@phdthesis{Machefer2008, author = {Machefer, Stephan}, title = {Entwicklung eines deterministischen Modellkerns zur hybriden Modellierung komplexer Kristallisationsprozesse}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus-5959}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2008}, abstract = {Die Modellierung spielt nach wie vor im Rahmen der Prozessoptimierung als eine der „klassischen" Methoden der Prozessintensivierung eine große Rolle. F{\"u}r einfache Prozesse bzw. -Operationen geh{\"o}ren rein deterministische Modelle zum Standard. Diese werden h{\"a}ufig in Form von Prozesssimulatoren kommerziell vertrieben. Viele Fragestellungen lassen sich jedoch auf Grund Ihrer Komplexit{\"a}t nicht in G{\"a}nze mit solchen Modellen beschreiben. In der Praxis begn{\"u}gt man sich dann meist damit, das Problem auf rein empirische Weise zu erfassen, z.B. mit Hilfe K{\"u}nstlicher Neuronaler Netze. Dabei wird in Kauf genommen, dass diese Modellart nur f{\"u}r einen konkreten Anwendungsfall angepasst wird. Sie ist damit weder {\"u}bertragbar, noch vermag sie inh{\"a}rentes Wissen zu generieren. Eine modernere Herangehensweise stellen daher hybride Prozessmodelle dar, welche empirische und deterministische Elemente in vorteilhafter Weise vereinen. Die vorliegende Arbeit stellt eine solche hybride Modellierungsstrategie f{\"u}r einen komplexen Kristallisationsprozess vor und konzentriert sich dabei auf die Entwicklung eines deterministischen Modellkerns. Als Beispielproblem dient die sogenannte Polyolneutralisation, ein Teilschritt bei der Herstellung von Polyurethanen. Polyurethane spielen in der Polymerchemie vor allem deswegen eine große Rolle, weil Sie auf Grund variabler Rezepturen in ihren physikalischen, thermischen oder chemischen Materialeigenschaften f{\"u}r den jeweiligen Einsatzzweck angepasst werden k{\"o}nnen. Dementsprechend stellt die Polyoloneutralisation eine ganze Klasse von Prozessen {\"a}hnlicher Charakteristika dar. Hierdurch wird die Erfordernis einer Modell{\"u}bertragbarkeit unabdingbar. Gleichzeitig l{\"a}sst sich die Polyolneutralisation jedoch als komplexer Kristallisationsprozess nicht rein deterministisch beschreiben. Insgesamt bietet sich somit eine hybride Modellierungsstrategie an. Die Polyolneutralisation ist aus verfahrenstechnischer Sicht noch weitestgehend unerforscht. Diese Prozessklasse wird in der Industrie eher nach Erfahrungswerten, denn auf Grundlage gesicherter physikalischer Erkenntnisse ausgelegt und betrieben. Der Kenntnisstand zur Polyolneutralisation ist sehr gering, so dass zun{\"a}chst die eigentliche Problemstellung charakterisiert werden musste. So l{\"a}sst sich unter bestimmten Voraussetzungen die Polyolneutralisation vereinfacht als Verdampfungskristallisation eines Elektrolyten (hier KH2PO4) aus einem Polyol/Wasser-Gemisch darstellen. Dennoch bleibt die Theorie sehr komplex. Die meisten Teilaspekte m{\"u}ssen experimentell untersucht werden. Ein weiteres Problem stellt in diesem Zusammenhang die Einschr{\"a}nkung dar, dass prozessrelevante Bedingungen bei der experimentellen Untersuchung von Ph{\"a}nomenen wie Salzl{\"o}slichkeit oder Keimbildungs- und Kristallwachstumskinetik praktisch nicht realisierbar sind. Deswegen nimmt die Entwicklung extrapolierbarer Modelle f{\"u}r physikalische, thermodynamische und kinetische Teilaspekte eine zentrale Rolle in der vorliegenden Arbeit ein, wodurch die {\"U}bertragbarkeit der Laborexperimente erm{\"o}glicht wird. Die entsprechenden Teilmodelle bilden das physikalische Grundger{\"u}st des deterministischen Modellkerns zur Berechnung der Bilanzgleichungen der fl{\"u}ssigen und der dispersen Phase (Populationsbilanz). In diesem {\"u}bergeordneten Modell finden auch komplexere Vorg{\"a}nge wie Kristallbruch und Agglomeration Ber{\"u}cksichtigung. Die Berechnung dieser Bilanzgleichungen erfolgt mit Hilfe des Simulationsprogramms Parsival. Hierzu wurden Batch-Kristallisationsexperimente in einem Pilot-Schlaufenkristallisator durchgef{\"u}hrt. Es gelang, die {\"U}bers{\"a}ttigung inline zu messen w{\"a}hrend die Analyse der Kristallgr{\"o}ßenverteilung und Kristallmorphologie offline erfolgte. Der zeitliche {\"U}bers{\"a}ttigungsverlauf und die Kristallproben dienen der abschließenden Parameterregression und Modellvalidierung. Schlussendlich konnte der deterministische Modellkern bereits f{\"u}r eine qualitative Prozessoptimierung eingesetzt werden. Als grundlegendes Problem von Polyolneutralisationsprozessen in industriell typischer Fahrweise ließ sich die zu hohe {\"U}bers{\"a}ttigung identifizieren. In der Parameterstudie wurden deshalb verschiedene Maßnahmen zur Reduzierung der {\"U}bers{\"a}ttigung in ihrem Effekt auf die Kristallbildung untersucht. Es konnte mit dem Modell gezeigt werden, dass durch eine gezielte Beeinflussung des Wasseranteils, der Dosierstrategie sowie der Temperatur vorteilhafte Kristallgr{\"o}ßen entstehen. Diese vereinfachen die Fest-Fl{\"u}ssig Trennung und verringern den Polyolverlust. Insgesamt wird dadurch die Produktivit{\"a}t des Gesamtprozesses erh{\"o}ht. Tendenzelles Optimierungspotenzial kann also bereits mit dem deterministischen Modellkern der Polyolneutralisation aufgezeigt werden. Eine systematische Prozessoptimierung und -Regelung wird k{\"u}nftig das Ziel der Einbindung dieses Modellkerns in ein hybrides Prozessmodell sein.}, subject = {Kristallisation; Prozessmodell; Kristallisation; Prozessmodell; Polyolneutralisation; Reaktivkristallisation; Polyurethane; Crystallization; Processmodel; Polyolneutralization; Reactivecrystallization; Polyurethanes}, language = {de} } @phdthesis{Saulich2008, author = {Saulich, Katja}, title = {Reaktionskinetische Experimente zur Lipase-katalysierten Hydrolyse von Raps{\"o}l in Wasser-in-{\"O}l-Emulsionen}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus-5975}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2008}, abstract = {Mit zunehmender Knappheit an Energieressourcen und den daraus resultierenden hohen Energiekosten entwickelt sich ein Bedarf, energieintensive Verfahren der produzierenden Industrie durch Verfahren geringeren Energiebedarfs und h{\"o}herer Produktselektivit{\"a}t zu ersetzen. In der stoffumwandelnden Industrie kommen als Substitutionsverfahren biokatalytische Prozesse in Frage. Als Voraussetzung f{\"u}r eine kommerzielle Anwendung von Enzymprozessen ist ein quantitatives und qualitatives Verst{\"a}ndnis der grundlegenden physikalischen und chemischen Ph{\"a}nomene, die diesen Prozessen obliegen, notwendig. Die Hydrolyse von {\"O}len und Fetten ist ein Beispiel, bei dem die Produkte neben dem technisch etablierten Verfahren alternativ biokatalytisch herstellbar sind. Zur Reaktorauslegung sowie f{\"u}r eine optimale Prozessf{\"u}hrung ist die Kenntnis der Reaktionskinetik notwendig. Die Kinetik dieser heterogenen Reaktion wird maßgeblich durch Qualit{\"a}t und Quantit{\"a}t der Phasengrenzfl{\"a}che sowie dem Enzymverhalten (Aktivit{\"a}t, Stabilit{\"a}t) w{\"a}hrend der Reaktion bestimmt. Diese Arbeit besch{\"a}ftigt sich mit der ph{\"a}nomenologischen Beschreibung der Reaktionskinetik auf der Basis von kinetischen Untersuchungen f{\"u}r die biokatalytische Hydrolyse von Raps{\"o}l in einer w/o-Emulsion (25 Vol.-\% w{\"a}ssrige Phase). Dabei galt es, den Reaktionsfortschritt (Fourier-Transformations-Infrarot(FTIR)-Absorptionsspektroskopie) und die Phasengrenzfl{\"a}che (Photonendichtewellen(PDW)-Spektroskopie) in hoher zeitlicher Aufl{\"o}sung zu messen sowie Einfl{\"u}sse wie Temperatur, pH-Wert, Substratverh{\"a}ltnis und R{\"u}hrergeschwindigkeit auf das Enzymverhalten zu bestimmen. Mit dem Ziel, eine wirtschaftliche Lipasekonzentration absch{\"a}tzen zu k{\"o}nnen, wurden zudem Kenntnisse bez{\"u}glich des Lipase- und Fetts{\"a}ureverhaltens an der Grenzfl{\"a}che mittels der Pendant-Drop-Methode w{\"a}hrend der Reaktion gewonnen.}, subject = {Raps{\"o}l; Wasser-in-{\"O}l-Emulsion; Hydrolyse; Lipase; FTIR; Reaktionskinetik; PDW-Spektroskopie; Pendant-Drop; Lipase; FTIR; Reaction kinetics; PDW-Spectroscopy; Pendant-Drop}, language = {de} }