Digital penicillinproduktion

TU Wien og Sandoz GmbH har med succes implementeret en computersimulering i realtid af penicillinproducerende organismers komplekse vækstadfærd. Denne simulering hjælper nu med at holde produktionsprocessen under kontrol.

I tusinder af år, mikroorganismer er blevet brugt til at lette kemiske reaktioner – i ølbrygning, for eksempel. Imidlertid, biokemiske processer er utroligt komplekse, med et væld af reaktioner, der finder sted samtidigt og påvirker hinanden. Der er utallige parametre, der spiller en rolle, som ikke alle kan måles direkte.

På trods af vanskelighederne, forskere ved TU Wien arbejder nu på at undersøge disse processer i detaljer. Nu, i samarbejde med medicinalproducenten Sandoz, Det er lykkedes TU Wien at analysere og omfattende replikere en penicillinproduktionsproces ved hjælp af en computermodel. Denne proces har endda gjort det muligt for forskere at bestemme parametre, der ikke kan måles direkte. Sandoz gør nu brug af disse resultater til til enhver tid at have et fuldt overblik over processerne i bioreaktoren, sikre optimal kvalitet.

Black box erstattet af dybdegående viden

Mange kemiske reaktioner er lette at forstå:hvis brint forbrændes med ilt, vand produceres – på en klart forudsigelig måde og i en mængde, der kan beregnes præcist på forhånd. Men hvordan kan man beregne, hvor hurtigt en svamp vil vokse og formere sig under de konstant skiftende forhold i en bioreaktor?

"I lang tid, processer som denne blev set som en 'sort boks', der ikke kan forstås, og som kun kan udnyttes effektivt med en masse erfaring, " siger prof. Christoph Herwig, som leder forskningsgruppen for bioprocesteknologi ved TU Wiens Institut for Kemi, Miljø- og biovidenskabsteknik. "Vores tilgang er noget anderledes:vi ønsker at analysere de kemiske processer i en bioreaktor i detaljer og bestemme de ligninger, der beskriver disse processer." Målet er at producere en matematisk model, der nøjagtigt replikerer disse processer i bioreaktoren.

"Mange parametre, der er vitale for processen, kan simpelthen ikke måles direkte, såsom væksthastigheden af ​​mikroorganismerne, " forklarer Julian Kager, der arbejder med Sandoz GmbH som en del af sin afhandling. "Det er netop derfor, en omfattende matematisk model er så nyttig:vi bruger tilgængelige data fra produktionsprocessen i realtid, såsom koncentrationen af ​​forskellige stoffer i bioreaktoren, og brug vores computermodel til at beregne den mest sandsynlige tilstand af processen." De parametre, der ikke kan måles, kan derfor beregnes.

Modeloplysningerne kan bruges til at optimere næringsstoftilførslen til de dyrkede celler, mens processen er i gang.

Systemet af ligninger, der bruges til matematisk at beskrive bioprocessen, er lige så komplekst og mangefacetteret som selve processen. "Ligningssystemet beskriver et ikke-lineært dynamisk system. Selv de mindste variationer i startforholdene kan have en enorm indflydelse, " forklarer Kager. "Det betyder, at det ikke rigtig er muligt at finde en løsning i hånden; i stedet, relativt komplicerede computersimuleringer er nødvendige for at opnå de nødvendige resultater."

Procesmodellen og algoritmerne udviklet på TU Wien bliver nu brugt af Sandoz GmbH til sin penicillinproduktionsproces. "Vi er meget glade for, at vores grundforskning er blevet vedtaget til brug i industrien så hurtigt, og at vores tilgang til biokemisk modellering nu bliver brugt til at lette den automatiserede kontrol af farmaceutiske produktionsprocesser, siger Julian Kager.