Untersuchung und Modellierung der mechanischen und Oberflächen-induzierten Beanspruchung von Pellets filamentöser Mikroorganismen am Beispiel von Lechevalieria aerocolonigenes

Projektbearbeiter: Marcel Schrader
Dieses Teilprojekt des DFG-Schwerpunktprogramms „DiSPBiotech“ wird in Zusammenarbeit mit dem Institut für Bioverfahrenstechnik (ibvt) bearbeitet. Es gilt dabei den Zusammenhang zwischen der Morphologie und der Produktivität bei filamentös wachsenden Mikroorganismen zu untersuchen. Durch verschiedene Prozessparameter wie beispielsweise pH-Wert, Medienzusammensetzung und zusatzstoffe, mechanischer Stress und Inokulumskonzentration kann die Produktivität beeinflusst werden. In diesem Projekt soll der Effekt durch den Zusatz von Mikro- (< 30 µm) und Makropartikeln (bis zu 5 mm) auf die Morphologie und damit auch auf die Produktivität des filamentösen Actinomyceten Lechevalieria aerocolonigenes untersucht werden. Beim Einsatz beider Partikelarten konnte eine erhöhte Konzentration des antibiotischen Produkts Rebeccamycin beobachtet werden, was scheinbar auf unterschiedliche Phänomene zurückzuführen ist: physikochemische Oberflächeneffekte bei Zusatz von Mikropartikeln und mechanische Beanspruchung bei Hinzugabe von Makropartikeln zum Kultivierungsansatz. Diese Wirkmechanismen der Auflockerung von Bioagglomeraten sowie der Myzelfragmentierung sollen durch die Verknüpfung von Experiment und Simulation quantifiziert und verstanden werden. Am Institut für Partikeltechnik sollen unter Zuhilfenahme von CFD-DEM-Simulationen die Intensität und die Anzahl der mechanischen Beanspruchungen auf Makroebene (Bioreaktor) abschätzend ermittelt werden. Zur Untersuchung von Dispersitäts- und Strukturänderungen bei einem mechanisch beanspruchten Pellet werden Simulationen auf Mikroebene durchgeführt. Die Ergebnisse aus den Simulationen und den Experimenten gilt es zukünftig in ein empirisch-mechanistisches Modell für das Pelletwachstum, die mechanische Pelletbeanspruchung und die Entwicklung der Produktivität im untersuchten Bioreaktor zu überführen. Des Weiteren sind für ein grundlegendes Verständnis die physikochemischen Mikroorganismus-Partikel-Wechselwirkungen und deren Bedeutung für Dispersität und Struktur der Pellets zu untersuchen. Nachfolgend wird die Ermittlung von Skalierungsregeln für den Kultivierungsprozess und die Berücksichtigung der Reaktorgeometrie in den Modellen angestrebt. Zusätzlich sollen die Dispersitäts- und Strukturänderungen in Abhängigkeit der Prozessparameter über Populationsbilanzen beschrieben werden.


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