Dies ist der erste von zwei Bänden, die zusammen einen Überblick über die neuesten Fortschritte bei der Erzeugung und Anwendung digitaler Zwillinge in der Bioprozessentwicklung und -optimierung geben.

Bioprozesse haben sich in den letzten Jahrzehnten stark entwickelt, von datengetriebenen Ansätzen hin zur Digitalisierung der Bioprozessindustrie im 21. Jahrhundert. Darüber hinaus erfordert die hohe Nachfrage nach biotechnologischen Produkten effiziente Methoden, sowohl in der Forschung und Entwicklung als auch im Technologietransfer und in der Routineproduktion.

Ein vielversprechendes Werkzeug ist in diesem Zusammenhang der Einsatz von digitalen Zwillingen als virtuelle Darstellung des Bioprozesses. Sie spiegeln die Mechanik des biologischen Systems, die Wechselwirkungen zwischen Prozessparametern, Kennzahlen und Produktqualitätsmerkmalen in Form eines mathematischen Prozessmodells wider. Darüber hinaus ermöglichen digitale Zwillinge den Einsatz computergestützter Methoden, um ein besseres Prozessverständnis zu erlangen, neuartige Bioprozesse zu testen und zu planen sowie diese effizient zu überwachen.

Dieses Buch erläutert die mathematische Struktur digitaler Zwillinge, ihre Entwicklung und die einzelnen Teile des Modells sowie Konzepte zur wissensbasierten Erzeugung und strukturellen Variabilität digitaler Zwillinge.

Die beiden Bände decken sowohl Grundlagen als auch Anwendungen ab und bieten damit den idealen Einstieg in das Thema für Forscher und Entwickler in Wissenschaft und Industrie gleichermaßen.

Autorentext

Christoph Herwig war bis 2023 ordentlicher Professor für Bioverfahrenstechnik an der Technischen Universität Wien. Er studierte Bioverfahrenstechnik an der RWTH Aachen und promovierte an der EPFL (Schweiz) in Bioprozessidentifikation. Vor seiner Promotion arbeitete er in der Industrie in der Planung und Inbetriebnahme von großen Chemieanlagen. Sein Forschungsschwerpunkt liegt auf der Entwicklung von Data-Science-Methoden für die integrierte und effiziente Bioprozessentwicklung nach den Prinzipien von PAT und QbD für Biopharmazeutika. 2013 gründete er das Unternehmen Exputec, das sich mit Data-Science-Lösungen für den Biopharma-Lebenszyklus beschäftigt und 2020 in der Körber AG aufgegangen ist.

Ralf Pörtner studierte Chemieingenieurwesen an der Universität Dortmund (Deutschland) und promovierte am Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik der gleichen Universität. Nach einem Postdoc-Aufenthalt an der Universität Tsukuba (Japan) übernahm er die Rolle des Oberingenieurs und Leiters der Arbeitsgruppe Zellkultur und Tissue Engineering an der Technischen Universität Hamburg (Deutschland). Seit 2010 ist er Honorarprofessor an der Technischen Hochschule Mittelhessen, Gießen (Deutschland). Derzeit ist er einer der Koordinatoren des Forschungsschwerpunkts Regeneration, Implantate und Medizintechnik der Technischen Universität Hamburg (Deutschland) und Mitglied des Direktoriums des Forschungszentrums Medizintechnik (FMTHH). Zu seinen Forschungsschwerpunkten gehören die Entwicklung von Bioreaktoren, insbesondere für Zellkulturen und mikrobielle Reaktionen, sowie modellbasierte Steuerungskonzepte und Tissue Engineering.

Johannes Möller studierte Bioverfahrenstechnik an der Technischen Universität Hamburg (TUHH), wo er auch promovierte und als Wissenschaftler am Institut für Bioprozess- und Biosystemtechnik arbeitete. Sein Forschungsschwerpunkt liegt auf der wissensbasierten Gestaltung und Optimierung von Bioprozessen mit Hilfe neuartiger statistischer und computergestützter Methoden. Die Hauptinteressengebiete sind: Biosystems Engineering, Softwareentwicklung für modellgestützte Bioprozessentwicklung und Versuchsplanung sowie computergestützte Methoden zur Bioprozesscharakterisierung und -steuerung. Seit 2020 ist er in einem pharmazeutischen Unternehmen tätig und ist gleichzeitig externer Dozent an der TUHH.

Inhalt

Entwicklung von Digitalen Zwillingen für die Bioproduktionsindustrie.- Wann ist eine In-silico-Darstellung ein Digitaler Zwilling? Ein Ansatz der biopharmazeutischen Industrie zum Konzept des Digitalen Zwillings.- Digitalisierung und Bioprozessierung, regulatorische Aspekte.- Nutzung von Digitalen Zwillingen entlang eines typischen Prozessentwicklungszyklus.- Mechanistische mathematische Modelle als Grundlage für Prozessoptimierung und Digitale Zwillinge.- Digitale Saatzug-Zwillinge und statistische Methoden.- Digitale Zwillinge in der Bioproduktion.