Projekt 09934/01

Optimierte Herstellung von Biopolymeren

ProjekttrÀger

Fachhochschule OstfrieslandAbt. Naturwissenschaftliche Technik
Constantiaplatz 4
26723 EmdenZielsetzung und Anlass des Vorhabens Biopolymere sind biotechnologisch hergestellte und biologisch abbaubare Materialien. Sie bieten verstĂ€ndlicherweise entscheidende Umweltvorteile als Verpackungsmaterialien. Den ökologischen Vorteilen stehen die hohen Produktkosten gegenĂŒber, die auf den komplexen Herstellungsprozess zurĂŒckzufĂŒhren sind. Ziel des Projektes ist es, die wesentliche Stufe des Herstellungsprozesses, die Fermentation, die in einem RĂŒhrreaktor realisiert wird, zu charakterisieren. Unter Nutzung der ermittelten Ergebnisse können Maßnahmen zur Energieeinsparung und Kostensenkung umgesetzt werden. Biopolymere sind viskoelastische FlĂŒssigkeiten, ĂŒber deren RĂŒhrverhalten generell sehr wenig bekannt ist. Mit Hilfe von transparenten Modellfluiden und der verschiedensten Meßmethoden wird diese Prozeßstufe aus strömungstechnischer und aus energetischer Hinsicht untersucht. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie detailliertere Beschreibung dieser Kurzfassung kann der interessierte Leser aus dem beiliegenden Bericht entnehmen. Die Versuche wurden in zwei sehr Ă€hnlichen ModellrĂŒhrbehĂ€ltern am Deutschen Institut fĂŒr Lebensmitteltechnik e. V. (DIL) und an der Fachhochschule Ostfriesland (FHO) durchgefĂŒhrt. Zwei typischen RĂŒhrorgane (PropellerrĂŒhrer und Viscojet-RĂŒhrer), sowie drei Modellfluide wurden hier angewandt, konkret wurden Lösungen von Polyethylenglykol (PEG), Carboxymethylcellulose (CMC) und Polyacrylamid (PAA) eingesetzt. Der Hintergrund, der zu dieser Auswahl fĂŒhrte war, daß nun ein newtonsches Fluid sowie zwei nicht-newtonsche Fluide mit Ă€hnlichen viskosen aber unterschiedlichen viskoelastischen Eigenschaften eingesetzt und entsprechend bewertet werden konnten. Außerdem waren die Fluide transparent, so dass die optische Meßmethode möglich war. Es wurden folgende Methoden angewandt: rheologische Charakterisierung der Fluide (DIL), Leistungsmessungen (DIL), Mischzeitbestimmungen (DIL), Strömungsvisualisierung (FHO) und zeit- und ortsaufgelöste Geschwindigkeitsmessungen mittels Laser-Doppler Anemometrie. Ergebnisse und Diskussion Die Leistungskurven zeigen, dass bei niedrigen Reynolds-Zahlen der Viscojet-RĂŒhrer mehr Leistung aufnimmt als der PropellerrĂŒhrer. Bei bei hohen Re-Zahlen ist der Leistungsbedarf nĂ€herungsweise gleich. CMC verhĂ€lt sich Ă€hnlich wie das newtonsche Fluid, wĂ€hrend bei PAA die Leistungserhöhung gegenĂŒber dem newtonschen Fall beim Viscojet wesentlich höher ist als beim PropellerrĂŒhrer. Die Mischzeitkurven zeigen einen entgegengesetzten Trend. Bei niedrigen Reynolds-Zahlen zeigt der Viscojet-RĂŒhrer eine verringerte Mischzeit, bei hohen Reynolds-Zahlen verhalten sich beide RĂŒhrer gleich. CMC und PAA weisen eine in gleichem Maße erhöhte Mischzeit im Vergleich zum newtonschen Fluid auf, allerdings ist die Erhöhung fĂŒr den PropellerrĂŒhrer wesentlich grĂ¶ĂŸer. Obwohl die Energiekurven Unsicherheiten aufgrund der Streuung um die Ausgleichskurve enthalten, zeigen die unter Einsatz der newtonschen Fluide ermittelten Ergebnisse, dass bei ganz niedrigen Reynolds-Zahlen der Viscojet-RĂŒhrer etwas weniger Energie benötigt, als der PropellerrĂŒhrer, bei mittleren Reynolds-Zahlen ist der Energiebedarf höher und bei hohen Reynolds-Zahlen verhalten sich die RĂŒhrer nĂ€herungsweise gleich. Diese Unterschiede sind aber gering. FĂŒr nicht-newtonsche Fluide sind die beiden RĂŒhrer praktisch gleich, wobei aber der Energiebedarf mit steigender ViskoelastizitĂ€t zunimmt. Die Geschwindigkeitmessungen wurden bei Re = 126 durchgefĂŒhrt. Diese Zahl gehört zum unteren Ende des mittleren Re-Zahl Bereichs. Die Strömung ist im Übergangsbereich aber doch mehr der laminaren, als der turbulenten Strömung zuzurechnen. Die folgenden allgemeinen Aussagen sind möglich: · UnabhĂ€ngig vom RĂŒhrer sieht die Strömung in der LĂ€ngsschnittebene qualitativ gleich aus: es liegt ein von dem RĂŒhrorgan ausgehender mehr oder weniger radialer Strahl, der zwei Wirbel voneinander trennt, vor. Die genaue Form und Position der Wirbel Ă€ndert sich in AbhĂ€ngigkeit vom RĂŒhrorgan und vom Fluid. · Der Strahl hat höhere Geschwindigkeiten wĂ€hrend der Anwesenheit des RĂŒhrorgans als in seiner Abwesenheit. Wesentlich höhere Spitzengeschwindigkeiten wurden bei CMC im Vergleich zu PEG gemessen. Bei PAA sind die mittleren Geschwindigkeiten in der gleichen GrĂ¶ĂŸenordnung wie bei PEG, dies ist zum Teil auch auf den Mittelungsprozess zurĂŒckzufĂŒhren. Die Spitzengeschwindigkeiten sind beim Viskojet-RĂŒhrer stets höher. · In der tangentiellen Richtung, die als Hauptrichtung der Strömung zu betrachten ist, produziert der Viscojet RĂŒhrer wiederum wesentlich höhere Werte als der PropellerrĂŒhrer, jeweils bei Einsatz sĂ€mtlicher Fluide. Bei den beiden nicht-newtonschen Fluiden erreicht die Geschwindigkeit an der RĂŒhrerspitze beinahe die Umfangsgeschwindigkeit bei dem Viscojet, d. h., dass der RĂŒhrer das Fluid praktisch mitnimmt. In dem Fall von PEG erreicht die maximale Geschwindigkeit nur die HĂ€lfte der Umfangsgeschwindigkeit. Am gleichmĂ€ĂŸigsten ist die Geschwindigkeit im GefĂ€ĂŸ bei CMC verteilt. Bei PEG ist die Verteilung etwas unregelmĂ€ĂŸig, aber das ganze Volumen ist in Bewegung, wĂ€hrend bei PAA nur ein begrenztes Volumen in der NĂ€he des RĂŒhrorgans weist erwĂ€hnenswerte Geschwindigkeiten auf, der Rest ist fast in Ruhe, was den Einfluß der ViskoelastizitĂ€t verdeutlicht. Dieses Volumen ist kleiner bei dem PropellerrĂŒhrer. · Die physikalische Bedeutung der RMS Geschwindigkeiten wurde bereits ausfĂŒhrlich diskutiert. Mit den bekannten BeschrĂ€nkungen können die Ergebnisse interpretiert werden. Im allgemeinen sind die RMS-Werte bei dem Viscojet RĂŒhrer höher als beim PropellerrĂŒhrer - sowohl die Spitzenwerte als auch die allgemeinen Werte im GefĂ€ĂŸ. Die Werte fĂŒr CMC sind fĂŒr beiden RĂŒhrer deutlich höher als fĂŒr PEG und fĂŒr PAA noch einmal wesentlich höher. Hier spielt die steigende ElastizitĂ€t eine Rolle. Zusammenfassend kann man sagen, dass der Viscojet RĂŒhrer in diesem Reynolds-Zahl Bereich die investierte Energie effizienter in die Bewegungsenergie des Fluides umwandelt als der PropellerrĂŒhrer, da alle Geschwindigkeitskomponenten und die Schwankungsgeschwindigkeiten höhere Werte aufweisen. Dies gilt sowohl fĂŒr newtonsche als auch fĂŒr nicht-newtonsche Fluide mit verschiedener ViskositĂ€t. Die entscheidende Frage ist, in wieweit dies in eine bessere Mischwirkung konvertiert wird. Die Vergleichbarkeit der Energiekurven scheint jeglichem Unterschied zu widersprechen. Die LeitfĂ€higkeitssonde ermittelt die MischgĂŒte in einem rĂ€umlichen Punkt. Es ist wohl möglich, dass wegen der unterschiedlichen Strömungsfelder, die die zwei RĂŒhrorgane erzeugen, auch messtechnisch bedingte Unterschiede auftreten, die Tendenzen können aber anhand der vorliegenden Ergebnisse beurteilt werden. Aufgrund des ermittelten, umfangreichen Datenmaterials zu den Strömungsfeldern wagen wir aber die Hypothese, dass der Viscojet-RĂŒhrer fĂŒr niedrigen Reynolds-Zahlen sowohl fĂŒr newtonschen, als auch fĂŒr nichtnewtonschen Fluiden effizienter arbeitet und entsprechend eingesetzt werden sollte. Öffentlichkeitsarbeit und PrĂ€sentation Es wurde ein Poster an der Fachmesse ACHEMA vorgestellt. Eine Veröffentlichung in einer Fachzeitschrift ist geplant. Fazit Mit den gewonnenen Erfahrungen können wir wesentlich gezielter entsprechende Strömungen untersuchen. Es ist notwendig weitere RĂŒhrergeometrien - auch in unterschiedlichen Re-Zahl Bereichen - zu untersuchen. Es wird aber nicht notwendig sein, derartig detaillierte Geschwindigkeitsmessungen durchzufĂŒhren, vielmehr wird nur ein Bereich in der NĂ€he des RĂŒhrorgans zu betrachten sein. Eine andere Möglichkeit besteht in der DurchfĂŒhrung von numerischen Simulationen, zu deren Validierung diese Meßdaten sich hervorragend eignen. Allerdings ist das keine einfache Aufgabe mit dem derzeitigen Stand der Technik. Die Ergebnisse des Projektes können genutzt werden, um den Herstellungsprozess der Biopolymere zu optimieren. Entsprechend werden diese ökologisch wertvollen Produkte in der MarktfĂ€higkeit unterstĂŒtzt, was zu einer weiteren Verbreitung in der Praxis beitragen kann.

Übersicht

Telefon

04921/807-1603

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Bundesland

Niedersachsen

Fördersumme

99.957,56 €

Förderzeitraum

28.11.1997 - 29.03.2001