprozess definierten Anforderungen wurden innovative automatisierte Sensorik, Medien und Rezepturen, mathematische Modelle und IT-Tools entwickelt. Die technischen Lösungen wurden pilothaft implementiert und die Auswirkung der ganzheitlichen Bioprozessentwicklung anhand Applikationsbeispiele aus verschiedenen Branchen evaluiert. Für diese Beispiele wurde die höhere Effizienz der systematischen Entwicklungsmethode vom Screening bis zum prä-industriellen Prozess nachgewiesen.

Vorgehensweise

Das innovative Prinzip der Enzympumpe (enzymbasierten Substratfreisetzung) wurde zur Erzielung hoher Zelldichten und Produktausbeuten über die gesamte Entwicklung inklusive des Screenings sowie im industriellen Maßstab untersucht. Die Konfiguration und Programmierung von Robotern zur Durchführung von bisher manuell durchgeführten Aufgaben, insbesondere die Kopplung an Geräte und die Entwicklung von Methoden zur automatisierten Zellkultivierung, der Analytik und der Probenaufbereitung (Downstream Processing) wurden ebenfalls Schwerpunkte des Verbundprojektes. DoE zur parallelisierten Bioprozessentwicklung und mathematische Modelle zur Analyse der Prozessrobustheit angewendet und erprobt.

Anschließend wurden automatisierte Lösungen für den Mikrowell-Platten-Maßstab (bis 3 mL) entwickelt. Im Rahmen der ganzheitlichen Prozessentwicklung wurden ebenfalls die dem Mikroplattenscreening folgenden Scale-Up-Schritte der Produktion in Parallelminibioreaktoren (bis 20 mL) in Kombination mit einem Liquid-Handling System berücksichtigt. Die direkte Skalierung wurde für Beispielprozesse im prä-industriellen Maßstab demonstriert.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial

Innovative Produkte werden kurz nach Ende des Verbundprojektes zur Verfügung stehen, z.B. Medienprodukte für neue Kundensegmente, die auf dem enzymbasierten Substrat-Delivery beruhen, Automatisierungslösungen zur integrierten Bioprozessentwicklung für Roboterhersteller und Endanwender, sowie ein erweitertes Portfolio für die pH-Messtechnik.

Biotechnologische Endanwender konnten nach AutoBio eine Verkürzung von Prozessentwicklungszeiten um ca. 30% und damit eine Einsparung von mindestens 15% der Entwicklungskosten erreichen, u.A. durch eine höhere Effizienz und verbesserte Erfolgschancen beim Screening von Stamm- , Mutanten- oder Genbibliotheken sowie durch eine auf statistischen Daten basierte Bioprozessentwicklung zur strategischen Skalierung und Prozesskontrolle.

• Biosilta Europe GmbH
• BRAIN Biotech AG
• infoteam Software AG
• Novozymes Berlin GmbH
• PreSens Precision Sensing GmbH
• Technische Universität Berlin