Smart Manufacturing für die Biotechnologie

Stuttgarter Start-up Variolytics: Analyseplattform beschleunigt Medikamentenentwicklung

(Stuttgart) – Die Variolytics GmbH entwickelt Messger?te, die das Unsichtbare sichtbar machen. Die Analyseplattform des Stuttgarter Start-ups, deren Technologie am Fraunhofer-Institut f?r Grenzfl?chen- und Bioverfahrenstechnik IGB entwickelt wurde, erm?glicht unter anderem den Betreibern von Kl?ranlagen Energie einzusparen und die Emission von umweltsch?dlichen Gasen zu reduzieren. Mittels ihrer patentierten Echtzeitanalytik k?nnen aber auch Prozesse in Bioreaktoren, beispielsweise zur Produktion von Antik?rper-Medikamenten, beschleunigt werden.

Die Idee, „das Unsichtbare sichtbar machen“, war f?r Dr.-Ing. Matthias Stier die Triebfeder, um mit seiner Forschung zu beginnen. Vor allem wollte er genau wissen, welche Schadstoffe in die Umwelt gelangen. So begann der Prozessingenieur im Jahr 2015 am Stuttgarter Fraunhofer-Institut f?r Grenzfl?chen- und Bioverfahrenstechnik IGB zu forschen. Gemeinsam mit seinem Team entwickelte er eine innovative Messtechnik f?r Massenspektrometer. In der Industrie kommen Massenspektrometer zum Einsatz, um die Zusammensetzung von Stoffen zu bestimmen und deren Ver?nderung zu ?berwachen – bislang allerdings nur bei Gasen. Stier hatte die Idee f?r ein innovatives und patentiertes Einlasssystem, das es erm?glicht, bis zu 30 verschiedene Stoffe bzw. Komponenten sowohl in der Gas- als auch der Fl?ssigphase gleichzeitig und in Echtzeit zu analysieren. „Mein Antrieb f?r diese Entwicklung war ganz klar der Umweltschutz“, erkl?rt Stier. Verschmutzungen in Gew?ssern oder den Austritt von klimasch?dlichen Gasen identifizieren zu k?nnen, ist f?r Unternehmen jedoch nur dann attraktiv, wenn sie unter dem Strich mit der neuen Technologie Gewinn machen. Folgerichtig gr?ndete er mit Unterst?tzung des Fraunhofer Venture Programms Hightech-Pioneers sowie dem F?rderprogramm EXIST des Bundesministeriums f?r Wirtschaft und Energie im Jahr 2020 das Unternehmen Variolytics.

Angesiedelt hat sich das Unternehmen, das aktuell neun Mitarbeiter besch?ftigt, auf dem Fraunhofer-Campus in Stuttgart-Vaihingen direkt am IGB, Abteilung f?r Zell- und Gewebetechnologien. „Die von Variolytics am IGB entwickelte Methode er?ffnet neue M?glichkeiten f?r die automatisierte ?berwachung und Steuerung von chemischen Reaktionen und biotechnologischen Prozessen sowohl in der Biotechnologie als auch in der Pharmazie“, erkl?rt der Leiter des Fraunhofer IGB, Dr. Markus Wolperdinger. „Wir freuen uns, dass wir Variolytics die M?glichkeit zur Entwicklung der Technologie bieten und das Unternehmen auf dem Weg zum Markteintritt unterst?tzen konnten.“ F?r Stier ist der Standort perfekt: „Wir sind als Start-up relativ klein, genie?en hier aber die Vorteile einer first-class Infrastruktur. Denn in der BioRegion STERN ist nicht nur Biotech-Kompetenz, sondern auch reichlich Automatisierungs- und Maschinenbau-Know-how vorhanden.“

Die ersten Kunden von Variolytics sind die Betreiber von Kl?ranlagen, in denen Verunreinigungen unter anderem mit Hilfe von Mikroorganismen biologisch abgebaut werden. Damit sich die Bakterien wohl f?hlen und ihre Arbeit erledigen, ben?tigen sie Sauerstoff. Wird dem Becken zu wenig Sauerstoff zugef?hrt, sterben die Bakterien ab; wird zu viel zugef?hrt, erh?hen sich die Energiekosten ohne Steigerung der Ausbeute. Au?erdem k?nnen in Kl?ranlagen klimasch?dliche Gase wie Methan oder das als Lachgas bekannte Distickstoffmonoxid entstehen. F?r den „?berzeugungst?ter“ Stier der perfekte Einsatzort f?r seine Analyseplattform: „Sie ?berwacht in der Kl?ranlage klimasch?dliche Gase in den Belebungsbecken und hilft dabei, diese zu reduzieren. Mit bis zu 25 Prozent Energieeinsparung k?nnen die Betreiber rechnen, da auf Basis der Messwerte und speziellen Regelstrategien die Begasung f?r den mikrobiellen Abbau von Organik im Abwasser permanent optimiert wird.“ Variolytics kooperiert daf?r mit der aquatune GmbH aus Hahnst?tten in Rheinland-Pfalz. Deren Gesch?ftsf?hrer Dipl.-Phys. Dr. J?rg Gebhardt hat sich auf die intelligente Optimierung von Wasser- und Abwasserprozessen spezialisiert. Als Pionier f?r das Maschinenlernen war er so beeindruckt, wie es dem Stuttgarter Team gelungen war, die pr?diktive, also vorausschauende Begasung in Belebungsbecken zu optimieren, dass er sich entschloss, das Start-up als Business Angel zu unterst?tzen.

Doch Variolytics ist weit entfernt, sich im „Kl?ranlagen-Thema“ gem?tlich einzurichten. Auf Basis identischer Hardwarekomponenten bei variierender Software plant das Unternehmen nichts weniger als schnellstm?glich eine Schl?sseltechnologie f?r Bioreaktoren anzubieten. Davon k?nnen 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 S?ugerzellenkulturen in Fermentern kultiviert, die konstant ideale Bedingungen ben?tigen. Im Unterschied zur Kl?ranlage m?ssen in Bioreaktoren f?r die pharmazeutische Wirkstoffentwicklung permanent viele verschiedene Prozessparameter ?berwacht werden – unter Bedingungen der jeweils geltenden Richtlinien f?r die „Good Manufacturing Practice“ (GMP). Das hei?t zum Beispiel, dass kein einziger der ben?tigten Sensoren ein Kontaminationsrisiko darstellen darf. Zur Herstellung beispielsweise von Medikamenten mit Antik?rpern werden in der modernen Pr?zisionsmedizin inzwischen kleinere Reaktoren ben?tigt, h?ufig mit Einweg-Systemen. Das macht den Einsatz einzelner Sensoren teilweise unrentabel. Variolytics kalkuliert, dass aus diesem Grund 40 Prozent der notwendigen Schl?sselparameter gar nicht erfasst werden und dadurch bis zu 50 Prozent Ausbeuteverluste entstehen. „In solchen F?llen k?nnen keine konsequenten Regelstrategien f?r Gegenma?nahmen angewendet werden“, erl?utert Matthias Stier. „Wegen fehlender Sensordaten werden Bioreaktoren letztlich mit geringen Zelldichten und hohen Sterberaten betrieben. Wir ersetzen f?nf Sensoren und liefern sechs neue Prozessparameter, die Unternehmen erhalten mehr Daten und sparen Geld.“ Denn die teure Antik?rperproduktion soll ja nicht nur beschleunigt, sondern auch kosteng?nstiger werden, damit die neu entwickelten Medikamente – wie sie zum Beispiel der ehemalige US-Pr?sident Trump w?hrend seiner Corona-Infektion erhalten hatte – nicht Luxus f?r wenige bleiben, sondern f?r jeden Kassenpatienten erschwinglich sind.

F?r den Einsatz in Bioreaktoren entwickelte Variolytics das Analyseger?t in handlichem Format: Kernst?ck der w?rfelf?rmigen Box mit etwa einem halben Meter Kantenl?nge ist der Einlass zur Analysatoreinheit, mit dem – erstmalig f?r die Massenspektrometrie – auch Komponenten aus der Fl?ssigphase analysiert werden k?nnen. An diesem Einlass ist eine mikropor?se Membran angebracht, ?ber die – angetrieben durch Unterdruck – fl?chtige Substanzen aus der fl?ssigen Probe verdampfen und die Membran passieren. Neben der innovativen Hardware des Analyseger?ts 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 K?nstlicher Intelligenz erm?glicht die Nutzung der immensen Sensordaten, die wir generieren. Das Ziel ist Smart Manufacturing f?r die Biotechnologie!“

Wie wichtig Beschleunigung in der Medikamentenentwicklung und -produktion ist, hat die aktuelle Pandemie nachdr?cklich gezeigt. Dr. Klaus Eichenberg, Gesch?ftsf?hrer der BioRegio STERN Management GmbH, begr??t die erfolgreiche Neugr?ndung nachdr?cklich: „Bisher ging man in der Biotechbranche davon aus, dass die Entwicklung neuer Medikamente oder Impfstoffe deutlich mehrere Jahre ben?tigt. Inzwischen haben sich die Entwicklungszeiten bei Impfstoffen massiv verk?rzt. Wenn ein Plattformsystem wie Variolytics s?mtliche Parameter zuverl?ssig beobachtet, kann das auch die Zulassung von Medikamenten weiter beschleunigen.“

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