Ny simuleringsteknik som utvecklats av TU Graz är utformad för att göra produktionen av biofarmaka mer effektiv, kostnadseffektivt och begripligt för tillverkare.

Efterfrågan på biofarmaka är stark:biofarmaceutiska aktiva ingredienser - med andra ord, genetiskt manipulerade läkemedel-stod för sju av de tio bästsäljande medicinerna i världen 2018. Och andelen kommer att stiga, som biofarmaka kan användas för att bekämpa tillstånd som multipel skleros och anemi, liksom många former av cancer och sällsynta sjukdomar, som inte kan behandlas med kemiska och syntetiska medel. Men sådan effektivitet har ett pris. Medan kemiskt producerade läkemedel är "små molekyler" som är relativt enkla att tillverka och finns i tablettform, biofarmaceutiska läkemedel består vanligtvis av hundratals eller tusentals atomer.

Detta gör biofarmaceutisk tillverkning extremt komplex - det kräver mikroorganismer som driver reaktioner i bioreaktorer, innebär dyra experiment som utförs på grundval av försök och fel, och bygger på empiriska värderingar. "Just nu, bioteknikindustrin saknar fördjupad processkunskap. Människor som tillverkningsprocessen fungerar, men de vet inte orsakerna till varför eller hur det fungerar, "förklarar Christian Witz från Institute of Process and Particle Engineering vid TU Graz.

Datorbaserade simuleringar är avgörande för att förbättra processkunskap, och kan också påskynda uppskalningen från labbet till produktionsskalan avsevärt. Dock, de simuleringsprogram som för närvarande finns på marknaden är inte lämpliga för rutinmässig tillämpning, eftersom det tar månader att utföra nödvändiga beräkningar, och efterlysa expertis med körsimuleringar, samt betydande datorkraft.

Det är här Christian Witz forskning kommer in. Han arbetar med en ny, användarvänlig och snabb simuleringsprogramvara som syftar till att möjliggöra för processimulering att slå rot i den biofarmaceutiska industrin. "Mitt system kommer att minska simuleringstiderna från månader till några timmar. Det kan drivas av personer utan simuleringskunskap och körs på vanliga kommersiella grafikkort." Den nya programvaran förkortar den tid som behövs för felsökning och lovar mer detaljerad inblick i processer. Detta kommer att bidra till att göra biofarmaceutisk tillverkning mer effektiv. "Företag måste utföra färre experiment för att ta steget från labbet till industriell produktion, spara mellan 300 euro, 000 och 1 miljon euro, "säger Witz, pekar på de senaste uppskattningarna.

End-to-end processimulering stöder produktionsprocesser

Den nya programvaran, som har använts inom industriell forskning sedan 2017, är baserad på simuleringskod som Witz utvecklat för luftade och omrörda bioreaktorer. Till exempel, programmet simulerar rörelsen av mikroorganismer i reaktorn eller transport av upplöst syre som släpps ut från luftbubblor. Som en del av ComBioPro -projektet (Computational BioProcess Design), Witz kommer att integrera ytterligare algoritmer i programvaran, vilket möjliggör ännu mer exakt och användarvänlig representation av fysiska och biokemiska processer i bioreaktorer. Bland annat, målet är att delvis automatisera utvärderingen av rå simuleringsdata, och för att simulera mycket stora luftbubblor i en reaktor. Simuleringsresultaten kommer i slutändan att leda till beslutsprocesser för design och produktion. I tur och ordning, detta skulle göra det möjligt för företag att simulera fler projekt på kortare tid, och utföra tester som visar var och hur produktivitetsförluster uppstår i en reaktor.

Detta kommer tack vare de unika insikter som programvaran erbjuder i biofarmaceutiska produktionsprocesser, som Witz påpekar:"Hur kan vi skapa de bioreaktorförhållanden där mikroorganismerna är som mest produktiva? Hur påverkar omrörarens hastighet eller luftningshastigheten processen? Var i reaktorn påverkar överdrivna skjuvkrafter på mikroorganismerna? Simuleringsprogrammet hjälper till att svara på dessa och andra frågor. "