Hurtigmålinger og matematik bekæmper spild i danske biotek-virksomheder – Københavns Universitet

Videresend til en ven Resize Print Bookmark and Share

Nyheder > Alle nyheder > Hurtigmålinger og mate...

07. april 2017

Hurtigmålinger og matematik bekæmper spild i danske biotek-virksomheder

Målemetoder

Fødevareforskere fra Institut for Fødevarevidenskab ved Københavns Universitet bekæmper spild i dansk biotekindustri med fintfølende måleinstrumenter og matematik. De benytter sig af såkaldte hurtigmetoder, som kan måle på ingredienser og parametre mens der fermenteres, og tolker målingerne ved hjælp af kemometri. Sidstnævnte er en særlig gren indenfor matematikken, hvor man ved at anlægge en holistisk vinkel kan spotte sammenhænge mellem og forandringer i enkeltdele.

Fermenteringsprocesser i medicinal- og fødevareindustrierne foregår i dag efter såvel faste opskrifter som ved at måle og justere undervejs. Skal man producere en bestemt medicin eller en bestemt type industrigær, vil en fast opskrift betyde, at fx tryk, temperatur, tidshorisont, omrøringshastighed i fermenteringstankene skal indstilles efter nogle ganske bestemte retningslinjer. Men da processerne involverer naturlige råvarer (biologiske materialer) og levende mikroorganismer, bliver slutprodukterne alligevel ikke altid helt ens. Det kan føre til en forøgelse af omkostninger og spild, hvis slutproduktet ikke lever op til de kvalitetsparametre, der gælder. Men sådan behøver det ikke være fremadrettet, mener forskere fra Institut for Fødevarevidenskab (FOOD) ved Københavns Universitet, der udfordrer tilgangen til industriel fermentering i de processer, der stadig forløber efter en fast opskrift.

Råvarerne har stor betydning for slutproduktet i en fermentering, men råvarer varierer typisk. Nogle gange har råvaren fx ligget længere på lageret end andre gange. Hvis man anvender råvarer, som varierer lidt fra gang til gang i fermenteringstanken og benytter sig af en fast opskrift, vil slutproduktet også blive forskelligt fra gang til gang. Men hvis man kan måle på råvaren og en række parametre inde i tanken, og kender man til, hvordan parametrene samspiller, kan man potentielt set ændre opskriften undervejs og opnå et mere ensartet slutprodukt.

For at starte en fermentering har man en række ingredienser, som fx kan være forskellige vitaminer, mineraler og proteiner, der indgår i den såkaldte ”fermenterings-madpakke”. Madpakken består af alt det, bakterierne skal leve af for at kunne opformere sig selv og producere en kemisk komponent (fx en slags medicin eller fødevareingrediens). Under en fermentering foregår en række processer, som forskerne kan måle på ved hjælp af forskellige metoder. De kan fx måle, om den rette metabolismevej bliver anvendt (om mikroorganismen udnytter madpakken som forventet), om der fx dannes de rette mængder CO2 og andre metabolitter (kemiske indholdsstoffer), samt om mikroorganismerne populært sagt har det godt. Fx kan teknikken fluorescens spektroskopi bruges til at finde ud af, om aminosyren tryptofan og vitaminet riboflavin anvendes som forventet, og ved at kigge på coenzymet NADH kan man afsløre, om der er styr på energibalancen i mikroorganismen.

Lektor ved Institut for Fødevarevidenskab, Thomas Skov

”Hvis jeg fx har 5 bakteriestammer, der spiller sammen og danner alle mulige metabolitkoncentrationer, kan jeg måle på de kemiske indholdsstoffer – metabolitterne – der kan være styrende for, hvordan bakterierne har det. Jeg kan fx se, om processerne går for langsomt, eller om der bliver produceret nogle metabolitter, som ikke skal være der, eller om forholdet mellem dem er forkert,” siger lektor ved FOOD Thomas Skov.

De målemetoder, forskerne benytter sig af, er såkaldte hurtigmetoder, der måler løbende under produktionen, så de parametre, der er ved at udvikle sig i en skæv retning, kan bringes tilbage på rette spor. Det betyder, at man kan redde store batches, der måske ikke ville have levet op til produktets parametre for kvalitet og derfor ville være blevet kasseret.

Det kan også handle om at undgå spild på andre måder.

”Når man producerer en kemisk komponent eller en fødevarekomponent ved en fermentering, bliver der fx samtidigt produceret en overskudsmasse, som skal væk, hvilket sker ved en oprensning. Komponenten bindes til en søjle, mens overskudsmassen løber fra. Her er det godt at vide, hvornår man kommer til at fylde for meget komponent på søjlen, så ikke kun overskudsmassen, men også selve komponenten begynder at løbe fra. Det er svært at styre, men det kan vi måle på ved hjælp af hurtigmetoder som Nær Infrarød spektroskopi og Raman spektroskopi, og det er noget vi arbejder med lige i øjeblikket,” siger Thomas Skov.

Samarbejder med DTU

Institut for Fødevarevidenskab ved Københavns Universitet samarbejder bl.a. med DTU om at optimere fermenteringerne dansk bioteknologisk industri.

”DTU arbejder med mekanistiske modeller for, hvordan tingene forløber i en fermentring. De laver deres formler og ligninger ud fra hardcore fakta, fx hvor meget ilt, der er i fermenteringstanken, hvad temperaturen er, plus nogle formler og ligninger, som fortæller noget om, hvad der sker i tanken. Her skal tingene gå op, og der er bestemte svar. Deres modeller kan forudsige forløbet, men for at sikre en så præcis forudsigelse som muligt, kan modellerne have behov for nogle andre mere ”bløde” typer af input, som vi kan bidrage med ved hjælp af vores målemetoder på det biologiske materiale,” siger Thomas Skov.

Det kan fx handle om, hvor stor proteinandelen af indholdet er samt hvilke metabolitter, der i øvrigt er til stede – det er målinger, som kan sige noget om, hvad der sker med indholdet i fermenteringstanken lige nu.

”Vores målinger, skal ikke give et bestemt resultat, men afspejler i stedet den givne produktion i realtid. Vi måler med andre ord det der er og sker lige nu. Og sammen med DTU arbejder vi på at kombinere de to måle-koncepter, så industrien kan få nogle endnu bedre svar, der kan optimere deres processer,” siger Thomas Skov.Fra fast til variabel opskrift

Generelt kan man sige, at forskerne arbejder mod et skift fra en opskriftbaseret måde at gøre tingene på, til en variabel metode, som tager hensyn til, at fermenteringsmassen består af levende mikroorganismer, der agerer i et ekstremt kompliceret samspil med hinanden. Kemometriens force er her, at den ser på, hvordan helheden påvirkes af delelementer, og ved at kende delelementernes samspil, kan man beregne, hvordan man kan påvirke og styre helheden.

”Forskningsmæssigt har vi nu nået et punkt, hvor vi kan sige til virksomhederne, at vi har nogle målemetoder, som kan betyde en mere strømlinet proces og en bedre og mere ensartet kvalitet. Og det betyder utroligt meget for de her virksomheder, der producerer i meget stor skala,” siger Thomas Skov.