Schlüter, MichaelMichaelSchlüter10922035670000-0001-5969-2150Hofmann, SebastianSebastianHofmann2026-07-132026-07-132026Technische Universität Hamburg (2026)https://hdl.handle.net/11420/62121This thesis investigates Lagrangian Sensor Particles (LSPs) to characterize hydrodynamics of bioreactors on industrial scale. Although LSPs enable lifeline measurements, their size limits flow-following accuracy. Experiments and Lattice-Boltzmann large eddy simulations complement each other, revealing micro-, macro-, and meso-scale flow structures, hydrodynamic compartments, and potential oxygen limitation zones. The results highlight the value of LSPs in providing essential data for scale-down model development and bioprocess optimization.Eine zentrale Voraussetzung für die Optimierung biotechnologischer Prozesse ist das Verständnis über die komplexe Hydrodynamik in Bioreaktoren. Besonders wichtig sind dabei räumliche und zeitliche Heterogenitäten in der Nährstoffversorgung, die mit klassischen, ortsfesten Sensoren kaum erfassbar sind. Zwar liefern diese kontinuierliche Messwerte zu Parametern wie Temperatur, pH oder Sauerstoffkonzentration, sie berücksichtigen jedoch keine räumlichen Gradienten. Dadurch bleibt unklar, wie lange Zellen bestimmten Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind und welchen Einfluss dies auf die Produktqualität und -ausbeute hat. Eine fluiddynamische Charakterisierung des Reaktors ermöglicht die Ableitung sogenannter Zelltrajektorien, im Folgenden als lifelines bezeichnet. Diese lifelines liefern raum-zeitliche Profile der lokalen Umgebungsbedingungen, die einzelne Zellen im Reaktor erfahren, und erlauben Rückschlüsse auf Stoffwechsel und Leistungsfähigkeit industriell genutzter Zelllinien wie IgG1-produzierender CHO-Zellen (englisch: Chinese Hamster Ovary). Ein Ansatz zur Erfassung solcher Trajektorien im industriellen Maßstab sind Lagrangesche Sensor Partikel (LSP). Diese verkapselten Partikel lassen sich mit verschiedenen Sensoren ausstatten und sind somit in situ Messsonden, die sich frei im Reaktor bewegen können. Aufgrund ihrer relativ großen Größe und der daraus resultierenden Trägheit folgen LSPs dem Strömungsfeld nicht exakt wie Zellen. Daraus ergibt sich die Frage, wie genau sie lifelines abbilden und welche Strukturen und Heterogenitäten sie erfassen können. Diese Arbeit untersucht in drei komplementären Studien die Möglichkeiten und Grenzen von LSPs. Neben numerischen Simulationen werden Lagrangesche Partikel-Tracking-Experimente im Labormaßstab sowie Messungen mit LSPs in einem industriellen Reaktor durchgeführt. Diese Ansätze ermöglichen die Untersuchung des Strömungsfolgeverhaltens von LSPs, ihrer Fähigkeit zur Erkennung hydrodynamischer Kompartimente in Bioreaktoren und ihres Potenzials, strömungsmechanische Daten im industriellen Maßstab für die Entwicklung von Scale-Down-Modellen bereitzustellen. Im ersten Teil dieser Arbeit werden hochaufgelöste vierdimensionale Strömungsmessungen mittels 4D-Particle Tracking Velocimetry (4D-PTV) in einem 3 L Rührkesselreaktor (STR) durchgeführt. Dabei werden zwei inertiale Partikeltypen unterschiedlicher Größe, bestehend aus Polyethylen und Calciumalginat, unter verschiedenen Rührerdrehzahlen untersucht. Die vergleichsweise größeren Alginatpartikel dienen als Modell für LSPs in einem größeren STR. Ergänzend werden Lattice-Boltzmann Large Eddy Simulationen (LB LES) durchgeführt, die die Partikeltrajektorien abbilden und mit den experimentellen Daten verglichen sowie validiert werden. Während die zeitlich gemittelten eulerschen Daten in Experimenten und Simulationen gut übereinstimmen, zeigen sich bei den Alginatpartikeln in der Lagrangeschen Auswertung deutliche Abweichungen bezüglich hoher Geschwindigkeiten und Beschleunigungen. Die ermittelten mikroskaligen Stokes-Zahlen überschreiten das Strömungsfolge-Kriterium 𝑆𝑡 ≤ 0,01 deutlich, insbesondere für die Alginatpartikel. Für den industriellen Maßstab ergibt sich daraus eine theoretische maximale LSP Größe von etwa 1 mm, die dieses Strömungsfolge-Kriterium noch erfüllen würde. Im industriellen 15.000 L-Maßstab werden im zweiten Teil dieser Arbeit entwickelte LSPs mit einem Durchmesser von 𝑑LSP = 40mm und integriertem Drucksensor eingesetzt. Mit einer geschätzten Stokes-Zahl von 𝑆𝑡 ≈ 0,004 auf der Makroskala zeigen die LSPs ein ausreichendes Strömungsfolgeverhalten für große Längenskalen. Analysen der axialen Aufenthaltswahrscheinlichkeiten, axialen Geschwindigkeiten, Zirkulations- und Verweilzeiten belegen, dass LSPs in der Lage sind, drei hydrodynamische Kompartimente sowie potenzielle Zonen mit einer Sauerstofflimitierung zu identifizieren. Erstmals wird zudem die dreistufige Elephant-Ear-Rührer-Konfiguration über dimensionslose Pumpkennzahlen charakterisiert, die gut mit Literaturwerten und Mischzeitskalierungen übereinstimmen. Im dritten Teil der Arbeit werden LSP Experimente mit LB LES verglichen, in denen sowohl LSPs als auch masselose Tracer abgebildet werden. Hierzu wird abermals der 15.000 L STR genutzt, nun mit einer Konfiguration aus Scheiben- und Schrägblatt-Rührer. Die Ergebnisse zeigen Unterschiede in der axialen Aufenthaltswahrscheinlichkeit und den Geschwindigkeiten, die auf Faktoren wie die gewählte Gitterauflösung und die höhere Partikelanzahl in den Simulationen zurückzuführen sind. Dennoch bestätigen sowohl experimentelle als auch simulierte Daten die Kompartimentierung der Strömung, die zusätzlich durch lokale Mischzeitmessungen validiert wird. Ähnlich zur ersten Studie, weisen die Ergebnisse erneut auf eine theoretische Obergrenze der LSP-Größe hin, die erforderlich ist, um mikroskaligen Strömungen zu folgen. Experimentelle LSPs erfassen zuverlässig die Hydrodynamik auf Makro- und Mesoskala mit Stokes-Zahlen von 𝑆𝑡 ≈ 0,002 bzw. 𝑆𝑡 ≈ 0,2 und verdeutlichen die Eignung der aktuellen LSP-Technologie, Strömungen in industriellen Bioreaktoren auf Skalen zu untersuchen, die gleich oder größer als der Rührerdurchmesser sind. Die kombinierte Nutzung einer hochaufgelösten experimentellen Partikel-Tracking-Methode wie 4D-PTV, der Trajektorienmessungen mit LSPs und ergänzender, rechenintensiver Simulationen bietet ein umfassendes Methodenportfolio zur Bestimmung Lagrangescher Partikeltrajektorien, hydrodynamischer Kompartimente und skalenübergreifenden Mischverhaltens. Die gewonnenen Erkenntnisse zur Kompartimentierung und zu Strömungsregimen zeigen nicht nur das Potenzial von LSPs als experimentelle Methode zur Bereitstellung großskaliger Strömungsdaten für die Entwicklung von Scale-down-Modellen auf, sondern eröffnen auch Möglichkeiten zur Optimierung des LSP-Designs sowie der Reaktorkonfiguration. Dies unterstützt eine verbesserte Verteilung von Nährstoffen und Gelöstsauerstoff und trägt letztlich zur Steigerung der Zellviabilität und Prozesseffizienz bei.enhttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/Lagrangian Sensor Particles4D-Particle Tracking VelocimetryTrajectoriesLattice-Boltzmann Large Eddy SimulationsFlow-FollowingBioreactorsTechnology::660: Chemistry; Chemical Engineering::660.6: BiotechnologyNatural Sciences and Mathematics::530: Physics::530.4: States of Matter::530.42: Fluid PhysicsDoctoral Thesis10.15480/882.16854Hampel, UweUweHampel