CLARA yazılımı biyoreaktör simülasyonlarını 10.000 kata kadar hızlandırıyor

Büyük ölçekli endüstriyel biyoreaktörlerin yönetimi, proses sanayisinin en karmaşık işlerinden biri sayılıyor. Dev tesislerde sıcaklıktaki, pH değerindeki ya da oksijen miktarındaki küçücük sapmalar bir sürecin başarısını ya da çöküşünü belirleyebiliyor. Graz Teknik Üniversitesi'nden (TU Graz) disiplinler arası bir ekip, bu reaktörlerin içindeki süreçleri 10.000 kata kadar daha hızlı simüle edebilen CLARA adlı yazılım araç setini tanıttı. Çalışma Chemical Engineering Science dergisinde yayımlandı.

CLARA nasıl çalışıyor?

Ekibi, Süreç ve Parçacık Teknolojisi Enstitüsü'nden Stefan Radl yönetiyor. CLARA, adını "CLustering AlgoRithm Austria" ifadesinden alıyor. Denetimsiz makine öğrenmesi yöntemleriyle indirgenmiş dereceli modellerin (ROM) oluşturulmasını otomatikleştiriyor. Böylece karmaşık akışlardaki ayrıntılı reaksiyonlar ve kütle taşınımı süreçleri çok daha verimli hesaplanabiliyor.

Şimdiye kadar bu hesaplar ağırlıklı olarak hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) simülasyonlarıyla yapılıyordu. Radl'a göre bu simülasyonlar çok doğru ve ayrıntılı, ama hesaplama yükü de çok ağır. Gerçek süreçleri günler ya da haftalar boyunca yansıtan bir simülasyonun hesaplanması aylar sürebiliyor.

CLARA'nın çekirdeğinde yapay zekâ destekli bir kümeleme işlemi var. Daha kısa CFD simülasyonlarından gelen milyonlarca veri noktası, birbiriyle bağlantılı ve sayısı beş ile 50 arasında değişen bölgeye, yani kompartmana otomatik olarak gruplanıyor. Daha önce uzmanlık isteyen ve elle yürütülen bu adım artık otomatik ve matematiksel olarak hassas biçimde yapılıyor.

Fiziksel tutarlılık ve doğruluk

Model sadeleştikçe önemli fiziksel etkilerin kaybolması riski doğuyor. Araştırmacılar bu noktaya özellikle eğildi. Karışımın yetersiz kaldığı ölü bölgeler ya da yüksek kayma kuvvetlerinin görüldüğü alanlar, hesaplama hızı çok artmasına rağmen güvenilir biçimde hesaba katılabiliyor. Gaz ile sıvı fazı arasındaki tür alışverişi de gerçekçi modelleniyor. Bu, biyoteknolojik süreçler için belirleyici bir etken.

Katı, sıvı ve gaz akışlarının biyoreaktörde birbirine karıştığı çok fazlı akışlarda da doğruluğun korunduğu belirtiliyor. Sadeleştirilmiş modellerde sık görülen sorun, kütle dengesindeki hatalar. Örneğin bir organizma reaktörde büyüdüğünde belli bir noktadan sonra daha fazla gaza ve besine ihtiyaç duyuyor; basit modeller özellikle büyük ölçeklerde burada yeterince ikna edici sonuç vermiyor. TU Graz ekibi bu yüzden ROM'ları optimize eden ve kütlenin korunumunu sürekli güvence altına alan algoritmalar geliştirdi. Analitik kıyas testleri ve ayrıntılı CFD verileriyle yapılan ilk doğrulamalar, yüksek doğruluğu teyit ediyor.

Neden önemli?

Biyoreaktörler; fermantasyon, biyokütleden enerji eldesi ve polimer üretimi gibi birçok alanda kullanılıyor. Bu tesislerde tasarım ya da işletme koşullarını değiştirmek maliyetli ve riskli olabiliyor. Bir değişikliğin sonucunu önceden, makul sürede hesaplayabilmek mühendisler için büyük avantaj. Aylar süren hesaplar yerine çok daha kısa sürede sonuç veren modeller, farklı senaryoların denenmesini pratik hale getirebilir.

Hız kazancı, "dijital ikiz" yaklaşımı açısından da kritik. Dijital ikiz, fiziksel bir tesisin sanal kopyasını verilerle besleyerek süreci anlık izlemeyi ve iyileştirmeyi amaçlıyor. Böyle bir sistemin işe yaraması için modelin gerçek zamanlıya yakın hızda çalışması gerekiyor; tam ölçekli CFD hesapları bunun için genellikle fazla yavaş kalıyor. İndirgenmiş modeller de bu boşluğu doldurmaya aday yöntemlerden biri olarak görülüyor. Yine de sonuçların farklı reaktör türlerinde ne kadar geçerli olduğu, ilerleyen uygulamalarda netleşecek.

Kullanım alanları ve açık kaynak

Radl, CLARA'nın uygulama alanlarının karbondioksit yakalama reaktörlerinden batarya hücresi üretimindeki süreçlere kadar uzandığını söylüyor. Teknolojinin özellikle gerçek zamanlı eşleme ve optimizasyon yapabilen dijital ikizlerin geliştirilmesinde büyük potansiyel taşıdığını vurguluyor.

Araç, açık kaynaklı olarak herkese açık bir depoda paylaşılıyor. Test edilen tüm özellikler pakete dahil, yeni geliştirmeler ise adım adım ekleniyor. CLARA şu an bir doktora tezi kapsamında COMET merkezi BEST'te ve TU Graz'ın yan kuruluşu SimVantage'de kullanılıyor. Çözüm, üniversitenin DigiBioTech öncü projesi çerçevesinde geliştirildi.