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Biotechnologie

Biotechnologische Produktion im Industrie 4.0-Zeitalter – so funktioniert’s

| Redakteur: Dr. Jörg Kempf

Die Innenansicht der Stem-Cell-Factory (zum Vergrößern siehe Bildergalerie): Mit der vollautomatischen Anlage zum Generieren von Stammzellen ist es Fraunhofer-Forschern gelungen, die Prozesssteuerung an das Wachstum der Zellen anzupassen. Damit haben sie ein adaptives System entwickelt, das sich für viele Branchen eignet.
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Die Innenansicht der Stem-Cell-Factory (zum Vergrößern siehe Bildergalerie): Mit der vollautomatischen Anlage zum Generieren von Stammzellen ist es Fraunhofer-Forschern gelungen, die Prozesssteuerung an das Wachstum der Zellen anzupassen. Damit haben sie ein adaptives System entwickelt, das sich für viele Branchen eignet. (Bild: Bildschön)

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Industrie 4.0 erfordert eine durchgehende Datenerfassung, um hochautomatisierte Prozessabfolgen in komplexen Produktionsumgebungen zu steuern. Ein Beispiel dafür ist die Kultivierung lebendiger Zellen. Doch biotechnologische Produktionsanlagen zu digitalisieren und zu vernetzen, ist eine große Herausforderung. Fraunhofer-Forscher haben sich dieser Herausforderung gestellt.

Aachen – Den Begriff Industrie 4.0 verbindet man mit der Fertigung von Autos, Maschinen oder Industriegütern. Wie die Kooperationspartner aus dem Verbundprojekt „Stem-Cell-Factory“ zeigen, hält die umfassende Vernetzung von Maschinen und Produkten aber auch in der Biotechnologie Einzug. Das ist eine besondere Herausforderung, denn hier hat man es nicht mit fixen Bauteilen, sondern mit lebenden Objekten zu tun, die sich – anders als eine Schraube oder ein Zahnrad – verändern und vermehren. Eine vernetzte Steuerung muss damit zurechtkommen und den Prozess in Echtzeit anpassen können.

Die Partner haben im dem Projekt eine vollautomatische Produktionslinie aufgebaut, um Stammzellen, die sich zu jedem Zelltyp des Körpers entwickeln können, zu vermehren. Experten nennen diese Zellen „induziert pluripotente Stammzellen“ (iPS-Zellen). Die medizinische Expertise steuern unter anderem die Experten der Universitätskliniken Bonn und Aachen bei.

Solche iPS-Zellen werden für die Entwicklung von Medikamenten in der individualisierten Medizin benötigt. Man gewinnt sie aus adulten Körperzellen wie etwa Haut- oder Blutzellen des Menschen. Zunächst entnimmt der Arzt einem Patienten Körperzellen. Anschließend werden diese durch Zugabe bestimmter Substanzen in iPS-Stammzellen reprogrammiert. Die Zellen lassen sich dabei in ein embryonales Stadium zurückversetzen und können theoretisch wieder in jeden Zelltyp umgewandelt werden. So kann man sogar Herz- oder Nervenzellen kultivieren, die sich wegen der Risiken für den Patienten nicht mit einer Biopsie gewinnen lassen. Die Pharmabranche verwendet diese Zellen für Medikamententests. Da sie das Erbgut des Patienten in sich tragen, lässt sich sehr gut feststellen, welche Medikamente Wirkung zeigen.

Vollautomatisierte, modulare Produktionsplattform

Bislang werden iPS-Zellen in einem langwierigen und aufwändigen Prozess von fachkundigen Laboranten gezüchtet. Dabei hängen die Menge und die Qualität der gezüchteten iPS-Zellen sehr von der Erfahrung des Laboranten ab. Das Ziel des Projekts war es daher, eine vollautomatische und modular aufgebaute Anlage zu entwickeln, die einen hohen Durchsatz bei gleichbleibend hoher Stammzell-Qualität erreicht.

Die Entwicklung und Steuerung dieser Anlage war Aufgabe der Experten vom IPT. Diese hatten mehrere Herausforderungen zu meistern: Die erste Hürde bestand darin, dass sie verschiedene biotechnologische Geräte miteinander vernetzen mussten, um diese überhaupt von einer Leittechnik steuern zu können – einen Pipettierroboter, ein Mikroskop, einen Brutschrank oder auch das automatische Magazin, in dem Zellen und Behälter aufbewahrt werden.

„Trotz der Bestrebungen der Industrie, einheitliche Schnittstellen für Laborautomatisierungsgeräte zu etablieren, gibt es bisher für die verwendeten Geräte keinen internationalen Standard, um sie zu vernetzen“, sagt IPT-Entwickler Michael Kulik. „Plug and play ist damit nicht möglich. Wir mussten deshalb zunächst einen eigenen Standard entwickeln, um alles zu integrieren.“

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