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Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Partikelbeanspruchung in gerührten (Bio-)Reaktoren
Wollny, Stefan
In dieser Arbeit wurde die Partikelbeanspruchung anhand von Tropfengrößenverteilungen ermittelt. Ein wesentliches Ergebnis dieser Arbeit besteht in der Feststellung, dass nur Inline-Messmethoden zur Ermittlung der Partikelbeanspruchung in turbulenten Strömungen geeignet sind. Demzufolge ist die Focused Beam Reflective Measurement (FBRM-Technology) ausgewählt worden. Systematisch untersucht wurden verschiedene Rührorgane bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen. Dazu wurde eigens ein Flüssig/flüssig-Modellstoffsystem ausgewählt und charakterisiert. Die Vorteile dieses Stoffsystems sind der äußerst geringe Dichteunterschied, die geringe Grenzflächenspannung und die schnelle Stabilisierung der Grenzfläche sowie die sehr gute Detektionsmöglichkeit der Tropfen mit der FBRM-Technology. Da bei diesen Untersuchungen die Tropfen des Flüssig/flüssig-Modellstoffsystems trotz der sehr geringen spezifischen Rührerleistung eindeutig im Dissipationsbereich beansprucht werden, sind die Ergebnisse auch zur Beschreibung der Zellbeanspruchung in gerührten Bioreaktoren geeignet. Es wird deutlich, dass bei gleichem Leistungseintrag das Rührorgan mit der höchsten Rührerumfangsgeschwindigkeit auch die größten Belastungen auf die Tropfen ausübt. Dies bedeutet, dass bei gleicher spezifischer Rührerleistung ein Scheibenrührer im Vergleich zu einem Schrägblattrührer beanspruchungsärmer, jedoch bei gleicher Rührerumfangsgeschwindigkeit beanspruchungsintensiver ist. Der Axialrührer muss bei gleichem Leistungseintrag schneller als der Radialrührer rotieren und produziert demzufolge die höheren Geschwindigkeitsgradienten. Mit Hilfe der numerischen Fluiddynamik (CFD–Computational Fluid Dynamics) konnte gezeigt werden, dass die größere Beanspruchung die Folge der höheren Schergradienten ist, Normalgradienten spielen eindeutig eine untergeordnete Rolle. Abschließend werden das Rühren mit/ohne Stromstörer, die Maßstabsübertragung und das Abbauen von Oberflächenschichten hinsichtlich der Partikelbeanspruchung diskutiert.
The stress on particles is of high importance for many technical processes. This study deals with the analysis of particle strain and breakage in turbulent dispersions, by measuring drop size distributions, in order to evaluate this stress. It is clearly shown that an inline-measurement technique is necessary for investigations done in stirred tanks. The Focused Beam Reflective Measurement (FBRM-technology) has been selected to analyse the particle strain as a function of many different stirrer types and operating conditions. The advantages of the special model system (liquid/liquid dispersion) include the small density difference, the low interfacial tension, the fast stabilization of the interfacial area by a surfactant and the possibility to measure the droplets by the FBRM-technique. Due to these properties, drop breakage occurred in the dissipation range. The droplet behaviour in this work is similar to the behaviour of biological systems which implies the results can be used to describe cell damage in bioreactors. The experimental results demonstrate that at the same specific power input, the stirrer with the highest tip-speed creates the smallest droplets (highest particle strain). For instance, a pitched blade turbine produces much more particle strain than a Rushton turbine at the same specific power input. On the other hand, the pitched blade turbine creates much lower particle strain than the Rushton turbine at same tip speed. By using computational fluid dynamics (CFD) it becomes clear that the particle strain is the direct consequence of the shear gradients and that the normal gradients are less relevant. Typical problems in stirred tanks like scale-up conditions, mixing with/without baffles and mixing time were discussed with regard to particle strain.
