TU Wien und dem Phar­ma­un­ter­neh­men San­doz gelingt es, das kom­plexe Wachs­tums­ver­hal­ten der Orga­nis­men in der Peni­cil­lin-Pro­duk­tion am Com­pu­ter in Echt­zeit zu simu­lie­ren. Dadurch soll sich der Her­stel­lungs­pro­zess nun viel bes­ser kon­trol­lie­ren lassen.

Seit Jahr­tau­sen­den macht man sich Mikro­or­ga­nis­men zu Nutze, um che­mi­sche Reak­tio­nen ablau­fen zu las­sen, etwa beim Bier­brauen. Bio­che­mi­sche Ver­fah­ren sind aller­dings recht kom­pli­ziert. Viele Reak­tio­nen lau­fen gleich­zei­tig ab und beein­flus­sen ein­an­der, zahl­rei­che Para­me­ter spie­len eine Rolle, nicht alle von ihnen kann man direkt messen.
An der TU Wien arbei­tet man daran, sol­che Pro­zesse trotz aller Schwie­rig­kei­ten im Detail zu unter­su­chen. In Koope­ra­tion mit dem Pharma-Her­stel­ler San­doz hat man nun einen Peni­cil­lin-Her­stel­lungs­pro­zess ana­ly­siert und am Com­pu­ter umfas­send nach­ge­bil­det. So gelingt es, auch Para­me­ter zu ermit­teln, die gar nicht direkt gemes­sen wer­den kön­nen. Die Erkennt­nisse dar­aus wer­den von San­doz nun genutzt um per­ma­nent einen voll­stän­di­gen Über­blick über die Abläufe im Bio­re­ak­tor zu bewah­ren und für opti­male Qua­li­tät zu sorgen.

Fun­dier­tes Wis­sen über Rechenmodelle
„Lange Zeit betrach­tete man sol­che Pro­zesse als Black Box, die man nicht wirk­lich ver­ste­hen kann, die man nur mit viel Erfah­rung gut zu nut­zen lernt“, sagt Chris­toph Her­wig, der am Insti­tut für Ver­fah­rens­tech­nik, Umwelt­tech­nik und tech­ni­sche Bio­wis­sen­schaf­ten der TU Wien die For­schungs­gruppe für Bio­pro­zess-Tech­no­lo­gie lei­tet. „Unser Ansatz ist ein ande­rer : Wir wol­len die che­mi­schen Abläufe in einem Bio­re­ak­tor im Detail ana­ly­sie­ren und die Glei­chun­gen auf­stel­len, die diese Abläufe beschrei­ben. So ent­steht ein mathe­ma­ti­sches Modell, das die Abläufe im Bio­re­ak­tor genau abbildet.“
Das Rechen­mo­dell kann dazu ver­wen­det wer­den die Nähr­stoff­ver­sor­gung der kul­ti­vier­ten Zel­len wäh­rend des lau­fen­den Pro­zes­ses opti­mal einzustellen.
So kom­pli­ziert und viel­schich­tig wie der Bio­pro­zess selbst ist auch das Glei­chungs­sys­tem, das ihn mathe­ma­tisch beschreibt. „Das Glei­chungs­sys­tem beschreibt ein nicht­li­nea­res dyna­mi­sches Sys­tem. Win­zige Varia­tio­nen der Anfangs­be­din­gun­gen kön­nen große Aus­wir­kun­gen haben“, erklärt erklärt Julian Kager, der im Rah­men sei­ner Dis­ser­ta­tion mit der San­doz GmbH zusam­men­ar­bei­tet. „Daher kann man auch nicht ein­fach per Hand eine Lösung aus­rech­nen, man muss rela­tiv auf­wän­dige Com­pu­ter­si­mu­la­tio­nen durch­füh­ren, um das Sys­tem zu beschreiben.“
Die Rechen­mo­delle und die Algo­rith­men, die an der TU Wien ent­wi­ckelt wur­den, wen­det San­doz nun für ihren Peni­cil­lin-Her­stel­lungs­pro­zess an. „Wir freuen uns sehr, dass unsere Grund­la­gen­for­schung so rasch den Weg in die indus­tri­elle Anwen­dung gefun­den hat, und dass unser Ansatz des bio­che­mi­schen Model­lie­rens nun dabei hilft, eine auto­ma­ti­sierte Rege­lung des phar­ma­zeu­ti­schen Pro­duk­ti­ons­pro­zes­ses zu ermög­li­chen“, resü­miert Kager.