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Auf den richtigen Rührer kommt es an

Der begaste Rührkesselreaktor hat sich in der Bioverfahrenstechnik mittlerweile zu einer Art Standardapparat entwickelt. Denn kein anderer Bioreaktor ist im industriellen Umfeld ähnlich vielseitig einsetzbar – das spart Zeit und Kosten. Mit Hilfe ausgeklügelter Methoden der numerischen Strömungssimulation, wie sie auch am Institut für Bioverfahrenstechnik (IBVT) der Universität Stuttgart zum Einsatz kommen, lassen sich diese Anlagen jetzt noch effizienter gestalten.

Ob bei der Nahrungszubereitung, im Waschzuber oder in den Trögen der mittelalterlichen Alchemisten - „gerührt“ haben die Menschen schon immer. So auch in der Bioverfahrenstechnik: Seit Jahrzehnten bereits spielt der Rührkesselreaktor mit drehenden Mischwerkzeugen bei den gängigen Produktionsprozessen eine zentrale Rolle. Schon das erste industrielle Verfahren zur Herstellung von Penicillin während des Zweiten Weltkriegs nutzte diesen speziellen Aufbau. „Damals gab es in der Tat keinen anderen Bioreaktor als den Rührkessel, der in der Lage gewesen wäre, das hoch viskose, der Konsistenz von Apfelmus ähnelnde Reaktionsmedium des Penicillium-Schimmelpilzes zu durchmischen und ausreichend mit Sauerstoff zu versorgen“, erklärt Professor Dr.-Ing. Dr. h.c. Matthias Reuss, Institutsleiter am IBVT.

Industrie weiß Vielseitigkeit zu schätzen

Institutsleiter Professor Dr.-Ing. Dr. h.c. Matthias Reuss (Foto: IBTV)
Inzwischen hat sich der Rührkesselreaktor in der pharmazeutischen Industrie gar als Standard etabliert: Weniger allerdings aufgrund seiner Einzelvorzüge, als vielmehr wegen seiner äußerst flexiblen Einsatzmöglichkeiten. „Man kann den einen biotechnologischen Prozess stilllegen und relativ rasch mit einem anderen fortfahren - ohne erst umständlich einen neuen Reaktor konzipieren zu müssen. Das spart den Firmen natürlich enorm viel Zeit und Geld“, so Reuss.

Doch der globale Wettbewerb und ein zunehmender Kostendruck verlangen heute die Entwicklung immer noch größerer und effizienterer Rührsysteme - mit immer höheren Ausbeuten. Letzteres lässt sich in bestimmten Grenzen zwar auch über eine Produktivitätssteigerung der jeweiligen Mikroorganismen mit Hilfe gentechnischer Methoden realisieren. Entscheidend für ein optimales Prozessergebnis ist aber das Gesamtsystem. „Ich halte es nicht für sinnvoll, jede einzelne Zelle als ein isoliertes Produktionssystem zu betrachten“, betont Reuss. „Die Wechselwirkungen der eingesetzten Bakterien oder Hefen mit ihrer extrazellulären Umgebung im Bioreaktor sind mindestens genauso bedeutend.“

Der feine Unterschied - ideale versus tatsächliche Durchmischung

Häufig können bereits kleine Modifikationen an den Rührelementen oder den Vorrichtungen für die Sauerstoff- und Nährstoffzufuhr das Produktionsergebnis dramatisch beeinflussen. Denn eine unzureichende Durchmischung kann im Inneren des Bioreaktors zu hohen Konzentrationsgefällen führen, auf die die Mikroorganismen meist sehr empfindlich reagieren. „Einige Zellen können plötzlich einer sehr hohen Glukose-Konzentration ausgesetzt sein, andere hingegen einer sehr niedrigen. Das hat natürlich zum Teil ganz dramatische Auswirkungen auf deren Funktionsweise“, erläutert Reuss die praktischen Konsequenzen. Aber auch kritische Scherbeanspruchungen, die während des Rührens auf die Zellen einwirken können, lassen sich ohne eine detailliertere lokale Betrachtungsweise nicht erfassen. Messtechnische Verfahren stoßen hier schnell an ihre Grenzen - und sind zudem noch äußerst kostspielig.
Die Lösung liefert jetzt ein numerisches Verfahren - die Computational Fluid Dynamics (CFD). Diese ursprünglich für die Luft- und Raumfahrttechnik entwickelte Methode ermöglicht eine präzise Modellierung und Simulation der strömungsmechanischen Vorgänge im Inneren eines Bioreaktors. „Anstatt wie bisher stark vereinfachend vom Zustand der vollständigen Vermischung auszugehen, erhalten wir nun gezielte Informationen über die dreidimensionalen Transportphänomene, die in einem Reaktionstank tatsächlich auftreten. Und zusätzlich wissen wir jetzt sogar über die individuelle Umgebungssituation jeder einzelnen Zelle Bescheid“, so Reuss.

Auf der Suche nach dem optimalen Rührwerkzeug

Diese Modellierungen ergänzen inzwischen in einem immer stärkeren Maß die klassischen experimentellen Untersuchungen und Auslegungsregeln, wenn es um die optimale Anpassung der Rührreaktoren an die jeweilige Betriebssituation geht. Denn mittels CFD lassen sich die verschiedenen Bauteile eines Reaktors jetzt vorab realitätsnah und maßstabsunabhängig modellieren. Gerade der Einfluss unterschiedlicher Rührelemente auf die Durchmischung im Reaktor lässt sich auf diese Weise hervorragend untersuchen. Neben der Bauart und Größe können auch unterschiedliche Neigungswinkel und Anordnungen simuliert werden. So hat man herausgefunden, dass bestimmte Rührertypen zwar nur unzureichend für eine axiale Durchmischung sorgen, andererseits aber eine sehr gute Sauerstoffversorgung im Reaktionsmedium gewährleisten – bei anderen ist es gerade umgekehrt.

Deshalb werden inzwischen oftmals mehrere verschiedene Rührertypen miteinander kombiniert. „Welche letztlich zum Einsatz kommen, wo diese genau zu positionieren sind und wie stark man letztlich rühren muss - darüber geben uns die Simulationenuntersuchungen nun detailliert Aufschluss“, umreißt Reuss die Vorteile der neuen Methode, die bereits in der industriellen Praxis Anwendung findet..

Aber das Verfahren stößt auch an Grenzen. Zwei- und Mehrphasensysteme wie beispielsweise die Gas-Flüssigkeits-Dispersion lassen sich mit CFD noch nicht zufriedenstellend darstellen. „Zudem sind viele Phänomene physikalisch einfach noch nicht verstanden und können deshalb auch nicht mathematisch beschrieben werden – zum Beispiel das Auftreten von Turbulenzen“, so Reuss.

Den Siegeszug der numerischen Strömungssimulationen im Bereich der Bioverfahrenstechnik wird das nicht aufhalten. Denn das Verfahren erlaubt bereits jetzt neue und faszinierende Einblicke in das Innenleben von Rührkesselreaktoren, die auf anderem Weg sonst kaum zu gewinnen sind.

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/auf-den-richtigen-ruehrer-kommt-es-an