TU Wien y Sandoz GmbH han implementado con éxito una simulación por computadora en tiempo real del complejo comportamiento de crecimiento de los organismos productores de penicilina. Esta simulación ahora ayuda a mantener el proceso de producción bajo control.

Durante miles de años, Se han utilizado microorganismos para facilitar las reacciones químicas, en la elaboración de cerveza, por ejemplo. Sin embargo, los procesos bioquímicos son increíblemente complejos, con una multitud de reacciones que tienen lugar simultáneamente y se influyen entre sí. Hay innumerables parámetros que influyen, no todos pueden medirse directamente.

A pesar de las dificultades involucradas, Los investigadores de TU Wien ahora están trabajando para examinar estos procesos en detalle. Ahora, en cooperación con el fabricante farmacéutico Sandoz, TU Wien ha logrado analizar y replicar exhaustivamente un proceso de producción de penicilina utilizando un modelo informático. Este proceso incluso ha permitido a los investigadores determinar parámetros que no se pueden medir directamente. Sandoz ahora está haciendo uso de estos hallazgos para mantener una visión general completa de los procesos en el biorreactor en todo momento. asegurando una calidad óptima.

Caja negra reemplazada por conocimiento profundo

Muchas reacciones químicas son fáciles de entender:si el hidrógeno se quema con oxígeno, se produce agua, de una manera claramente predecible y en un volumen que se puede calcular con precisión de antemano. Pero, ¿cómo se puede calcular qué tan rápido crecerá y proliferará un hongo en las condiciones en constante cambio en un biorreactor?

"Por mucho tiempo, procesos como este fueron vistos como una 'caja negra' que no se puede entender y que solo se puede explotar de manera efectiva con mucha experiencia, "dice el profesor Christoph Herwig, quien dirige el grupo de investigación para la tecnología de bioprocesos en el Instituto de Química de TU Wien, Ingeniería Ambiental y Biociencias. "Nuestro enfoque es algo diferente:queremos analizar los procesos químicos en un biorreactor en detalle y determinar las ecuaciones que describen estos procesos". El objetivo es producir un modelo matemático que reproduzca con precisión estos procesos dentro del biorreactor.

"Muchos parámetros que son vitales para el proceso simplemente no se pueden medir directamente, como la tasa de crecimiento de los microorganismos, "explica Julian Kager, quien está trabajando con Sandoz GmbH como parte de su tesis. "Esta es precisamente la razón por la que un modelo matemático completo es tan útil:utilizamos datos accesibles del proceso de producción en tiempo real, como la concentración de diversas sustancias en el biorreactor, y utilizar nuestro modelo informático para calcular el estado más probable del proceso. ”Por tanto, se pueden calcular los parámetros que no se pueden medir.

La información del modelo se puede utilizar para optimizar el suministro de nutrientes a las células cultivadas mientras el proceso está en curso.

El sistema de ecuaciones utilizado para describir matemáticamente el bioproceso es tan complejo y multifacético como el proceso en sí. "El sistema de ecuaciones describe un sistema dinámico no lineal. Incluso las variaciones más pequeñas en las condiciones iniciales pueden tener un gran impacto, "explica Kager." Esto significa que no es realmente posible encontrar una solución a mano; en lugar de, se requieren simulaciones por computadora relativamente elaboradas para obtener los resultados necesarios ".

Sandoz GmbH está utilizando ahora el modelo de proceso y los algoritmos desarrollados en TU Wien para su proceso de producción de penicilina. "Estamos muy contentos de que nuestra investigación básica haya sido adoptada para su uso en la industria con tanta rapidez y que nuestro enfoque de modelado bioquímico se esté utilizando ahora para facilitar el control automatizado de los procesos de producción farmacéutica". "dice Julian Kager.