M²Aind BioProcess Monitoring entwickelt eine multimodale, komplementäre Überwachung von biotechnologischen Fermentationsprozessen auf Basis von Ionenmobilität und FT-IR. Es legt die Basis für den Aufbau einer Deep Learning-Plattform zur digitalisierten Qualitäts- und Quantitätssicherung von Herstellungsprozessen.

In der industriellen Biotechnologie werden komplexe Herstellprozesse zur Produktion wichtiger Biopharmaka, Lebensmittel oder Halbprodukte genutzt und stellen damit einen wesentlichen Baustein in der modernen Prozessindustrie dar. Im Gegensatz zu anderen (chemischen) Prozessen erfolgt hierbei die Überwachung der Fermentationen immer noch relativ simpel, z.B. durch Bilanzmessung von pH-Werten, CO2 und O2. Für eine Optimierung der Ausbeuten und ein umfassendes Prozessverständnis im Sinne eines nachhaltigen, ressourcenschonenden Verfahrens besteht an dieser Stelle des Prozesses ein Verbesserungsbedarf.

M²Aind BioProcess Monitoring soll daher einen neuen Weg gehen und eine komplementäre, multimodale Überwachungsplattform aufbauen, die mittels Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS) die Gasphase und mittels FT-IR die flüssige Phase charakterisieren kann. Die aus den beiden Kompartimenten erzeugten Daten sind idealerweise komplementär und können durch intelligente Kombination zu einem besseren Verständnis der Vorgänge führen. Zur Anwendung kommen robuste, hochleistungsfähige Sensoren, die hochdimensionale Daten erfassen können und sich für die Verarbeitung per maschinellem Lernen eignen können. Aufgrund der hohen Komplexität solcher Datenströme sind moderne und neuartige Machine Learning (ML) und Deep Learning (DL)-Ansätze erforderlich, die bislang in diesem Bereich noch nicht existieren.

Das Vorhaben schafft hierfür notwendige Grundlagen. Mithilfe von ML-/DL-Techniken können Prozesse nicht nur quantitativ erfasst (z.B. Bestimmung Substratkonzentration), sondern auch in ihrem Zustand und ihrer Qualität beurteilt werden. Ziel ist es, in der M²Aind-Partnerschaft bis zum Ende der Intensivierungsphase eine solche ML-/DLPlattform für Beispielprozesse zu etablieren, somit die Grundlage für die Digitalisierung von Fermentationsprozessen zu schaffen und den Transfer in die Praxis anzustoßen.