Life-Science-Unternehmen beschleunigt die biopharmazeutische Forschung und Entwicklung mit einer dedizierten CAE-Abteilung
Sartorius verlässt sich auf seine Abteilung für Computer-Aided Engineering (CAE), um Geräte für die Herstellung von Biopharmazeutika zu optimieren.
Von Joseph Carew
September 2025
Biopharmazeutika sind wirksame Behandlungsmethoden für Krankheiten wie Krebs, Multiple Sklerose und Rheuma. Diese neuartigen Arzneimittel sind hochkomplex und ihre Herstellung erfordert Bioreaktoren, biotechnologische Verfahren sowie einen erheblichen Zeit- und Ressourcenaufwand. Die Abteilung für Computer Aided Engineering (CAE) des internationalen Pharmazie- und Laborgeräteherstellers Sartorius hat festgestellt, dass der Einsatz der Software COMSOL Multiphysics® ihnen dabei hilft, häufige Herausforderungen in der Produktion zu meistern, indem sie die Entwicklung beschleunigt, die Anzahl der Prototypen reduziert, Innovationen unterstützt und Tests optimiert.
Eines von Zehntausend: Die Herstellung eines erfolgreichen Biopharmazeutikums
Ein Biopharmazeutikum ist ein pharmazeutisches Arzneimittel, das aus biologischen Quellen hergestellt, extrahiert oder synthetisiert wurde. Im Gegensatz zu chemischen Arzneimitteln können Biopharmazeutika auf bestimmte Zellen zugeschnitten sein und unter anderem Impfstoffe, somatische Zellen, Gewebe und Vollblut umfassen. Ein aktuelles, bemerkenswertes Beispiel für den Erfolg von Biopharmazeutika ist der COVID-19-Impfstoff. Biopharmazeutika verfügen zwar über beeindruckende Fähigkeiten, doch der Entwicklungsprozess birgt auch Herausforderungen.
„Nur einer von zehntausend neuen Arzneimittelkandidaten kommt auf den Markt“, sagt Dr. Friedrich Maier, leitender Wissenschaftler für CAE-Simulation bei Sartorius. „Ein Medikament erfordert Investitionen von über 2 Milliarden Euro in die Entwicklung, ganz zu schweigen vom erheblichen Zeitaufwand.“ (Abbildung 1)
Biopharmazeutika sind vor allem aufgrund ihrer komplexen molekularen Struktur, der speziellen Herstellungsverfahren und der regulatorischen Anforderungen in der Branche teuer in der Entwicklung. Insbesondere physische Experimente sind kostspielige Investitionen. Modellierung und Simulation entlasten hier und reduzieren die Abhängigkeit von solchen Experimenten. Die Modelle richtig zu erstellen kann jedoch schwierig sein, denn die nachzubildenden biologischen Prozesse sind komplex, unterliegen starken Schwankungen und lassen sich nicht einfach replizieren. Sartorius unterstützt seine Kunden aus den Bereichen Biopharma und Life Science durch die sorgfältige Integration der biologischen Prozesse in seine Geräte, um die Fehlerfortpflanzung zu minimieren und die Produktausbeute zu maximieren.
Einrichtung einer CAE-Abteilung und Optimierung der Entwicklung
Im Jahr 2019 führte Sartorius eine interne CAE-Abteilung ein, um die Herausforderungen in der Produktion zu bewältigen, und Maier wusste genau, wo er ansetzen musste: „Unser erster Schritt bestand darin, die Tools zu definieren, die wir einsetzen wollten“, erklärt er.
Maier und sein Team suchten nach Möglichkeiten, den Austausch von Erkenntnissen und Ergebnissen zwischen den Ingenieuren, die die Geräte entwickelten, und den Wissenschaftlern, die den Prozess untersuchten, zu verbessern. Das Team entschied sich für die Software COMSOL Multiphysics®, die seitdem zu einem wichtigen Bestandteil des CAE-Toolkits und zu einem wesentlichen Faktor für eine erfolgreiche Kommunikation und Problemlösung geworden ist.
Die CAE-Abteilung schulte Ingenieure in der Verwendung von Simulationssoftware, um eine interne Simulationscommunity aufzubauen, die Qualitätsprüfungen für die Projekte des Unternehmens durchführen kann. „Unsere Probleme werden durch die Physik, den Prozess, die Dimensionen in Raum und Zeit sowie durch die Materialien oder Materialwechselwirkungen definiert, die bei den Modellierungsansätzen berücksichtigt werden müssen“, erklärt Maier.
Nach einigen Jahren des Bestehens der CAE-Abteilung bei Sartorius verfügt das Team nun über einen etablierten Entwicklungsprozess, der einen CAE- und einen V-Modell-Ansatz kombiniert. „In der Ideenphase betrachten wir das Kostenniveau, schlüsseln es auf die Hauptpositionen auf und bauen dann, sobald wir die internen Prozesse verstanden haben, wieder eine Systemebene auf“, sagt Maier. Dieser Ansatz erstreckt sich über die gesamte Produktionskette, einschließlich der ausgereiften Phasen, in denen Experten hinzugezogen werden, um das Design zu optimieren, Ideen zur Produktverbesserung auszutauschen und schließlich einen digitalen Prototyp zu erstellen.
Die CAE-Abteilung bei Sartorius ist an einer Vielzahl von Projekten beteiligt, die verschiedene Größenordnungen umfassen und ein breites Spektrum an biopharmazeutischen Geräten abdecken. Jedes Projekt wird unabhängig durchgeführt, was fokussierte Innovationen ermöglicht. In einer Initiative entwickelte das Team beispielweise einen Bioreaktor. Gleichzeitig wurde unabhängig vom Bioreaktorprojekt die 3D-Modellierung von Membranstrukturen im Mesobereich erforscht. Die Erkenntnisse aus diesem Mesomodell verbessern jedoch das Design von Filtern, die integrale Bestandteile von Bioreaktoranlagen und anderen biopharmazeutischen Geräten sind (Abbildung 2).
Die meisten ihrer Simulationen finden in diesem Makrobereich statt, aber Maier und das CAE-Team untersuchen auch Systeminteraktionen. „Betrachtet man die gesamte Wertschöpfungskette vom Rohstoff bis zum Medikament, so gibt es eine Vielzahl von Anforderungen, die auf unseren Schreibtischen landen, angefangen bei Pipetten über Mischer, den nachgelagerten Bereich bis hin zu zahlreichen Filtrationschromatographie-Schritten, dem Einfrieren und der endgültigen Abfüllung, bis wir die Medikamentendosis erreichen“, erklärt Maier. Angesichts dieser breiten Projektpalette muss das CAE-Team in der Lage sein, mehrere physikalische Bereiche zu modellieren.
„Biopharma ist multiphysikalisch“, sagt Maier. „Bei unseren Produkten müssen wir uns auf die Strukturmechanik konzentrieren, die die Robustheit der Geräte gewährleistet, aber wir müssen auch die Strömungsmechanik berücksichtigen und die Performance kennen. Wir haben es überall mit Flüssig-Systemen zu tun... und hier ist COMSOL Multiphysics definitiv sehr hilfreich.“
Vom Modell zum serienreifen Gerät
Die CAE-Abteilung von Sartorius hat COMSOL Multiphysics häufig für spezielle CFD-Anwendungen wie Mischer und poröse Medien eingesetzt. Darüber hinaus hat sie an Projekten gearbeitet, bei denen Vereisung, Schweißen, reaktiver Transport, Wärmetransportprozesse und Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) berücksichtigt werden mussten. Durch den Einsatz der gleichungsbasierten Modellierung hat Maier auch Steuerungen und Regelprozesse integriert, um die Designleistung zu verbessern, die Entwicklungszeiten zu verkürzen und den Prototypenbau zu reduzieren.
Die Simulationen der CAE-Abteilung haben Experten im gesamten Unternehmen detaillierte Einblicke in vielfältige Phänomene ermöglicht. Bei der Ursachenanalyse können die Experten ihr Wissen durch Erkenntnisse ergänzen, die mit praktischen Tests nicht möglich wären, beispielsweise mit Einblicken in das Innere eines Geräts. Die Simulation unterstützt auch die Konstrukteure von Sartorius bei ihren Testprozessen.
„Wir hinterfragen die Tests und die Tests hinterfragen uns. Es ist also ein ständiger Austausch“, erklärt Maier. Die Ergebnisse können Unsicherheiten sowohl in den Tests als auch in den Simulationen aufzeigen. Auf dieser Grundlage kann das Team die Tests um zusätzliche Simulationen oder schwer messbare Kennzahlen erweitern und so seine Testbemühungen optimieren.
Entwicklung von Bioreaktorzubehör mit einem einzigen Prototypen
Während der COVID-19-Pandemie hat das Univessel® SU-Bioreaktorportfolio gezeigt, wie wichtig hochwertige Produkte für die Herstellung von Biopharmazeutika sind. Der ursprüngliche Univessel® SU-Bioreaktor war eine Schlüsselkomponente bei der Produktion des ersten COVID-19-Impfstoffs von BioNTech, und aufgrund dieses Erfolgs beschloss Sartorius, ihn durch zusätzliche Funktionen und Größen zu erweitern. Eine dieser Funktionen ist ein wichtiges Bioreaktor-Zubehör: ein Heizmantel. Die Entwicklung des Heizmantels entspricht dem typischen Ansatz der CAE-Abteilung. Das Team begann seine Untersuchungen mit einem handelsüblichen Heizmantel, der jedoch nicht effizient genug war, und beschloss, ein besseres Design zu modellieren. Die Erstellung des Modells für das neue Heizmanteldesign (Abbildung 3) umfasste CFD, Wärmetransport und gleichungsbasierte Modellierung, um die Sensoren, Schalter und Regler zu berücksichtigen. Laut Maier lieferten die Ergebnisse dem Entwicklungsteam klare Empfehlungen, beispielsweise wo Schalter und Sensoren platziert und wie die Heizung verteilt werden sollten, was zu intelligenten Designs führte.
„Wir haben eine hervorragende transiente Simulation erzielt und konnten daraus ein optimiertes Design ableiten“, so Maier. Die Simulation und die realen Experimente ergaben übereinstimmende Temperaturwerte, sodass das Team nur einen einzigen Prototyp seines Designs herstellen musste (Abbildung 4).
Dank der Tools, die dem CAE-Team von Sartorius zur Verfügung stehen, hat das Unternehmen eine effiziente und leistungsstarke Abteilung aufgebaut, die die Herausforderungen der biopharmazeutischen Produktion meistert und dabei ein Ziel vor Augen hat: „Wir möchten Wissenschaftler und Ingenieure in die Lage versetzen, Fortschritte in den Bereichen Life Science und Bioprozessierung zu vereinfachen und zu beschleunigen und ihnen die Entwicklung neuer, besserer und erschwinglicherer Medikamente ermöglichen“, sagt Maier.
Univessel ist eine eingetragene Marke der Sartorius Stedim Biotech GmbH.
