In Boston (VS) onderzoekt de inhoud van een roestvrij stalen tank een volgende stap bij industriële fermentatie. De tank voelt warm aan en zit vol onzichtbare beweging. Binnenin zwerven miljarden microben door gradiënten van suiker, zuurstof, warmte, stress en afval. Ze passen zich voortdurend aan bij veranderende omstandigheden die geen operator ooit kan zien. Asymmetrieen worden groter, voedingsstoffen verdwijnen. Het systeem wordt gekenmerkt door lokale turbulentie.
Een nieuw netwerk
Een team van onderzoekers van de Universiteit van Boston en Capra Biosciences onderzoekt een nieuw netwerk. In het project BioMADE onderzoeken zij draadloze netwerken tussen vrij voorkomende microbiële-elektronische sensoren. Deze zweven tussen industriële fermenters, waarbij ze real-time data doorgeven over redoxomstandigheden, samenstelling van de media, stress tussen de cellen en de gezondheid daarvan, en de manier waarop de microbiële omstandigheden rondom hen veranderen. Deze technologie is zelf al fascinerend: de samenstelling van miniatuur elektrochemische sensoren in combinatie met gehele-cel biosensoren in Yarrowia lipolytica voeren continu biologische gegevens in AI en machine-lerende systemen, ontworpen om aangepaste digitale tweelingen te scheppen voor industriële fermentatie.
In de industriële biotechnologie is vergisting altijd behandeld als een recept. Voeg ingrediënten toe, handhaaf de condities, wacht op de output. Toch weet elke ingenieur die zich met opschaling bezig houdt de ongemakkelijke waarheid dat een grote vergistingsinstallatie niet een groter vat is. Het is een veranderend milieu met lokale klimaten, verschuivende gradiënten, verborgen turbulentie, zuurstofloze gebieden, warmteplekken, overgangsgebieden en steeds veranderende biologische reacties. Het fermentatievat is niet zozeer een vat als wel een weersysteem.
Naar heterogene bronnen
De uitdaging wordt nog groter als de industriële biotechnologie weg beweegt van zuivere labmaterialen naar heterogene echte koolstofstromen – landbouwresiduen, biomassa-afval, en anaeroob digestaat; de chemische profielen hiervan verschuiven voortdurend met geografie, weer, seizoenen en upstream industriële omstandigheden. De sensoren kijken niet alleen naar microben. Ze vertalen turbulentie van buiten naar een taal die de vergister kan begrijpen. Echte industriële systemen gedragen zich bijna nooit als geprogrammeerde machines die door een lege ruimte bewegen. Ze gedragen zich meer als draaiende lichamen die bewegen door turbulente media.
In de fysica komt dit Magnus effect voor wanneer een ronddraaiend object in een vloeistof de omringende beweging ongelijkmatig vertraagt, en daarbij asymmetrische drukken veroorzaakt die zijn baan beïnvloeden. Een baseball kromt zich. Een voetbal zweeft. Kleine veranderingen in draaiing vertalen zich in zichtbare veranderingen in koers. Vaak gedraagt de industriële biotechnologie zich net zo.
Turbulente omstandigheden
De ‘spin’ van een project – operationeel tempo, financiële omstandigheden, flexibiliteit van de grondstof, tempo van de goedkeuring, de kwaliteit van de consument, de mate waarin de infrastructuur gereed is – beïnvloedt voortdurend de turbulente omgeving: veranderingen in beleid en markten, beperkingen in logistiek, vertraging bij de bouw, energieprijzen, tekorten aan personeel, en veranderende verwachtingen van investeerders. Kleine veranderingen tellen bij elkaar op. Gebrek aan tempo bij financiering heeft effect op de levering van grondstoffen. Bouwschema’s passen niet bij beleidswijzigingen. Aanvoerproblemen vergroten biologische risico’s. Het project kreunt onder de last.
Hier komen veel First-Of-A-Kind projecten in de problemen. Bij traditionele techno-economische analyses wordt commercialisatie behandeld als een tamelijk lineair proces, van innovatie tot schaalmodel. Maar zulke FOAK-systemen zijn bijna nooit statisch. Het zijn dynamische aanpasbare structuren die zich bewegen door onstabiel industrieel weer. Het project wordt sneller complex dan het systeem het energetisch kan stabiliseren en handhaven.
Paradoxen
Dat zou een van de permanente paradoxen van de industriële biotechnologie kunnen verklaren. De sector is heel goed geworden in het waarnemen, ontwerpen, modelleren en optimaliseren van biologische systemen; en dat terwijl zij nog steeds moeite heeft met het maken van grote hoeveelheden goedkope moleculen onder standaard-omstandigheden. Er is nooit gebrek aan intelligentie geweest in de industriële biotechnologie. Maar de vraag is, of betere omstandigheden binnen het reactievat de onvoorspelbaarheid daarbuiten te boven kunnen komen. De drijvende sensoren van dit BioMADE project kunnen één vorm van entropie daar buiten helpen overwinnen: traagheid van waarneming. Tegen de tijd waarop operators een afwijking van het proces waarnemen, kunnen de biologische omstandigheden al zijn veranderd. Bij de nieuwe benadering wordt geprobeerd, de vertraging tussen waarneming en maatregel terug te dringen, waardoor industriële fermentatie dichter bij een continu systeem komt. Dat maakt heel veel uit. Precisie-biologie kan niet steeds deels blind blijven.
Toch betekent lokale samenhang niet altijd samenhang op grotere schaal. Een vergister kan zichzelf reguleren terwijl de omgeving – grondstoffen, financiering, infrastructuur, regelgeving, vertragingen bij de bouw, energiesystemen, logistiek, consumentenvraag – onvoorspelbaar blijft.
De biologie werkt. Het systeem niet.
Digitale tweelingen
Of, nauwkeuriger: ook bij lokale samenhang kan het systeem nog altijd niet in orde zijn. De lange-termijn belofte van zulke projecten ligt misschien niet in slimmere fermentatoren, maar in het scheppen van digitale tweelingen die zich op elkaar kunnen afstemmen binnen het bredere industriële organisme zelf – waardoor grondstoffen, biologie, infrastructuur, financiering en uitvoering op elkaar worden afgestemd en geen losse eenheden vormen.
Maar vasthoudendheid komt niet alleen uit slimheid voort. Deze ontstaat uit timing, stroming, demping, coördinatie, en het vermogen om samenhang te bewaren binnen alle beweging. Dat geldt voor tornado’s, vergisters, FOAK-projecten – en misschien voor de industriële samenleving zelf.
Interessant? Lees dan ook:
Internet van levende wezens: droom en nachtmerrie bij het digitaliseren van mensen voor de gezondheidszorg
Samenwerkende technologieën en hun kansen voor innovatie