Sequential Co-simulation as Method to Couple CFD and Biological Growth in a Yeast Reactor
Coupling of multiphase fluid dynamics and biological growth is a common area of application in process engineering. At the forefront, environmental conditions and rising energy cost force companies to optimize reactor systems and processes. In optimization problems virtual methods play a major role. Models form the basis of virtual methods. Differences in time scales for computational fluid dynamics and biological growth make direct co-simulation infeasible. A sequential method has to be applied. This work proposes the sequential co-simulation in application to baker's yeast production in a 200 L bubble column reactor. The method combines a module for fluid dynamics implemented in CFX by Ansys and a module for biological growth implemented in Matlab and Simulink by Mathworks. Data interfaces are defined for module changes between sequences. Switching from the fluid dynamics module to the growth module data is mapped to a reduced set of elements by the neural gas algorithm. Computational demand for sequences of growth is significantly reduced. Validation of this method follows two steps. First, computational fluid dynamics are validated with experimental data for axial liquid velocity. Second, growth model and the sequential method are validated with cultivation data. Experimental data has been determined in the same bubble column reactor. Target prediction for the sequential co-simulation deviates less than three percent from measured values.
Die Kombination aus Mehrphasenströmung und biologischem Wachstum findet eine weit verbreitete Anwendung in der Prozesstechnik. In erster Linie zwingen anspruchsvolle Auflagen zum Umweltschutz und steigende Energiepreise Unternehmen dazu ihre Anlagen und Prozesse zu optimieren. Virtuelle Methoden sind ein wesentliches Hilfsmittel zur Lösung von Optimierungsproblemen. Modelle stellen die Grundlage für diese Methoden dar. Derzeit ist eine direkte Co-Simulation aufgrund unterschiedlicher Zeitskalen für die Berechnung von Strömungs- und Wachstumsvorgängen nicht machbar. Alternativ werden sequenzielle Methoden angewandt. In dieser Arbeit wird die sequenzielle Co-Simulation am Beispiel der Backhefeherstellung in einem 200 L Blasensäulenreaktor vorgestellt. Implementiert ist diese Methode in Form von zwei Modulen. Das Modul für die Strömungssimulation ist in CFX von Ansys umgesetzt. Das Wachstumsmodell ist als Modul in Matlab und Simulink von Mathworks realisiert. Schnittstellen beschreiben die Datenübergabe zwischen den Sequenzen. Bei der Übergabe von CFX an Matlab werden die Daten mithilfe des Neural Gas Algorithmus einem reduzierten Elementsatz zugeordnet. Damit sinkt der Rechenbedarf für Wachstumssequenzen deutlich. Die sequenzielle Co-Simulation wird in zwei Schritten validiert. Im ersten Schritt dienen Messungen der axialen Komponente der Flüssigkeitsgeschwindigkeit zur Validierung der numerischen Strömungssimulation. Im zweiten Schritt werden experimentell ermittelte Wachstumsdaten mit Ergebnissen des Wachstumsmodells und der sequenziellen Methode abgeglichen. Grundlage der Daten ist immer der gleiche Reaktor. Der mit der sequenziellen Co-Simulation berechnete Zielwert weicht weniger als drei Prozent vom Messwert ab.
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