Numerical Characterization of Mechanical Stress and Flow Patterns in Stirred Tank Bioreactors

Das Ziel der Arbeit bestand darin, die lokalen und globalen mechanischen Beanspruchungsparameter in einem Rührkesselbioreaktor mit Hilfe der numerischen Strömungssimulation (CFD) nachzubilden und die Ergebnisse mit experimentellen Daten der Pellet-kultivierung bzgl. Fluiddynamik und Rheolgie des rekombinanten Stammes A. niger SKAn1015 zu validieren. Ausgehend von der einphasigen Strömungssimulation eines 2L-Bioreaktors werden zunächst Simultionsdaten über Strömungsgeschwindigkeit und mechanische Beanspruchung diskutiert. Aßerdem erfolgt eine Validierung der einphasigen Simulationsdaten mit der Particle Image Velocimetry. In weiteren Untersuchungen wird die Strömungssimulation auch auf nicht-newtonsche Flüssigkeiten, so wie sie bei der Kultivierung filamentöser Pilze üblicherweise auftreten, mit dem Ostwald - de Waele-Ansatz erweitert und die mechanische Beanspruchung in Abhängigkeit zu den rheologischen Prozessparametern korreliert. Die Untersuchung des Einflusses unterschiedlicher Rührergeometrien auf die Strömungsfelder und die mechanische Beanspruchung mittels CFD bildet den Abschluss, so dass die Auswahl eines geeigneten Rührers für den Kultivierungsprozess mit schesensitiven biologischen Systemen eindeutig getroffen wird. Die Arbeit validiert die numerische Strömungssimulation in einem Bioreaktor mit experimentell gnerierten biologischen und fluiddynamischen Prozessdaten und gibt praktische Hinweise darüber, wie biotechnologische Prozesse mit filamentösen Mikroorganismen hinsichtlich der Minimierung der mechanischen Beanspruchung zu betreiben sind.