Naukowcy z Politechniki w Grazu opracowali narzędzie CLARA, które pozwala symulować procesy w przemysłowych bioreaktorach nawet 10 000 razy szybciej niż dotychczas. Wyniki są na tyle dokładne, że można je wykorzystać do sterowania dużymi instalacjami, a oprogramowanie udostępniono za darmo jako open source.

Dlaczego bioreaktory trudno kontrolować

Duże bioreaktory należą do najbardziej wymagających instalacji w przemyśle procesowym. O powodzeniu procesu potrafią zdecydować drobne różnice temperatury, odczynu pH czy zawartości tlenu w różnych miejscach zbiornika. Dlatego inżynierowie sięgają po symulacje komputerowe, a najczęściej stosuje się w nich metodę CFD, czyli numeryczną mechanikę płynów.

Jej wadą jest ogromne zapotrzebowanie na moc obliczeniową. Jak tłumaczy kierujący zespołem Stefan Radl z Instytutu Technologii Procesowej i Cząstek, odwzorowanie procesu trwającego dni czy tygodnie może zająć nawet miesiące obliczeń. Dla praktyki przemysłowej to zdecydowanie za długo.

Jak działa CLARA

Nazwa pochodzi od angielskiego „CLustering AlgoRithm Austria”. Program automatycznie tworzy uproszczone modele (tzw. reduced-order models), korzystając z uczenia maszynowego bez nadzoru. Punktem wyjścia są miliony punktów danych z krótszych symulacji CFD. Algorytm grupuje je w zaledwie od pięciu do 50 połączonych ze sobą stref, zwanych kompartmentami.

Dotąd taki podział wymagał ręcznej pracy i dużej wiedzy eksperckiej. Teraz jest zautomatyzowany. Model zachowuje przy tym ważne zjawiska fizyczne:

• strefy martwe, w których mieszanie jest niewystarczające,
• obszary o dużych siłach ścinających,
• wymianę składników między fazą gazową i ciekłą, kluczową dla procesów biotechnologicznych.

Metoda sprawdza się także w przepływach wielofazowych, gdzie w reaktorze mieszają się substancje stałe, ciekłe i gazowe.

Zachowanie bilansu masy

Uproszczone modele często zawodzą pod względem bilansu masy, zwłaszcza w dużej skali. Jest to istotne np. wtedy, gdy rosnący organizm w pewnym momencie potrzebuje więcej gazów i składników odżywczych. Austriacy opracowali więc algorytmy optymalizujące modele tak, by stale zachowywały zasadę zachowania masy. Wstępna walidacja na wzorcowych przypadkach analitycznych i szczegółowych danych CFD potwierdziła wysoką dokładność.

Co to oznacza w praktyce

Według Radla zastosowania sięgają od reaktorów do wychwytywania CO₂ po produkcję ogniw bateryjnych. Szczególny potencjał widzi w tzw. cyfrowych bliźniakach, czyli wirtualnych odpowiednikach instalacji, które odwzorowują i optymalizują proces w czasie rzeczywistym. Jak podkreśla naukowiec: „Udostępniamy CLARA jako narzędzie open source w publicznym repozytorium”. Narzędzie jest już używane w pracy doktorskiej w centrum COMET BEST oraz w spółce spin-off TU Graz o nazwie SimVantage.

Dla polskiego czytelnika to przede wszystkim sygnał, w jakim kierunku zmierza przemysł biotechnologiczny i chemiczny. Szybsze symulacje mogą skracać czas projektowania instalacji i ułatwiać ich optymalizację, co dotyczy także europejskich firm, w tym działających w Polsce. Ponieważ kod jest otwarty, mogą z niego skorzystać również uczelnie i mniejsze zespoły badawcze, choć na razie nie wiadomo, jak szybko pojawią się wdrożenia poza Austrią.

Źródło: Tech Xplore – „AI toolbox accelerates bioreactor simulations by up to 10,000 times”