Development of an interactive Escherichia coli fed-batch fermentation simulation

Abstract

Biofermentationen sind der hochgradig arbeits-, material- und zeitintensive Kern der Herstellungsprozesse zahlloser pharmazeutischer Produkte. Ihr Setup und ihre Durchführung sind äußerst komplex und erfordern eine umfassende Ausbildung der eingesetzten Operatoren. Da dies mit den aufgezeigten Investitionen an Ressourcen verbunden ist, werden zunehmend Simulationen entwickelt, um diese Ausbildung ökonomisch tragbarer zu gestalten. Neue Operatoren können somit ausgebildet werden, indem sie virtuelle anstelle von realen Prozessen betreuen. Eine solche Simulation ist BIOSIM, welche ursprünglich von Prof. Dr.-Ing. R. Luttmann zu Beginn des 21. Jahrhunderts entwickelt wurde. In den vergangenen Jahren war BIOSIM ein essenzieller Bestandteil der Ausbildung der Studenten des Masterprogramms Pharmaceutical Biotechnology der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg in der Durchführung von komplexen Batch und Fed-Batch Fermentationsprozessen. Neue Technologien und das Überkommen alter Hardwarelimitationen machen dennoch Verbesserungen von bestehenden Systemen möglich. Aus diesem Grund wurde in dieser Masterarbeit eine neue Simulation entwickelt, um die Rolle BIOSIMs zu übernehmen. Diese neue Simulationsapplikation enthält zusätzliche Funktionalitäten für das Zeichnen und Auswerten der generierten Daten, welche die Notwendigkeit ergänzender Software erübrigen. Sie wurde mit dem MATLAB ® App Designer konzipiert und kann als eigenständiges Programm ausgeführt werden. Zudem beinhaltet sie dasselbe mathematische Modell des Wachstums von Escherichia coli K12 in einem BIOSTAT ED 15 l Bioreaktor wie BIOSIM, zusammen mit virtueller Prozesssteuer und -regelung. Zugriff auf beides erfolgt durch eine graphische Nutzeroberfläche. Eine Gegenüberstellung von BIOSIM und der neuen Simulationsapplikation zeigt, dass diese vergleichbare Ergebnisse generieren, die neue Simulation jedoch maßgebliche Verbesserungen in Bezug auf Zugänglichkeit, erforderliche Setup Zeit und Umgang mit den generierten Daten mit sich bringt. Verglichen mit einer weiteren verfügbaren Trainingssoftware weist die neue Simulationsapplikation eine höhere Anpassbarkeit bezüglich des simulierten experimentellen Setups, der Prozesskontrolle und -steuerung sowie Visualisierung der generierten Daten auf.

Biofermentations are the highly labor-, material-, and time-intensive heart of the manufacturing processes of countless pharmaceutical products. Their setup and operation are exceedingly sophisticated and require the operator to complete thorough training. As this is associated with the aforementioned significant resource investments, simulations of such biofermentations can be developed to make this training more economically viable. New operators can thus be trained by operating a virtual process instead of a physical one. One such simulation is BIOSIM, which was originally conceived by Prof. Dr.-Ing. R. Luttmann at the beginning of the 21st century. For the past years, BIOSIM has been indispensable for training students of the Master’s program Pharmaceutical Biotechnology at the University of Applied Sciences Hamburg in the operation of complex batch and fed-batch fermentation processes. Still, as new technology arises and former limitations of hardware subside, improvements to existing systems become feasible. As such, in this Master’s thesis, a new simulation was developed to take over the role of BIOSIM. This new simulation application does not require specific hardware and includes additional functionalities, which eliminate the need to plot and evaluate the generated data with supplementary software. It was developed using MATLAB® App Designer and can be run as a standalone program. The application includes the same mathematical model of Escherichia coli K12 growth in a BIOSTAT ED 15 l bioreactor as BIOSIM in addition to virtual process control, both of which can be accessed through a graphical user interface. A comparison of the new simulation and BIOSIM shows that it is capable of generating the same results as BIOSIM while making substantial improvements regarding accessibility, required setup time, and handling of generated data. When compared to another available educational biofermentation simulation, the new application showed enhanced customizability regarding simulated experimental setup, process control, and visualization of generated data.