Euler-Lagrange-Simulationen: Ein geeignetes Werkzeug zur Vorhersage der Zellleistung in industriellen Bioreaktoren

Die Vorhersage der Zellleistung in industriellen Bioreaktoren stellt eine komplexe Herausforderung dar, die durch heterogene Kulturbedingungen und begrenzte Energieversorgung in großtechnischen Anlagen verstärkt wird. Euler-Lagrange-Simulationen bieten ein leistungsfähiges Werkzeug, um diese Herausforderungen zu meistern. Durch die Erstellung digitaler Zwillinge von Bioreaktoren können physikalische und biologische Engpässe identifiziert und optimiert werden. Diese Simulationen ermöglichen es, verschiedene Szenarien parallel zu analysieren und somit erhebliche Ressourcen zu sparen. Die Kombination von numerischer Strömungsmechanik und zellulären Reaktionen auf mikroenvironmentale Heterogenitäten ermöglicht eine präzise Vorhersage der mikrobiellen Leistung. Dabei spielen die Navier-Stokes-Gleichungen und Kontinuitätsgleichungen eine zentrale Rolle, um die Bewegung viskoser Flüssigkeitsströmungen und die Erhaltung von Impuls und Masse zu beschreiben. Turbulente Zonen und deren Einfluss auf die molekulare Diffusion und den Wärmetransport werden durch zusätzliche Transportgleichungen berücksichtigt. Die Euler-Lagrange-Methode verfolgt einzelne Partikel im Bioreaktor und zeichnet deren Interaktionen mit der Umgebung auf, was eine detaillierte Analyse der zellulären Anpassungen ermöglicht. Diese Methode bietet Einblicke in substratkonzentrationsgradienten und ermöglicht die Optimierung von Bioprozessen durch die Verbesserung des Bioreaktordesigns oder der Mikroorganismen.