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

Fördergeber: DFG

Ansprechpartner : Marcel Schrader

Zusammenfassung des Gesamtprojektes:

Das Projekt ist Teil des DFG-Schwerpunktprogramms SPP 1934, welches „Dispersitäts-, Struktur- und Phasenänderungen von Proteinen und biologischen Agglomeraten in biotechnologischen Prozessen“ ins Zentrum der Forschung stellt. Speziell filamentöse Mikroorganismen sind in der industriellen Biotechnologie zur Herstellung von chemischen und pharmazeutischen Produkten weit verbreitet. Dabei kann die Morphologie der Mikroorganismen in Abhängigkeit der Prozessparameter (z. B. pH-Wert, Medienzusammensetzung, mechanischer Stress, Inokulumskonzentration) von einem dispersen Myzel bis zu einem dicht verzweigten Pellet reichen. In diesem Projekt wird in Zusammenarbeit mit dem Institut für Bioverfahrenstechnik 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 Lentzea aerocolonigenes untersucht. Beim Einsatz beider Partikelarten konnten bereits deutlich erhöhte Konzentrationen 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. Durch die Verknüpfung von Experimenten und Simulationen sollen im Rahmen des Projektes die zugrundeliegenden Wirkmechanismen identifiziert und quantifiziert werden, um empirisch-mechanistische Modelle aufzubauen.

Ziele und Aufgaben des iPAT

  • CFD-DEM-Simulationen zur Quantifizierung der Intensität und der Häufigkeit an partikelinduzierten, mechanischen Beanspruchungen auf Makroebene (Bioreaktor)
  • Ermittlung des mikro-mechanischen Verhaltens von Pellets und Hyphen
  • Untersuchung von Dispersitäts- und Strukturänderungen bei einem mechanisch beanspruchten Pellet mittels strukturaufgelösten DEM-Simulationen
  • Modellierung von Dispersitäts- und Strukturänderungen mittels Populationsbilanzen
  • Chemische Oberflächenmodifizierung von Mikropartikeln und die Charakterisierung der physikochemischen Mikroorganismus-Partikel-Wechselwirkungen
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    Projektpartner:Lehrstuhl für Systemverfahrenstechnik, TUM; Institut für Prozess- und Verfahrenstechnik, TU Berlin; Institut für Biotechnologie, TU Berlin; Fachgebiet Verfahrenstechnik, TU Berlin


     

    Abb. 1: CFD-DEM-Simulation eines Schüttelkolbens mit Glaskugeln (links), Darstellung der Beanspruchung eines Pellets (Mitte), Pelletschnitt mit Mikropartikelkern (rechts)


    Mitarbeiter

    Aktuelle Projekte
    Simulation von verteilten Produktstrukturen in kombinierten diskreten und kontinuierlichen Produktionsprozessen für feste, partikuläre Produkte mehr

    Vertieftes Verständnis der Mehrkomponentenkompaktierung mehr

    Identifizierung und Quantifizierung einflussnehmender Materialparameter im Kompaktierungsprozess von festen Lebensmittelprodukten mehr

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

    Untersuchung der zellmechanischen Eigenschaften einzelner Mikroorganismen mehr

    Zellaufschluss als Werkzeug zur Validierung von mechanistischen Modellen zur Bruchrate in Rührwerkskugelmühlen mehr

    Abgeschlossene Projekte

    T-MAPPP – Simulation des Bruchs und Abriebs von Granulaten und Tabletten mehr

    Mikromechanische Eigenschaften filamentöser Pilze mehr

    Verhalten von UV-absorbierenden Metalloxid-Nanopartikeln in porösen Medien und deren Einfluss auf Bodenbakterien mehr

    Biofilmmechanik mehr

    Minimierung des Umwelteintrages von Tierarzneimitteln und antibiotikaresistenten Mikroorganismen durch neue Technologien mehr

    Einfluss der Zellaufschlussmethode auf die Expanded Bed Chromatographie mehr