Integrierte bioprozedurale Datenanalyse

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Warum Tabellenkalkulationen in Industrie 4.0 scheitern – und wie integrierte bioprozedurale Datenanalyse echten Prozesswert erschließt.

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Illustration der Kundenproduktion und Prozessentwicklung, die den Unterschied zwischen einem Cloud- und einem On-Premises-Ansatz zeigt.

Bioprozessdaten schaffen Mehrwert für Biotech-Unternehmen. Ohne Zweifel. Beschleunigte Prozessentwicklung. Untersuchung & Fehlerbehebung. Exzellente Betriebsabläufe. Optimierungspotenzial einschätzen. Um nur einige Anwendungsfälle zu nennen. Industrie 4.0. Digitalisierung der Verarbeitungsumgebung. Neue Sensortechnologien und Anforderungen an die Datenintegrität verändern grundlegend, wie Prozessdaten verwaltet und analysiert werden. Infolgedessen ändern sich die Anforderungen an das Datenmanagement und die bioprozedurale Datenanalyse dramatisch. Heutzutage sind Datenquellen sehr komplex und multidimensional. Spektren von spektroskopischen Sensoren wie NIR und Raman, Bilder aus der Durchflusszytometrie und Inline-Mikroskopie, Massenspektrometrie-Chromatogramme, Zeitreihen-Sensordaten, Qualitätsdaten, Software Sensoren. Upstream. Downstream. Um nur einige zu nennen. Es bedarf neuer Lösungen, die in der Lage sind, alle prozessrelevanten Datentypen zu verwalten und zu analysieren.

Prozessdaten sind heute multidimensional und vielfältigen Ursprungs

Industrie 4.0 und Prozessdigitalisierung haben neue prozessanalytische Technologien hervorgebracht. Prozesse werden besser überwacht als je zuvor. Die technologischen Möglichkeiten, chemische, physikalische und biologische Daten aus der Fertigung zu gewinnen, sind kostengünstiger und präziser als je zuvor. Routinemäßig wird eine große Menge an Big-Process-Daten erfasst. Aber die Datenmenge ist nicht das Problem. Datenquellen sind heute multidimensional und müssen ganzheitlich abgestimmt und kontextualisiert werden, um wertschöpfende bioprozedurale Datenanalyse durchzuführen. Das ist ein Problem. Für integrierte bioprozedurale Datenanalyse müssen wir alle relevanten Datenquellen zusammenführen. Die folgenden Abbildungen geben einen kurzen Überblick über die Datentypen, die Ihnen in der Bioprozesstechnik begegnen.

Grafik, die die Beziehung zwischen Leitfähigkeit und Permittivität zeigt.
Grafik zur bioprozeduralen Datenanalyse
Grafikergebnisse zur bioprozeduralen Datenanalyse.
Grafikergebnisse zur bioprozeduralen Datenanalyse.
Grafik, die die Beziehung zwischen Leitfähigkeit und Permittivität zeigt.
Grafik zur bioprozeduralen Datenanalyse
Grafikergebnisse zur bioprozeduralen Datenanalyse.
Grafikergebnisse zur bioprozeduralen Datenanalyse.

Die neuen Datenquellen und neuartigen Sensortechnologien erfordern neue Wege zur Datenanalyse. Bislang ist es niemandem möglich, Spektraldaten, Sensordaten und Qualitätsdaten gleichzeitig zu analysieren. Daten befinden sich in mehreren Datenbanksystemen. Daten müssen für die Analyse kombiniert und umstrukturiert werden. Diesen Vorgang nennt man Data Wrangling (Datenaufbereitung).

Die gängigste Methode für Data Wrangling ist heute die Verwendung von Tabellenkalkulationsprogrammen. Die Daten werden aus verschiedenen historischen Datenbanken, Zeitreihendatenbanken, LIMS (Laboratory Information Management Systemen) oder MES-Systemen importiert. Anschließend beschäftigen sich ein Ingenieur oder eine Prozessdatenanalystin wochenlang mit Data Wrangling. Das Ergebnis ist eine hübsche Tabelle. Eine Tabellenkalkulation, die niemand sonst wiederverwenden kann. Es wird keine Datenintegrität gewährleistet. Es wird keine Rückverfolgbarkeit des Prozesses bereitgestellt; bedeutende Datensätze aus 2D- und 3D-Daten bleiben weiterhin außen vor. Heutzutage verbringen Ingenieure und Prozessanalysten den größten Teil ihrer Zeit der Aufbereitung von Daten anhand dem Einsatz von Tabellenkalkulationsprogrammen. Bei komplexeren Datenquellen ist die Verwendung von Tabellenkalkulationen sogar unmöglich.

„Ära der Industrie 4.0. Die Analyse von Prozessdaten mittels Tabellenkalkulationen ist nicht mehr praktikabel.“

Aber wie geht man mit der neuen Welle komplexer Datenquellen um? Wie lassen sich spektrale, Zeitreihen-, Bild- und Dokumentinformationen aufbereiten? Wie lassen sich Informationen gewinnen und diese Daten in kombinierter Form für Dashboarding, Analyse und Berichterstellung bereitstellen?

Analysieren Sie spektrale, Bild- und Zeitreihenprozessdaten in einem Schritt

Die Lösung ist integrierte bioprozedurale Datenanalyse. Integrierte bioprozedurale Datenanalyse nutzt Daten aus Zeitreihendatenbanken, Spektraldatenbanken, MES-Systemen und LIMS-Systemen. Daten werden aufbereitet, um für die bioprozedurale Datenanalyse verfügbar zu sein. Einzigartig an der integrierten bioprozedurale Datenanalyse ist die Fähigkeit, Merkmale (sogenannte Process Performance Indicators = PPI) aus den Datenquellen zu gewinnen. Beispielsweise werden Zeitreihendaten zu einzelnen Werten von PPIs mit hoher Aussagekraft verdichtet, wie Mittelwert, Median und Standardabweichungen.

Ein neuer Weg für bioprozedurale Datenanalyse – integrierte Datenanalyse

Dasselbe tun wir für Dokument-/Bildinformationen. Algorithmen gewinnen PPIs aus Bildern. Wir extrahieren Merkmale wie Rauheit, Kompaktheit, Sättigung. Dasselbe geschieht für spektrale oder chromatographische Daten, bei denen nicht nur Peakhöhen, sondern auch 1. und 2. Ableitungen sowie Tailing-Eigenschaften erfasst werden. Algorithmen gewinnen PPIs aus Spektraldaten. Dies geschieht in einer Feature-Mining-Engine, die speziell für die Gewinnung von PPIs aus komplexen Datensätzen entwickelt wurde. Als Ergebnis erhalten Sie Prozessleistungsindikatoren aus Ihren Datensätzen.

Basierend auf Prozessleistungsindikatoren ist die bioprozedurale Datenanalyse einfach. Sie können Ihre PPIs über ein Dashboard verwalten, um Technologietransfers, Scale-ups, Prozesscharakterisierungen und die kontinuierliche Prozessverifizierung durchzuführen. Sie können visuelle Analysen für Ingenieure und Wissenschaftler bereitstellen oder Datenwissenschaftlern Zugriff auf diese Informationen gewähren, um Vorhersage- und maschinelle Lernalgorithmen auszuführen.

  • Data Wrangling (Datenaufbereitung)
    Komplexe Daten werden in einem System verarbeitet, das in der Lage ist, mit Zeitreihen-, Bild- und Spektraldaten umzugehen. Die Daten werden kontextualisiert und sind bereit für wertschöpfende Datenanalyse.

  • Prozessleistungsindikatoren (PPIs) (PPIs)
    Eine Feature-Mining-Engine gewinnt Prozessleistungsindikatoren aus Sensordaten, Bildern und Aufnahmen.
  • Datenanalyse
    Wissenschaftler/Ingenieure und Manager analysieren Prozessleistungsindikatoren für die gesamte Prozesskette.


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PAS-X Savvy Software ist die erste Softwareplattform, die sich der integrierten Prozessanalyse auf Basis ganzheitlicher PPI-Analyse widmet. Bereiten Sie alle prozessrelevanten Datenquellen auf und analysieren Sie diese. Die einzigartige Feature-Mining-Engine ermöglicht die Umwandlung komplexer Daten in leicht zugängliche PPIs. Dashboard- und multivariate Analysefunktionalität. Analysieren Sie alle Ihre Daten. Schnell. Intuitiv. In Echtzeit.

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Prof. Dr. Christoph Herwig, Senior Scientific Advisor, Körber Business Area Pharma

Prof. Dr. Christoph Herwig

Senior Scientific Advisor, Körber-Geschäftsfeld Pharma

Prof. Christoph Herwig wurde 2008 zum ordentlichen Professor für Bioverfahrenstechnik ernannt, nachdem er zuvor eine Führungsposition in der biopharmazeutischen Industrie innegehabt hatte. Zu seinen Forschungsgebieten zählen Fermentationstechnik, Bioprozessentwicklung und biotechnologische Produktion – wobei er stets eine Brücke zwischen der skalierbaren Bioprozessentwicklung und der Anlagenplanung schlägt.

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