TU Wien och Sandoz GmbH har framgångsrikt implementerat en datorsimulering i realtid av det komplexa tillväxtbeteendet hos penicillinproducerande organismer. Denna simulering hjälper nu till att hålla produktionsprocessen under kontroll.

I tusentals år, mikroorganismer har använts för att underlätta kemiska reaktioner – vid ölbryggning, till exempel. Dock, biokemiska processer är otroligt komplexa, med en mängd reaktioner som äger rum samtidigt och som påverkar varandra. Det finns otaliga parametrar som spelar roll, som inte alla kan mätas direkt.

Trots svårigheterna, forskare vid TU Wien arbetar nu med att undersöka dessa processer i detalj. Nu, i samarbete med läkemedelstillverkaren Sandoz, TU Wien har lyckats analysera och heltäckande replikera en penicillinproduktionsprocess med hjälp av en datormodell. Denna process har till och med gjort det möjligt för forskare att fastställa parametrar som inte kan mätas direkt. Sandoz använder nu dessa resultat för att hela tiden ha en fullständig överblick över processerna i bioreaktorn, säkerställa optimal kvalitet.

Black box ersatt av fördjupad kunskap

Många kemiska reaktioner är lätta att förstå:om väte förbränns med syre, vatten produceras – på ett tydligt förutsägbart sätt och i en volym som kan beräknas exakt i förväg. Men hur kan man beräkna hur snabbt en svamp kommer att växa och föröka sig under de ständigt föränderliga förhållandena i en bioreaktor?

"Under en lång tid, processer som denna sågs som en "svart låda" som inte kan förstås och som bara kan utnyttjas effektivt med mycket erfarenhet, " säger prof. Christoph Herwig, som leder forskargruppen för bioprocessteknik vid TU Wiens Institute of Chemical, Miljö- och biovetenskaplig teknik. "Vårt tillvägagångssätt är något annorlunda:vi vill analysera de kemiska processerna i en bioreaktor i detalj och bestämma ekvationerna som beskriver dessa processer." Syftet är att ta fram en matematisk modell som exakt replikerar dessa processer i bioreaktorn.

"Många parametrar som är avgörande för processen kan helt enkelt inte mätas direkt, såsom mikroorganismernas tillväxthastighet, " förklarar Julian Kager, som arbetar med Sandoz GmbH som en del av sin avhandling. "Det är just därför en omfattande matematisk modell är så användbar:vi använder tillgänglig data från produktionsprocessen i realtid, såsom koncentrationen av olika ämnen i bioreaktorn, och använd vår datormodell för att beräkna det mest sannolika tillståndet i processen." De parametrar som inte kan mätas kan därför beräknas.

Modellinformationen kan användas för att optimera näringstillförseln till de odlade cellerna medan processen pågår.

Ekvationssystemet som används för att matematiskt beskriva bioprocessen är lika komplext och mångfacetterat som själva processen. "Ekvationssystemet beskriver ett icke-linjärt dynamiskt system. Även de minsta variationerna i startförhållandena kan ha en enorm inverkan, " förklarar Kager. "Detta betyder att det inte riktigt är möjligt att helt enkelt utarbeta en lösning för hand; istället, Det krävs relativt komplicerade datorsimuleringar för att erhålla de nödvändiga resultaten."

Processmodellen och algoritmerna som utvecklats vid TU Wien används nu av Sandoz GmbH för dess penicillinproduktionsprocess. "Vi är mycket glada över att vår grundforskning har antagits för användning i industrin så snabbt och att vår metod för biokemisk modellering nu används för att underlätta den automatiserade kontrollen av farmaceutiska produktionsprocesser, säger Julian Kager.