Simulation des Zellwachstums in einem Bioreaktor

Abstract

Bei der Erstellung von Therapiemitteln zur Behandlung verschiedener Krebsarten werden genetisch veränderte Säugetierzellen kultiviert. Dieser mehrere Tage andauernde Prozess geschieht in sogenannten Bioreaktoren. Um die Entwicklung der Zellkulturen möglichst effizient zu gestalten, wird versucht mathematische Modelle zur Simulation des Zellwachstums zu erstellen, von deren Analyse man sich Wissen verspricht, das man sonst - wenn überhaupt - nur durch kostenaufwändige Experimente bekommt. In der folgenden Diplomarbeit wird eine Herangehensweise für die Simulation des Zellwachstums in einem Bioreaktor beschrieben. Die Resultate der ausgeführten Simulationen werden mit schon vorhandenen, aus Experimenten gewonnenen Ergebnissen verglichen. Außerdem werden grundlegende chemische Prozesse, die beim Zellwachstums eine Rolle spielen, erläutert. Nachdem die verschiedenen Formen eines Bioreaktors vorgestellt werden, werden deren wichtigste Eigenschaften mit Hilfe von CFD-Simulatonen berechnet. Die Grundlagen für diese Simulationen bilden die Navier-Stokes-Gleichungen die unter anderem zur Berechnung des Flusses durch den Bioreaktor verwendet werden. Diese Gleichungen werden physikalisch hergeleitet und mathematisch formuliert. Auch wird dargestellt, welche Rolle sie bei den nachfolgenden Simulationen spielen. Schlussendlich wird in Abhängigkeit der zuvor ermittelten Eigenschaften des Bioreaktors ein Zellwachstumsmodell, welches Aufschluss über den Verlauf des Zellwachstums in einem Bioreaktor bringt, erstellt.