Die Reinigung von Anlagen in der Lebensmittelindustrie wird meist durch ein Cleaning-in-Place realisiert. Dabei sind drei Stofftransportmechanismen relevant: die Diffusion des Reinigungsmittels in die Verschmutzung, das Ablösen der Verschmutzungspartikel und der Transport dieser in die Kernströmung. Im Rahmen dieser Arbeit wurden diese Stofftransportprozesse experimentell und theoretisch für partikulär abreinigende Modellverschmutzungen untersucht und es wird diskutiert, unter welchen Bedingungen welcher Transportprozess geschwindigkeitslimitierend für die gesamte Reinigung sein kann. Insbesondere wurde dabei der Frage nachgegangen, in welchem Umfang der Transport der Verschmutzungspartikel in Richtung Kernströmung eher diffusiv oder konvektiv erfolgt. Dazu wurde neben Reinigungsuntersuchungen mit online Partikelgrößenmessung auch die Diffusion von Verschmutzungspartikeln sowie des Reinigungsmittels in die Verschmutzungsschicht experimentell untersucht. Durch die Entwicklung eines Transportmodells aus dem Kräftegleichgewicht an einem Einzelpartikel in Wandnähe konnte gezeigt werden, dass Partikel der beiden verwendeten Modellsysteme Eigelb und Stärke meist konvektiv transportiert werden.
Aktualisiert: 2023-05-02
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Latexdispersionen werden im industriellen Maßstab durch Emulsionspolymerisation hergestellt. Der Polymerisationsprozess wird oft von Ablagerungen des Polymers auf den wärmeübertragenden Oberflächen, z. B. den Innenwänden der Reaktoren, begleitet. Dieser unerwünschte Ablagerungsprozess, Fouling genannt wurde im Rahmen dieser Dissertation untersucht. Aus vorangegangenen Arbeiten ist bereits bekannt, dass die während der Emulsionspolymerisation auftretenden Beläge durch Partikel- und Reaktionsfouling entstehen und die Belagbildung insbesondere durch entstehende Koagulate begünstigt wird. Durch einen direkten Vergleich eines reagierenden Stoffsystems mit einer ausreagierten Polymerdispersion gleicher chemischer Zusammensetzung konnte diese Annahme in dieser Arbeit bestätigt und um eine zeitliche Zuordnung der Ablagerungsmechanismen entlang des Reaktionsverlaufs erweitert werden.
Aktualisiert: 2023-01-01
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Für die effektive numerische Berechnung von Strömungsphänomenen im frühen Entwicklungsprozess wurde methodisch das Zusammenwirken verschiedener Berechnungstools hinsichtlich der Berechnungsdauer und Güte auf handelsüblichen Desktoprechnern untersucht. Dabei ist die Skalierbarkeit der Berechnungsmodelle auf unterschiedliche geometrische Skalen sowie die Umsetzungsmöglichkeit der Berechnung kombinierter Fluidphasen essenziell.
Für die Umsetzung wurden erste Grundlagenuntersuchungen an einfachen Geometrien experimentell und virtuell durchgeführt sowie die Ergebnisse gegenübergestellt. Daraus konnten Anforderungen abgeleitet und bereits im Ausschlussverfahren für das Projekt ungeeignete Software detektiert werden.
Weiterhin wurden die Simulationsparameter, aufbauend auf den Grundlagenuntersuchungen, an die komplexen Geometrien von Bauteilen/Baugruppen bis hin zum Viertelfahrzeug angepasst. Somit konnten für die jeweiligen Berechnungstools die Stärken hinsichtlich der Anforderungen an die Geometrie und die physikalischen Randbedingungen abgeleitet werden.
Anschließend wurde eine Software entwickelt, welche automatisiert Ergebnisse unterschiedlicher Softwarelösungen und geometrischer Skalen verarbeitet, interpoliert und anschließend auf gewählten Schnittstellen bereitstellt. Somit lassen sich die effektivsten Berechnungsmethoden miteinander verknüpfen.
Zudem konnte im Laufe der Bearbeitungszeit eine Software (PreonLab) zum Einsatz kommen, welche hinreichend genau und dennoch zeitlich effektiv komplexe Strömungsphänomene berechnen kann.
Im Zuge der Projektbearbeitung konnten somit Anforderungen als auch Randbedingungen für die numerische Berechnung komplexer Strömungsphänomene am Gesamtfahrzeug beschrieben werden.
Aktualisiert: 2023-01-01
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Im Rahmen steigender Qualitätsanforderungen der Kunden und kürzerer verfügbarer Entwicklungszeiträume sind virtuelle Methoden ein elementarer Bestandteil für die erfolgreiche Produktentwicklung. Aber nicht überall stehen Simulationsmethoden zur Verfügung. Die Auslegung des Wassermanagements und des Korrosionsschutzes ist bis heute eine erfahrungs- und versuchsbasierte Auslegung, welche erst in der Hardwarephase überprüft werden kann. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Simulationsmethodik zur Bestimmung der Fließwege korrosiver Medien und der daraus resultierenden Belastung am virtuellen Prototypen. Neben der Benetzung von Oberflächen ist auch die Benetzungsdauer zu bestimmen. In der Umsetzung kommt ein im technischen Bereich noch junger Ansatz der gitterfreien Strömungssimulation, vertreten durch die Smoothed-Particle-Hydronamics-Methodik (SPH), zum Einsatz. Mit dieser ist es möglich, die Beregnung eines Gesamtfahrzeugs über einen langen Zeitraum mit einem hohen Detailumfang und einem akzeptablen Zeitbedarf zu realisieren. Die am stationären Fahrzeug generierten Ergebnisse ermöglichen dabei eine detaillierte Auswertung der Fließwege und besitzen eine sowohl qualitative als auch quantitative hohe Übereinstimmung mit Prüfstandsdaten. Für die Bestimmung der Benetzungsdauer ist die Simulation des Phasenwechsels vorgesehen. Auch hier bildet die Basis der Einsatz der SPH-Methodik mit einer künstlichen Luftphase. Die notwendigen Randbedingungen sind durch die Kombination mit der konventionellen Strömungssimulation zu generieren. Eine Abschätzung der Effektivität von Gegenmaßnahmen wird somit virtuell möglich.
Aktualisiert: 2023-01-01
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Miniaturisierte Kultivierungssysteme mit einem hohen Maß an integrierter Sensorik und Kontrollmöglichkeit haben sich als leistungsfähige Werkzeuge in der Entwicklung moderner Bioprozesse erwiesen. Besonders Tropfen-basierte Mikrobioreaktorsysteme (tMBR) eröffnen weitreichende Möglichkeiten zur parallelisierten Kultivierung von Zellen im Hochdurchsatzverfahren bei geringem Probeneinsatz. Das abgeschlossene Fluidelement eines Flüssigkeitstropfens wird dabei genutzt, um eine Kompartimentierung zu erzeugen und separate biologische Prozesse durchzuführen. Im Gegensatz zur Tropfen-basierten Mikrofluidik mit kontinuierlicher Fluidförderung, ermöglichen Kultivierungssysteme mit sessilen Tropfen eine erhöhte Flexibilität in der Fluidhandhabung sowie eine Integration von kontinuierlicher online-Analytik. Allerdings bergen das Aufrechterhalten einer optimalen Kultivierungsumgebung als auch die Förderung von Zellwachstum in einem Flüssigkeitstropfen inhärente Herausforderungen, besonders in Bezug auf Stofftransport und Verdunstung.
Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Tropfen-basierten Kultivierungssystems zur Kultivierung und Untersuchung von Zellen. Durch die Implementierung einer aktiven Mischtechnik und umfangreicher Sensorik wurde ein leistungsfähiges Kultivierungssystem entwickelt, das als analytisches Werkzeug für biopharmazeutische Applikationen eingesetzt werden kann. Aktive Durchmischung und Stofftransport wurden durch die Anregung von Kapillarwellen auf der Tropfenoberfläche mittels vertikaler Oszillation erzeugt. So kann der gesamte Reaktorinhalt innerhalb von 3 s homogenisiert und kLa-Werte von bis zu 345 h-1 erzeugt werden, ohne bewegte Mischelemente in den Reaktionsraum zu integrieren. Die Flüssigkeitstropfen sind dabei in einen Glas-Chip eingebettet, der für eine definierte Tropfenform und die Integration optischer Sensoren sorgt. Das hohe Potential des entwickelten Tropfen-basierten Mikrorektorsystems, das aufgrund der eingesetzten Mischtechnik als capillary wave microbioreactor (cwMBR) bezeichnet wird, wurde in einem proof-of-concept durch die Kultivierung von Escherichia coli und Chinese Hamster Ovary Zellen gezeigt.
Aktualisiert: 2023-01-01
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