Was ist ein digitaler Zwilling für Bioprozesse?

Digitale Zwillinge für Bioprozesse sind eine spannende neue Technologie, die verändert, wie wir Bioprozessentwicklung, Prozessvalidierung und cGMP-Betrieb durchführen.

Im Jahr 2016 präsentierte Colin Harris, VP of Software Research bei GE, ein Tool für industrielle Prozesse, das geradezu faszinierend war — Science-Fiction wurde Realität. Colin Harris interagierte mit einer sprachaktivierten Software, um Schäden an einer Windturbine auf der anderen Seite der Welt aus der Ferne zu beheben. Er sprach die Software mit „Twin“ an, und die beiden retteten in aller Ruhe innerhalb von Sekunden Millionen von Dollar. Das ist die Zukunft, oder?

Ja! Digitalisierung. Künstliche Intelligenz. Datenanalyse. Es gibt eine neue Technologiewelle in der Prozessindustrie. Digitale Zwillinge werden in vielen Branchen Realität. Die Bioprozessierung bildet da keine Ausnahme.

Dieser Artikel beleuchtet die Technologie des „digitalen Zwillings für Bioprozesse“ und zeigt auf, wie sie die Art und Weise verändert, wie wir Bioprozessentwicklung, Prozessvalidierung und GMP-Produktion durchführen.

Was ist ein digitaler Zwilling für Bioprozesse?

Es ist nur eine leichte Übertreibung zu sagen, dass der digitale Zwilling ein vollständiger Prozessassistent ist, der Zugriff auf alle historischen Daten und aktuellen Prozessbedingungen hat und die Zukunft auf Basis aller wirksamen Modelle simulieren kann.

Der digitale Zwillings für Bioprozesse bildet die komplette Prozesskette ab. Rohmaterialien zu einem Endprodukt. Das macht digitale Zwillinge sehr, sehr leistungsstark. Zum ersten Mal ist es möglich, kritische Qualitätsattribute (CQAs) in allen Verfahrensschritten vorherzusagen.

Faktisch handelt es sich bei dem digitalen Zwillings für Bioprozesse um ein umfassendes, integriertes mathematisches Modell der kompletten Prozesskette. Er läuft in Echtzeit und integriert Entwicklungs- und Echtzeitdaten. Er speist sich aus PAT-Daten, Qualitätsdaten und Zeitreihendaten. Digitale Zwillinge nutzen zusammengeführte ODE-, PDE- und Bayessche statistische Modelle. Und sie können kritische Qualitätsattribute und Leistungskennzahlen vorhersagen.

Wie setzen führende Biotech-Unternehmen mit dieser neuen Modellierungsleistung Bioprozess-Digitalzwillinge ein?

Wo setzen führende Biotech-Unternehmen Bioprozess-Digitalzwillinge ein?

Wir sprechen im Allgemeinen noch nicht mit digitalen Zwillingen, um unsere Bioprozessaufgaben zu lösen, wie Dr. Harris es tat. Aber ich glaube nicht, dass das der wichtigste Aspekt ist. Wichtig ist, wie der digitale Zwilling des Bioprozesses uns hilft, Kosten zu senken und die Prozessrobustheit zu erhöhen. Lesen Sie im Folgenden, wie digitale Zwillinge die Kosten für die Prozessentwicklung und Prozessvalidierung senken und eine teure Nachbearbeitung in der Fertigung verhindern:

Digitale Zwillinge senken Kosten in der Bioprozessentwicklung

Seit vielen Jahren entwickeln Biotech-Hersteller Plattform-Bioprozesse. Heute nutzen führende Biotech-Unternehmen Bioprozess-Plattformen mit digitalen Zwillingen. Digitale Zwillinge organisieren die Bioprozessentwicklung, schlagen Versuchsdesigns vor und verwalten neues Wissen. Dies senkt die Kosten für die Prozessentwicklung drastisch. Sie können dies tun, indem sie früheres Plattformwissen kombinieren, um zukünftige Prozessergebnisse vorherzusagen. Und jetzt, da das Konzept Wurzeln schlägt, kann es in nahezu jeder Prozessentwicklung eingesetzt werden.

Digitale Zwillinge reduzieren den Aufwand bei der Bioprozessvalidierung

Die Bioprozessvalidierung ist ein wesentlicher Schritt für die Kommerzialisierung jedes pharmazeutischen Arzneimittels. Und interessanterweise war die Prozessvalidierung eine der ersten berichteten Anwendungen digitaler Zwillinge. Digitale Zwillinge können Herstellern in vielerlei Hinsicht Millionen an Ausgaben einsparen, von der Reduzierung der Anzahl erforderlicher PPQ-Läufe bis hin zur Festlegung einer robusten Kontrollstrategie.

• In Prozesscharakterisierungsstudien, legen Biopharma-Unternehmen Akzeptanzkriterien und normale Betriebsbereiche mithilfe digitaler Zwillinge fest, die gut mit der Quality by Design Initiative der FDA abgestimmt sind.
• Während der Prozessleistungsqualifizierung (PPQ) berechnen Biopharma-Unternehmen die erforderliche Anzahl von PPQ-Chargen für die Validierung und nutzen digitale Zwillingsmodelle, um eine reduzierte Anzahl von PPQ-Durchläufen zu rechtfertigen.
• Für fortlaufende Prozessverifizierung (CVP), nutzen Biopharma-Unternehmen digitale Zwillinge, um Alarmgrenzen festzulegen, Veränderungen vorherzusagen und auf Trends zu reagieren.

Weitere Informationen zur führenden Nutzung digitaler Zwillinge in der Prozessvalidierung durch Biopharma-Unternehmen finden Sie im folgenden Artikel von Boehringer Ingelheim,Versatis, und Körber.
 

Digitale Zwillinge reduzieren Out-of-Spec-Ereignisse und unterstützen die Problemlösung in der cGMP-Fertigung

Digitale Zwillinge stellen ein universelles Werkzeug für den gesamten Lebenszyklus eines Bioprozesses dar. Sie entstehen aus Plattformprozessen. Sie reifen innerhalb der Prozessentwicklung und Prozessvalidierung. Schließlich kommen sie in der GMP-Fertigung an, wo sie ihr volles Potenzial entfalten:

• Bessere Spezifikationen, weniger Out-of-Spec-Ereignisse (OOS): Die Simulationen sagen die Spezifikationsabweichungen von Bulk-Substrat und Fertigprodukt besser voraus als einzelne Unit-Operation-Modelle. Mit diesen Simulationen können präzise Spezifikationen und Kontrollgrenzen für die Zwischenprodukte und Endergebnisse geschätzt werden. Dies führt zu weniger Abweichungen und OOS.
• Sagt nahtlos die Zukunft auf Basis vergangener Daten und aktueller Simulationen voraus: Die historischen Daten, die aktuellen Daten und die Modelle werden innerhalb der Simulation kombiniert, um die präziseste Vorhersage zu liefern, die angesichts der Komplexität von Bioprozessen möglich ist.
• Verbessert sich kontinuierlich selbst: Machine-Learning-Algorithmen können problemlos integriert werden, um neue Produktionsdaten aufzunehmen und die Modelle zu verbessern, wodurch im Laufe der Zeit zunehmend präzisere Modelle ermöglicht werden.
• Schnellere Problemlösung: Atypische Ergebnisse können auf Simulationen zurückverfolgt werden, um potenzielle Sonderursachen-Variationen zu untersuchen, ob univariat oder multivariat.

Was benötigen Sie, um einen digitalen Zwilling aufzubauen und zu betreiben?

Digitale Zwillinge für Bioprozesse nutzen Daten aus der Prozessentwicklung, Versuchsplanung, und der Fertigung; daher ist eine skalierbare, anlagenzentrierte Datenbasis für Fertigungs- und Entwicklungsdaten von entscheidender Bedeutung. Um digitale Bioprozess-Zwillinge aufzubauen, benötigen Sie Anlagenkonnektivität, statistische Analysen und mechanistische Modellierung in einer Umgebung. Zu diesem Zweck haben wir PAS-X Savvy Software, die erste Bioprocess-IoT-Softwareplattform. Die PAS-X Savvy Software organisiert Bioprozessdaten und Analyse-Workflows und ist die ideale Umgebung für die Ausführung digitaler Zwillinge von Bioprozessen.

Interessiert? Sprechen Sie noch heute einfach mit einem unserer Bioprozess-Datenwissenschaftler. Wir können die verschiedenen Datenquellen mit Ihnen durchgehen und Sie bei der Erstellung Ihrer digitalen Zwillinge für Bioprozesse unterstützen.