Zastosowanie techniki obliczeniowej CFD do numerycznego badania procesu krystalizacji białek w różnego typu

Wysokiej jakości białka rekombinowane zyskują z każdym rokiem na znaczeniu, głównie w przemyśle farmaceutycznym i spożywczym. Krystalizacja to proces, który może zapewnić masową produkcję na dużą skalę, jednak z uwagi na słabą znajomość zachowania białka w układzie ciecz-ciało stałe oraz dużą liczbę zmiennych takich jak temperatura, pH i czystość produktu, rozwój krystalizacji białek jest na wczesnym, dalekim od wielkoskalowej operacji etapie. Jakość produktu białkowego w postaci krystalicznej zależy od rozkładu wielkości kryształów (RWK), na który wpływają różne czynniki, w tym warunki hydrodynamiczne w krystalizatorze. W przypadku krystalizacji białek hydrodynamika determinuje mechanizm procesu, a także wpływa istotnie na RWK z uwagi na znaczną wrażliwość form krystalicznych wielkocząsteczkowych białek i ich podatność na naprężenia ścinające wywołane mieszaniem w porównaniu do kryształów małych cząstek. Inżynierskie narzędzia obliczeniowe, takie jak numeryczna mechanika płynów (CFD), która zapewnia wgląd w hydrodynamikę procesu, pozwala ocenić i porównać różne warunki operacyjne w krystalizatorach. Oprócz znajomości pola przepływu, pełny matematyczny opis procesu krystalizacji wymaga uwzględnienia aspektów kinetycznych, transferu masy i ciepła a także kwestii bilansu populacji, które istotnie wpływają na RWK. Generuje to szereg równań różniczkowych cząstkowych z dużą liczbą niewiadomych, których rozwiązanie wymaga ogromnego kosztu obliczeniowego. Niełatwo temu sprostać korzystając z maszyn obliczeniowych małej mocy. Celem projektu jest wykorzystanie symulacji numerycznych do modelowania procesu krystalizacji, aby zapewnić dużą liczbę parametrów hydrodynamicznych. Ponadto, modelowanie pozwala określić wpływ warunków procesowych na tworzenie kryształów, a także podpowiada wybór efektywnych metod mieszania. Ważną zaletą metody CFD jest oszczędność cennych materiałów biologicznych poprzez zmniejszenie liczby prób eksperymentalnych, co ma ogromne znaczenie dla etapu rozwoju procesu, a w szczególności dla jego poprawnego skalowania.