Fra forskningsutfordring til standardprodukt

Det som startet som en praktisk utfordring i et pågående forskningsprosjekt, utviklet seg etter hvert til et samarbeid med det danske selskapet Unisense og en teknisk løsning som i dag er blitt en del av selskapets standard produktsortiment.

En flaskehals i forskningen

Gassfermentering er en teknologi der mikroorganismer bruker gasser som hydrogen, CO₂ eller metan som råstoff og omdanner dem til verdifulle produkter som kjemikalier, drivstoff eller andre biobaserte forbindelser. For å forstå og optimalisere noen av det mest lovende prosessene er det viktig å kunne måle hydrogennivåene direkte i bakteriekulturen inne i biorektoren.

Utfordringen var at reaktorene steriliseres ved 121 °C før bruk, mens tilgjengelige sensorer for måling av oppløst hydrogen hadde begrenset temperaturtoleranse og målevindu, og var ei heller designet for å festes til en bioreaktor og brukes over lengre tid. Og da spesielt ikke i potensielt eksplosive atmosfærer (ATEX) som jo enhver bruk av hydrogengass i industriskala fører med seg. Dermed manglet forskerne en robust løsning for kontinuerlig måling under realistiske prosessforhold. Eystein Opsahl forklarer hvorfor slike målinger er avgjørende:

– Ved å følge hvordan hydrogenkonsentrasjonen endrer seg under ulike driftsbetingelser, kan vi bedre forstå hva bakteriene trenger for å øke reaksjonshastigheten og utnytte næringsstoffene mer effektivt. Sensoren har blant annet vært brukt i pilotskala til å produsere eddiksyre fra hydrogen og karbondioksid. Det åpner for mer sirkulær bioøkonomi i samfunnet, der avgasser fra annen industri kan brukes til å skape noe verdifullt. Når hydrogen er en av reaktantene, er det helt avgjørende å vite hvor mye som er tilgjengelig, slik at vi unngår å sløse med hydrogen eller at reaksjonen stopper opp, sier Opsahl.

En løsning utviklet i samarbeid

For å løse problemet tok forskergruppen kontakt med Unisense. Sammen utviklet de en løsning basert på et såkalt retraktabelt sensorhus, der sensoren kan trekkes ut av reaktoren under sterilisering og settes tilbake når prosessen starter for å omgå hele temperaturproblemet. Samtidig kan den steriliseres med kjemiske metoder og settes inn igjen når reaktoren er klar, og videre holdes atskilt fra øvrig atmosfære ved hjelp av inertgass. Hydrogensensoren er utført i rustfritt stål som normalt kreves i bioprosesser og tåler godt de krevende prosessforholdene forskerne arbeidet med. Ingenting av dette er i seg selv teknologisk revolusjonerende, men desto viktigere er applikasjonen i seg selv der NORCE er først ute med å vise at dette går an. Opsahl understreker at løsningen bygger på både langsiktige investeringer og et bredt samarbeid:

– Her står vi på skuldrene til mange. Prosjekter som PYROCO2, med store investeringer i forskningsinfrastruktur, blir bare mulig gjennom innsatsen til teknikere, ingeniører, forskere, støttefunksjoner og offentlige finansieringskilder. Gjennom SFI Industrial Biotechnology hadde vi både utstyret og muligheten til å finansiere utviklingsarbeidet. Unisense tok utfordringen på strak arm og har vært en kompetent og nysgjerrig partner. Samtidig har teamet i Industriell Bioteknologi-gruppen vært helt avgjørende for å designe, bygge, og betjene gassfermenteringsanlegget i Risavika mens det hele har pågått, sier Opsahl.

Testet i pilotskala

Den nye sensoren ble installert i en 150-liters pilotreaktor ved NORCE og koblet til prosesskontrollsystemet. Etter vellykkede tester i vann trykksatt med hydrogen, ble den brukt til kontinuerlig overvåking og styring av en aktiv gassfermenteringsprosess ved 60 °C. Sensoren leverte stabile målinger gjennom mer enn en uke med drift til stor begeistring fra fagmiljøet.

For forskningsmiljøet ga dette nye muligheter til å følge prosessen i sanntid og skaffe data som er viktige for videre utvikling av hydrogenbasert bioteknologi. Ifølge Opsahl kan bedre måledata også få stor betydning for framtidig prosesstyring og oppskalering:

– Når vi endelig kan måle noe nytt, vet vi ikke nødvendigvis hvilke oppdagelser som venter. Det viktigste er å begynne å måle og logge, slik at vi etter hvert kan identifisere mønstre og forstå prosessen bedre. I dag bygger mange beslutninger i bioprosesser fortsatt på erfaring og magefølelse. Kunstig intelligens har et stort potensial for prediktiv prosesstyring, men da trenger vi et godt datagrunnlag som gjør det mulig å korrigere prosessen tidlig. Slike data er også viktige når vi skal utvikle reaktordesign og skalere opp fra eksempelvis 150 til 1000 liter. Dette arbeidet følges nå opp i SFI Industrial Biotechnology og skal etter planen munne ut i en vitenskapelig publikasjon, sier Opsahl.

Fra NORCE-behov til standardprodukt

Kanskje det mest interessante med historien er at løsningen ikke ble værende som et spesialtilpasset oppsett for én enkelt reaktor. Etter utviklingsarbeidet har den aktuelle sensoren blitt tatt inn som et standardprodukt i Unisenses portefølje og brukes i flere prosessovervåkingsoppsett.

Dette er et godt eksempel på hvordan forskning ofte drives fram gjennom konkrete utfordringer i laboratoriet og pilothallen. Når forskere, ingeniører og teknologileverandører samarbeider om å løse slike problemer, kan resultatet bli løsninger som får verdi langt utover det opprinnelige prosjektet.