Interaktion der mechanischen Beanspruchung und der Produktivität von biologischen Agglomeraten in Rührfermentern

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Matthias Kraume
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 315464571

Das Projekt untersucht die mechanische Beanspruchung filamentös wachsender Mikroorganismen in Rührfermentern, um die bestmöglichen Vermischungsbedingungen für die Produktivität der Mikroorganismen zu identifizieren. Dazu wurden in der 1. FP Methoden zur Charakterisierung der Scherintensität von Rührern entwickelt. Aufbauend auf den Ergebnissen und den entwickelten Methoden sollen in der 2. FP die folgenden Ziele erreicht werden.1. Von der Kultivierungsbrühe zur Modelllösung und zurückBasierend auf Kultivierungsbrühen von Aspergillus niger wurden in der 1. FP Modelllösungen etabliert, anhand derer systematische Untersuchungen zur Partikelbeanspruchung erfolgten. Zur Annäherung an den realen Fall bei gleichbleibend guter Reproduzierbarkeit werden in der 2. FP Fragmentierungsexperimente der Kultivierungen durchgeführt, die auf verdünnten Brühen basieren. Diese Experimente haben u. a. den Vorteil, mehrere gleiche Ansätze als Basis zu generieren, Stoffgrößen (z. B. Rheologie) definiert einstellbar zu machen und die Bioagglomeratcharakterisierung (Morphologie) in Folge der Verdünnung zu vereinfachen. Um die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf weitere Mikroorganismen zu prüfen, werden am FGVT in Kooperation mit anderen AGs Kultivierungen verschiedener Mikroorganismen durchgeführt.2. Fluiddynamische Charakterisierung des Rührkessels in verschiedenen KonfigurationenIn der 1. FP wurden bei den Untersuchungen bekannter und neuer Rührertypen weitere Einflussgrößen identifiziert, die insbesondere im Labor- und Technikumsmaßstab eine Rolle spielen. Kleine Änderungen an der Rührkesselkonfiguration (z. B. Stromstörereintauchtiefe) können Änderungen der Strömungsbedingungen hervorrufen. Der Einfluss wird mit den in der 1. FP etablierten Methoden systematisch erfasst. Darüber hinaus sollen bekannte Rührertypen optimiert und die Entwicklung neuartiger Rührertypen auf neue radial fördernde Geometrien erweitert werden. Die Methodik wird auch auf mehrstufige Rührer angewendet.3. Beurteilung der Beanspruchungshistorie einzelner Bioagglomerate im RührkesselNeben der makroskopischen Betrachtung globaler Größen haben speziell die numerischen Untersuchungen der 1. FP aufgezeigt, dass lokale Phänomene oder auch die Untersuchung der Partikelbahnen im Rührkessel Erklärungsansätze aufzeigen, die ein tieferes Verständnis für die mechanische Beanspruchung liefern. Hierzu wird z. B. die Analyse der Verweilzeit eines Partikels im Bereich bestimmter Scherraten entlang eines Partikelpfads in der 2. FP weiter ausgebaut. Die Ergebnisse sollen in Zusammenarbeit mit diversen AGs für verschiedene Stoffsysteme und Apparate verglichen und bis auf molekularer Ebene analysiert werden.Als Ergebnis der Untersuchungen soll für verschiedene (stoffsystembedingte) Rührbedingungen eine Basis zur Auswahl der Rührkesselkonfiguration und Rührertypen geliefert werden, die bioverfahrenstechnische Prozesse definierter als bisher betreibbar machen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1934: Dispersitäts-, Struktur- und Phasenänderungen von Proteinen und biologischen Agglomeraten in biotechnologischen Prozessen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Lutz Böhm