Die numerische Simulation von Strömung und Stoffaustausch in gerührten, begasten Bioreaktoren

Schütze, Jochen

In begasten Rührkesseln in der Biotechnologie soll Stoffaustausch zwischen einer Flüssigkeit und einer dispersen Gasphase erreicht werden. Dieser Stoffübergang ist räumlich inhomogen; er findet dort statt, wo Gasblasen und Turbulenz zusammentreffen. Schwerlösliche Komponenten bilden bei räumlich ungleichmäßigem Eintrag stationäre, maßstabsabhängige Konzentrationsgradienten. Die Arbeit demonstriert die Vorhersage solcher Konzentrationsgradienten mit Hilfe der numerischen Strömungssimulation (CFD). Mit dem kommerziellen CFD-Programm FLUENT werden Flüssigkeitsströmung und Gasblasenströmung (mit der Euler/Lagrange-Methode) berechnet. Der Rührer wird in seiner Geometrie direkt in der Simulation abgebildet. Bei der Berechnung von Trajektorien der Gasblasen wird turbulenzabhängige Blasenzerteilung modelliert. Weiterhin wird der Stoffübergang für Sauerstoff aus den Blasen in die Flüssigkeit berechnet. Mit einem Modell für den Verbrauch des Gelöstsauerstoffs ergeben sich stationäre Konzentrationsprofile. Es wurden Messungen in einer realen Fermentation bei sehr geringen Sauerstoffkonzentrationen ausgeführt. An integrale Meßwerte angepaßte Parameter im Stoffaustauschmodell bestätigen Literaturwerte. Mit einem faseroptischen Sauerstoffsensor ('MOPS') wurde an vier Positionen im Reaktor die lokale Gelöstsauerstoffkonzentration gemessen. Die Ergebnisse bestätigen das numerische Modell.

In aerated stirred tank reactors used in biotechnology, mass transfer between a liquid and a dispersed gas phase is accomplished. This transfer is not distributed equally in space; it occurs mainly where gas bubbles meet turbulent eddies. Gas components of low solubility, when entering the liquid phase locally, but being consumed equally everywhere, form concentration gradients throughout the liquid volume. This thesis demonstrates the prediction of those concentration gradients using computational fluid dynamics (CFD). The commercial CFD code FLUENT is used to simulate the liquid and (dispersed) gas phase flow (using an Euler/Lagrange approach). The impeller is modelled in all detail of its geometry. During the calculation of gas bubble trajectories, turbulence dependent bubble break-up is modelled. Also, oxygen mass transfer from bubbles into the aquous liquid is calculated. Together with a model for dissolved oxygen consumption, this yields stationary concentration gradients in the tank. Measurements have been performed in a real fermentation bioprocess at low dissolved oxygen concentrations. Parameters in the mass transfer model have been fitted to mass transfer measurements and confirm known literature data. Using a special fibre optic oxygen sensor ('MOPS'), the low dissolved oxygen concentration in the oxygen limited bioprocess was measured at four different positions in the tank. Results agree well with the numerical predictions.

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Schütze, Jochen: Die numerische Simulation von Strömung und Stoffaustausch in gerührten, begasten Bioreaktoren. 2001.

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