Computational Bioprocess Engineering

Unser Ziel ist es, realistische Simulationen komplexer industrieller Anlagen zu ermöglichen, um Engineering-Prozesse zu unterstützen. Wir finden, testen, validieren und verknüpfen hocheffiziente Algorithmen für Grafikprozessoren (GPUs), um den physikalischen Prozess in Anlagen wie dem Bioreaktor zu simulieren.

Unsere hauseigene Codebasis ermöglicht es uns, kundenspezifische Anwendungen zu erstellen, die die Bewegung des Strömungsfeldes, Blasen, Partikel, Tröpfchen, gelöster Stoffe und Mikroorganismen sowie die Apparategeometrie einschließlich Rührwerke, Wärmetauscher, poröser Zonen und Sensoren umfassen. Die biologische Aktivität der Mikroorganismen kann über Stoffwechselmodelle einbezogen werden.
 

V.l.n.r.: Simon Rustige, Philipp Eibl, Oliver Tomaschitz,
Gottfried Segner, Laura Schneider, Christian Witz

Begaster und gerührter 150l Bioreaktor mit drei Rusthon-Rührern

In seiner Doktorarbeit hat Christian Witz ein bereits bestehendes CPU-Programm für GPUs neu geschrieben und angepasst (Paper 1) und mit neu entwickelten Lattice-Boltzmann-Algorithmen (LBM), Lagrangian Particle Tracking (LPT) und effizienten Parallelisierungsstrategien eine enorme Beschleunigung erreicht. Die Simulationen wurden mit einem 150l Acrylglasreaktor und einem leitfähigkeitsbasierten lokalen Holdup-Messsystem validiert. Schließlich waren Simulationen von industriellen Reaktoren bis zu 250 m³ möglich (Paper 2).

Seitdem wurden die Funktionalitäten des Programms ständig erweitert. Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten können simuliert und bis zu 32 GPUs können verwendet werden, um die Simulationsgeschwindigkeit zu erhöhen. Die Leistungsaufnahme des Rührwerks sowie die Scherratenverteilung im Reaktor wird während der Simulation ermittelt. Gelöste Stoffe wie Nährlösung, gelöster Sauerstoff oder Kohlendioxid werden durch das Strömungsfeld transportiert und auch der Weg der Mikroorganismen im Reaktor (Lifelines) kann verfolgt werden.

Verteilung einer gelösten Substanz in einem gerührten Reaktor mit einer schrägen Rührerachse

In seiner Doktorarbeit arbeitet Philipp Eibl an weiteren physikalischen Modellen, um den gesamten biologischen Prozess am Computer zu analysieren. Dazu gehört die Simulation der Temperaturverteilung im Reaktor mit Wärmequellen wie aktiven Mikroorganismen sowie Kühlkörpern wie Wärmetauschern oder ein Kühlmantel. Nährstoffe sind nicht nur als gelöstes Substrat vorhanden, sondern können auch als dispergierte, nicht mischbare Phase vorliegen, die je nach Tropfengröße mit hochauflösenden Eulerschen Methoden oder Populationsbilanzmodellen modelliert werden kann.

Die komplexe biologische Modelle werden auch mit dem Strömungsfeld gekoppelt. Dazu gehören nicht nur die Vorhersage von Wachstum und Produktionsrate von Pilzen oder Zellkulturen, sondern auch mechanische Einflüsse auf Zellschäden oder Pilzmorphologie und Größenverteilung. Alle diese Modelle werden unter besonderer Berücksichtigung der Recheneffizienz mit Hilfe modernster GPU-Technologie implementiert.

Mitarbeiter

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Christian Witz
Dipl.-Ing. Dr.techn. BSc

Institut für Prozess- und Partikeltechnik
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