Teksti Kemia-lehti
Väitöstutkija Pauli Losoin mukaan bioreaktoreiden monipistesyöttöjä kannattaisi tutkia oikealla laitteistolla, koska simulaatioiden osoittamat hyödyt ovat olleet suuret.
Suurien bioreaktorien tuottavuus ja bioprosessien kannattavuus kärsivät sekoittumisen ja hapensiirron hitaudesta suhteessa reaktion nopeuteen. Ongelma koskee monen kemikaalin ja lääkeaineen tuotantoa.
Pauli Losoi osoittaa väitöskirjassaan, että analyyttisesti ratkaistut 1D-diffuusioyhtälöt soveltuvat nopeaan ja alustavaan bioreaktorien mallintamiseen. Aiemmin asiaa on tutkittu lähinnä numeerisilla malleilla, jotka vaativat paljon laskenta-aikaa ja -osaamista prosessisuunnittelun alkuvaiheissa.
Bioteknisissä prosesseissa saadaan mikrobi, kuten bakteeri tai hiiva, tai jokin muu solutyyppi tuottamaan lääkkeitä, kemikaaleja, biokatalyyttejä tai polttoaineita. Osa tuotteista voitaisiin valmistaa kemiallisestikin. Esimerkiksi bensiinin jatkeena käytetty etanoli ja proteiinilääkkeet, kuten hormonit, tuotetaan bioteknisesti.
Malli mahdollistaa nopeat arviot
Pauli Losoin kehittämä 1D-diffuusioyhtälöihin perustuva yleistetty malli mahdollistaa nopeat ja helposti laskettavat arviot oleellisten prosessimuuttujien jakaumista suurten bioreaktorien sisällä. Malli helpottaa suuren bioreaktorin mallintamista.
Varsinkin prosessisuunnittelun alustavissa arvioissa on hyödyllistä käyttää nimenomaan analyyttisesti ratkaistuja ja ilman suurempaa laskentakuormaa toimivia mallinnustapoja.
Losoin mukaan reaktorin sekoittumisongelmia voitaisiin ratkaista esimerkiksi jakamalla syöttö useaan pisteeseen reaktorin sisällä. Monipistesyöttöjä on tutkimuskirjallisuudessa maininnan tasolla ehdotettu ennenkin, mutta niiden optimaalista asettelua ja niillä saavutettavaa hyötyä ei ole järjestelmällisesti tutkittu.
”Simulaatioiden osoittamat hyödyt ovat niin suuret, että monipistesyöttöjä kannattaisi tutkia kokeellisesti oikealla laitteistolla.”
Tutkimuksen simulaatioissa isotkin, kymmenien ja jopa parin sadan kuutiometrin, bioreaktorit saatiin sekoittumaan kymmenien litrojen reaktorien veroisesti käyttämällä ihanteellisia syöttöasetteluja.
”Potkureihin tai turbiineihin perustuvan mekaanisen sekoittimen tehoa lisäämällä vastaava sekoittumisen paraneminen vaatisi jopa tuhatkertaisen tehon moottorilta, mikä on mahdotonta. Simulaatioiden osoittamat hyödyt ovat niin suuret, että monipistesyöttöjä kannattaisi tutkia kokeellisesti oikealla laitteistolla”, Losoi toteaa.
Yhden pisteen syöte ei ehdi sekoittua tasaisesti
Tutkimuksissa lupaavalta vaikuttavan prosessin siirto tuottomittakaavaan ei aina luonnistu mutkitta. Suurikokoisten reaktorien tarjoamat fysikaaliset puitteet poikkeavat pienempien laitteistojen olosuhteista.
”Reaktion nopeus voi ylittää sekoittumisen ja hapensiirron nopeudet, eikä perinteisesti yhden pisteen kautta lisätty syöte ehdi sekoittua tasaisesti. Tuottosolujen kannalta tämä on ylimääräinen rasite, minkä seurauksena bioprosessien tuottavuudet ja kannattavuudet kärsivät”, Pauli Losoi kertoo.
Ongelma on tunnistettu kokeellisesti ja myös tietokonesimulaatioissa. Tutkijat eivät kuitenkaan yleensä pääse käyttämään suuren mittakaavan reaktoreita, ja kokeellista aineistoa näiden toiminnasta on avoimesti saatavana niukasti. Kokeellista puolta paikkaavaa mallinnusta hallitsevat numeeriset simulaatiot, jotka tapaavat olla työläitä ja tapauskohtaisia.
Pauli Losoin väitöskirja Characterization of Large-Scale Bioreactors: Modeling Biological and Multi-Point Feed Approaches to Reactor Homogenization tarkistettiin 5.1.2024 Tampereen yliopistossa. Vastaväittäjänä toimi professori Peter Neubauer, Technische Universität Berli. Kustoksena toimi tenure track -professori Ville Santala Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnasta.
Lue lisää:
Pauli Losoin väitöskirja
Pauli Losoin sivu ORCID-tietokannassa (Open Researcher and Contributor ID)
