Untersuchungen zur schonenden Förderung von Biofluiden und Entwicklung eines mathematischen Modells zur Vorhersage der Zellschädigung

Die Biotechnology ist ein junger Industriesektor und ein interdisziplinäres Feld. Die Weiterentwicklungen bestehender und die Erforschung neuer Verfahren schreiten stetig voran. So stellen die Erfordernisse der Branche bezüglich verkürzter Prozesszeiten zur wirtschaftlichen Optimierung und der sparsame und zerstörungsarme Umgang mit Ressourcen die Biotechnologie stets vor neue Herausforderungen. Bei der Prozessoptimierung ist es unerlässlich, die Zellen oder allgemein die biotischen Partikel möglichst schonend zu behandeln, da sie äußerst sensibel auf hydrodynamische Kräften reagieren. In biotechnologischen Prozessen treten diese Belastungen an den unterschiedlichsten Stellen auf, wobei die eingesetzten Pumpen diesbezüglich Schlüsselkomponenten darstellen. Die dementsprechende Auslegung biotechnologischer Prozesse einschließlich aller relevanter Komponenten setzt deshalb die Kenntnis der schädigenden Effekte voraus. Ziel dieser Arbeit ist es daher, auf diese Effekte einzugehen und zu studieren, auf welch unterschiedliche Art und Weise Zellen belastet werden. Letztendlich sollen vorrangig Pumpen über ihre Geometrie und ihr Förderprinzip hinsichtlich ihrer Schädlichkeit auf Zellen beurteilt werden können. Mit Euglena gracilis als Bioindikator und dem on-line Detektionssystem Ecotox steht ein Messsystem zur Verfügung, welches eine breitgefächerte Aussagekraft besitzt. Die Zelle ist äußerst sensibel gegenüber strömungsmechanischen Reizen und bringt differenzierte Reaktionen hervor. Das Ecotox quantifiziert die verschiedenen Form- und Bewegungsveränderungen des Bioindikators und ist somit nicht nur fähig, aktive von inaktiven Zellen zu unterscheiden, sondern auch Zwischenstufen abzugrenzen, die auf subletale Schädigungen zurückzuführen sind. Neben singulären Belastungen wie Druck, reiner Scher- oder Rohrströmung wurden auch komplexe Belastungssituationen in unterschiedlichen Pumpen (Schlauch-, spezielle Kreisel-, Mikrozahnring-, Zahnradpumpe) untersucht. Die aufgrund von Spaltströmungen in Pumpen hervorgerufenen Belastungsarten konnten dabei auf vier Typen reduziert werden. Dabei spielt der Prozentsatz des betroffenen Fluides und die Dauer und Häufigkeit der Belastungen eine wichtige Rolle. Um für künftige Arbeiten eine die Untersuchungen beschleunigende Methode anbieten zu können, wurde zusätzlich ein mathematisches Modell zur Vorhersage der Inhibierung der Indikatorzelle Euglena gracilis mittels Strömungssimulation entwickelt.