2023-06-252026-06-162023-06-25https://hdl.handle.net/11420/16356Das CHOLife+ Projekt verfolgt das Ziel, eine vollständige raumzeitliche Auflösung der Bioreaktorcharakterisierung über verschiedene Skalen hinweg zu erreichen – von 3-L-Laborsystemen bis hin zu industriell relevanten 15.000-L-Reaktoren. Im Zentrum dieser Arbeiten steht die Untersuchung von Mischungsheterogenitäten, Strömungsverhalten und mehrskaligen Mischungsphänomenen mithilfe von Lagrangian Sensor Particles (LSPs) und Lattice-Boltzmann Large-Eddy-Simulationen (LB-LES). Dazu gehört auch die detaillierte Analyse von Partikellifelines, um deren Einfluss auf die Kultivierungsleistung von CHO-Zellen zu bestimmen. Ein zentraler Bestandteil der Forschung ist die Verbesserung der Reproduzierbarkeit und Robustheit von LES-Simulationen, damit numerische Vorhersagen über verschiedene Skalen und Betriebsbedingungen hinweg zuverlässig bleiben. Dies umfasst auch die Untersuchung mehrphasiger Betriebszustände, die die Komplexität realer industrieller Fermentationsumgebungen abbilden, in denen Gas-Flüssig-Wechselwirkungen Mischung, Stofftransport und Verweilzeitverteilungen maßgeblich beeinflussen. Darüber hinaus umfasst die Arbeit die Kartierung und vollständige Charakterisierung von Rührkesselreaktoren (STRs) und ihrer raumzeitlichen Gradienten, einschließlich detaillierter Verteilungen von Strömungsstrukturen sowie der Verweilzeiten von Zellen und Molekülen auf Basis lagrangescher Lifelines. Experimentelle und numerische Erkenntnisse werden genutzt, um das Design und den Betrieb von Single Multi-Compartment Bioreactors (SMCBs) weiterzuentwickeln, die an der Universität Stuttgart als Scale-down-Modelle eingesetzt werden. Diese Systeme bilden wesentliche hydrodynamische und umgebungsbezogene Eigenschaften großskaliger industrieller Reaktoren unter kontrollierten Laborbedingungen nach. Durch die Integration sensorbasierter Messungen mit LSPs, LB-LES-Simulationen und ergänzenden diagnostischen Methoden liefert diese Forschung ein vielschichtiges und mechanistisches Verständnis der Bioreaktorleistung. Dies umfasst Transport- und Mischungseffizienz, Kompartimentierung sowie die dynamischen Trajektorien, denen Zellen in realistischen ein- und mehrphasigen Umgebungen ausgesetzt sind.The CHOLife+ project aims to achieve full spatiotemporal resolution for bioreactor characterisation across scales—from laboratory-scale 3 L systems to industrially relevant 15,000 L reactors. Central to this work is the investigation of mixing heterogeneities, flow behaviour, and multiscale mixing phenomena using Lagrangian Sensor Particles (LSPs) and Lattice Boltzmann Large Eddy Simulations (LB-LES). This includes the detailed analysis of particle lifelines to determine their impact on CHO cell cultivation performance. A key element of the research is improving the reproducibility and robustness of LES simulations, ensuring that computational predictions remain reliable across scales and operating conditions. This also extends to exploring multiphase flow operation, reflecting the complexities of true industrial fermentation environments where gas–liquid interactions significantly influence mixing, transport, and residence time distributions. The work further involves mapping and fully characterising stirred-tank reactors (STRs) and their spatiotemporal gradients, including detailed distributions of flow structures and residence times of cells and molecules based on Lagrangian lifelines. Experimental and numerical insights are leveraged to advance the design and operation of single multi-compartment bioreactors (SMCBs) used as scale-down models at the University of Stuttgart. These systems replicate essential hydrodynamic and environmental features of large-scale industrial reactors under controlled laboratory conditions. By integrating sensor-based measurements (LSPs), LB-LES simulations, and complementary diagnostic methods, this research provides a multi-faceted and mechanistic understanding of bioreactor performance. This includes transport and mixing efficiency, compartmentalisation, and the dynamic trajectories experienced by cells in realistic single- and multiphase environments.