Fachpressemitteilung
GEA entwickelt Bioreaktoren mit digitalem Zwilling weiter
10 Oct 2023
Zur Konfiguration von Bioreaktoren, Schlüsseltechnologie für die New-Food-Industrie, hat GEA nun den digitalen Zwilling für virtuelle Tests vor dem Bau eingeführt. Ziel ist es, eine optimale Wachstumsumgebung für gezüchtete Zellen zu schaffen, die sich in den für die Massenproduktion notwendigen Volumina anders verhalten als im Labormaßstab.
Der digitale Zwilling simuliert auf Basis von Computational Fluid Dynamics (CFD) das Zellverhalten in Bioreaktoren entlang der Versorgunggradienten für Sauerstoff und Nährstoffen in den Tanks. Quelle: GEA
Verhalten von Mikroorganismen und Zellen durch Digital Twin simuliert
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.
Kontakt
Über GEA
GEA ist weltweit einer der größten Systemanbieter für die Nahrungsmittel-, Getränke- und Pharmaindustrie. Der 1881 gegründete und international tätige Technologiekonzern fokussiert sich dabei auf Maschinen und Anlagen sowie auf anspruchsvolle Prozesstechnik, Komponenten und umfassende Service-Dienstleistungen.
Zur Konfiguration von Bioreaktoren, Schlüsseltechnologie für die New-Food-Industrie, hat GEA nun den digitalen Zwilling für virtuelle Tests vor dem Bau eingeführt. Ziel ist es, eine optimale Wachstumsumgebung für gezüchtete Zellen zu schaffen, die sich in den für die Massenproduktion notwendigen Volumina anders verhalten als im Labormaßstab.
Der digitale Zwilling simuliert auf Basis von Computational Fluid Dynamics (CFD) das Zellverhalten in Bioreaktoren entlang der Versorgunggradienten für Sauerstoff und Nährstoffen in den Tanks. Quelle: GEA
Verhalten von Mikroorganismen und Zellen durch Digital Twin simuliert
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.
Kontakt
Über GEA
GEA ist weltweit einer der größten Systemanbieter für die Nahrungsmittel-, Getränke- und Pharmaindustrie. Der 1881 gegründete und international tätige Technologiekonzern fokussiert sich dabei auf Maschinen und Anlagen sowie auf anspruchsvolle Prozesstechnik, Komponenten und umfassende Service-Dienstleistungen.
