Modellentwicklung zur systematischen Medienoptimierung für Bioprozesse

Das BMBF finanzierte Fraunhofer Innopush-Programm zielte darauf in Folge der Corona-Pandemierückläufige Wirtschaftserträge einmalig abzufedern und Innovationsimpulse für die Wirtschaft zu geben. Innopush-Projekte sollten innovative Vorhaben instituts-übergreifend strukturieren und fördern, die zum einen Kompetenzen adressieren, die auf Grund der aktuellen wirtschaftlichen Krise besonders betroffen sind, zum anderen einen Mehrwert durch das Zusammenwirken unterschiedlicher Kompetenzen zur Zukunftssicherung sowie zur Unterstützung des Wiederanfahrens der Wirtschaft leisten. Die Biotechnologie ist Bestandteil des Strategischen Forschungsfelds »Bioökonomie« der Fraunhofer-Gesellschaft: Die Produktion neuartiger Substanzen mit Hilfe lebendiger Organismen soll Kranke heilen, knapp werdende Rohstoffe ersetzen und unser Leben einfacher und komfortabler machen. Im Verlauf der letzten 30 Jahre konnte durch Digitalisierung die Profitabilität und Qualität bedeutend erhöht und die Zeit bis zur Markteinführung in der chemischen Industrie gesenkt werden. Dieses Potential wird aktuell in den meisten Bioprozessen und zugehörigen Firmen bestenfalls ansatzweise erkannt oder gehoben.

Das Ziel des Innopush-Projektes DiBi war es anhand eines konkreten Prozesses - der Herstellung von proteinbasierten Wachstumsfaktoren/Signalmolekülen zur Ausdifferenzierung von therapeutischen Zellprodukten - eine softwarebasierte Entscheidungsunterstützung für den optimierten Betrieb der entsprechenden Bioreaktoren mit pflanzlichen Zellen zu entwickeln. Wesentlicher methodischer Bestandteil des Projektes war die Integration von modellbasierter Mehrzieloptimierung, experimentelle Versuche im parallelisierten Format und einer entsprechenden Sensor- und Analytikausstattung. Das Fraunhofer ITWM mit seiner Methodenkompetenz in der Modellierung, Simulation und Optimierung komplexer verfahrenstechnischer Prozesse und die Erfahrung in agiler Softwareentwicklung wurde mit den Kompetenzen, Laborinfrastruktur und Branchenkenntnisse des IME und ITMP verknüpft. Hierdurch sollte es möglich sein, eine neue Methodik für industrielle Anwender zu entwickeln und mittels eines Softwareprototyps mit der erforderlichen Algorithmik und interaktive, graphische Schnittstellen nutzbar zu machen. Das Verbesserungspotenzial der zugrundeliegenden Verfahren sollte transparent erkannt, quantifiziert und bewertet werden. Eine virtuelle (in silico) Auswertung von „What-If“-Szenarien kann verlässlich erfolgen. In dem Projekt soll die Funktionalität und der Nutzen dieses Softwareprototypen anhand des o.g. Prozesses nachgewiesen werden, so dass praxistaugliche Userstories bzw. Pitches zur Ansprache möglicher industrieller Kooperationspartner zur Verfügung stehen.