Scale-up von aeroben Bioreaktoren unter Nutzung von Eulerschen und Lagrangeschen Ansätzen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Schlüter
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 569017762

Ziel dieses Projektes ist die Verbesserung von Scale-up-Tools für industrielle aerobe Bioreaktoren. Die Reduzierung von Treibhausgasemissionen hängt unter anderem von der Dekarbonisierung der Industrie und der Produktion von Chemikalien und Treibstoffen (einschließlich Flugkraftstoffen) ab. Die Biotechnologie ermöglicht es, einen Teil der fossilen Chemikalien und Kraftstoffe durch biobasierte Produkte zu ersetzen, die aus selektiven und energiesparenden Fermentationsprozessen stammen. Das Scale-up von Bioreaktoren ist jedoch eine nicht triviale Aufgabe, für die CFD seit Jahren als vielversprechendes Auslegungswerkzeug eingesetzt wird, das empirische Korrelationen, die zu ungenau sind, ersetzt. Die Anwendung von CFD ist jedoch durch die Schwierigkeit eingeschränkt, Eigenschaften von Gas-Flüssigkeitssystemen wie Blasengröße, Blasengeschwindigkeit und Blasentrajektorien zuverlässig vorherzusagen, insbesondere in komplexen Fermentationsumgebungen wie z.B. nicht-Newtonschen Medien. Die vorgeschlagene Strategie beruht auf zwei Hauptmerkmalen. Aus experimenteller Sicht wird vorgeschlagen, die lokalen Eigenschaften der Gasphase von begasten Rührreaktoren in einem bisher nicht gekannten Größenbereich zu untersuchen: von 20L bis 15000L, wobei die bestehenden experimentellen Werkzeuge von IFPEN und TUHH genutzt werden sollen. Hierzu werden die neuesten Messverfahren verwendet. Aus numerischer Sicht werden Lattice-Boltzmann-Modelle für eine große Anzahl von Blasen (bis zu mehreren Millionen) erstellt, die auf einem Lagrangeschen Ansatz basieren. Dieser strenge numerische Zwilling wird es ermöglichen, Anlagen im Pilotmaßstab zu simulieren und die Aufstiegsbahnen der Blasen im Rührkessel zu analysieren. Die statistische Analyse der Simulationen mit dem LBM-Modell dient der Verbesserung und Validierung der Schließungsgesetze eines CFD-Modells vom Typ Euler/Euler RANS, das räumlich weniger aufgelöst ist als das LBM-Modell und es dennoch ermöglicht, Fermenter in Industriegröße zu simulieren. Die Validierung des Tools wird an einem transparenten 15000L Rührbehälter in Hamburg durchgeführt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Privatdozent Dr. Frédéric Augier