Numerische Analyse und Optimierung von Bioreaktoren

Bioreaktoren stellen komplexe Gesamtsysteme dar, die ein sehr breites Anwendungsspektrum in der chemischen und pharmazeutischen Industrie, der Lebensmittelindustrie sowie der Medizin- und Umwelttechnik finden.
Aufgrund verschiedener technischer und wirtschaftlicher Nachteile von konventionellen Rührkesseln (hoher Leistungsbedarf, hohe Energie- und Kühlwasserkosten, Probleme bei der Wärmeabführung, hohe Investitionskosten, ...) wurden in den letzten Jahren verstärkt neue Reaktortypen entwickelt bzw. bekannte Typen weiterentwickelt, die gegenüber dem relativ einfach mathematisch zu beschreibenden ideal durchmischten Standard-Rührkessel technische und/oder wirtschaftliche Vorteile bieten. Diese sind aber nicht mehr durch solch einfache mathematische Modelle beschreib- und optimierbar. Hier bietet sich der Einsatz der numerischen Strömungssimulation an.
Konzentrationsverteilung
Konzentrationsverteilung in einem Membranreaktor 		Geschwindigkeitsverteilung
Geschwindigkeitsverteilung in einem Rührreaktor

Zur Maximierung der Produktivität solcher Bioreaktoren ist die kontinuierliche Gewährleistung optimaler Reaktions- und Lebensbedingungen hinsichtlich Temperatur, pH-Wert, Konzentration des gelösten Sauerstoffs und der Nährstoffe unabdingbar. Beeinflußt werden diese sowohl durch die reaktorspezifischen, bauartbedingten Prozesse (lokale strömungstechnische Bedingungen, räumliche Temperatur- und Stoffkonzentrationsverteilungen) als auch durch grundlegende biologische Prozesse hinsichtlich der Zeitverläufe der Reaktionen (Wachstum, Metabolismus, Biotransformation, ...) in Abhängigkeit der lokalen Bedingungen. Mit Fokus auf die gestalterische Optimierung von Bioreaktoren ergeben sich daraus folgende Aufgaben:
  • strömungstechnische Optimierung des Reaktors (Stagnationsgebiete, zu hohe Scherraten, Sauerstoffbeladung, Vermischung, Verweilzeit)
  • Optimierung des Temperaturregelungssystems
  • Optimierung der reaktionsrelevanten Betriebsparameter und Randbedingungen

deren Bewältigung durch die Methoden der numerischen Strömungssimulation exzellent unterstützt wird.

Neben der Analyse und Optimierung der dreidimensionalen Verteilung von Strömungsgeschwindigkeit und Scherraten werden mit Hilfe der numerischen Strömungssimulation auch Untersuchungen zur Bestimmung der Mischzeit für diskontinuierliche Systeme und des Verweilzeitverhaltens für kontinuierliche Systeme durchgeführt. Diese werden für die Beurteilung bzw. Beschreibung des Steuerungs- und Regelungsverhaltens benötigt. Es ist eine deutliche Übereinstimmung zwischen numerischer Simulation und Experiment erkennbar.
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Hochaufgelöstes AVI-Video
Simulation der Sprungantwort [komprimiertes AVI-File 3,82 MB]
Antwortverhalten auf Sprungsignal in einem Leberzell-Membranreaktor
[komprimiertes AVI-File 3,82 MB]


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Hochaufgelöstes AVI-Video
Simulation des Dirac-Impulses [komprimiertes AVI-File 2,96 MB]
Antwortverhalten auf Dirac-Impuls in einem Leberzell-Membranreaktor
[komprimiertes AVI-File 2,96 MB]

Steht ein adäquates mathematisches Modell zur Verfügung, welches die wesentlichen Prozesse des Metabolismus und gegebenenfalls der Biotransformation realitätsnah beschreibt, ist neben der allgemeinen strömungstechnischen Analyse und Optimierung des Reaktors auch die Optimierung hinsichtlich der biochemischen Bedingungen bezüglich strömungstechnischer Randbedingungen sowie günstigster Betriebsweisen und Regelungsstrategien möglich.

Von der ASD GmbH wurden eigene Routinen zur Beschreibung der spezifischen Randbedingungen, Reaktionskinetiken und Abhängigkeiten der Stoffwerte von der Zellkonzentration entwickelt, die mit vertretbarem Aufwand an die Reaktionskinetiken und strömungstechnischen Randbedingungen der konkret zu lösenden Aufgabenstellung adaptiert werden können.

Berücksichtigt werden kann dabei u.a.:
  • Mehrphasigkeit des Reaktorinhaltes
  • Nicht-Newtonsches Verhalten des Fluides
  • Räumliche Abhängigkeit der Viskosität von der Zusammensetzung des Reaktorgemisches (Zellen und unterschiedliche flüssige Bestandteile)
Hefezellwachstum - ohne Erhöhung der Belüftungsrate
Simulationsbeispiel: Batchprozeß des Hefezellwachstums - ohne Erhöhung der Belüftungsrate Hefezellwachstum - mit Erhöhung der Belüftungsrate
Simulationsbeispiel: Batchprozeß des Hefezellwachstums - mit Erhöhung der Belüftungsrate
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