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Themen Runde II

In Rahmen der UfIB werden Projekte mit strategischen Forschungszielen gefördert, die in Zusammenarbeit mit Industriepartnern aus Allianzen einen oder mehrere der nachfolgenden Themenbereiche bearbeiten:

Analyse geeigneter Industrie 4.0 Konzepte zur Übertragung auf die biotechnologische Produktion für eine zukunftsweisende Smart Factory

Mit diesen Arbeiten werden moderne Sensortechnologien bis hin zu Sensornetzwerken zur Verfügung gestellt. Sie vereinigen die zukunftsweisenden Konzepte von Industrie 4.0 und führen zu einem Zuwachs an Information im modernen Produktionsumfeld.

Im Rahmen der Allianz WiPro wird eine Vielzahl an neuartigen Sensoren entwickelt, die den hochvernetzten  Konzepten der Industrie 4.0 folgen. Die Sensoren alleine müssen in ein geeignetes Umfeld integriert werden, um die vollständige Leistungsfähigkeit des Konzepts ausnutzen zu können und eine automatisierte biotechnische Produktion zu ermöglichen. Im Rahmen dieser Promotion sollen erfolgreiche Industrie 4.0 Konzepte anderer Produktionsketten untersucht und auf biotechnische Prozesse übertragen werden.

Die Allianz WiPro stellt in diesem Zusammenhang ein ideales Umfeld zur Vernetzung von Sensoren und Prozessinformationen dar, da die nötige IT-Infrastruktur zur Datenerfassung und -weiterverarbeitung bis hin zur Regelung aufgebaut wird.

WiPro

Translationale Modelle für B. licheniformis zur Vorhersage von Produktionsausbeuten

Die Verwendung einer Expressionsplattform zur Produktion von Enzymen und Proteinen für technische Anwendungen und den Lebens- und Futtermittelmarkt wird häufig dadurch eingeschränkt, dass Gene aus nichtnahe zum Expressionswirt verwandten Organismen nur unzureichend exprimiert werden können. Dies gilt insbesondere für Bacilli, die im Unterprogramm 4 der Innovationsallianz NatLifE 2020 durch die BRAIN AG als Expressionsplattform entwickelt werden sollen. Eine mögliche Ursache für die mangelhafte Expression wirtsfremder Gene könnte bereits auf der Ebene der mRNA liegen. Das Transkript hat möglicherweise nicht die nötige Genstruktur, um im Expressionswirt effizient translatiert zu werden und die nötige Faltungskinetik des Proteins zu gewährleisten. Die Adaptation der Codon-Struktur an den Wirtsorganismus, wie sie derzeit durch alle Gensynthese-Anbieter offeriert und durchgeführt wird, ist sehr häufig nicht zielführend. Dies könnte darin begründet sein, dass selten im Wirtsorganismus verwendete Codons in dem synthetischen Gen eliminiert werden, obwohl sie für die Translationskinetik und damit auch für die Faltungskinetik des zugehörigen Proteins relevant sein könnten. Darüber hinaus werden keine positionsspezifischen Effekte berücksichtigt, sondern alle Änderungen auf die gesamte Nukleotidsequenz bezogen. Es ergibt sich also die Notwendigkeit, die wirtsspezifischen Signale zur Modulation der Translationsgeschwindigkeit für den hier untersuchten Stamm B. licheniformis zu identifizieren und in translationale Modelle zu integrieren. Solche Modelle könnten bei gegebener Vorhersagekraft zu einer Optimierung der Genstruktur und damit wesentlich zur Steigerung der Ausbeute von Fremdproteinen beitragen.

NatLifE 2020

Entwicklung neuartiger Indikatoren für die transparente und messbare sozioökonomische Bewertung der Nachhaltigkeit industrieller Innovationen

Die „soziale Nachhaltigkeit“ ist eine der drei Nachhaltigkeitssäulen (1. Wirtschaft & Finanzen, 2. Ökologie, 3. Soziales), die zum Ziel eine stabil und wirksam nachhaltige Gesellschaft hat. Sie soll die menschliche Würde genauso wie das Arbeits- und Menschenrecht über unsere Generation hinaus gewährleisten. Innerhalb von Unternehmen betreffen die Aspekte sozialer Nachhaltigkeit beispielsweise die Auswirkungen sozialen Handelns im Umgang mit Mitarbeitern, den Beziehungen zu Interessensgruppen, den Zugang zu Ressourcen oder der allgemeinen Verantwortung des Unternehmens gegenüber der Gesellschaft. Daneben spielt aber auch die sozioökonomische Betrachtung des Einflusses, welche Produkte durch ihre Nutzung bis hin zur Entsorgung haben, eine immer stärkere Rolle.

Die geplante Doktorarbeit soll im Kontext der Allianz GOBI und in Zusammenarbeit mit dem Teilprojekt GOBI FEED (Allianzpartner Evonik Nutrition & Care GmbH) stattfinden. Ziel ist es, eine praxistaugliche und von den Projektpartnern anwendbare Indikatorik zur Bemessung sozioökonomischer Nachhaltigkeitsaspekte von Produkten am Beispiel Probiotika in der Tier- und Humananwendung zu entwickeln. Dabei sollen die sozialen Indikatoren so gewählt werden, dass sie die gesamte Wertschöpfungskette des Produktes bzw. der verschiedenen Technologien abbilden sowie deren soziale Auswirkungen in der Anwendung beschreiben.

GOBI

Die Zellwand-Passage als limitierender Faktor der sekretorischen Produktion proteinogener Wertstoffe

Die sekretorische Produktion von Enzymen und Proteinen ermöglicht deutlich kostengünstigere Prozesse zur Gewinnung proteinogener Wertstoffe als z.B. eine Strategie mit cytoplasmatischer Lokalisation der Zielproteine. Da Bacilli diesem Anspruch häufig durch eine hohe sekretorische Leistung entgegenkommen, entwickelt die BRAIN AG innerhalb der Innovationsallianz NatLifE 2020 eine Bacillus licheniformisbasierte Expressionsplattform. Allerdings werden Fremdproteine aus nicht-nahe verwandten Organismen oft mit deutlich niedrigeren Ausbeuten produziert als homologe Proteine aus Organismen, die nahe verwandt zu B. licheniformis sind. Eine Ursache für dieses Phänomen könnte in der gegenüber dem nativen Wirt veränderten „Umgebung“ während der Proteinfaltung sein. Die Sekretion über den sogenannten „Sec“-Translokase-Weg erfordert eine weitestgehend ungefaltete Konformation für den Transport über die Zellmembran. Die Faltung des sekretierten Zielproteins erfolgt daher in der Zellwand, welche das Protein anschließend passieren muss, um in das die Zelle umgebende Medium zu gelangen. Die Interaktion mit Proteinen und Komponenten der Zellwand, die Einfluss auf die Faltung des Proteins nehmen, könnten in dem heterologen Wirt suboptimal sein, so dass die Ausbeute reduziert wird. Der Prozess der Passage der Zellwand soll in diesem Projekt adressiert und unterstützt werden, um die Effizienz der Expressionsplattform zu steigern und diese breiter anwendbar zu machen.

NatLifE 2020

Anwendung des PAT/QbD-Konzepts auf einen pharmazeutischen Bioprozess

BigData und DataMining stellen am industriellen Bioprozess die Möglichkeiten von der Datenflut zum Erkenntnisgewinn zu gelangen dar und tragen so zur wissensbasierten Bioprozessregelung. Eine wissensbasierte Bioprozesssteuerung schließt die Anwendung eines PAT/QbD-Konzepts ein, anhand eines pharmazeutischen Bioprozesses beispielhaft erarbeitet werden. QbD und PAT sind zukunftsweisende Konzepte für die Zulassung moderner Pharmaprodukte und vereinen verschiedene Methoden, wie die Risikoanalyse, Design of Experiments, Prozessüberwachung mittels Sensoren, multivariate Methoden und Entwicklung geeigneter Regelungskonzepte. Anhand einer vollständigen Prozesskette vom Rohstoff bis zum Wirkstoff sollen diese Konzepte untersucht und gemeinsam ein ganzheitliches Bild eines Bioprozesses darstellen.

WiPro

Sekretionsprozesse als limitierender Faktor bei der Produktion proteinogener Wertstoffe

Für die Produktion von Enzymen und Proteinen ist die Sekretion eines Zielproteins in den Kulturüberstand aufgrund der deutlich geringeren Kosten für die sich anschließende Aufarbeitung  die Methode der Wahl. Im Zuge der Arbeiten der BRAIN AG zur Entwicklung einer Bacillus licheniformisbasierten Expressionsplattform innerhalb der strategischen Allianz NatLifE 2020 stellte sich heraus, dass für Proteine, die bereits sehr gut dargestellt werden können, der Prozess der Sekretion zum Flaschenhals der Produktion werden kann. Eine nachweislich bessere Proteinsynthese führt dann nicht zwangsläufig zu einer höheren extrazellulären Proteinausbeute. Diese Fragestellung wurde in diesen Arbeiten bereits durch die Coexpression von Translokase-Komponenten adressiert, indem mehr Poren für den Transport des Proteins über die Zellmembran gebildet werden sollten. Neuere Literatur lässt die Zusammenhänge zwischen einer erhöhten Menge an Translokase-Komponenten und einer erhöhten Sekretion mittlerweile deutlich komplexer erscheinen. Diese noch unüberschaubare Komplexität könnte auch die Ursache für die mangelnde Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zur Überexpression von Translokase-Komponenten darstellen. Um dieser Herausforderung adäquat begegnen zu können, müssen also weitere Faktoren, die Einfluss auf die Menge an Poren in der Zellmembran haben, evaluiert werden. Solche neuen  Erkenntnisse könnten für die Überwindung des skizzierten Innovationshemmnisses entscheidend sein.

NatLifE 2020

Etablierung und Anwendung von in vitro Methoden zur Untersuchung immunomodulatorischer Wirkungen von Futterzusatzstoffen beim Huhn

Das Teilprojekt GOBI-FEED adressiert Ziele aus den Bereichen der ökologischen, der ökonomischen und der sozialen Nachhaltigkeit. So lassen sich durch den Einsatz innovativer Futterzusatzstoffe die Ausnutzung pflanzlicher Futterquellen optimieren und dadurch die benötigten Ackerflächen und Emissionen aus der Tierhaltung reduzieren, die Wirtschaftlichkeit der Produktion tierischer Lebensmittel optimieren sowie die Versorgung der Weltbevölkerung mit wertvollen Lebensmitteln bei verringerter Konkurrenz zwischen Nahrungs- und Futtermittelquellen verbessern. Durch eine verbesserte Tiergesundheit werden außerdem sowohl ethische als auch Aspekte der menschlichen Gesundheit durch einen verringerten Einsatz von Antibiotika und anderer Arzneimitteln in der Tiermast positiv beeinflusst. Um zukünftig Kandidaten für funktionelle Futterzusatzstoffe unter definierten Bedingungen testen zu können, entwickelt der Allianzpartner Evonik Nutrition & Care GmbH ein Simulationsmodell für den Hühnerdarm. In diesem Modell, sollen unter anderem tiergesundheitsrelevante Effekte von Futterzusätzen untersucht werden.

Im Rahmen der hier ausgeschriebenen Doktorarbeit soll ein Modul in das Darmmodell integriert werden, dass eine Abschätzung immunomodulatorischer Wirkungen von Futterzusätzen ermöglicht. Dazu sollen Peripheral Blood Mononuclear Cells (PMBC) aus dem Blut von Hühnern mit den zu testenden Substanzen in einem primären Zellkultursystem inkubiert und die immunologischen Reaktionen der Immunzellpopulationen mittels immunologischer und molekularer Methoden, darunter Durchflusszytometrie, proteinbiochemische Techniken sowie Genexpressionsanalysen, ausgelesen werden.

GOBI

Phototrophe Biofilme zur Wertstoffsynthese

Innerhalb der strategischen Allianz ZeroCarbFP werden nachhaltige Wege zur stofflichen Nutzung kohlenstoffreicher Abfallströme, unter ihnen CO2 , unter Einsatz biotechnologischer Verfahren untersucht. Die Nutzung von CO2 erfordert zunächst dessen Aktivierung durch Zufuhr von Reduktionskraft. Die Bereitstellung dieser Kraft in Form von Lichtenergie vermeidet Wandlungsverluste und ist somit prinzipiell ein energetisch hocheffizienter Weg zur Synthese von Wertstoffen basierend auf CO2 als alleiniger Kohlenstoffquelle. Ein technischer Nachteil phototropher Produktionskonzepte ist der derzeit hohe Flächeneinsatz. Hier können innovative Biofilmkonzepte ansetzen. Biofilme sind natürliche, sich an Oberflächen adhärierende Zellsysteme, welche sich u.a. durch hohe Zelldichten auszeichnen, die im Vergleich zu suspendierten Kultivierungssystemen bis zu 10x mehr Biomasse pro Volumen enthalten können. Da hohe Produkttiter in der Regel hohe Zelldichten erfordern, scheinen Biofilm-basierte Prozesskonzepte unter wirtschaftlichen Aspekten besonders geeignet.

Das Ziel der seitens der Südzucker AG unterstützten Promotionsarbeit liegt in der Etablierung und quantitativen Charakterisierung von wertstoffproduzierenden, phototrophen Biofilmen durch Mikroalgen. Hierbei sollen sowohl zellphysiologische als auch ingenieurswissenschaftliche Aspekte berücksichtigt werden. Die daraus resultierenden Erkenntnisse werden als Ausgangspunkt zur Stamm- und Prozessoptimierung hinsichtlich potentieller Anwendungen zur Herstellung von Wertstoffen aus CO2 herangezogen und evaluiert.

ZeroCarbFP

Funktion & Regulation eines Ionenkanals bei gesunder und gestörter Differenzierung von Hautzellen

Die NatLifE 2020 befasst sich mit der Erforschung und Entwicklung von neuartigen, biologisch aktiven Wirkstoffen, die in dermatokosmetischen Anwendungen zu einer Verbesserung von Gesundheit und Wohlbefinden beitragen sollen. Eine zentrale Rolle spielt dabei eine intakte menschliche Epidermis, deren Barrierefunktion jedoch konstant durch schädliche Umwelteinflüsse belastet wird. Insbesondere der andauernde Wechsel von trockener und feuchter Umgebung, als auch der transepidermale Wasserverlust induzieren in den epidermalen Hautzellen, den Keratinozyten, einen anhaltenden osmotischen Stress, der wiederum den für die Barrierefunktion wichtigen Reifungsprozess der Keratinozyten beeinflussen kann. Darüber hinaus kann dies bei dauerhaft geschädigter Haut, wie sie z.B. bei älteren Menschen oder bei Menschen, die unter entzündlicher Haut  leiden, auftritt, zu einer weiteren Verschlechterung der Hautgesundheit führen.

Die zugrundeliegenden molekularen und zellulären Mechanismen, die die osmotische Stressantwort mit der Differenzierung von epidermalen Keratinozyten koppeln, sind weitgehend noch nicht verstanden, obwohl sie von großem Nutzen für die Entwicklung von neuen kosmetischen Anwendungen zum Schutz der Barrierefunktion sind. Die BRAIN AG hat erste Hinweise auf einen Ionenkanal als neuen Schlüsselspieler, der im Rahmen der Promotionsarbeit charakterisiert und als neues molekulares Target evaluiert werden soll. Dies umfasst vergleichende immunhistochemische Analysen in Hautbiopsien von gesunder und geschädigter Haut, die Analyse der Regulation des Ionenkanals und der beteiligten Signalwege während der Differenzierung mittels molekular- und zellbiologischer Methoden, als auch CRISPR-Cas9/siRNA-induzierte knock-out/down Studien sowohl in Zellkultur als auch in rekonstituierten humanen Epidermismodellen.

NatLifE 2020

Entwicklung neuer Zellmodelle aus Drüsengewebe

Die Verfügbarkeit aussagekräftiger In-vitro-Testsysteme stellt eine wichtige Grundlage bei der Beurteilung von Wirksamkeit und Sicherheit moderner Produkte in der Pharma-, Kosmetik-, und Nahrungsmittelindustrie dar. Obwohl Drüsen wichtige physiologische Funktionen (z.B. Schwitzen, Speichelfluss) ausüben und Teil der natürlichen Barriere verschiedener Organe (z.B. Haut) sind, stehen unzureichende In-vitro-Testsysteme für Drüsengewebe zur Verfügung.

Im Rahmen der NatLifE 2020 arbeitet die BRAIN AG mit Allianzpartnern an der Entwicklung neuer zellbasierter Testsysteme aus Schweißdrüsen. Ziel des Projektes ist die Entwicklung von robusten Verfahren zur Isolation und Vermehrung funktionaler Drüsenzellen. Die dabei entwickelten Technologien sollen nun im Rahmen einer Doktorarbeit auf weitere Drüsen (Speicheldrüsen, Talgdrüsen) übertragen und zur Etablierung neuer zellbasierter Testsysteme genutzt werden. Neben der Charakterisierung der Zellmodelle hinsichtlich ihrer funktionalen Eigenschaften, soll untersucht werden inwieweit die neuartigen Drüsenzellen in komplexere Modellsysteme (z.B. Organoide) integriert werden können.

NatLifE 2020

Qualitätsmanagement bei der Funktionalisierung technischer Proteine aus landwirtschaftlichen Nebenprodukten durch Quality Function Deployment

Das „Quality Function Deployment“ (QFD)-Verfahren soll auf die Funktionalisierung technischer Proteine aus nachwachsenden Rohstoffen, insbesondere Entölungsrückstände der Rapsölgewinnung, angewendet werden. Dazu sollen die Proteinextraktions- und -modifikationsverfahren der Forschungspartner IVV und ANiMOX sollen systematisch kategorisiert und den sich im Projektverlauf entwickelnden Anforderungen der Anwender gegenübergestellt werden. Zusätzlich soll ein Benchmark vergleichbarer (nicht pflanzlicher) Proteinmodifikate durchgeführt und die Ergebnisse in einem „House of Quality“ den erzielten Forschungsergebnissen gegenübergestellt werden. Sowohl die Anwender als auch die Forschungspartner IVV und ANiMOX sollen anschließend interaktiv die bestmöglichen Optionen bewerten, wobei vom akademischen Partner indikative Kosten der untersuchten Verfahren ergänzt werden. Das Ergebnis des QFD-Verfahrens soll eine optimierte Verbindung zwischen den technologischen Möglichkeiten, den erwarteten Produkteigenschaften und der damit verbundenen Kostenverteilung bei der Herstellung und Modifikation pflanzenbasierter technischer Proteine darstellen.

Folgende Fragen sollen im Rahmen des Vorhabens beantwortet werden:

  • Welche Modifikationsverfahren bei der Funktionalisierung technischer Proteine sind am besten geeignet, die Anwendungsergebnisse bei den Praxispartnern zu verbessern?
  • Wie können die Kosten-Wirkungsrelationen zwischen den Modifikationsverfahren technischer Proteine und den Produkteigenschaften optimiert werden?

TeFuProt

Verbesserte Proteinfunktionalität durch Störstoffabtrennung und Proteinfraktionierung

Für die Bereitstellung anwendungsoptimierter Proteine sind die Identifizierung und Auswahl geeigneter Isolationsprozesse von entscheidender Bedeutung. Daneben hat auch das zu erreichende Molekulargewicht der isolierten Proteine Auswirkungen auf die grundlegende Proteinfunktionalität, z.B. das Lösungsverhalten. Die anschließende Funktionalitätserhöhung durch gezielte chemisch-physikalische Proteinmodifikation wird durch Störstoffe, die häufig als Fasern aber auch als andere Sekundärmetaboliten vorliegen, extrem beeinflusst. Sie beeinträchtigen die Löslichkeit, Viskosität, Gelbildeeigenschaften und andere wesentliche Funktionalitäten z. T. sehr stark. Von weniger störstoffbelasteten Proteinfraktionen wird erwartet, dass sich die nachfolgend zu gewinnenden Proteinisolate besser funktionalisieren lassen.

Gegenstand des Promotionsthemas ist daher die Entwicklung von Methoden und Verfahren zur Vorfraktionierung der Rapsschrote/Rapspresskuchen. Durch geeignete trockentechnische Vorbehandlungen soll das Ausgangsmaterial zu einem Vorprodukt mit hohem Protein- und geringem Störstoffgehalt aufbereitet werden. Aufgeklärt werden soll auch der Zusammenhang zwischen den verschiedenen trockentechnischen Verfahren zur Abtrennung von Störstoffen und den dadurch in den anschließenden Isolationsprozessen erreichbaren Funktionalitäten der Proteine. Ein weiterer Schwerpunkt der Promotion soll darin bestehen, die isolierten Proteine möglichst effizient in unterschiedliche Größenfraktionen aufzutrennen, um den Zusammenhang zwischen Molekulargewichtsverteilung und Proteinlöslichkeit in unterschiedlichen Medien zu untersuchen.

TeFuProt

Nutzung fester Reststoffe der Proteinextraktion als Torfersatz in gärtnerischen Kultursubstraten und Blumenerden

Während Rapsproteine in verschiedenen höherwertigen Anwendungen (u. a. Binder, Füllstoffe und Lackadditive) eingesetzt werden, muss für die im Extraktionsprozess parallel dazu anfallenden zellulose- und faserstoffreichen festen Extraktionssedimente eine wirtschaftlich genutzte nachhaltige Verwertungsmöglichkeit noch gefunden werden. Gleichwohl verfügt der Extraktionsrückstand über Eigenschaften, die ihn neben den bisher (in Phase I von TeFuProt) gefundenen, vor allem technischen, Anwendungsoptionen für ein weiteres Anwendungsgebiet in Landwirtschaft und Gartenbau prädestinieren – den Bodenverbesserer Torf. Der Reststoff verfügt angesichts seiner hohen Porosität, der guten Luft- und Wasserspeicherkapazität, der relativ geringen Dichte und seines hohen Faserstoffgehaltes über ein großes Potential zur nachhaltigen Verwertung als Torfersatzstoff.

In der Promotionsarbeit soll untersucht werden, welche Voraussetzungen geschaffen werden müssen, damit  der feste Extraktionsrückstand zu möglichst hohen Anteilen als Ersatz für die endliche Ressource Torf in gärtnerischen Kultursubstraten und Blumenerden nachhaltig und mit hoher Wertschöpfung eingesetzt werden kann. Mit der Bearbeitung des Promotionsthemas sollen neue Erkenntnisse gewonnen werden für die Verbreiterung der Nutzung des festen Extraktionsrückstandes, der bei der Proteingewinnung entsteht.

TeFuProt

Entwicklung und Bewertung generalistischer Softsensor-Konzepte für nicht direkt erfassbare Prozessgrößen

Im Rahmen der Allianz WiPro wird eine Vielzahl an neuartigen Sensoren bspw. für die Leitparameter Biomasse-, Glucose- und Ethanolkonzentration entwickelt. Trotz allem stellt häufig die direkte Messung von Leitparametern eine scheinbar unüberwindbare Hürde im Bereich Biotechnologie dar, weshalb der Weg über intelligente Vorhersagemodelle gewählt wird. Dabei werden unter Zuhilfenahme von in Messdaten versteckten Redundanzen, über Korrelationen mit anderen Messdaten oder bekannten Zusammenhängen im Prozess Verläufe von entsprechenden Leitparametern approximiert. Die Möglichkeit der Integration solchen Wissens in das Monitoring eines Prozesses kann durch Softsensor-Konzepte realisiert werden. Dieser Zweig der rechnergestützten Intelligenz (Computational Intelligence, CI) umfasst in Abhängigkeit von der vorliegenden Prozessinformation Tools wie bspw. Neuronale Netze, Chemometrie und Expertensysteme.

Im Rahmen dieser Promotion sollen generalistische Softsensoren für Bioprozesse entwickelt werden. Bislang werden Softsensoren für die Vorhersage von Leitparametern wie Biomasse , Substrat- und Produktkonzentration immer prozessspezifisch entwickelt. Es sollen Ansätze beforscht werden, die es ermöglichen, über eine Auto-Kalibrierfunktion aus vorliegender Prozessinformation Softsensoren unabhängig vom verwendeten Produktionsorganismus und -maßstab aufzubauen. Die Generalisierbarkeit und Skalierbarkeit der entwickelten Konzepte wird an mehreren Prozessen im industriellen und akademischen Umfeld überprüft.

Die Allianz WiPro stellt in diesem Zusammenhang ein ideales Umfeld zur Entwicklung und Testung der Softsensoren dar, da zum einen die nötige IT-Infrastruktur zur Datenerfassung und -weiterleitung sowie zur Regelung aufgebaut worden sein wird und zum anderen über die innerhalb der Allianz entwickelten Sensoren als Referenz zur Bewertung der Softsensoren dienen.

WiPro

Systemintegration einer standardisierten IT-Infrastruktur über den Produkt-Lebenszyklus

Der Produkt Lebenszyklus eines pharmazeutischen Produktes besteht aus drei Phasen: Der Entwicklung, der klinischen Phase und der kommerziellen Produktion. In jeder dieser Phase entstehen wichtige Daten, die für die anderen Phasen relevant sein können. Diese Daten umfassen u.a. Produktdaten, Qualitätsdaten (CPP Critical Process Parameter, CQA Critical Quality Attribute) und Prozessparameter. Sie werden z.B. in Rezepten, Materiallisten, IT- und Automationssystemen verarbeitet.

Die Integration und kontinuierliche Haltung aller Daten über alle Lebenszyklus-Phasen in einer durchgängigen Plattform ist bisher noch nicht etabliert. Häufig werden Daten manuell oder teilautomatisch aus einer Phase in die nächste Phase übertragen.

Ziel ist es eine standardisierte Plattform - zur GMP konformen Sammlung, Pflege und Verteilung der Daten zu entwickeln.

WiPro

Neue Technologien zur Entwicklung von Prozessführungsstrategien für enzymatische Prozesse und hohem Druck

Druck als prozessrelevante Größe bei der enzymatischen Katalyse und der enzymatischen Hydrolyse/Proteolyse bedingt neue Lösungskonzepte für die Prozessführung. Unterschiedliche und ggf. zeitlich veränderliche Drücke resultieren nicht nur in veränderten Löslichkeiten, Enzymstabilitäten oder Reaktionsgleichgewichten, sondern auch in einer veränderten Prozessdynamik. So können komplexe Prozessführungsstrategien (z.B. Druckwechselstrategien) oder der gezielte Einsatz von Druck als Prozessparameter (Stellgröße) für eine Prozessoptimierung sinnvoll sein. Variierende Druckverhältnisse aufgrund von Maßstäben oder Prozessführungsstrategien erfordern allerdings auch entsprechend angepasste Regelungs- und Automatisierungskonzepte.

Im geplanten Promotionsprojekt sollen neuartige, modellgestützte Tools für Prozessentwicklung und -steuerung für enzymatische biotechnische Prozesse unter hohem Druck entwickelt und validiert werden. Hierfür bieten sich z.B. modellgestütztes Design-of-Experiment oder modellgestützte Strategien zur Prozessentwicklung und –führung wie die „Open-Loop-Feedback-Optimal“ (OLFO)-Strategie an. Eine konsequente Weiterentwicklung dieser Strategien ist deren Einbindung in ein Prozessleitsystem.

protPSI

Bioprozesse unter Druck in neuen Anwendungsfeldern

In der strategischen Allianz protPSI liegt der Schwerpunkt auf der Feinchemie als Anwendungsfeld. In diesem Projekt soll branchenübergreifend auch in anderen Bereichen der industriellen Bioprozesstechnologie, wie z.B. im Bereich der Lebensmittelindustrie, die Anwendbarkeit aufgezeigt werden. Im Rahmen der Allianz protPSI sollen unter erhöhten Drücken u.a. gasförmige Substrate effizient in Reaktoren eingetragen und biokatalytisch umgesetzt werden. Hierbei gilt es, sich neu in der Entwicklung befindende Technologien aus der Allianz proPSI einzusetzen und deren Anwendbarkeit zu validieren, um eine Steigerung der Prozess-Effizienzen zu erzielen. Zu diesem Zweck sollen neben der Prozessführung auch die neuen Screening- und Charakterisierungsmethoden von Biokatalysatoren unter Hochdruck Berücksichtigung finden.

protPSI