Application of transport equation models in simulating bioreactors

Diese Arbeit befasst sich hauptsächlich mit der numerischen Untersuchung von den biologischen Prozessen (kontinuierliche Kultivierung) und dem strömungsmechanischen Verhalten in einem horizontalen Mikrobioreaktor (h-MBR). Hierfür werden zusätzlich zu den Strömungsvorgängen die Mischeigenschaften sowie das biologische Wachstumsverhalten von Biomasse, Substratumsetzung (Glukose) und Produktbildung (Ethanol) numerisch untersucht. Um die zu Grunde liegenden kinetischen Transportgleichungen des kontinuierlichen Kultivierungsprozesses besser verstehen zu können, werden einfache ein- und zwei-dimensionale Reaktor Geometrien betrachtet: d. h. das ideale Strömungsrohr mit pfropfenartiger Strömung (engl. Plug Flow Reactor, PFR) und der kontinuierliche Rührkessel (engl. Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR). Basierend auf mehreren Voruntersuchungen kann durch Einstellung und Anpassung von kinetischen Parametern eine Kopplung zwischen den kinetischen Transportgleichungen und den Navier-Stokes-Gleichungen ermöglicht werden. Die Kopplung findet durch sogenannte User Defined Scalars (UDSs) und User Defined Functions (UDFs) im CFD-Code Ansys-Fluent V12 statt. Im nächsten Schritt wird das implementierte Modell für die Simulation eines drei-dimensionalen CSTR verwendet. Die Ergebnisse werden mit Hilfe einer experimentellen Datenbasis des Instituts für Bioverfahrenstechnik, Technische Universität Braunschweig validiert. Anschließend wird der gekoppelte CFD-Code für die Simulation von strömungsmechanischen und biologischen Prozessen im realen h-MBR genutzt. Die experimentellen Untersuchungen am CSTR werden durch Untersuchungen am h-MBR (Institut für Bioverfahrenstechnik, ibvt) ergänzt und zu Validierung und Vergleich mit den CFD-Ergebnissen herangezogen. Die hydrophoben Materialeigenschaften des h- MBR (PDMS) und der Teilnehmer-organismus (Saccharomyces cerevisiae) verursachen offensichtlich eine Adhäsion der Zellen an den Reaktorwänden, die die Auswaschung der Zellen vom Reaktor verhindern. Dieses Phänomen wird numerisch untersucht, um die Wirkung der Zellhaftung auf die kontinuierliche Kultivierung innerhalb eines h-MBR darzustellen. Hierfür werden die kinetischen Transportgleichungen unter Berücksichtigung des Wandwachstums erweitert.