GEA ENTWICKELT BIOREAKTOREN MIT DIGITALEM ZWILLING WEITER

Weil sich massive Kapazitätsengpässe auf dem Bioreaktor-Markt abzeichnen, hat die Entwicklung leistungsfähigerer Reaktoren für GEAs Kompetenzzentrum für Bioreaktortechnologie Priorität. Die Validierung der Großfermenter mittels eines digitalen Zwillings ist ein wichtiger Schritt, optimale Wachstumsbedingungen zu erreichen und damit eine erfolgreiche Skalierung von New-Food-Prozessen zu sichern.

„Ein Bioreaktor ist ein Gefäß, das wie ein Körper funktionieren muss. Unter hochkomplexen Bedingungen reift Leben. Im industriellen Maßstab müssen wir lebendige Organismen berechenbar machen, denn wir brauchen zuverlässige und wiederholbare Leistungen mit maximaler Produktivität“, erklärt Daniel Grenov, Produktmanager für Bioreaktortechnologie bei GEA. „Ein digitaler Zwilling simuliert die Gegebenheiten in den Bioreaktoren in unterschiedlichsten Szenarien. Damit können wir das Tankdesign und die mechanische Konfiguration zu Erstellung der Parameter wie Scherbelastung durch das Rühren, Temperatur, Nähr- und Sauerstoffverteilung präzise auf die Bedürfnisse der Zellen abstimmen.“

Leistungsfähigkeit der Bioreaktoren durch CFD verbessern
Die virtuellen Bioreaktortests basieren auf numerischer Strömungsdynamik, der sogenannten Computational Fluid Dynamics (CFD), die das Wachstumsverhalten der Zellen und die Versorgungsradien im Reaktor modellieren. „Experten schätzen, dass Bioreaktoren beim Skalieren bis zu 30 Prozent an Leistungsfähigkeit einbüßen könnten, wenn Sauerstoff und Nährstoffe ungleichmäßig in den Tanks verteilt sind“, so Grenov.

Wie alle lebenden Organismen halten sich Zellen in der Nähe der Sauerstoff- und Nährstoffquellen auf. Der pH-Wert und die Temperaturen sind sehr wichtig, die Umweltbedingungen müssen homogen gehalten werden. Sauerstoff- oder Nährstoffmangel hingegen setzen Zellen unter Stress, sie verlieren an Produktivität oder setzen hemmende Stoffwechselprodukte frei, wenn sie für eine längere Zeit in einem begrenzten Raum leben.

„Wir können deshalb einen Tank nicht einfach stärker rühren, denn die Scherbelastung wiederum könnte Zellen abtöten und in großen Reaktoren Sauerstoffgradienten – also eine ungleiche Sauerstoffverteilung – erzeugen.“ Dieses Risiko lässt sich mit CFD-Simulationen und Berechnungen kinetischer Modelle als belastbare Produktentwicklungstools bannen. Kombiniert mit physischen Testaufbauten optimiert GEA die Leistung hochskalierter Bioreaktoren bereits auf dem Reißbrett.

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