TU Wien en Sandoz GmbH hebben met succes een realtime computersimulatie geïmplementeerd van het complexe groeigedrag van penicilline-producerende organismen. Deze simulatie helpt nu om het productieproces onder controle te houden.

Voor duizenden jaren, micro-organismen zijn gebruikt om chemische reacties te vergemakkelijken – bij het brouwen van bier, bijvoorbeeld. Echter, biochemische processen zijn ongelooflijk complex, met een veelheid aan reacties die tegelijkertijd plaatsvinden en elkaar beïnvloeden. Er zijn talloze parameters die een rol spelen, die niet allemaal direct kunnen worden gemeten.

Ondanks de moeilijkheden die ermee gepaard gaan, onderzoekers van de TU Wien zijn nu bezig om deze processen nader te onderzoeken. Nutsvoorzieningen, in samenwerking met farmaceutisch fabrikant Sandoz, De TU Wien is erin geslaagd om met een computermodel een productieproces voor penicilline te analyseren en volledig te repliceren. Dit proces heeft onderzoekers zelfs in staat gesteld parameters te bepalen die niet direct kunnen worden gemeten. Sandoz maakt nu gebruik van deze bevindingen om te allen tijde een volledig overzicht te houden van de processen in de bioreactor, zorgen voor een optimale kwaliteit.

Black box vervangen door diepgaande kennis

Veel chemische reacties zijn gemakkelijk te begrijpen:als waterstof wordt verbrand met zuurstof, water wordt geproduceerd – op een duidelijk voorspelbare manier en in een vooraf nauwkeurig te berekenen hoeveelheid. Maar hoe bereken je hoe snel een schimmel groeit en woekert onder de steeds veranderende omstandigheden in een bioreactor?

"Voor een lange tijd, processen als deze werden gezien als een 'black box' die niet te begrijpen is en die alleen met veel ervaring effectief kan worden benut, " zegt prof. Christoph Herwig, die de onderzoeksgroep voor bioprocestechnologie leidt aan het Institute of Chemical van de TU Wien, Milieu- en bio-ingenieurswetenschappen. "Onze aanpak is iets anders:we willen de chemische processen in een bioreactor in detail analyseren en de vergelijkingen bepalen die deze processen beschrijven." Het doel is om een ​​wiskundig model te produceren dat deze processen nauwkeurig repliceert binnen de bioreactor.

"Veel parameters die essentieel zijn voor het proces zijn eenvoudigweg niet direct meetbaar, zoals de groeisnelheid van de micro-organismen, " legt Julian Kager uit, die in het kader van zijn proefschrift met Sandoz GmbH werkt. “Juist daarom is een uitgebreid wiskundig model zo handig:we gebruiken realtime toegankelijke data uit het productieproces, zoals de concentratie van verschillende stoffen in de bioreactor, en gebruik ons ​​computermodel om de meest waarschijnlijke toestand van het proces te berekenen." De parameters die niet kunnen worden gemeten, kunnen dus worden berekend.

De modelinformatie kan worden gebruikt om de nutriëntentoevoer naar de gekweekte cellen te optimaliseren terwijl het proces gaande is.

Het systeem van vergelijkingen dat wordt gebruikt om het bioproces wiskundig te beschrijven, is net zo complex en veelzijdig als het proces zelf. "Het systeem van vergelijkingen beschrijft een niet-lineair dynamisch systeem. Zelfs de kleinste variaties in de startomstandigheden kunnen een enorme impact hebben, ", legt Kager uit. "Hierdoor is het niet echt mogelijk om zomaar een oplossing met de hand uit te werken; in plaats daarvan, relatief uitgebreide computersimulaties zijn nodig om de benodigde resultaten te verkrijgen."

Het procesmodel en de algoritmen die aan de TU Wien zijn ontwikkeld, worden nu door Sandoz GmbH gebruikt voor het productieproces van penicilline. "We zijn erg blij dat ons basisonderzoek zo snel is aangenomen voor gebruik in de industrie en dat onze benadering van biochemische modellering nu wordt gebruikt om de geautomatiseerde controle van farmaceutische productieprocessen te vergemakkelijken, ' zegt Julian Kager.