Automatiserar biologiska processer
Mikroorganismer lever sina egna liv och kan inte automatiseras i sig. Däremot kan matningsflödet optimeras för att undvika övermatning och död. Det har forskare i Lund gjort och ökat enzymproduktionen med något tiotal procent.
Mikroorganismer lever sina egna liv och kan inte automatiseras i sig. Däremot kan matningsflödet optimeras för att undvika övermatning och död. Det har forskare i Lund gjort och ökat enzymproduktionen med något tiotal procent.
Att mäta och reglera produktionsprocesser hos pappersbruk, kemiindustri och stålverk får nog anses ganska lätt. I alla fall jämfört med biologiska processer där mikroorganismer står för produktionen. Under flera års tid har lundaforskare i samverkan med Novozymes utvecklat en generell metod för att optimera just sådana processer, även om just deras tester inriktats på enzymtillverkande bakterier.
– Jag trodde vi skulle möta fler tekniska problem. Istället var det programmeringen av styrsystem som visade sig bli svårast, berättar Ola Johnsson, forskare i reglerteknik, vid Lunds tekniska högskola.
Grunden för att optimera en process är att den måste kunna mätas och regleras.
– I princip vill vi skicka in någon form av störning och se vilken effekt den får.
Hos Novozymes har bakterierna blivit genmodifierade för att tillverka specifika enzymer. För att producera dessa enzymer måste de ha mat, i form av en sockerbaserad lösning. Tillgången på mat var därför en naturlig parameter som kunde ”störas”.
Får mikroorganismerna för mycket mat bildas biprodukter i en process som inte förbrukar syre, och då sjunker inte syrehalten som den borde. Eftersom syrehalten är enkel att mäta och skvallrar om hur mikroorganismerna mår blev det sättet att mäta störningens effekt.
– Att skicka regelbundna pulser är ett vanligt sätt att skicka störningar. Men här har vi stora tankar med många kubikmeter lösning, vi har ventiler där flödesprofilen inte påminner om en fyrkantsvåg så vi förstod att en sinusvåg skulle vara mest lämplig, säger Ola Johnsson.
Genom att hela tiden variera inmatningen kunde forskarna se på syrehalten när bakterierna fick rätt mängd mat och därefter justera genomsnittsinmatningen till optimal nivå. Eller rättare sagt gjorde de ett dataprogram som mätte syrehalten och reglerade flödena. För att testa programmet försökte forskarna sabotera enzymproduktionen i sina pilotskaleförsök.
– Jag tillsatte exempelvis extra socker och det tog bara sekunder innan vår programvara märkte att mikroorganismerna fick för mycket näring och ströp den vanliga inmatningen, säger Ola Johnsson.
I labbskala hade han jobbat med enstaka liter av bakterielösning. I Novozymes pilotanläggningar hanterades volymer på en halv kubikmeter, 500 liter. Forskning i labbskala och pilotskala är dock inte samma sak som fullskaleförsök.
– Det är väldigt ovanligt att sådana här projekt leder till försök i produktionsskala på så kort tid, berättar Tore Hägglund, prefekt och forskningsledare.
Efter några års forskande skulle metoden provas i den riktiga anläggningen; i tankar som sträckte sig över flera våningsplan med volymer på mer än hundra kubikmeter. De exakta volymerna är hemliga, av affärsmässiga skäl.
Men det finns alltid personer som är tveksamma till nya projekt och inte vill ta risken för eventuella produktionsbortfall, även på Novozymes. Att göra separata körningar bara för att testa och utvärdera programvaran var dock inget alternativ.
– Vi har inte provat på speciella stammar utan har fått hoppa in i deras vanliga scheman, det skulle bli för dyrt annars, säger Ola Johnsson.
Den största utmaningen visade sig bli implementeringen av programkod. Dyra konsulter fick hyras för att göra de nödvändiga förändringarna i det delvis gamla styrsystemet. Ett allvarligt programmeringsfel skulle ha kunnat förstöra en hel batch.
Inom matematiken och datavetenskapen finns det en sak som är totalförbjuden: att dividera med noll. Det är helt enkelt omöjligt, otillåtet. Om ett program är felprogrammerat kan datorn tvingas att försöka räkna ut en kvot där nämnaren är noll, vilket innebär att systemet kraschar. Det hände vid initieringssteget när tillverkningen skulle köras igång.
– Då var det nervigt. Vi fick göra en snabbdykning i systemet och stänga ner allt. Vi löste det till slut, och inte någon gång under projektet har vi sabbat några körningar eller orsakat produktionsbortfall, säger Ola Johnsson.
Från början var de flesta övertygade om att blandningseffekter skulle bli det största problemet. Att det skulle ta lång tid att fördela maten till alla mikroorganismer i den stora tanken, vilket skulle fördröja förändringen i syrehalt och försvåra optimeringen.
– Det trodde vi också, men maten sprids mycket snabbare än vi trodde, det tar bara två-tre minuter. Fördomen att det tar lång tid att blanda finns dock kvar i branschen, säger Ola Johnsson.
Forskarnas kompetenser har hämtats från flera olika områden för att kunna lösa de problem som uppstått. Förutom reglerteknik har projektet haft hjälp av forskare från både det biologiska och kemiska ämnesområdet.
– Vi vill gärna fortsätta med sådana här tvärvetenskapliga projekt. Problemet är att hitta doktorander som kan sätta sig in i alla olika kunskapsområden som krävs, säger Tore Hägglund.
Enligt forskarna är framför allt uppstartsfasen i de biologiska processerna viktig. En bra och snabb start ger stora produktionsvinster. Hur mycket tillverkningen förbättrats eller pengar som Novozymes tjänat på optimeringen vet inte lundaforskarna, och även om de visste skulle de inte få berätta.
– I labbskala såg vi i alla fall en tioprocentig produktionsökning. Jag tycker dock att den största vinsten är att undvika krascher där mikroorganismerna dör på grund av felaktig matning, säger Ola Johnsson.
Jesper Gunnarsson
Artikeln tidigare införd i Process Nordic nr1 2016