CFD-Simulationen von Mischvorgaengen und biotechnischen Stoffumsetzungen in begasten Rührkesselreaktoren

Abstract

Rührkesselreaktoren kommen in zahlreichen chemischen und biotechnischen Produktionsprozessen zur Anwendung, für biotechnische Stoffumwandlungen sind sie sogar der wichtigste Standardapparat. Die Methoden der numerischen Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics, CFD) liefern heute die Grundlage für detaillierte Untersuchungen der lokalen und zeitabhängigen Vorgänge bei Stoffumsetzungen in der turbulenten Zweiphasenströmung im Rührkesselreaktor. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Methoden zum Einsatz von CFD-Simulationen bei der Analyse und Vorausberechnung biotechnischer Stoffumsetzungen in Rührkesselreaktoren entwickelt und auf exemplarische biotechnische Stoffumsetzungen angewendet. Bei der Modellierung wurde ein Mittelweg zwischen Komplexität und praktischer Anwendbarkeit gewählt, der auf der Entkopplung der Simulation von Fluiddynamik und Stoffumsetzungen beruht. Dadurch wurde die dynamische Simulation der Stoffbilanzen auf stationären Strömungsfeldern ermöglicht. Zunächst wurde das Durchmischungsverhalten in verschiedenen Reaktorkonfigurationen mit Einfach- und Mehrfachrührern anhand der Simulation von Pulsexperimenten untersucht. Simulationen der während der aeroben Fermentation von Saccharomyces cerevisiae auftretenden Substratverteilungen zeigen exemplarisch den erheblichen Einfluss der Konzentrationsgradienten auf das Ergebnis von im Zulaufverfahren durchgeführten Bioprozessen. Als Einflussfaktoren wurden die Rührerkombination im Mehrfachrührersystem sowie Rührerdrehzahl und Belüftungsrate betrachtet, wobei insbesondere die Wahl einer geeigneten Rührerkombination entscheidend ist. Es wird gezeigt, wie die unerwünschte Nebenproduktbildung durch die Berechnung eines optimalen Zulaufortes des Substrats minimiert werden kann. Zusätzlich wurden auf der Basis zweiphasiger, mit einem algebraic-slip-Ansatz berechneter Strömungsfelder die zugehörigen Verteilungen der Gelöstsauerstoffkonzentration simuliert.

Stirred tank reactors (STR) are widely used in chemical and biotechnical industries to carry out a variety of process operations. For biotechnical conversion processes, the STR is the most important type of reactor. Today, the methods of Computational Fluid Dynamics (CFD) provide the tools required for detailed simulations of conversion processes in stirred tank reactors. The primary purpose of this work was to develop methods for applying the CFD simulations to analysis, design, and scale-up of biotechnical conversion processes in aerated stirred tank reactors, taking into account some reasonable simplifying model assumptions. Thus, a trade-off between maximum complexity and practical applicability was chosen. Momentum balance equations and material balance equations were simulated separately under the assumption of neglegible effects of mass transfer and conversion on the flow field. This allowed the use of stationary flow fields for dynamic simulations of conversion processes. Pulse experiments for the determination of mixing properties of different single-impeller and multi-impeller stirred tanks were simulated. Simulations of distributions of the carbon and energy source during fermentations of the yeast Saccharomyces cerevisiae elucidated the influence of concentration gradients on yield and undesired byproduct formation of a typical fed-batch process. The effect of different impeller combinations, impeller speeds and gassing rates was studied. The choice of an appropriate impeller combination is crucial for axial mixing and process performance. Undesired byproduct formation could be minimized by calculating an optimum substrate feeding position. Corresponding distributions of dissolved oxygen concentration were simulated based on two phase flow fields and local rates of mass transfer gas/liquid. Two phase flow was modeled in an Eulerian way with an algebraic-slip approach.