Próba prawdy dla biotechnologii

Jest kilka minut po siódmej rano w Centrum Zastosowań i Technologii GEA dla sektora nowej żywności i biotechnologii. Alarmy zostały skasowane, a instalacja z bioreaktorem o pojemności 500 litrów po raz pierwszy pracuje stabilnie. Zespół spędził noc na precyzyjnej regulacji parametrów sterowania. Na ekranie właśnie pojawia się wartość, która zaskakuje wszystkich.

Organizm znajdujący się w bioreaktorze wytwarza niemal trzykrotnie więcej ciepła niż podczas eksperymentów laboratoryjnych. Układ chłodzenia z trudem nadąża z odprowadzaniem nadmiaru ciepła. Inżynierka testów z GEA, Sofija Milošević, zachowuje spokój przy stanowisku sterowania, sprawdza czujniki i koryguje parametry pracy systemu.

Następnie podsumowuje cel testu: „Dobrze, że widzimy to tutaj, a nie w fabryce”.

Dlaczego Europa potrzebuje praktycznych testów

Nowe Centrum Zastosowań i Technologii GEA (Application and Technology Center, ATC) położone w Sarstedt, miejscowości na południe od Hanoweru, nie jest ani showroomem, ani nie ma zastępować laboratorium. Jest to miejsce powołane do przeprowadzania testów, gromadzenia danych i podejmowania decyzji na wczesnym etapie. To właśnie tutaj klaruje się, czy koncepcję biologiczną można przekształcić w niezawodny proces przemysłowy. Ten aspekt ma znaczenie większe, niż mogłoby się pozornie wydawać. 

Przykładowo znaczna część składników odżywczych wykorzystywanych w europejskiej hodowli zwierząt, w tym niektóre aminokwasy i witaminy, pochodzi obecnie z Chin. Nie dlatego, że Europa nie mogłaby ich wytwarzać samodzielnie, lecz dlatego, że pomiędzy odkryciem w laboratorium a produkcją przemysłową istnieje luka. Jak dotąd tylko nielicznym udało się ją wypełnić.

Aspekty, które pozornie wydają się tylko pomniejszym szczegółem technicznym, mogą mieć bezpośrednie konsekwencje gospodarcze. Gdyby łańcuch dostaw został zakłócony wskutek napięć politycznych, barier handlowych bądź rosnących kosztów transportu, europejski system zaopatrzenia w żywność odczułby tego skutki.

Naukowe podstawy alternatywnych rozwiązań są dostępne od dawna – w laboratoriach, badaniach i programach finansowania. Aby uzyskać zgodę na wprowadzenie nowej substancji na rynek europejski, firmy coraz częściej muszą opisać nie tylko samą cząsteczkę, lecz także zweryfikowany laboratoryjnie proces jej wytwarzania: wykorzystywany organizm, poszczególne etapy procesu, koncepcję higieny, punkty kontrolne oraz powtarzalność procesu. Właśnie na tym końcowym etapie centrum testowe odgrywa kluczową rolę, przekształca wyniki badań w proces, który działa niezawodnie, jest powtarzalny i opłacalny ekonomicznie.

„Europa finansuje badania naukowe, a potem tylko biernie przygląda się, jak skalowanie produkcji odbywa się w innych regionach świata” – mówi Frederieke Reiners, wiceprezes ds. Nowej Żywności i Biotechnologii w GEA. „To zaczyna się zmieniać. Ale potrzebna jest infrastruktura, a nie tylko deklaracje intencji”. 

Cztery etapy prowadzące do produkcji

Czteroetapowa droga od laboratorium do fabryki rozpoczyna się od pytań zadawanych w laboratorium: Czy rozwiązanie biologiczne działa? Czy organizm wytwarza docelowy związek? Czy linia komórkowa rośnie? Czy bazowe założenie znajduje potwierdzenie? 

Na drugim etapie centrum testowe, takie jak Centrum Zastosowań i Technologii GEA (ATC), sprawdza, czy dany proces będzie działał na skalę przemysłową. Produkt musi dać się odzyskać z zachowaniem stabilnej jakości oraz z wykorzystaniem niezawodnego procesu przetwarzania końcowego.

Później w instalacji demonstracyjnej można wytwarzać pierwsze partie produktu w warunkach odpowiadających przyszłej produkcji żywności. Umożliwia to dalszy rozwój produktu oraz jego testowanie na rynku. Dopiero w zakładzie produkcyjnym można ostatecznie ocenić, czy cały proces jest opłacalny i czy można go wprowadzić na większą skalę.

Każdy z etapów charakteryzuje jego własna logika. Każdy wymaga innego wyposażenia, innych danych oraz innych decyzji. Każdy etap umożliwia przejście do kolejnego.

Marcel Oogink, przy wsparciu GEA, tworzy Zakład Fermentacji Biotechnologicznej (Biotechnology Fermentation Factory, BFF) w Ede w Holandii. To otwarte centrum demonstracyjne daje firmom możliwość kontynuowania testów po etapie ATC w warunkach spełniających standardy produkcji żywności. Jego zdaniem droga od laboratorium do fabryki nie przypomina jednego wielkiego skoku, lecz jest łańcuchem decyzji, z których każda wymaga własnych dowodów i potwierdzenia. 

Dotychczas taki spójny łańcuch działań był w przemyśle widokiem zbyt rzadkim.

Co ujawnia test w praktyce

Wróćmy do fermentora i nieoczekiwanego obciążenia cieplnego. Nadmiar ciepła powstający podczas eksperymentów nie jest zwykłą usterką, lecz źródłem kluczowych informacji. Dla firmy pracującej z tym organizmem właśnie zidentyfikowano istotny wymóg, który należy uwzględnić w procesie. W skali przemysłowej układ chłodzenia od samego początku musi zostać zaprojektowany inaczej.

To odkrycie wymagało dodatkowej pracy i przysporzyło kilku problemów. W gotowym zakładzie produkcyjnym oznaczałoby jednak koszty liczone w milionach lub nawet całkowite wstrzymanie projektu.

Takie sytuacje zdarzają się w ATC wielokrotnie i przybierają różne formy. W innym przypadku już niewielki test początkowy ujawnił problem z intensywnym pienieniem. W większej skali opanowanie tego zjawiska byłoby niemal niemożliwe. Dzięki temu można teraz zaprojektować układ sterowania z precyzją większą, niż pierwotnie planowano, oraz odpowiednio dostosować sposób dozowania składników odżywczych.

Inny klient stanął przed bardzo praktycznym pytaniem: Jak można wyizolować białko z komórki drożdży? Aby to osiągnąć, należało najpierw rozbić ściany komórkowe. W ATC inżynierowie przeanalizowali różne metody obróbki wstępnej oraz warunki procesu z wykorzystaniem homogenizatora wysokociśnieniowego. Celem było uwolnienie jak największej ilości białka przy jednoczesnym utrzymaniu zużycia energii na kontrolowanym poziomie.

Kolejne etapy zagęszczania i oczyszczania również dostarczyły cennych informacji. Dzięki porównaniu różnych metod separacji i filtracji zespół mógł dobrać technologię rozdziału najlepiej dopasowaną do danego procesu. Na jednym z testowanych etapów procesu udało się osiągnąć wydajność odzysku białka na poziomie powyżej 90%.

Klaus Stojentin, członek zarządu GEA odpowiedzialny za dział inżynierii zakładów produkcji żywności, doskonale zdaje sobie sprawę z różnicy pomiędzy wynikami laboratoryjnymi a rzeczywistymi warunkami panującymi w zakładzie. „Nawet najbardziej ekscytująca technologia ma znaczenie tylko wtedy, gdy wszystkie aspekty towarzyszące działają” – przyznaje. A tych „wszystkich aspektów towarzyszących” nie da się poznać w laboratorium.

Wczesne „nie” zabezpiecza przed błędnym „tak”

Nie każdy test prowadzi do przełomu. Może to sprawiać wrażenie niepowodzenia. Lecz jasność co do rzeczywistych możliwości jest bezcenna, kiedy ewentualne zmiany wciąż są stosunkowo niedrogie.

Podczas testów prowadzonych dla jednego z klientów okazało się, że stosowany organizm po prostu nie osiąga wystarczającej produktywności. Uzysk był znacznie niższy od poziomu zapewniającego opłacalność ekonomiczną. Żadna optymalizacja instalacji ani modyfikacja procesu nie potrafiły tego zmienić. Firma ponownie przeanalizowała założenia biznesowe i wróciła do prac nad rozwojem szczepu.

„Czasami najlepszym wynikiem testu jest odpowiedź »nie« – mówi Reiners. O ile pojawi się wystarczająco wcześnie, takie »nie« chroni przed błędnym »tak«”.

Na tym właśnie opiera się pragmatyczna logika przemysłowa ATC: Firmy, które testują rozwiązania na odpowiednio wczesnym etapie, mogą wcześnie zmienić obrany kierunek. Te, które przeprowadzają testy zbyt późno lub rezygnują z nich całkowicie, ryzykują zainwestowanie w założenia, które nie wytrzymują konfrontacji z rzeczywistymi warunkami.

Takiej wiedzy nie zdobywa się z perspektywy biurka. Powstaje dzięki praktycznym doświadczeniom zdobywanym w warunkach możliwie najbardziej zbliżonych do rzeczywistości przemysłowej.

Na tej samej zasadzie opiera się koncepcja tzw. piaskownic regulacyjnych, która zyskuje coraz większe zainteresowanie w Europie: Przedsiębiorstwa i organy regulacyjne wspólnie wypracowują zrozumienie danego rozwiązania jeszcze przed złożeniem właściwego wniosku o dopuszczenie do obrotu. Przeprowadzenie testów w centrum ATC samo w sobie nie jest narzędziem regulacyjnym. Dostarcza jednak dokładnie takich danych, które sprawiają, że taki proces wspólnego uczenia się staje się bardziej wartościowy i wiarygodny.

Od instalacji pilotażowej do fabryki

Solar Foods pokazuje, co można osiągnąć przy skalowaniu produkcji. Fińska firma produkuje Solein®, białko mikrobiologiczne wytwarzane z dwutlenku węgla, wodoru i składników mineralnych. Wykorzystuje przy tym energię ze źródeł odnawialnych, dzięki czemu produkcja jest niezależna od gruntów rolnych, pogody i pór roku.

GEA zrealizowała pierwszy komercyjny zakład Solar Foods jako inwestycję „pod klucz”, a obecnie projektuje Factory 02 – pionierski wielkoskalowy zakład produkcji białka – który powstanie w Lappeenranta w Finlandii.

Solar Foods udowadnia, że cały ten łańcuch może działać, gdy każdy jego etap zostanie starannie zaplanowany i zrealizowany.

Wiedza o procesie przekłada się na gotowość do produkcji

Poranek w Sarstedt już dawno minął. Milošević skorygował parametry sterowania i zmodyfikował strategię dozowania pożywki, dzięki czemu instalacja pracuje stabilnie. Nieoczekiwany wzrost ilości wytwarzanego ciepła stał się konkretną wskazówką przy kolejnym etapie skalowania produkcji.

Uzyskane wyniki stanowią teraz solidną podstawę do podejmowania decyzji. Potwierdzają założenia biznesowe, weryfikują wykonalność produkcji oraz wzmacniają zaufanie inwestorów. Firma, która opracowała ten system, już wie, czego potrzebuje przy budowie kolejnego zakładu. Zna już zarówno możliwości, jak i ograniczenia. 

„Właśnie to jest prawdziwy owoc pracy naszego centrum ATC” – mówi Milošević. „Pracujemy z partiami produkcyjnymi i protokołami, ale ostatecznie najważniejsze jest zrozumienie procesu, które umożliwia wykonanie kolejnego etapu”.

Europa dysponuje silnym zapleczem naukowym. Niemcy mają światowej klasy kompetencje inżynieryjne. Branża potrzebuje miejsc, w których te dwa obszary spotykają się w warunkach na tyle zbliżonych do rzeczywistości przemysłowej, aby miało to realne znaczenie. 

Jednym z takich miejsc jest teraz Sarstedt.