Process analytical technology in food biotechnology

Abstract

Biotechnology is an area where precision and reproducibility are vital. This is due to the fact that products are often in form of food, pharmaceutical or cosmetic products and therefore very close to the human being. To avoid human error during the production or the evaluation of the quality of a product and to increase the optimal utilization of raw materials, a very high amount of automation is desired. Tools in the food and chemical industry that aim to reach this degree of higher automation are summarized in an initiative called Process Analytical Technology (PAT). Within the scope of the PAT, is to provide new measurement technologies for the purpose of closed loop control in biotechnological processes. These processes are the most demanding processes in regards of control issues due to their very often biological rate-determining component. Most important for an automation attempt is deep process knowledge, which can only be achieved via appropriate measurements. These measurements can either be carried out directly, measuring a crucial physical value, or if not accessible either due to the lack of technology or a complicated sample state, via a soft-sensor.Even after several years the ideal aim of the PAT initiative is not fully implemented in the industry and in many production processes. On the one hand a lot effort still needs to be put into the development of more general algorithms which are more easy to implement and especially more reliable. On the other hand, not all the available advances in this field are employed yet. The potential users seem to stick to approved methods and show certain reservations towards new technologies.

Die Biotechnologie ist ein Wissenschaftsbereich, in dem hohe Genauigkeit und Wiederholbarkeit eine wichtige Rolle spielen. Dies ist der Tatsache geschuldet, dass die hergestellten Produkte sehr oft den Bereichen Nahrungsmitteln, Pharmazeutika oder Kosmetik angehöhren und daher besonders den Menschen beeinflussen. Um den menschlichen Fehler bei der Produktion zu vermeiden, die Qualität eines Produktes zu sichern und die optimale Verwertung der Rohmaterialen zu gewährleisten, wird ein besonders hohes Maß an Automation angestrebt. Die Werkzeuge, die in der Nahrungsmittel- und chemischen Industrie hierfür zum Einsatz kommen, werden in der Process Analytical Technology (PAT) Initiative zusammengefasst. Ziel der PAT ist die Entwicklung zuverlässiger neuer Methoden, um Prozesse zu beschreiben und eine automatische Regelungsstrategie zu realisieren. Biotechnologische Prozesse gehören hierbei zu den aufwändigsten Regelungsaufgaben, da in den meisten Fällen eine biologische Komponente der entscheidende Faktor ist. Entscheidend für eine erfolgreiche Regelungsstrategie ist ein hohes Maß an Prozessverständnis. Dieses kann entweder durch eine direkte Messung der entscheidenden physikalischen, chemischen oder biologischen Größen gewonnen werden oder durch einen SoftSensor. Zusammengefasst zeigt sich, dass das finale Ziel der PAT Initiative auch nach einigen Jahren des Propagierens weder komplett in der Industrie noch bei vielen Produktionsprozessen angekommen ist. Auf der einen Seite liegt dies mit Sicherheit an der Tatsache, dass noch viel Arbeit in die Generalisierung von Algorithmen gesteckt werden muss. Diese müsse einfacher zu implementieren und vor allem noch zuverlässiger in der Funktionsweise sein. Auf der anderen Seite wurden jedoch auch Algorithmen, Regelungsstrategien und eigne Ansätze für einen neuartigen Sensor sowie einen Soft-Sensors vorgestellt, die großes Potential zeigen. Nicht zuletzt müssen die möglichen Anwender neue Strategien einsetzen und Vorbehalte gegenüber unbekannten Technologien ablegen.