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Forschungsarbeit

Modellierung und Simulation von Kurzzeit-Ultra-Hochdruckprozessen

Von Cornelia Rauh (21.05.2010)

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit thermofluiddynamischen Phänomenen und Mechanismen sowie deren Auswirkung auf (bio-)chemische Reaktionen im Verlauf des neuartigen Kurzzeit-Ultra-Hochdruckprozesses. Als Analysewerkzeuge dienen dabei mathematische Abstraktion im Sinne der Modellbildung, analytische Verfahren und numerische Simulationen.

Die Beschreibung der thermofluiddynamischen und (bio-)chemischen Effekte basiert auf einer spatiotemporalen, dreidimensionalen Modellierung mithilfe bilanzierender Modelle. Die Modellierung umfasst dabei

(i) die Aufstellung der thermofluiddynamischen Grundgleichungen für kompressible Medien für eine bewegte Berechnungsdomäne und

(ii) die Formulierung der unter den Prozessbedingungen stark ausgeprägten Druck- und Temperaturabhängigkeit der thermophysikalischen Eigenschaften der Prozessmedien.

Zur Beschreibung des Verlaufs druckinduzierter (bio-)chemischer Umsetzungsreaktionen sowie des Transports der chemischen Spezies – hier vor allem Enzyme während der ruckinduzierten Aktivitätsänderung – erfolgt die Herleitung von Transportbilanzen. Dies führt erstmalig gesichert zur vollständigen Beschreibung druckinduzierter enzymatischer Reaktionen auf Basis der skalaren Größe "Aktivität".

Temperatur-, Aktivitäts- und Konzentrationsfelder zum Ende der Haltezeit eines Hochdruckprozesses[Bildunterschrift / Subline]: Abb. 1: Temperatur-, Aktivitäts- (Enzym Beta-Glukanase) und Konzentrationsfelder (Produkt der Abbaureaktion von Beta-Glukan) zum Ende der Haltezeit eines Hochdruckprozesses; Darstellung des Transports des Enzyms und Produkts durch konvektive Fluidbewegung (Pfeil).

Aus theoretischen Betrachtungen und numerischen Simulationen mittels der thermofluiddynamischen Grundgleichungen sowie der Druck- und Temperaturempfindlichkeit (bio-) chemischer Reaktionen ergeben sich Gesetzmäßigkeiten zur quantitativen Beschreibung und Erklärung thermofluiddynamischer Phänomene, Kinetiken und Mechanismen. Nur so lässt sich eine Aussage hinsichtlich der erreichbaren Prozesshomogenität von Zielreaktionen ableiten. Beispielhaft untersucht die vorliegende Arbeit Inaktivierungsreaktionen unterschiedlicher Enzyme. Hierbei zeigt sich eine starke Abhängigkeit des Verlaufs der Prozessinhomogenität während des Prozesses von der jeweiligen Druck- und Temperaturabhängigkeit. Zudem bedeutet ein homogenerer Prozess nicht notwendigerweise einen effizienteren Prozess hinsichtlich der mittleren Restaktivität der Enzyme.

Es wird in dieser Arbeit das enorme Potential und breite Einsatzspektrum der Hochdruckbehandlung in zahlreichen Gebieten in Wissenschaft und Technik – insbesondere im Bio- und Chemieingenieurwesen – deutlich. Um jedoch von den Vorteilen profitieren zu können sowie um die Potentiale zu erschließen, ist für jeden Anwendungsfall ein produktadaptiertes Prozessdesign zu erarbeiten. Die in dieser Arbeit hierzu vorgeschlagenen Maßnahmen können dabei als Orientierung dienen. Anschlussmöglichkeiten für zukünftige wissenschaftliche Arbeiten bieten sich in der Weiterentwicklung von Modellierungs- und Simulationsverfahren zur Betrachtung multiskaliger Phänomene und Nicht-Kontinuumsströmungen unter Hochdruckbedingungen an.


Stationen
  • seit Sep. 2008
  • Co-Leiter der Forschungsgruppe "Numerische Strömungsmechanik" am Lehrstuhl für Strömungsmechanik (FAU)
  • seit Nov. 2007
  • Mitglied des Exzellenzclusters "Engineering of Advanced Material" an der FAU
  • seit Sep. 2007
  • Leiter der Forschungsgruppe "Thermofluiddynamik biotechnologischer Prozesse" am Lehrstuhl für Strömungsmechanik (FAU)
  • seit April 2006
  • Wissenschaftliche Angestellte am Lehrstuhl für Strömungsmechanik (Prof. Delgado, Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg, FAU)
  • Mai 2005 – März 2006
  • Wissenschaftliche Angestellte am Lehrstuhl für Fluidmechanik und Prozessautomation (Prof. Delgado) (TU München Freising-Weihenstephan)
  • Mai 2005 – Nov. 2008
  • Promotion, Thema: Modellierung und Simulation von Kurzzeit-Ultra-Hochdruckprozessen. Note: "summa cum laude"
  • Okt. 2000 – April 2005
  • Studium der Technologie und Biotechnologie der Lebensmittel (TU München Freising-Weihenstephan), Abschluss: Dipl.-Ing. (Univ.)

Auszeichnungen
  • 2009
  • Auszeichnung der Dissertation mit dem Promotionspreis der Technischen Fakultät (Verliehen durch die Frauenbeauftragte) der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
  • Nov. 2006 - April 2008
  • Stipendium nach dem Bayerischen Eliteförderungsgesetz, Mitglied des Elitenetzwerks Bayern
  • 2005
  • Auszeichnung des VDI für hervorragende Diplomarbeiten
  • 2004/2005
  • Auszeichnung der Firma Krones für den besten Studienabschluss im Studienjahr
  • 2000
  • Karl-von-Frisch-Abiturientenpreis