Entwicklung eines Multi-Skalen Modells zur Adsorption von molekularen Zielstoffen an magnetische Trägerpartikel mittels Lattice-Boltzmann-Methoden

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Mathias Joachim Krause
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 256075891

Die Biotechnologie gilt als eine Schlüsseltechnologie für die pharmazeutische Industrie, die Spezialchemie sowie die Nahrungsmittelherstellung. Viele pharmazeutische Wertstoffe werden inzwischen durch Expression in genveränderten Bakterien oder Zellen hergestellt. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Abtrennung der Zielprodukte aus der Fermentationsbrühe. Sie ist schwierig, da neben dem Zielprotein andere Proteine vorliegen, die sich ähnlich verhalten und nur mit hochselektiven Verfahren unter Ausnutzung von Unterschieden in etwa isoelektrischem Punkt oder bestimmten Bindestellen abtrennen lassen. Magnetische Partikel mit funktionalisierter Oberfläche können dafür effizient eingesetzt werden. Detaillierte Untersuchungen der Vorgänge während der Adsorption und ihr Einfluss auf den gesamten Prozess sowie seine maximalen Durchlaufzeiten wurden bisher noch nicht durchgeführt. Diese sind jedoch notwendig, um effiziente Verfahren in industriellen Anlagen zu entwickeln.Ziel des Vorhabens ist die Aufklärung des Verhaltens magnetischer, funktionalisierter Partikel und ihrer örtlichen Verteilung auf die Adsorption und Abtrennung von molekularen Zielsubstanzen. Die auftretenden unterschiedlichen und in mehreren Größenordnungen stattfindenden physikalischen Phänomene der Teilprozesse (Adsorption, Magnetisierung und Abtrennung) stellen eine Herausforderung für die Simulation dar. Die Zusammenhänge sind komplex und wurden bisher nicht mit einem einzigen effizienten Ansatz beschrieben, so dass aufgrund einhergehender hoher Rechenkosten und begrenzter Computerressourcen Simulationen auf Teilaspekte und kleine geometrische Ausschnitte des Prozesses begrenzt blieben.Im geplanten Vorhaben sind die Zusammenhänge mittels einer mesoskopischen Modellierung zu erfassen, mithilfe von Lattice-Boltzmann-Methoden (LBM) zu diskretisieren und simulieren. Das zu entwickelnde Modell verknüpft molekulardynamische Zusammenhänge im Ångström-Maßstab mit makroskopischen strömungsmechanischen Effekten, sowie deren Einfluss auf die Partikelbewegung im mm-Maßstab. Eine bisher übliche Herangehensweise besteht aus einer mikroskopischen Beschreibung der Partikeldynamik, diskretisiert mit einer Diskrete-Elemente-Methode, und einem makroskopischen Mehrphasenmodell, diskretisiert mit einer Finite-Volumen-Methode. Der neue Ansatz erlaubt eine effizientere Simulation und damit die Simulation einer größeren geometrischen Skala bis hin zum gesamten Trennapparat. Die Modellkalibrierung und Validierung des Ansatzes erfolgt durch Simulationen von Adsorptionsvorgängen in einem statischen Mischer. Danach wird das Modell mit sensitivitätsbasierten Ansätzen reduziert, der Gesamtprozess auf einem modernen Magnet-Separator simuliert und experimentell validiert. Das zu entwickelnde reduzierte Euler-Euler-Euler Modell ist übertragbar und kann in Zukunft auf andere Multi-Skalen-Fragestellungen, wie zum Beispiel der Simulation von Fotobioreaktoren, angewendet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Professor Dr.-Ing. Hermann Nirschl