Der Bedarf an Fein- und Bulkchemikalien wie Zuckerderivaten, Aromaten, Alkoholen, organischen Säuren oder Enzymen in der Industrie ist hoch. Sie werden genutzt, um Pharmaka, Kosmetika, Lebensmittel, aber auch Chemikalien herzustellen. Enzyme finden in Waschmitteln oder in der chemischen Synthese eine wichtige Anwendung. Derzeit werden viele dieser Substanzen noch auf der Basis fossiler Ressourcen erzeugt. Doch es gibt biobasierte Alternativen: Die industrielle Biotechnologie erzeugt bereits heute viele dieser Substanzen mithilfe von Mikroorganismen. Nicht ohne Grund verzeichnet die Biotech-Branche kontinuierliche Steigerungen in Umsatz und Mitarbeiterzahlen. Die biotechnologische Produktion hat viele Vorteile: Sie ist effizient und vor allem nachhaltig.
Bioprozesse sind hochkomplex
Doch die Entwicklung neuer biotechnologischer Produktionsprozesse ist im Vergleich zu anderen Industriebranchen hochkomplex. Der Biotechnologe hat schier unfassbare Möglichkeiten, die Bedingungen zur Herstellung einer Substanz zu wählen. Schon kleinste Veränderungen bei der Produktion können enorme Auswirkungen auf Quantität und Qualität des Produktes haben. Denn Mikroorganismen sind Lebewesen. Jede dieser kleinen Biofabriken benötigt andere Bedingungen, um effizient zu arbeiten. Die Komplexität dieser Suche zeigt folgendes Zahlenspiel: Ausgehend von etwa zehn sogenannten Plattform-Stämmen können mit modernen genetischen Methoden große Stammbibliotheken mit mehreren Millionen Varianten erstellt werden. Wenn dann in dem Bioprozess noch Einflussgrößen wie pH-Wert, Sauerstoff oder Nährstoffe variiert werden, steigt die Zahl der Kombinationsmöglichkeiten schnell in eine Größenordnung von 600 Trilliarden an. Selbst mit den heute zur Verfügung stehenden Technologien ist das für den Menschen nicht zu bewältigen.
Digitalisierung macht Entwicklungen schneller und effizienter
Entwicklungszyklen in der Biotechnologie sind daher meist lang und zudem schwer vorhersagbar. Hier setzt das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit rund 2,8 Mio. Euro geförderte Verbundprojekt „Digitalisierung in der Industriellen Biotechnologie“ (DigInBio) an. Seit Anfang 2018 haben drei Partner das Ziel, die Möglichkeiten der Digitalisierung, Automatisierung und Miniaturisierung für die industrielle Biotechnologie zu erschließen. Dazu gehören Wissenschaftler vom Forschungszentrum Jülich, der Technischen Universität München und der Leibniz-Universität Hannover.
Marco Oldiges vom Forschungszentrum Jülich ist Koordinator des Verbundes und überzeugt: „Mithilfe der Digitalisierung können wir die Biotechnologie in Forschung und Entwicklung schneller und effizienter machen. Das gilt sowohl für die Wissenschaft als auch für die Industrie. Dabei ist es wichtig zu verstehen, dass es sich bei der konsequenten Anwendung von Digitalisierung und Miniaturisierung um nicht weniger als einen Paradigmenwechsel handelt. Der technische Mitarbeiter und der Wissenschaftler sind aktuell mit vielen zeitraubenden Routinetätigkeiten im Labor befasst. Digitale Workflows ermöglichen jetzt, dass diese wieder die Position des Wissenschaftlers und Entscheiders übernehmen können. Digitalisierung führt also nicht zu einem Wegfall von Arbeitsplätzen. Wir können vielmehr unsere Forschungskapazitäten steigern, das vorhandene Personal besser nutzen und so schneller zu Ergebnissen kommen. Für mich scheint das ein Schlüssel für die zukünftige Wettbewerbsfähigkeit zu sein.“
Im Demonstrationslabor am Forschungszentrum Jülich: Mithilfe einer automatisierten Mikrokultivierungsplattform können Stammbibliotheken von Produktionsorganismen charakterisiert und Bioprozesse verbessert werden.
Vom richtigen Stamm zum vernetzten Labor
Seit Projektstart ist viel passiert an den drei Standorten. Das A und O der biotechnologischen Produktion ist die Auswahl der richtigen Mikroorganismen aus einer Vielzahl von Stämmen. Das läuft am Forschungszentrum Jülich. Die Partner aus München widmen sich bioverfahrenstechnischen Aspekten, und Hannover bringt sein Wissen über die Aufbereitung von Produkten und zur grundlegenden digitalen Ansteuerung der Geräte sowie der Visualisierung von Laborabläufen über Laborassistenzsysteme ein. „Ein zentrales Ziel von DigInBio war von Beginn an, an allen drei Standorten Demonstrationslabore aufzubauen“, so Oldiges. „Wir wollen am Schluss alle Erkenntnisse über ein zentrales Datenmanagementsystem zusammenführen und die Funktionalität der digitalisierten Bio-Labore abschließend anhand von zwei standortübergreifenden Fallstudien zur Prozessentwicklung „vom Gen zum Prozess“ demonstrieren.“
Dazu arbeiteten die Forscher in den letzten zweieinhalb Jahren eng zusammen. Denn Biologie, Technologie und digitale Anwendungen müssen Hand in Hand gehen. Das beginnt schon bei der Auswahl der Mikroorganismen und der Planung des Bioprozesses. Denn dies erfolgt bereits, wenn der spätere Prozess und damit die Produktionsbedingungen noch gar nicht feststehen. Andererseits sind die Bioprozessentwicklung und die Produktaufarbeitung abhängig von den finalen Eigenschaften der Mikroorganismen. Beispielsweise kann ein dem gewünschten Zielprodukt sehr ähnliches Nebenprodukt bei der späteren Aufarbeitung große Probleme bereiten. Andererseits können die Mikroorganismen oder der Bioprozess so verändert werden, dass weniger störende Nebenprodukte entstehen. Ständige Rückkopplungsschleifen sind nötig.
Miniaturisierung kombiniert mit Automatisierung
Mittlerweile sind an allen drei Standorten die Demonstrationslabore in Betrieb. In allen Bereichen werden Werkzeuge der Miniaturisierung und Automatisierung eingesetzt. So helfen Lab glasses bei der Laborarbeit, indem sie Ergebnisse und Information ins Sichtfeld des Anwenders bringen. Automatisierte Kultivierungsplattformen oder Laborrobotiksysteme können die Testung von Mikroorganismus-Stämmen und unterschiedlichen Kulturmedien bis zu 10-fach schneller durchführen. Die smarten Anwendungen unterstützen die Forscher bei der Auswertung.
Das Demonstrationslabor von DigInBio an der Technischen Universität München: Hier ist die automatisierte Bioprozessentwicklung im Milliliter- und Litermaßstab mit einer Laborrobotikplattform kombiniert.
Doch wie hat der Verbund DigInBio das Labor nun „digitalisiert“? Fit für die Zukunft wurden die Hightech-Geräte, indem die Forscher sie so miteinander verschalteten, dass sie kommunizieren können. Von unserer Heimelektronik sind wir gewohnt, dass alle Geräte – ob Fernseher, Computer und heute sogar das Smartphone sich untereinander verständigen. Das funktionierte im Forschungslabor bis dato noch nicht. Dafür haben die Forscher auf Basis einer ganzen Reihe neuer standardisierter Gerätetreiber gemeinsam zahlreiche neue Funktionen entwickelt und sie in die automatisierten Laborplattformen der drei Demonstrationslabore integriert. Diese werden jetzt in vielen neuen digitalen Workflows verwendet. Die Forscher haben die Laborgeräte über geeignete Schnittstellen verbunden und Algorithmen geschrieben, um die Kommunikation der Geräte untereinander überhaupt in Gang zu bekommen. Die Schnittstellen wurden dabei beispielsweise mit dem sogenannten SiLA2-Standard (Standardization in Lab Automation) programmiert.
„Alle Partner von DigInBio sind wirsehr zufrieden mit der Kooperation“, so Marco Oldiges. „Denn neben der Forschung treiben die Demonstrationslabore auch den Austausch mit der Industrie an. Seit Projektstart haben mehr als 36 Firmen, darunter Industrie, Mittelstand und KMU, die Labore besucht und sich unsere Entwicklungen angesehen. Aus einigen hat sich ein intensiver Austausch mit Kooperations- und Technologietransferprojekten ergeben. Das DigInBio-Projekt ist mit einem Schwerpunkt auf den Grundlagen geplant worden und mit einem Technologietransferanteil in der späten Phase. Es zeigt sich, dass dieser Technologietransfer bereits Früchte trägt. Für eine Folgeaktivität würden wir uns eine Unterstützung zur Stärkung des Transfers mit Firmen der industriellen Biotechnologie wünschen.“
Autorin: Sonja Jülich-Abbas
