Stofftransport bei der CIP-Reinigung von Lebensmittelablagerungen

Stofftransport bei der CIP-Reinigung von Lebensmittelablagerungen von Gottschalk,  Nathalie
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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Multiskalenansatz zur virtuellen Abbildung mehrphasiger Fluidströmungen auf Gesamtfahrzeugebene

Multiskalenansatz zur virtuellen Abbildung mehrphasiger Fluidströmungen auf Gesamtfahrzeugebene von Hermsdorf,  Frank
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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Beitrag zur simulativen Bestimmung der Belastung von Fahrzeugkomponenten durch korrosive Medien am virtuellen Prototyp

Beitrag zur simulativen Bestimmung der Belastung von Fahrzeugkomponenten durch korrosive Medien am virtuellen Prototyp von Wickert,  Daniel
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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Entwicklung und Charakterisierung von Tropfen-Bioreaktoren

Entwicklung und Charakterisierung von Tropfen-Bioreaktoren von Frey,  Lasse Jannis
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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Messrichtigkeit von mechanischen Gasmessgeräten bei Verwendung von unterschiedlichen Gasbeschaffenheiten

Messrichtigkeit von mechanischen Gasmessgeräten bei Verwendung von unterschiedlichen Gasbeschaffenheiten von Böckler,  Hans-Benjamin
Messrichtigkeit von mechanischen Gasmessgeräten bei Verwendung von unterschiedlichen Gasbeschaffenheiten Modellgleichung zur Abschätzung der Messabweichung und Korrektur der Messergebnisse H.-B. Böckler aus Hannover Stichworte: Messabweichung, mechanische Gaszähler, Zählermodell, Drehkolbengaszähler, Turbinenradgaszähler, Erdgas, Biogas, Hochdruck, Kalibrieren, Mutterkurve, Reynoldszahl Kurzfassung: Diese Arbeit stellt eine Modellgleichung auf Basis des Gleichgewichts der Momente vor. Beruhend auf der Modellgleichung wird eine „Mutterkurve“ entwickelt, mit der man in der Lage ist, Turbinenradgaszähler über die gesamte Bandbreite an Gasqualität und über einen großen Bereich an Drücken hinsichtlich der Messabweichung zu korrigieren. Um dieses zu erreichen, wird ein Prüfprogramm vorgestellt, mit dem die Parameter der Modellgleichung vollständig bestimmt werden können. Über das Versuchsprogramm wird unter anderem das Verhalten der Lagerreibung bestimmt. Damit kann der Einfluss der Lagerreibung aus der Messabweichung herausgerechnet werden, danach ist die Messabweichung nur noch von der Reynoldszahl abhängig. Der Verlauf dieser rein von der Reynoldszahl abhängigen Messabweichung wird als Mutterkurve bezeichnet. Zu der experimentellen Beschreibung der Mutterkurve wird die Mutterkurve hinsichtlich ihrer Abhängigkeit von einzelnen Parametern untersucht. Es wird beschrieben, dass die Mutterkurve auf der Geometrie des Schaufelkanals beruht und wie sich daraus ihr charakteristischer Verlauf ableiten lässt. Aus diesen Ergebnissen ergibt sich eine mathematische Beschreibung, mit der die Korrektion beliebiger Betriebsbedingungen möglich wird. Der zweite Teil dieser Arbeit widmet sich den Drehkolbengaszählern. Es wird gezeigt, dass die Grundidee, eine Modellgleichung auf Basis des Gleichgewichts der Momente, auf andere mechanische Zähler übertragbar ist. Dafür wurden in der Modellgleichung für Drehkolbengaszähler die Lagerreibung, der Impuls der ankommenden Strömung gegen die Kolbenbewegung, der Impuls der ankommenden Strömung als Antrieb und der Spaltstrom mit der Messabweichung verknüpft. Für dieses Modell wird ein Versuchsprogramm zur Bestimmung aller Parameter vorgestellt.
Aktualisiert: 2022-09-22
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Spektrum Kompakt – Turbulenzen

Spektrum Kompakt – Turbulenzen
Sie liefern faszinierende Impressionen aus der Natur – und sie bringen Physiker noch heute zum Schwitzen, sobald sie diese näher beschreiben sollen: Wirbelstrukturen, entstanden aus turbulenten Strömungen von Gasen oder Flüssigkeiten. Zwar existieren diverse Kennzahlen und Gleichungen, doch deren Lösung ist alles andere als einfach. Näherungsverfahren sind daher sehr gefragt. Denn schließlich geht es nicht nur um schöne Bilder, sondern um praktische Anwendungen vom eitungsrohr bis zum Schwimmroboter.
Aktualisiert: 2020-01-01
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