Modellierung und Simulation hydrodynamischer Vorgänge in Bioreaktoren


Modellierung und Simulation hydrodynamischer Vorgänge in Bioreaktoren

Liao, J.

Am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) wurde für zweiphasige disperse Systeme von Gasblasen in einer Flüssigkeit eine Modellsammlung („HZDR-Baseline-Modell“) zusammengefasst. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Validierung des Modells für andere Reaktortypen wie beispielsweise den in der Bioverfahrenstechnik weit verbreiteten Airlift-Reaktor und die Entwicklung einer Modellierung für das dreiphasige System mit den Mikroorganismen als zusätzliche Feststoffphase zwecks der weiteren Anwendungen in der Biotechnologie.

Das Modell wurde aufgrund der physikalischen Grundlage und empirischer Modelle aus der Literatur und den Experimenten entwickelt. Danach wurde das Modell in der Software CFX implementiert und durch den Vergleich der Simulationsergebnisse mit den Daten aus der Literatur validiert. Nach der Literaturstudie wurde Luos Arbeit wegen ihrer ausführlichen Beschreibung der experimentellen Einrichtungen, Mess- und Auswertungsmethode, Daten sowie CFD Berechnung ausgewählt. Eine 2D-Simulation wurde wegen des günstigen Rechnungsaufwands und der Genauigkeit durchgeführt. Das Simulationsergebnis wurde mit einer Gitterstudie und einem Konvergenzkriterium von dem Gitter und der Zeit unabhängig gemacht und mit derselben Auswertungsmethode im Experiment behandelt. Nach einem graphischen Vergleich wurde festgelegt, dass die Simulationsergebnisse mit den experimentellen Messwerten hinreichend genau übereinstimmen und das HZDR-Baseline-Modell gültig für die Geometrie Airlift-Reaktor ist. Das Modell kann für die Schätzung des Systemzustands eingesetzt werden.

Wegen einer fehlenden Blasengröße aus der Messung ist die weitere Verbesserung der Simulation allerdings nicht möglich. Um das Verständnis der Fluiddynamik im Airlift-Reaktor zu vertiefen, wurde ein neues Experiment im HZDR durchgeführt. Zunächst wurden Trends und Wertebereiche wesentlicher Einflussgrößen für die Fluiddynamik mit Hilfe der Simulation vorab untersucht, um die Auslegung des Experiments zu optimieren. Danach wurden die Simulationsergebnisse mit den experimentellen Daten verglichen.

Drei Blasengrößengruppen wurden nach dem Ziel der Untersuchung von der Blasenschicht im Außenraum ausgewählt und in der Simulation implementiert. Nach den vorhandenen Ergebnissen kann das HZDR-Baseline-Modell das Phänomen der Blasenschicht beschreiben und relativ gute Ergebnisse zu den Messdaten liefern.

Des Weiteren, wurden die Partikel als eine weitere disperse Phase in der Euler-Beschreibung modelliert. Eine Übersicht solcher dreiphasiger Euler- Simulationen aus der Literatur und die dabei in den jeweiligen Schließungsmodellen berücksichtigten Effekte wurden ausführlich angefertigt. Mit Hilfe dieser Literaturstudie und einer Analoge zum HZDR-Baseline-Modell im zwei-phasigen System wurde das Modell für ein drei-phasiges System erweitert und erste Berechnungen durchgeführt. Es ergab sich eine Notwendigkeit für die weitere Untersuchung der Mechanik zwischen den Phasen. Eine Parameterstudie mittels Simulation und Literaturstudie für die Messmethoden im drei-phasigen System wurden deswegen für die zukünftige Arbeit durchgeführt.

  • Diploma thesis
    TU Dresden, 2014

Permalink: https://www.hzdr.de/publications/Publ-21129
Publ.-Id: 21129