Computermodel skyder genvej til produktion af nye bakterier

En enorm viden om biologiske processer er grundlaget for Chr. Hansen A/S, som producerer ingredienser til den globale fødevareindustri, herunder mælkesyrebakterier til mejeriers pro- duktion af yoghurt, ost og meget andet.

Men trods Chr. Hansens lange erfaring med opskalering af biologiske processer, er der stadig meget at vinde med mere viden om, hvad der sker inde i de bioreaktorer, hvor mælkesyrebakterierne dyrkes.

Et godt skridt til en større forståelse af de fysisk-kemiske forhold i bioreaktorerne er blevet taget med en ny mekanistisk model, udviklet i forbindelse med et ph.d.-projekt. Mere konkret er der tale om et stykke avanceret software, som beskriver væskestrømmene og mikro­organismernes vækst i forskellige dele af bioreaktoren og i reaktoren som helhed.

»Med den nye model kan vi forbedre den måde, vi laver processerne på. Modellen giver et indblik i, hvordan biologien spiller sammen med stålet i bioreaktoren, og vi vil hurtigere og mere præcist kunne opskalere processen,« siger Anders Clausen, Director, Production Deve­lopment hos Chr. Hansen.

Model kan udbredes til gærceller

Den nye mekanistiske model er udviklet af Robert Spann, der efter en uddannelse i bioteknologi ved Technische Universität Berlin blev tilknyttet DTU Kemiteknik og Chr. Hansen som led i et større EU- finansieret ph.d.-projekt kaldet Biorapid.

»Der er tale om en generel mælke­syrebakteriemodel, men det vil være ret let at ændre på den, så den også kan anvendes på andre former for mikroorganismer,« forklarer Robert Spann.

Med andre ord vil det være muligt at overføre modellen til mange andre typer mikroorganismer samt til andre brancher, eksempelvis udviklingen af nye gærstammer til bryggerier.

Blot to sæt data

I forbindelse med mælkesyrebakterier er den store gevinst ved den mekanistiske model, at den giver indblik i den biologiske proces ved at bearbejde blot to slags procesinformationer i realtid. Den ene er den aktuelle pH-værdi, som måles af en sensor i reaktoren. Den anden information er mængden af den base, der tilføres reaktoren under opformeringen af mælkesyrebakterier.

Ud fra disse data beregner modellen mikroorganismernes vækst og procesbetingelser i forskellige dele af reaktoren.

Den store udfordring ved at forudse og forstå processen i en bioreaktor er, at der på grund af utilstrækkelig omrøring altid vil være forskelle på mikroorganismernes livsbetingelser forskellige steder i reaktoren. Derfor indgår der i Robert Spanns model en opdeling af bioreaktoren i forskellige sektio­ner – eller compartments, som de kaldes i ph.d.-afhandlingen.

Testet på 700-liters bioreaktor

Modellen er blevet valideret i en bioreaktor på 700 liter – en størrelse, som Chr. Hansen bruger til tests af nye varianter af bakterier i forbindelse med opskalering til produk­tion i langt større reaktorer.

I modellen er den delt op i syv compartments. Selv om der ikke er nogen fysisk adskillelse mellem de forskellige compartments, kører vækstmediet hovedsageligt rundt i hvirvler inden for hver enkelt af dem, når der røres rundt i reak­- toren.

»Inden for hver enkelt compart­ment er der megen bevægelse og stor opblanding. Men mellem compartmentsene er der ikke så stor væskestrømning. Modellen viser, hvordan det giver forskellige forhold for mikroorganismerne, og hvad det betyder for væksten af biomasse,« forklarer Robert Spann.

Perspektiv i det

Der skal fortsat udvikles på den nye model og dens implementering, understreger Anders Clausen.

»Der er nogle faktorer, vi skal arbejde videre med, før vi kan sætte konkrete tal på betydningen. Men vi er sikre på, at der er perspektiv i det. Derfor har vi også ansat Robert til at gå videre med det,« siger produktionsudviklingsdirektøren.

Chr. Hansen udvikler løbende nye varianter af mælkesyrebakterier, hvor den nye model kan bruges til at forkorte vejen fra udvikling til produktion.

»Når man udvikler mange processer i løbet af et år, er det vigtigt, at man kan gøre det hurtigt og præcist,« siger Anders Clausen.

Robert Spann har beskrevet sin model og arbejdet med at komme frem til den i sin ph.d.-afhandling ‘Mechanistic Modelling for Risk-Based Monitoring of Lactic Acid Bacteria Cultivations’, som han forsvarede 9. oktober.

Projektet blev superviseret af professor Krist V. Gernaey og lektor Gürkan Sin fra DTU.