Das Projekt CellSENSING zur Echtzeit-Überwachung von Zellkultivierungen
In nahezu jedem biotechnologischen Prozess spielt es eine wichtige Rolle, wie viele der eingesetzten Zellen lebendig oder tot und wie leistungsfähig sie sind. Schwankungen dieser Eigenschaften können sowohl den Prozess als auch das resultierende Produkt negativ beeinflussen. Zur Verbesserung der biotechnologischen Prozesse …
Was haben ein frisch gezapftes Bier und Antikörper zur Krebsbehandlung gemeinsam?
Beide Produkte basieren auf dem Einsatz von Zellen! In nahezu jedem biotechnologischen Prozess spielt es eine wichtige Rolle, wie viele der eingesetzten Zellen lebendig oder tot und wie leistungsfähig sie sind. Schwankungen dieser Eigenschaften können sowohl den Prozess als auch das resultierende Produkt negativ beeinflussen. Zur Verbesserung der biotechnologischen Prozesse ist deshalb eine Echtzeitbestimmung der zugehörigen Schlüsselparameter notwendig.
An diesem Thema forscht ein interdisziplinäres Team aus dem Fachbereich Life Science Technologies der Technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe gemeinsam mit Unternehmens- und Netzwerkpartnern im Projekt CellSENSING, das seit April 2024 für eine Dauer von drei Jahren vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Förderprogramm „Forschung an Fachhochschulen“ unter der Richtlinie „FH-Kooperativ“ gefördert wird.
Die Projektleitung liegt bei Prof. Dr. Miriam Pein-Hackelbusch, Professorin für Technologie der Waschmittel, Kosmetika und Pharmaka. Gemeinsam mit ihren Kollegen Prof. Dr. Jan Schneider, Professor für Getränketechnologie, und Prof. Dr. Björn Frahm, Professor für Biotechnologie, entwickelte sie die Projektidee. Schnell war klar, dass das Vorhaben für Unternehmen von großer Bedeutung ist. So konnten Hamilton Bonaduz AG, Schneider Electric GmbH, Ziemann Holvrieka GmbH sowie die Wissenschaftsförderung der Deutschen Brauwirtschaft e.V. im Projekt als Partner beteiligt werden.
Das Thema ist denkbar angewandt: Bisher ist es schwierig, Informationen über Bioprozesse in Echtzeit zu messen. Wichtige Merkmale werden offline, also abseits des laufenden Prozesses, gemessen. Dies führt dazu, dass hier nur zeitverzögert auf Abweichungen reagiert werden kann. Im Rahmen des Projektes CellSENSING werden Softsensing-Methoden erforscht. Dafür werden verschiedene Sensordaten mittels mathematischer Modelle kombiniert, um indirekt den Zustand der Zellen und des Prozesses abzuschätzen. Selina Ramm, Doktorandin am Institute for Life Science Technologies (ILT.NRW) der Technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe, erforscht die Zusammenhänge der Prozesse und Parameter des Zellwachstums während ihre Kollegin Lisa Kemper sich mit Gärprozessen und Reifungsparametern in der Bierherstellung beschäftigt.
Das Projekt CellSENSING konzentriert sich auf folgende Bioprozesse: 1. das Hefemanagement für die Bierherstellung, 2. die Bierreifung mit Stoffwechselprodukten von Hefen und 3. die Kultivierung von Säugetierzellen als Schritt der biopharmazeutischen Produktion.
„Zunächst werden verschiedene Hardware-Sensoren in die Prozesse eingebracht, die Daten zu Zellkonzentrationen und Leistungsfähigkeit der Zellen aufnehmen. Durch Sensordaten-Fusion, Datenverarbeitung, mathematische Modellierung und Verfahren des maschinellen Lernens sollen diese Daten in konkrete quantitative Informationen über die Schlüsselparameter umgewandelt werden.“ fasst Selina Ramm die methodische Herangehensweise des Projektes zusammen. Sie ergänzt: „Ein Vergleich verschiedener Methoden soll schlussendlich die Entwicklung robuster Softsensing-Systeme zur präzisen und genauen Echtzeitbestimmung dieser Schlüsselparameter ermöglichen.“
Dadurch ergeben sich viele Vorteile: Der Prozess kann schneller ablaufen, die Produktivität und Ausbeute sowie die Qualitätsmerkmale der Produkte werden verbessert und Ressourcen können eingespart werden. Dies bedeutet in der Praxis nicht nur eine höhere Wirtschaftlichkeit, sondern auch mehr Nachhaltigkeit in der Produktion.