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.
– 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, Losoi kertoo.
Ongelma on tunnistettu kokeellisesti ja myös tietokonesimulaatioissa. Tutkijat eivät kuitenkaan yleensä pääse käyttämään suuren mittakaavan reaktoreita, ja kokeellista aineistoa niiden toiminnasta on avoimesti saatavana verraten niukasti. Kokeellista puolta paikkaavaa mallinnusta hallitsevat numeeriset simulaatiot, jotka tapaavat olla työläitä ja tapauskohtaisia.
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.
Hänen mukaansa 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.
– Tutkimukseni 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.
Väitöstilaisuus perjantaina 5. tammikuuta
Diplomi-insinööri Pauli Losoin biotekniikan alaan kuuluva väitöskirja Characterization of Large-Scale Bioreactors: Modeling Biological and Multi-Point Feed Approaches to Reactor Homogenization tarkastetaan julkisesti Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnassa perjantaina 5.1.2024 klo 12 Festian salissa Pieni sali 1 (Korkeakoulunkatu 8, Tampere).
Vastaväittäjänä toimii professori Peter Neubauer (Technische Universität Berlin). Kustoksena toimii tenure track -professori Ville Santala Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnasta.
Seuraa väitöstilaisuutta etäyhteydellä.
Kuva: Jin Luo