Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Biopolymere sind biotechnologisch hergestellte und biologisch abbaubare Materialien. Sie bieten verst\u00e4ndlicherweise entscheidende Umweltvorteile als Verpackungsmaterialien. Den \u00f6kologischen Vorteilen stehen die hohen Produktkosten gegen\u00fcber, die auf den komplexen Herstellungsprozess zur\u00fcckzuf\u00fchren sind. Ziel des Projektes ist es, die wesentliche Stufe des Herstellungsprozesses, die Fermentation, die in einem R\u00fchrreaktor realisiert wird, zu charakterisieren. Unter Nutzung der ermittelten Ergebnisse k\u00f6nnen Ma\u00dfnahmen zur Energieeinsparung und Kostensenkung umgesetzt werden. Biopolymere sind viskoelastische Fl\u00fcssigkeiten, \u00fcber deren R\u00fchrverhalten generell sehr wenig bekannt ist. Mit Hilfe von transparenten Modellfluiden und der verschiedensten Me\u00dfmethoden wird diese Proze\u00dfstufe aus str\u00f6mungstechnischer und aus energetischer Hinsicht
\nuntersucht.<\/p>\n
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 \u00e4hnlichen Modellr\u00fchrbeh\u00e4ltern am Deutschen Institut f\u00fcr Lebensmitteltechnik e. V. (DIL) und an der Fachhochschule Ostfriesland (FHO) durchgef\u00fchrt. Zwei typischen R\u00fchrorgane (Propellerr\u00fchrer und Viscojet-R\u00fchrer), sowie drei Modellfluide wurden hier angewandt, konkret wurden L\u00f6sungen von Polyethylenglykol (PEG), Carboxymethylcellulose (CMC) und Polyacrylamid (PAA) eingesetzt. Der Hintergrund, der zu dieser Auswahl f\u00fchrte war, da\u00df nun ein newtonsches Fluid sowie zwei nicht-newtonsche Fluide mit \u00e4hnlichen viskosen aber unterschiedlichen viskoelastischen Eigenschaften eingesetzt und entsprechend bewertet werden konnten. Au\u00dferdem waren die Fluide transparent, so dass die optische Me\u00dfmethode m\u00f6glich war. Es wurden folgende Methoden angewandt: rheologische Charakterisierung der Fluide (DIL), Leistungsmessungen (DIL), Mischzeitbestimmungen (DIL), Str\u00f6mungsvisualisierung (FHO) und zeit- und ortsaufgel\u00f6ste Geschwindigkeitsmessungen mittels Laser-Doppler Anemometrie.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die Leistungskurven zeigen, dass bei niedrigen Reynolds-Zahlen der Viscojet-R\u00fchrer mehr Leistung aufnimmt als der Propellerr\u00fchrer. Bei bei hohen Re-Zahlen ist der Leistungsbedarf n\u00e4herungsweise gleich. CMC verh\u00e4lt sich \u00e4hnlich wie das newtonsche Fluid, w\u00e4hrend bei PAA die Leistungserh\u00f6hung gegen\u00fcber dem newtonschen Fall beim Viscojet wesentlich h\u00f6her ist als beim Propellerr\u00fchrer. Die Mischzeitkurven zeigen einen entgegengesetzten Trend. Bei niedrigen Reynolds-Zahlen zeigt der Viscojet-R\u00fchrer eine verringerte Mischzeit, bei hohen Reynolds-Zahlen verhalten sich beide R\u00fchrer gleich. CMC und PAA weisen eine in gleichem Ma\u00dfe erh\u00f6hte Mischzeit im Vergleich zum newtonschen Fluid auf, allerdings ist die Erh\u00f6hung f\u00fcr den Propellerr\u00fchrer wesentlich gr\u00f6\u00dfer.
\nObwohl 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-R\u00fchrer etwas weniger Energie ben\u00f6tigt, als der Propellerr\u00fchrer, bei mittleren Reynolds-Zahlen ist der Energiebedarf h\u00f6her und bei hohen Reynolds-Zahlen verhalten sich die R\u00fchrer n\u00e4herungsweise gleich. Diese Unterschiede sind aber gering. F\u00fcr nicht-newtonsche Fluide sind die beiden R\u00fchrer praktisch gleich, wobei aber der Energiebedarf mit steigender Viskoelastizit\u00e4t zunimmt.
\nDie Geschwindigkeitmessungen wurden bei Re = 126 durchgef\u00fchrt. Diese Zahl geh\u00f6rt zum unteren Ende des mittleren Re-Zahl Bereichs. Die Str\u00f6mung ist im \u00dcbergangsbereich aber doch mehr der laminaren, als der turbulenten Str\u00f6mung zuzurechnen. Die folgenden allgemeinen Aussagen sind m\u00f6glich:
\n\u00b7\tUnabh\u00e4ngig vom R\u00fchrer sieht die Str\u00f6mung in der L\u00e4ngsschnittebene qualitativ gleich aus: es liegt ein von dem R\u00fchrorgan ausgehender mehr oder weniger radialer Strahl, der zwei Wirbel voneinander trennt, vor. Die genaue Form und Position der Wirbel \u00e4ndert sich in Abh\u00e4ngigkeit vom R\u00fchrorgan und vom Fluid.
\n\u00b7\tDer Strahl hat h\u00f6here Geschwindigkeiten w\u00e4hrend der Anwesenheit des R\u00fchrorgans als in seiner Abwesenheit. Wesentlich h\u00f6here Spitzengeschwindigkeiten wurden bei CMC im Vergleich zu PEG gemessen. Bei PAA sind die mittleren Geschwindigkeiten in der gleichen Gr\u00f6\u00dfenordnung wie bei PEG, dies ist zum Teil auch auf den Mittelungsprozess zur\u00fcckzuf\u00fchren. Die Spitzengeschwindigkeiten sind beim Viskojet-R\u00fchrer stets h\u00f6her.
\n\u00b7\tIn der tangentiellen Richtung, die als Hauptrichtung der Str\u00f6mung zu betrachten ist, produziert der Viscojet R\u00fchrer wiederum wesentlich h\u00f6here Werte als der Propellerr\u00fchrer, jeweils bei Einsatz s\u00e4mtlicher Fluide. Bei den beiden nicht-newtonschen Fluiden erreicht die Geschwindigkeit an der R\u00fchrerspitze beinahe die Umfangsgeschwindigkeit bei dem Viscojet, d. h., dass der R\u00fchrer das Fluid praktisch mitnimmt. In dem Fall von PEG erreicht die maximale Geschwindigkeit nur die H\u00e4lfte der Umfangsgeschwindigkeit. Am gleichm\u00e4\u00dfigsten ist die Geschwindigkeit im Gef\u00e4\u00df bei CMC verteilt. Bei PEG ist die Verteilung etwas unregelm\u00e4\u00dfig, aber das ganze Volumen ist in Bewegung, w\u00e4hrend bei PAA nur ein begrenztes Volumen in der N\u00e4he des R\u00fchrorgans weist erw\u00e4hnenswerte Geschwindigkeiten auf, der Rest ist fast in Ruhe, was den Einflu\u00df der Viskoelastizit\u00e4t verdeutlicht. Dieses Volumen ist kleiner bei dem Propellerr\u00fchrer.
\n\u00b7\tDie physikalische Bedeutung der RMS Geschwindigkeiten wurde bereits ausf\u00fchrlich diskutiert. Mit den bekannten Beschr\u00e4nkungen k\u00f6nnen die Ergebnisse interpretiert werden. Im allgemeinen sind die RMS-Werte bei dem Viscojet R\u00fchrer h\u00f6her als beim Propellerr\u00fchrer – sowohl die Spitzenwerte als auch die allgemeinen Werte im Gef\u00e4\u00df. Die Werte f\u00fcr CMC sind f\u00fcr beiden R\u00fchrer deutlich h\u00f6her als f\u00fcr PEG und f\u00fcr PAA noch einmal wesentlich h\u00f6her. Hier spielt die steigende Elastizit\u00e4t eine Rolle.<\/p>\n
Zusammenfassend kann man sagen, dass der Viscojet R\u00fchrer in diesem Reynolds-Zahl Bereich die investierte Energie effizienter in die Bewegungsenergie des Fluides umwandelt als der Propellerr\u00fchrer, da alle Geschwindigkeitskomponenten und die Schwankungsgeschwindigkeiten h\u00f6here Werte aufweisen. Dies gilt sowohl f\u00fcr newtonsche als auch f\u00fcr nicht-newtonsche Fluide mit verschiedener Viskosit\u00e4t. Die entscheidende Frage ist, in wieweit dies in eine bessere Mischwirkung konvertiert wird. Die Vergleichbarkeit der Energiekurven scheint jeglichem Unterschied zu widersprechen. Die Leitf\u00e4higkeitssonde ermittelt die Mischg\u00fcte in einem r\u00e4umlichen Punkt. Es ist wohl m\u00f6glich, dass wegen der unterschiedlichen Str\u00f6mungsfelder, die die zwei R\u00fchrorgane erzeugen, auch messtechnisch bedingte Unterschiede auftreten, die Tendenzen k\u00f6nnen aber anhand der vorliegenden Ergebnisse beurteilt werden.
\nAufgrund des ermittelten, umfangreichen Datenmaterials zu den Str\u00f6mungsfeldern wagen wir aber die Hypothese, dass der Viscojet-R\u00fchrer f\u00fcr niedrigen Reynolds-Zahlen sowohl f\u00fcr newtonschen, als auch f\u00fcr nichtnewtonschen Fluiden effizienter arbeitet und entsprechend eingesetzt werden sollte.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Es wurde ein Poster an der Fachmesse ACHEMA vorgestellt. Eine Ver\u00f6ffentlichung in einer Fachzeitschrift ist geplant.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Mit den gewonnenen Erfahrungen k\u00f6nnen wir wesentlich gezielter entsprechende Str\u00f6mungen untersuchen. Es ist notwendig weitere R\u00fchrergeometrien – auch in unterschiedlichen Re-Zahl Bereichen – zu untersuchen. Es wird aber nicht notwendig sein, derartig detaillierte Geschwindigkeitsmessungen durchzuf\u00fchren, vielmehr wird nur ein Bereich in der N\u00e4he des R\u00fchrorgans zu betrachten sein. Eine andere M\u00f6glichkeit besteht in der Durchf\u00fchrung von numerischen Simulationen, zu deren Validierung diese Me\u00dfdaten sich hervorragend eignen. Allerdings ist das keine einfache Aufgabe mit dem derzeitigen Stand der Technik. Die Ergebnisse des Projektes k\u00f6nnen genutzt werden, um den Herstellungsprozess der Biopolymere zu optimieren. Entsprechend werden diese \u00f6kologisch wertvollen Produkte in der Marktf\u00e4higkeit unterst\u00fctzt, was zu einer weiteren Verbreitung in der Praxis beitragen kann.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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