Uno strumento basato sull'intelligenza artificiale accelera lo sviluppo dei bioreattori: le simulazioni sono fino a 10.000 volte più veloci
Questo strumento open source può essere utilizzato per applicazioni che spaziano dalla fermentazione e dalla produzione di polimeri al sequestro di CO₂, alla produzione di celle per batterie e ai gemelli digitali
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Il controllo dei bioreattori industriali su larga scala è una delle attività più complesse nell’industria di processo. In impianti spesso di dimensioni enormi, anche le più piccole variazioni di temperatura, valore del pH o contenuto di ossigeno determinano il successo o il fallimento di un processo. Un gruppo di ricerca interdisciplinare dell’Università Tecnica di Graz (TU Graz), guidato da Stefan Radl dell’Istituto di Tecnologia dei Processi e delle Particelle, ha ora presentato sulla rivista «Chemical Engineering Science» il toolbox software CLARA, che consente di simulare i processi nei reattori a una velocità 10.000 volte superiore. Allo stesso tempo, i calcoli sono talmente precisi che i risultati della simulazione possono essere utilizzati nella pratica per controllare impianti su larga scala, ad esempio nella fermentazione, nello sfruttamento energetico della biomassa o nella produzione di polimeri. La soluzione è stata sviluppata e finanziata nell’ambito del progetto DigiBioTech, guidato dalla TU Graz.
CLARA (CLustering AlgoRithm Austria) automatizza la creazione di modelli a ordine ridotto (ROM) utilizzando metodi di apprendimento automatico non supervisionato. Ciò consente di calcolare in modo più efficiente le reazioni dettagliate e i processi di trasporto di massa in flussi complessi. «Finora, per i calcoli sono state utilizzate principalmente simulazioni basate sulla fluidodinamica computazionale (CFD)», afferma Stefan Radl, «che sono sì molto accurate e dettagliate, ma anche molto dispendiose in termini di calcolo. Le simulazioni che riproducono processi reali che si protraggono per giorni o settimane potrebbero richiedere mesi per essere elaborate».
Raggruppamento dei dati
Il cuore di CLARA è un processo di raggruppamento supportato dall’intelligenza artificiale. Milioni di punti dati provenienti da simulazioni CFD più brevi vengono automaticamente raggruppati in un numero gestibile, compreso tra cinque e 50, di zone interconnesse, note come compartimenti. Ciò che in precedenza doveva essere eseguito manualmente e con un elevato livello di competenza è ora automatizzato e matematicamente preciso. La precisione viene mantenuta anche in presenza di flussi multifase complessi, in cui nel bioreattore si mescolano flussi di materiale solido, liquido e gassoso.
Il vantaggio di questo approccio risiede nella drastica riduzione della complessità dei modelli da calcolare, mentre i dati risultanti continuano ad essere altamente informativi. Ciò significa che importanti effetti fisici vengono preservati nonostante la velocità di calcolo notevolmente aumentata. Ad esempio, è ancora possibile tenere in considerazione in modo affidabile le zone morte nel bioreattore con miscelazione insufficiente o le aree con elevate forze di taglio. Anche lo scambio di specie tra la fase gassosa e quella liquida viene modellato in modo realistico, il che rappresenta un fattore decisivo per i processi biotecnologici.
L’accuratezza viene mantenuta
Particolare attenzione è stata dedicata alla garanzia della coerenza fisica. I modelli semplificati presentano spesso imprecisioni nel bilancio di massa. Ad esempio, quando un organismo cresce in un bioreattore, a un certo punto necessita di una maggiore quantità di gas e di altre sostanze nutritive. I modelli semplificati non sono molto convincenti in questo ambito, specialmente su larga scala. Per questo motivo i ricercatori della TU Graz hanno sviluppato algoritmi per l’ottimizzazione dei ROM che garantiscono una costante conservazione della massa. Le prime validazioni effettuate utilizzando benchmark analitici e dati CFD dettagliati confermano la loro elevata accuratezza.
«Le potenziali applicazioni di CLARA sono diverse e spaziano dai reattori per la cattura di CO₂ ai processi nella produzione di celle per batterie», afferma Stefan Radl. «La tecnologia offre un potenziale particolarmente elevato per lo sviluppo di gemelli digitali in grado di mappare e ottimizzare i processi in tempo reale. Stiamo ora rendendo CLARA disponibile come strumento open source in un repository pubblico. Sono incluse tutte le funzionalità testate e stiamo introducendo gradualmente nuovi sviluppi.” CLARA è già in uso nell’ambito di una tesi di dottorato presso il centro COMET BEST e presso la spin-off dell’Università Tecnica di Graz SimVantage.
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