Innovative Analyseplattform Ob Klärtechnik oder Bioreaktor – Smart Manufacturing für die Biotechnologie

Redakteur: Dr. Jörg Kempf

Das Stuttgarter Start-up Variolytics hat eine Analyseplattform entwickelt, die es unter anderem Betreibern von Kläranlagen ermöglicht Energie einzusparen und die Emission von umweltschädlichen Gasen zu reduzieren. Aber auch die Medikamentenentwicklung soll mit ihrer Hilfe beschleunigt werden.

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Die biologische Reinigungsstufe von Kläranlagen ist der perfekte Einsatzort für die neue Analyseplattform. Sie überwacht klimaschädliche Gase in den Belebungsbecken und hilft dabei, diese zu reduzieren.
Die biologische Reinigungsstufe von Kläranlagen ist der perfekte Einsatzort für die neue Analyseplattform. Sie überwacht klimaschädliche Gase in den Belebungsbecken und hilft dabei, diese zu reduzieren.
(Bild: gemeinfrei/Susanne Ott, CC0, via Wikimedia Commons / CC0 )

Massenspektrometer kommen in der Industrie zum Einsatz, um die Zusammensetzung von Stoffen zu bestimmen und deren Veränderung zu überwachen – bislang allerdings nur bei Gasen. Dr.-Ing. Matthias Stier, Geschäftsführer des Stuttgarter Start-ups Variolytics, hatte die Idee für ein innovatives und patentiertes Einlasssystem, das es ermöglicht, bis zu 30 verschiedene Stoffe bzw. Komponenten sowohl in der Gas- als auch der Flüssigphase gleichzeitig und in Echtzeit zu analysieren.

Die von Variolytics am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB entwickelte Methode eröffnet neue Möglichkeiten für die automatisierte Überwachung und Steuerung von chemischen Reaktionen und biotechnologischen Prozessen sowohl in der Biotechnologie als auch in der Pharmazie. Erste Anwender sind allerdings die Betreiber von Kläranlagen, wo in der biologischen Reinigungsstufe Verunreinigungen mithilfe von Mikroorganismen biologisch abgebaut werden.

Betreiber können mit bis zu 25 Prozent Energieeinsparung rechnen.

Damit sich die Bakterien wohl fühlen und ihre Arbeit erledigen, benötigen sie Sauerstoff. Wird dem Becken zu wenig Sauerstoff zugeführt, sterben die Bakterien ab; wird zu viel zugeführt, erhöhen sich die Energiekosten ohne Steigerung der Ausbeute. Außerdem können in Kläranlagen klimaschädliche Gase wie Methan oder das als Lachgas bekannte Distickstoffmonoxid entstehen. Für Stier der perfekte Einsatzort für seine Analyseplattform: „Sie überwacht in der Kläranlage klimaschädliche Gase in den Belebungsbecken und hilft dabei, diese zu reduzieren. Mit bis zu 25 Prozent Energieeinsparung können die Betreiber rechnen, da auf Basis der Messwerte und speziellen Regelstrategien die Begasung für den mikrobiellen Abbau von Organik im Abwasser permanent optimiert wird.“

Variolytics kooperiert dafür mit dem Unternehmen Aquatune aus Hahnstätten in Rheinland-Pfalz. Deren Geschäftsführer Dipl.-Phys. Dr. Jörg Gebhardt hat sich auf die intelligente Optimierung von Wasser- und Abwasserprozessen spezialisiert. Als Pionier für das Maschinenlernen war er so beeindruckt, wie es dem Stuttgarter Team gelungen war, die prädiktive, also vorausschauende Begasung in Belebungsbecken zu optimieren, dass er sich entschloss, das Start-up als Business Angel zu unterstützen.

Das Ziel: Schlüsseltechnologie für Bioreaktoren

Doch Variolytics ist weit entfernt, sich im „Kläranlagen-Thema“ gemütlich einzurichten. Auf Basis identischer Hardwarekomponenten bei variierender Software plant das Unternehmen nichts weniger als schnellstmöglich eine Schlüsseltechnologie für Bioreaktoren anzubieten. Davon sollen nicht zuletzt Pharmaunternehmen profitieren, die in Bioreaktoren Zellen oder Mikroorganismen kultivieren, um Wirkstoffe zu gewinnen. Um Medikamente oder Impfstoffe herzustellen, die beispielsweise gegen Covid-19 wirksam sind, werden Säugerzellenkulturen in Fermentern kultiviert, die konstant ideale Bedingungen benötigen.

Im Unterschied zur Kläranlage müssen in Bioreaktoren für die pharmazeutische Wirkstoffentwicklung permanent viele verschiedene Prozessparameter überwacht werden – unter Bedingungen der jeweils geltenden Richtlinien für die „Good Manufacturing Practice“ (GMP). Das heißt zum Beispiel, dass kein einziger der benötigten Sensoren ein Kontaminationsrisiko darstellen darf. Zur Herstellung beispielsweise von Medikamenten mit Antikörpern werden in der modernen Präzisionsmedizin inzwischen kleinere Reaktoren benötigt, häufig mit Einweg-Systemen. Das macht den Einsatz einzelner Sensoren teilweise unrentabel. Variolytics kalkuliert, dass aus diesem Grund 40 Prozent der notwendigen Schlüsselparameter gar nicht erfasst werden und dadurch bis zu 50 Prozent Ausbeuteverluste entstehen.

„In solchen Fällen können keine konsequenten Regelstrategien für Gegenmaßnahmen angewendet werden“, erläutert Matthias Stier. „Wegen fehlender Sensordaten werden Bioreaktoren letztlich mit geringen Zelldichten und hohen Sterberaten betrieben. Wir ersetzen fünf Sensoren und liefern sechs neue Prozessparameter, die Unternehmen erhalten mehr Daten und sparen Geld.“ Denn die teure Antikörperproduktion soll ja nicht nur beschleunigt, sondern auch kostengünstiger werden, damit die neu entwickelten Medikamente nicht Luxus für wenige bleiben, sondern für jeden Kassenpatienten erschwinglich sind.

Analysegerät in handlichem Format

Für den Einsatz in Bioreaktoren entwickelte Variolytics das Analysegerät in handlichem Format: Kernstück der würfelförmigen Box mit etwa einem halben Meter Kantenlänge ist der Einlass zur Analysatoreinheit, mit dem – erstmalig für die Massenspektrometrie – auch Komponenten aus der Flüssigphase analysiert werden können. An diesem Einlass ist eine mikroporöse Membran angebracht, über die – angetrieben durch Unterdruck – flüchtige Substanzen aus der flüssigen Probe verdampfen und die Membran passieren. Neben der innovativen Hardware des Analysegeräts gestaltet Variolytics die Sensorkombination zu einer kompletten Plattformtechnologie nach dem Vorbild des Smartphones.

„Es gibt verschiedene Sensoren, aber erst die Apps bestimmen die Funktionen“, so Stier. „Wir kombinieren Life-Sciences mit Data Science, denn erst die richtige Datenmodellierung mittels Künstlicher Intelligenz ermöglicht die Nutzung der immensen Sensordaten, die wir generieren. Das Ziel ist Smart Manufacturing für die Biotechnologie!“

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