TU Wien e Sandoz GmbH hanno implementato con successo una simulazione al computer in tempo reale del complesso comportamento di crescita degli organismi produttori di penicillina. Questa simulazione ora aiuta a tenere sotto controllo il processo di produzione.

Per migliaia di anni, microrganismi sono stati utilizzati per facilitare le reazioni chimiche - nella produzione della birra, Per esempio. Però, i processi biochimici sono incredibilmente complessi, con una moltitudine di reazioni che si verificano simultaneamente e si influenzano a vicenda. Ci sono innumerevoli parametri che giocano un ruolo, non tutti possono essere misurati direttamente.

Nonostante le difficoltà in gioco, i ricercatori della TU Wien stanno ora lavorando per esaminare questi processi in dettaglio. Ora, in collaborazione con il produttore farmaceutico Sandoz, TU Wien è riuscita ad analizzare e replicare in modo completo un processo di produzione della penicillina utilizzando un modello computerizzato. Questo processo ha persino consentito ai ricercatori di determinare parametri che non possono essere misurati direttamente. Sandoz sta ora utilizzando questi risultati per mantenere sempre una panoramica completa dei processi nel bioreattore, garantendo una qualità ottimale.

Scatola nera sostituita da una conoscenza approfondita

Molte reazioni chimiche sono facili da capire:se l'idrogeno viene bruciato con l'ossigeno, l'acqua viene prodotta – in modo chiaramente prevedibile e in un volume che può essere calcolato con precisione in anticipo. Ma come si può calcolare la velocità con cui un fungo crescerà e prolifererà nelle condizioni in continua evoluzione in un bioreattore?

"Per molto tempo, processi come questo sono stati visti come una 'scatola nera' che non può essere compresa e che può essere efficacemente sfruttata solo con molta esperienza, "dice il prof. Christoph Herwig, che guida il gruppo di ricerca per la tecnologia dei bioprocessi presso l'Istituto di chimica della TU Wien, Ingegneria ambientale e delle bioscienze. "Il nostro approccio è in qualche modo diverso:vogliamo analizzare in dettaglio i processi chimici in un bioreattore e determinare le equazioni che descrivono questi processi". L'obiettivo è produrre un modello matematico che replichi accuratamente questi processi all'interno del bioreattore.

"Molti parametri vitali per il processo semplicemente non possono essere misurati direttamente, come il tasso di crescita dei microrganismi, " spiega Julian Kager, che sta lavorando con Sandoz GmbH come parte della sua tesi. "È proprio per questo che un modello matematico completo è così utile:utilizziamo dati accessibili dal processo di produzione in tempo reale, come la concentrazione di varie sostanze nel bioreattore, e utilizzare il nostro modello al computer per calcolare lo stato più probabile del processo." I parametri che non possono essere misurati possono quindi essere calcolati.

Le informazioni del modello possono essere utilizzate per ottimizzare l'apporto di nutrienti alle cellule coltivate mentre il processo è in corso.

Il sistema di equazioni utilizzato per descrivere matematicamente il bioprocesso è complesso e sfaccettato quanto il processo stesso. "Il sistema di equazioni descrive un sistema dinamico non lineare. Anche le più piccole variazioni nelle condizioni di partenza possono avere un impatto enorme, " spiega Kager. "Questo significa che non è davvero possibile elaborare semplicemente una soluzione a mano; Invece, sono necessarie simulazioni al computer relativamente elaborate per ottenere i risultati necessari."

Il modello di processo e gli algoritmi sviluppati alla TU Wien sono ora utilizzati da Sandoz GmbH per il suo processo di produzione della penicillina. "Siamo molto lieti che la nostra ricerca di base sia stata adottata per l'uso nell'industria così rapidamente e che il nostro approccio di modellazione biochimica venga ora utilizzato per facilitare il controllo automatizzato dei processi di produzione farmaceutica, "dice Julian Kager.