Trade press release

GEA advances bioreactor development with digital twin

10 Oct 2023

To facilitate the configuration of bioreactors – a key technology for the new food industry – GEA has developed a digital twin for virtual testing prior to construction. The aim is to create an optimum growth environment for cultured cells, which behave differently in mass production volumes than at laboratory scale.

Photo: The digital twin uses computational fluid dynamics (CFD) to simulate cell behavior in bioreactors along oxygen and nutrient supply gradients inside the tanks. Source: GEA

The digital twin uses computational fluid dynamics (CFD) to simulate cell behavior in bioreactors along oxygen and nutrient supply gradients inside the tanks. Source: GEA

Digital twin simulates cell and microorganism behavior

Developing higher-performance bioreactors is a priority for the GEA Center of Competence for Bioreactor Technologies due to an impending dramatic capacity shortfall on the bioreactor market. Validation of large-scale fermenters using a digital twin is a key step in ensuring optimal growth conditions and making it possible to take new food processes successfully to scale.

“A bioreactor is a vessel that has to function like a living body. Inside it, life develops under highly complex conditions. Working on an industrial scale, we have to make living organisms predictable, because we need reliable and replicable performance to go hand in hand with maximum productivity,” explains Daniel Grenov, Product Manager Bioreactor Technologies at GEA. “A digital twin simulates the environment inside bioreactors in a wide variety of scenarios. This lets us precisely match the tank design and the mechanical configuration for fine-tuning parameters such as shear stress, temperature, nutrient and oxygen distribution to what the cells need.”

CFD improves bioreactor performance

The virtual bioreactor testing is based on computational fluid dynamics (CFD), which models the growth behavior of cells as well as the oxygen and nutrient delivery radii inside the reactor. “Experts estimate that, when scaling up bioreactors, uneven distribution of oxygen and nutrients inside the tank often leads to performance losses of up to 30%,” Grenov says.

Like all living organisms, cells locate near sources of oxygen and nutrients. Temperatures and pH levels are critical and the environmental conditions must be kept homogeneous. Conversely, a lack of oxygen or nutrients puts cells under stress, causing them to lose productivity or release growth-inhibiting metabolites when they live in a confined space for an extended period of time.

“So we can’t simply stir the tank more, because the resulting shear stresses might kill cells and, in large reactors, contribute to oxygen gradients – in other words, an uneven distribution of oxygen.” This risk can be banished by using CFD simulation and by calculating kinetic models, both of which are powerful product development tools. Combined with physical test rigs to measure bubble sizes, and equipment behavior, GEA optimizes the performance of large-scale bioreactors right on the drawing board.

Contact

Fanny Förster

Phone: 49 211 9136 1504

O GEA

GEA jest jednym z największych dostawców dla przemysłu przetwarzania żywności i wielu innych sektorów, w 2019 roku spółka wygenerowała skonsolidowane przychody na poziomie 4,9 miliarda euro.

Ta międzynarodowa grupa technologiczna specjalizuje się w produkcji maszyn, instalacji oraz technologii i komponentów procesowych. GEA dostarcza zrównoważone rozwiązania energetyczne na potrzeby skomplikowanych procesów produkcji na różnych rynkach użytkownika końcowego oraz oferuje wszechstronne portfolio usług. Około 70 procent przychodów grupy pochodzi z sektora żywności oraz napojów i alkoholi, w którym obserwowany jest długoterminowy i zrównoważony wzrost. Zgodnie ze stanem na 31 grudnia 2018 roku firma zatrudnia na całym świecie około 18 500 osób. GEA jest liderem rynkowym i technologicznym w segmentach biznesowych, w których prowadzi działalność. Spółka jest notowana na niemieckim indeksie MDAX (G1A, WKN 660 200), indeksie STOXX® Europe 600 Index oraz wybranych indeksach MSCI Global Sustainability. Więcej informacji można uzyskać w witrynie gea.com.
Otrzymuj nowości od GEA

Śledź innowacje i historie GEA, zarejestruj się do biuletynu z wiadomościami od GEA.

Skontaktuj się z nami

Jesteśmy po to, by Ci pomóc! Potrzebujemy kilku informacji, by odpowiedzieć na Twoje zapytanie.