Generating in-depth process knowledge by Computational Fluid Dynamics and a novel online monitoring technique for shake flasks

Dinter, Carl; Büchs, Jochen; Reusken, Arnold

doi:HT031363764

Generating in-depth process knowledge by Computational Fluid Dynamics and a novel online monitoring technique for shake flasks = Gewinnung eines vertieften Prozessverständnis durch Computational Fluid Dynamics und eine neuartige Online-Messtechnik für Schüttelkolben

Dinter, Carl

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Carl Dinter, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Reusken, Arnold (Thesis advisor)^RWTH* ; Büchs, Jochen (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-06-12

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-10655
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1023671/files/1023671.pdf

Einrichtungen

Projekte

ZIM KK5068601JO0 - ShakeVisc - Entwicklung eines Moduls zur minimal-invasiven online Messung der Viskosität, des Streulichtes, des pH-Wertes und der Gelöst Sauerstoftsättigung (DOT) während einer Schüttelkolbenkultur (KK5068601JO0) (KK5068601JO0)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CFD (frei) ; kLa (frei) ; online monitoring (frei) ; shake flask (frei) ; volumetric power input (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 510

Kurzfassung
Computational Fluid Dynamics (CFD) ermöglicht ein tiefgehendes Prozessverständnis und ist zu einem wichtigen Werkzeug im Design und Scale-up von Bioprozessen geworden. Für die Auslegung von Rührkesseln wird CFD bereits flächendeckend angewendet. Im Gegensatz hierzu ist die Anwendung bei geschüttelten Bioreaktoren, wie Schüttelkoben, besonders bei erhöhter Viskosität, sehr begrenzt. In dieser Arbeit wurde ein CFD-Modell für 250 mL Schüttelkolben etabliert und für eine Bandbreite an Schüttelbedingungen und Viskositäten bis zu 100 mPa∙s angewendet. Anhand der CFD-Simulationen wurden der volumetrische Leistungseintrag, der kLa-Wert und die Scherrate berechnet. Die simulierte Flüssigkeitsbewegung stimmt mit experimentell ermittelten Flüssigkeitsverteilungen überein. Der berechnete volumetrische Leistungseintrag weicht im Mittel 0,18 kW/m3 von experimentellen, volumetrischen Leistungseinträgen ab. Die kLa-Werte sind, über drei Größenordnungen, im Mittel doppelt so hoch, wie publizierte Daten. Die Scherrate wurde auf zwei verschiedene Weisen berechnet, wobei die erste Variante ungenügende Ergebnisse erzielt. Die zweite Variante, die anhand des größten Eigenwerts des Strain Rate Tensors berechnet wird, ist im Mittel 16 % kleiner, als publizierte Daten. Schlussendlich heben die CFD-Simulationen hervor, dass der Übergang zwischen in- und außer-Phase Bedingungen in Schüttelkolben inhärent gradueller Natur ist. Die Prozessüberwachung ist ebenso von entscheidender Wichtigkeit für die Bioprozessentwicklung. Klassische Probennahme und Auswertung ist allerdings zeitaufwändig und stellt ein Kontaminationsrisiko da. Daher ist die Online-Überwachung wichtiger Prozessparameter zu bevorzugen. In dieser Arbeit sind Online-Überwachung der Gelöstsauerstoffsättigung (DOT), des pH-Wertes, des Streulichtes und der Viskosität in einem einzigen Messsystem für Schüttelkolben, ShakeVisc genannt, kombiniert. Die DOT-Messungen wurden mit sauerstoffsensitiven, fluoreszierenden Nanopartikeln realisiert. Für die pH Messungen wurden pH-sensitive, fluoreszierenden Sensorspots verwendet. Das Streulicht wurde mittels eines neuentwickelten, optischen Sensors bei 610 – 630 nm gemessen. Der Versatz der Winkelposition der rotierenden Flüssigkeit korreliert mit der Viskosität. Dieser Versatz wurde anhand der Fluoreszenzintensität der sauerstoffsensitiven Nanopartikeln und, zum ersten Mal, anhand der Streulichtintensität bestimmt. Das ShakeVisc-System wurde erfolgreich für Kultivierungen von Escherichia coli, Paenibacillus polymyxa and Xanthomonas campestris angewendet.

Computational Fluid Dynamics (CFD) has become a pivotal tool in the design and scale-up of bioprocesses by providing deep process insights. It has been extensively researched and used in stirred tank reactors. Research for shaken vessels, like shake flasks, especially at elevated viscosity, is, however, very limited. In this work, a CFD model for 250 mL shake flasks has been established, simulating a variety of shaking conditions, including viscosity of up to 100 mPa∙s. CFD model results were then used to calculate volumetric power input, volumetric gas-liquid mass transfer rate (kLa) and shear rates. Simulated fluid flow agrees well with experimentally recorded liquid distributions. Calculated volumetric power inputs deviate on average by 0.18 kW/m3 from experimentally determined volumetric power inputs. kLa values, spanning almost three orders of magnitude, deviated by less than a factor of two from published data for kLa values in shake flasks. Shear rates were calculated in two ways, where the first showed unsatisfactory results. The second approach, which is based on the largest eigenvalue of the strain rate tensor, was on average 16 % smaller than indicated by published data for effective shear rates in shake flasks. Lastly, the CFD model highlighted the inherently gradual nature of the transition between so-called in-phase and out-of-phase operating conditions in shake flasks. Process monitoring is also crucially important for design and scale-up of bioprocesses. Traditional offline sampling is, however, highly laborious, a risk for contamination and provides limited time resolution. Hence, online monitoring of key process parameters is highly advantageous. In this work, online monitoring of dissolved oxygen tension (DOT), pH, scattered light and viscosity were combined in a single monitoring system for shake flasks, termed ShakeVisc. DOT measurements were performed with oxygen sensitive fluorescent nanoparticles. The pH was measured with pH sensitive fluorescent sensor spots. Scattered light was measured at 610 – 630 nm with a newly developed optical sensor. The shift of the angle of the bulk liquid is correlated to the viscosity. This shift was determined based on the fluorescence intensity of the oxygen sensitive nanoparticles and, for the first time, based on scattered light signal intensity. The ShakeVisc system was successfully applied to cultivations of Escherichia coli, Paenibacillus polymyxa and Xanthomonas campestris.

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