Monipistesyötöillä on mahdollista lieventää bioreaktoreiden sekoittumisongelmia merkittävästi, ilmenee Tampereen yliopistossa tehdystä väitöstutkimuksesta.

Suurten bioreaktorien tuottavuus ja bioprosessien kannattavuus kärsivät sekoittumisen ja hapensiirron hitaudesta suhteessa reaktion nopeuteen.

Ongelma koskee monen kemikaalin ja lääkeaineen tuotantoa.

Asiaa on tutkittu lähinnä numeerisilla malleilla, jotka vaativat paljon laskenta-aikaa ja -osaamista prosessisuunnittelun alkuvaiheissa.

Diplomi-insinööri Pauli Losoi osoittaa väitöskirjassaan, että analyyttisesti ratkaistut 1D-diffuusioyhtälöt tarjoavat hyvän keinon bioreaktorien nopeaan alustavaan mallintamiseen.

Yhden pisteen syöte ei ehdi sekoittua

Bioteknisissä prosesseissa saadaan mikrobi, kuten bakteeri tai hiiva, tai jokin muu solutyyppi tuottamaan lääkkeiden ja kemikaalien lisäksi esimerkiksi biokatalyytteja tai polttoaineita.

Vaikkapa bensiinin jatkeena käytetty etanoli sekä hormonit ja muut proteiinilääkkeet valmistetaan bioteknologian keinoin..

Pauli Losoin mukaan tutkimuksissa lupaavalta vaikuttavan prosessin siirto tuotantomittaan ei kuitenkaan aina luonnistu, sillä pienten ja isojen laitteistojen fysikaaliset puitteet ovat erilaiset.

”Reaktion nopeus voi ylittää sekoittumisen ja hapensiirron nopeudet, eikä perinteisesti yhden pisteen kautta lisätty syöte ehdi sekoittua tasaisesti”, Losoi kuvailee.

”Tuottosolujen kannalta tämä on ylimääräinen rasite, minkä seurauksena bioprosessien tuottavuudet ja kannattavuudet kärsivät.”

Helposti laskettavat arviot

Ongelma on tunnistettu kokeellisesti ja myös simulaatioissa. Tutkijat eivät kuitenkaan yleensä pääse käyttämään suuren mitan reaktoreita, ja kokeellista aineistoa niiden toiminnasta on saatavilla niukasti.

Mallinnusta puolestaan hallitsevat numeeriset simulaatiot, jotka usein ovat työläitä ja lisäksi tapauskohtaisia.

Losoin kehittämä 1D-diffuusioyhtälöihin perustuva yleistetty malli mahdollistaa nopeat ja helposti laskettavat arviot oleellisten prosessimuuttujien jakaumista suurten bioreaktorien sisällä.

Varsinkin prosessisuunnittelun alustavissa arvioissa hyödyllisiä ovat nimenomaan analyyttisesti ratkaistut mallinnustavat, jotka eivät aiheuta suurta laskentakuormaa.

”Kannattaisi tutkia oikealla laitteistolla”

Pauli Losoin mukaan reaktorin sekoittumisongelmia voitaisiin ratkoa jakamalla syöttö useaan pisteeseen reaktorin sisällä.

Monipistesyöttöjä on ehdotettu ennenkin, mutta niiden optimaalista asettelua ja niillä saavutettavaa hyötyä ei ole järjestelmällisesti tutkittu.

Losoin tutkimuksessa jopa parinsadan 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.”

(Kuva Jin Luo) Pauli Losoin biotekniikan alaan kuuluva väitöskirja Characterization of Large-Scale Bioreactors: Modeling Biological and Multi-Point Feed Approaches to Reactor Homogenization tarkastetaan Tampereen yliopistossa 5. tammikuuta 2024.