Entwicklung biotechnologischer Prozesse

In der Prozessentwicklung werden die in der chemischen Industrie sehr erfolgreich eingesetzten Methodiken und Vorgehensweisen auf das Gebiet der Bioprozessentwicklung übertragen. Eine besondere Herausforderung bietet dabei die im Gegensatz zur chemischen Verfahrensentwicklung schlechte Beschreibbarkeit der Gemische in den Prozessen und das zum Teil nur makroskopisch beschreibbare Verhalten von Prozessoperationen. Berücksichtigt werden alle Elemente eines biotechnologischen Herstellverfahrens, beginnend mit der Medienvorbereitung über den biokatalytischen Umsetzungsschritt bis hin zur Feinreinigung und Formulierung der Produkte. Im Einzelnen umfassen die Forschungsarbeiten die folgenden Themen.

Bioprozesssynthese

Erforscht werden heuristische Vorgehensweisen, die auf Basis von Erfahrungswissen den Entwurf von Aufarbeitungsprozessen unterstützen. Grundidee ist die Nutzung von Eigenschaftsunterschieden, um die treibenden Kräfte für ein Trennverfahren möglichst optimal zu nutzen. Die Arbeiten schließen auch die Entwicklung einer ersten Bewertungsmethodik für die Prozessalternativen auf Basis von Kosten ein.

Bioprozesssimulation

Zur Simulation biotechnologischer Prozesse können die in der chemischen Industrie eingesetzten kommerziellen Softwaretools nicht zum Einsatz kommen, da die hierfür notwendige Datenbasis nicht verfügbar ist. Deshalb wird in Zusammenarbeit mit der Firma Inosim die Software Inosim Bio entwickelt. Ein Forschungsaspekt hierbei ist die Entwicklung eines hybriden Datenmodells zur Beschreibung der Vorgänge in biotechnologischen Herstellverfahren. Auf dieses Datenmodell setzen Simulationsmodelle auf, die insbesondere für die zahlreichen unkonventionellen Unit Operations in Bioprozessen neu zu entwickeln sind. Fragestellungen zur Optimierung in ereignisorientierten, dynamischen Prozessen runden dieses Forschungsgebiet ab.

Kennzahlen gesteuerte Prozessentwicklung

Aufgrund der fehlenden Vorhersagemethoden wird sich die Bioprozessentwicklung immer auf experimentelle Untersuchungen im Labor abstützen. Dabei sind die in der Bioprozesstechnik vorliegenden Mischungen derart komplex, dass eine vollständige Charakterisierung nicht möglich ist. So ist das Nebenproduktspektrum oft nicht bekannt. Geforscht wird daher an methodischen Vorgehensweisen, die auch ohne exakte Kenntnis der Komponenten im aufzutrennenden Gemisch zu einem guten und experimentell abgesicherten Prozess führen. In diesem Zusammenhang ist die Fragestellung wichtig, wie aus wenigen Versuchen für einzelne Trennoperationen auf die Güte des Gesamtprozesses geschlossen werden kann. Die in den Forschungsarbeiten entwickelten Kennzahlen PPI (Purification Performance Index) und SCI (Separation Cost Indicator) erlauben diese Schlüsse.