Quality by Design basierte Prozessintegration der Präzipitation von Monoklonalen Antikörpern und Antikörperfragmenten sowie die Entwicklung eines Digitalen Zwillings zur Unterstützung der PAT-gestützten autonomen Prozessführung

Der biopharmazeutische Sektor steht auf Grund des rasanten Wachstums und der Entwicklung hinzu individualisierter sowie Patientenorientierter Produkte vor fundamentalen Veränderungen. Die bestehenden Prozesse, beispielsweise die Aufreinigung von monoklonalen Antikörpern (mAb), müssen den gestiegenen Anforderungen angepasst werden. Zudem wird das Portfolio auf Biomolekülen, wie zum Beispiel die mRNA, erweitert. Durch Prozessoptimierung im Bereich des Upstreams konnten geringe Produktionstiters optimiert werden, sodass aktuell die Kapazitätsgrenze im Downstream den Produktionsengpass darstellt. In dieser Arbeit wird die Präzipitation als alternativer Capture-Schritt am Beispiel von monoklonalen Antikörpern untersucht. Es werden die geforderten Richtlinien zur Prozessentwicklung (Quality by Design) der zuständigen Aufsichtsbehörden FDA & EMA berücksichtigt und ein absatzweiser, halbkontinuierlicher sowie ein kontinuierlicher Prozess entwickelt. Die Ausbeute der unterschiedlichen Prozessführungen liegen bei 80-90% mit einer Reinheit von 65-80%. Im Hinblick auf eine angestrebte autonome Prozessführung wurde ein Digitaler Zwilling basierend auf physiko-chemischen Gleichungen abgeleitet und durch Experimente erfolgreich validiert. Der Digitale Zwilling kann zum einen für die frühe Phase der Prozessentwicklung als auch für die Optimierung genutzt werden. Während der Produktion eignet sich der Digitale Zwilling als Beobachter für eine modellbasierte Regelung, welche anhand von Simulationsstudien belegt wurden. Um dies in der Produktion zu realisieren ist eine Online-Messtechnik essentiell, welche den Ist-Zustand des Prozesses in Echtzeit abbildet kann. Aus diesem Grund sind in einer Machbarkeitsstudie verschiedene spektroskopische Messmethoden wie Raman, FTIR, Fluoreszenz und DAD auf ihre Eignung für den Präzipitationsprozess analysiert worden. Es konnte gezeigt werden, dass FTIR und Raman sehr gut zur Verfolgung der Qualitätsattribute Ausbeute und Reinheit verwendet werden können. Abschließend wurde die Übertragbarkeit des Digitalen Zwillings auf ein anderes Stoffsystem, die Antikörperfragmenten, erfolgreich demonstriert.The biopharmaceutical sector is facing fundamental changes due to rapid growth and the development of more individualized and patient-oriented medicine. Existing processes, for example the purification of monoclonal antibodies (mAb), have to be adapted to the increased requirements. In addition, the portfolio will be expanded to include biomolecules such as mRNA. Through process optimization in the upstream area, low production titers could be optimized, so that currently the capacity limit in the downstream represents the production bottleneck. In this work, precipitation is investigated as an alternative capture step using monoclonal antibodies as an example. The required guidelines for process development (Quality by Design) of the responsible regulatory authorities FDA & EMA are considered and a batch, semicontinuous and a continuous process are developed. The yields of the different process designs are 80-90% with a purity of 65-80%. In view of the desired autonomous process control, a digital twin based on physico-chemical equations was derived and successfully validated by laboratory experiments. The digital twin can be used for the early phase of process development as well as for optimization. During production, the Digital Twin can be used as an observer for model-based control, which has been proven by simulation studies. In order to realize this in production, an online measurement technology is essential, which can monitor the current process values in real time. For this reason, various spectroscopic measurement methods such as Raman, FTIR, fluorescence and DAD were analyzed in a feasibility study to determine their suitability for the precipitation process. It was shown that FTIR and Raman can be used very well for tracking the quality attributes yield and purity. Finally, the transferability of the digital twin to another material system, single chain antibody fragments, was successfully demonstrated

Modellbasierte prädiktive Bestimmung des Zeitpunktes maximaler Säuerungsaktivität von Streptococcus thermophilus in einer frühen Phase der Fermentation als Starterkultur

Im industriellen Fermentationsprozess zur Herstellung des Bakteriums Streptococcus thermophilus als Starterkultur hängt der Prozesserfolg im entscheidenden Maße vom richtigen Zeitpunkt der Biomassenernte ab. Als Kriterium wird der Zeitpunkt gewählt, zu dem die bakterielle Säuerungsaktivität maximal ist. Unterschiedliche qualitative Eigenschaften der verwendeten Vorkulturen führen oft zu abweichenden Entwicklungen der Folgekulturen, sodass der betrachtete Erntezeitpunkt nicht reproduzierbar wird. Deshalb muss dieser Parameter für jede Fermentation individuell und zeitnah detektiert werden. Ein größeres Potential zur Prozessoptimierung eröffnet sich, wenn der gefragte Zeitpunkt frühzeitig und zuverlässig vorherbestimmt werden kann. In dieser Arbeit wurde dafür ein Verfahren entwickelt, das ein dynamisches Prozessmodell verwendet, welches die Größen Keimzahl, Milchsäure- und Lactosekonzentration beschreibt. Es wird eingesetzt als Simulator, um über die Simulation der Milchsäurebildungsgeschwindigkeit den Verlauf der Säuerungsaktivität prädiktiv zu bestimmen. Dabei wird das Modell mittels einer optimierungsbasierten Methode über den gemessenen pH-Wert-Verlauf in der Anfangsphase der Kultivierung auf den laufenden Prozess eingestellt und der Prozessverlauf im Anschluss simuliert. Der pH-Wert-Verlauf ist ein online zugängliches Kriterium im Prozess, das hilft, Abweichungen der Säuerungsaktivität schon früh in einer Fermentation zu erkennen. Dabei gelingt es, aus dem pH-Wert-Verlauf über das Prozessmodell in Verbindung mit einem Messmodell, das die pH-Eigenschaften der Kulturlösung approximiert, eine Anfangskeimzahl zu bestimmen, die für die betrachtete Fermentation repräsentativ ist. Dadurch lässt sich der kultivierungsabhängige Anfangszustand der Kultur im Prozessmodell berücksichtigen. Die Ergebnisse der Erprobung des Verfahrens mit experimentellen Daten zeigen seine hohe Vorhersagegüte. Es gelingt weiter, die Methodik auf den industriellen Prozess erfolgreich zu übertragen

Modellierung der lichtabhängigen Photosynthesekinetik und Akklimatisation von Mikroalgen – Von der molekularen Struktur zur prozessnahen Formulierung

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde das lichtabhängige Akklimatisations- und Wachstumsverhalten der Grünalge Chlorella vulgaris, die hierbei als Modellorganismus fungierte, auf makroskopischer Ebene experimentell untersucht. Die aus diesen Experimenten gewonnenen Erkenntnisse und Daten wurden anschließend, zusammen mit den stationären Photosynthesekinetiken, als experimentelle Grundlage für die Modellierung der lichtabhängigen Photosynthesekinetik genutzt. Als Modellierungsgrundlage diente hierbei das Konzept der photosynthetic unit (PSU), das im bioverfahrenstechnischen Kontext häufig zur Modellierung der Photosynthesekinetik eingesetzt wird. Im Gegensatz zu der typischen Annahme eines absolut limitierenden Reaktionsschrittes innerhalb der PSU, der die gesamte Photosynthesekinetik definiert, wurde angenommen, dass unterschiedliche limitierende Reaktionen die jeweiligen Bereiche der lichtabhängigen Photosynthesekinetik definieren. Im Rahmen des hier entwickelten Modells wurde festgelegt, dass der lichtlimitierte Bereich der Photosynthesekinetik hauptsächlich durch die Lichtabsorption und die Prozessierung der Lichtenergie am Photosystem II determiniert wird, während ein zweiter limitierender Reaktionsschritt den lichtgesättigten Bereich der Photosynthesekinetik determiniert. Weiterhin wurde angenommen, dass die beiden limitierenden Reaktionsschritte über den Plastochinon-Pool miteinander gekoppelt sind. Unter den im Rahmen der vorliegenden Arbeit untersuchten Prozessbedingungen wurde die Kinetik von Ribulose-1,5-bisphosphat-carboxylase/-oxygenase als die zweite limitierende Reaktion definiert. Durch die Einführung dieser Erweiterungen des gängigen PSU-Konzeptes konnte ein Modell entwickelt werden, dass dem häufig genutzten PSU-Modell nach Han, das hierbei als Referenz diente, deutlich überlegen ist. Weiterhin konnte das in dieser Arbeit entwickelte Modell die operativen Photosyntheseraten im photoakklimatisierten Zustand, die nicht Teil des zur Parameterschätzung genutzten Datensatzes waren, mit einer zufriedenstellenden Genauigkeit vorhersagen (R²: 0,9688, nRMSE: 11,74 % und nMBE: -9,76 %)