Panossyöttökasvatusprosessin automatisointi

Tutkimuskäyttöön tarkoitettujen rekombinanttiproteiinien tuottaminen fermentoimalla on yleinen menetelmä bioteollisuudessa. Mikrobit kasvatetaan fermentorissa, joka tarjoaa kontrolloidun kasvuympäristön ja sopivat tuotto-olosuhteet halutulle tuotteelle. Eräs fermentointimuodoista on korkeatuottoinen ja pitkäkestoinen panossyöttökasvatus, jossa saavutetaan panoskavatusta merkittävästi korkeampi solutiheys jatkamalla panosvaiheen jälkeen kasvua rajoittavan substraatin syöttöä. Laboratoriomittakaavassa fermentorikasvatusten tilavuudet vaihtelevat litrasta kymmeniin ja niissä kasvatusta seurataan sekä ohjataan joko fermentorista tai tietokoneesta. Tyypillisessä fermentointiprosessissa operaattori tarkkailee muun muassa vaahdonkorkeutta sekä käynnistää pumppuja olosuhteiden muuttuessa. Tällaiset tehtävät ovat teollisen mittakaavan laitteistoissa usein automatisoituja. Diplomityön tarkoituksena oli päivittää kahden Turun yliopiston biotekniikan laboratoriossa sijaitsevan BioFlo® -sarjan pöytäfermentorin MS-DOS -pohjainen tietokoneohjausohjelma nykyaikaiseksi ja lisätä siihen etäseuranta ja -ohjaus. Ohjelmaan oli tarkoitus liittää erillinen optinen solutiheysanturi, jonka lukemien häiriötä haluttiin myös vähentää signaalinkäsittelyllä. Lisäksi vaahdonestoaineen ja indusorin lisäykset haluttiin automatisoida panossyöttökasvatuksessa. Vaahdonkorkeuden havaitsemisen mahdollisuutta konenäön menetelmin haluttiin selvittää, jotta vaahdonestoaineen automaattiset lisäykset voitaisiin toteuttaa nettikameran syötteen perusteella. Koekasvatuksilla osoitettiin päivitetyn ohjausohjelman toimivan panos- ja panossyöttömuodoilla. Uuden käyttöliittymän avulla pystyttiin automatisoimaan panoskasvatuksen lisäykset ja syöttönopeuden muutokset sekä tunnistamaan kasvatusliuosten vaahdonkorkeutta vaahdonestoaineen lisäykseen riittävällä kahden senttimetrin tarkkuudella. Lisäksi käyttöliittymä mahdollisti kasvatuksen ohjauksen ja seurauksen myös etänä. Työssä kehitetty ohjausohjelma julkaistiin avoimena ohjelmana ilman etä- ja nettikameratoimintoja. Ohjelma toimii hyvin BioFlo® -sarjan fermentorien käyttöliittymänä, mutta avoimen lähdekoodin ansiosta kuka tahansa voi hyödyntää ohjelmaa pohjana myös uusissa projekteissa tai muissa fermentorimalleissa.

Fermentation is a commonly used method when producing recombinant proteins for research in the bioindustry. Microbes are cultivated in a fermentor, that offers a controlled growth environment and the yield conditions fit for the desired product. Fed-batch cultivation is a high-yield and long-term type of fermentation that produces significantly higher yields than a batch cultivation. It starts from a batch phase that is continued by a feed phase where the growth limiting substrate is fed in to the fermentor to sustain growth. In a laboratory scale, the fermentation volumes range typically from one to twenty liters and the process is controlled either directly from the fermentor or from a computer. The operator’s jobs include monitoring the process and foam level and responding to changes in condition. In the industrial scale, these tasks are often automated. The goal of this master’s thesis in technology was to update the MS-DOS based computer control software of two BioFlo® series desktop fermentors in the department of biochemistry in the university of Turku. The requirements of the new software included a remote control and monitoring capabilities and a user programming environment for automating set point changes and pump operations. Additionally, a separate optical cell density sensor and a webcam were connected and added to the new software. The purpose of the webcam was to improve foam detection by calculating the foam from the its feed using machine vision methods instead of detecting the foam level using a conductance-based foam sensor. It was demonstrated that the new fermentor computer control software worked as expected in batch and fed-batch cultivations. The programming environment of the software enabled automatic pump operations and the machine vision technique was successful in recognizing the foam level in two centimeters accuracy, which is adequate for adding an anti-foaming agent automatically. Additionally, the new software could be controlled and monitored remotely. The developed software was published without the remote capabilities or the webcam foam detection as an open-source project. It is a working control software as is for the BioFlo® series fermentors, but it can be serve as a customization platform for similar projects.