Allgemein ist ein Bioreaktor ein Behälter mit Nährmedium, in dem Zellen oder Mikroorganismen unter möglichst optimalen Bedingungen kultiviert werden. Ziel ist es, die Zellen selbst, Teile von ihnen oder eines ihrer Stoffwechselprodukte zu gewinnen bzw. zu vermehren. Bioreaktoren gibt es in verschiedenen Größen, mit Fassungsvermögen von wenigen Millilitern für Laborversuche bis zu einigen Tausend Litern in Produktionsumgebungen. Die große Vielfalt ihrer Konstruktionsformen und Funktionsvarianten ist enorm.

Ziel der numerische Simulation ist die Unterstützung der Optimierung aller Kultivierungsbedingungen. Sowohl die Durchströmung des Systems und die Versorgung mit Nährmedium als auch die Temperaturregelung oder die Wahl der reaktionsrelevanten Betriebsparameter und Randbedingungen kann anhand von Simulationserkenntnissen optimiert werden.

Methoden der numerischen Strömungssimulation (CFD) werden bei der Modellierung von Bioreaktoren unter Einbeziehung eigener Routinen zur Beschreibung von Reaktionskinetiken und zellspezifischer Abhängigkeiten angewandt. Damit können neben den eigentlichen Strömungsparametern auch der Zellmetabolismus und mögliches Zellwachstum berechnet werden.

Ergebnis - Die Simulationsresultate geben Aufschluss über die 3D Verteilung von Geschwindigkeit, Scherrate (Gefahr der Zellschädigung), Temperatur und Konzentration. Sie ermöglichen eine Anpassung der Geometrie bzw. der Betriebsparameter hinsichtlich optimaler Versorgung und Lebensbedingungen der Mikroorganismen oder Zellen für eine maximale Ausbeute.

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