Entwicklung eines Echtzeit-Ausbildungs-Simulators für Fermentationen in Rührkesselreaktoren

Die physikalischen Eigenschaften des angenommenen Wärmeträgers im Temperiermantel sind ebenfalls temperaturabhängig. Im Gegensatz zu dem häufig in der Bioverfahrenstechnik verwendeten Wärmeträger Wasser, wurde im vorliegenden Modell das Isomerengemisch Dowtherm J verwendet [The Dow Chemical Company; 2001]. Dowtherm J bietet gegenüber Wasser den Vorteil, bis Temperaturen weit über 450 K in flüssiger Form vorzuliegen. Es eignet sich daher auch zur Simulation einer Sterilisation. Gleichzeitig besteht durch die Verwendung von Dowtherm J die Möglichkeit, das vorhandene Teilmodell „Wärmehaushalt“ ohne nennenswerte Änderungen zur Simulation chemischer Verfahrensprozesse (z.B. Polymerisation o.ä.) zu nutzen. Im Gegenteil zu anderen Wärmeträgern zeigt Dowtherm J bei Prozesstemperaturen um 300 K ähnliche Fließeigenschaften wie Wasser, Dowtherm J ist weder toxisch noch wassergefährdend, es eignet sich deshalb als Wärmeträger in biotechnischen Prozessen. Für die Ermittlung der entsprechenden Funktionen wurde wie unter 5.4.7.4 beschrieben verfahren. Die unten aufgeführten Funktionen besitzen Gültigkeit im Intervall von 273,15 K bis 450 K. [...]

Untersuchungen des Wärmeüberganges in gerührten begasten Systemen zeigen, dass bei Vorliegen einer homogenen Blasenströmung nur bei kleinen Rührerdrehzahlen eine wesentliche Erhöhung des Wärmeüberganges mit steigender Leerrohrgeschwindigkeit erreicht werden kann. Bei höheren Rührerdrehzahlen verbessert sich der Wärmeübergang nur noch geringfügig und er kann sich bei sehr hohen Drehzahlen mit steigender Leerrohrgeschwindigkeit sogar verschlechtern. Die gasförmige Phase wird öfter durch einen Gasverteiler, z. B. Begasungsring, unter dem Rührer der Flüssigkeit zugeführt. Bei der Verwendung eines Scheibenblattrührers wird das Gas durch die Scheibe des Rührers in den Bereich hoher Schergeschwindigkeit geleitet und dort in Form von kleinen Blasen dispergiert. Daher sind die Scheibenrührer für das Gasdispergieren sehr geeignet. Nach [Kurpiers, P.; 1985] gilt für den Wärmeübergang an die innere Behälterwand eines Rührbehälters mit vier Strombrechern bei Verwendung eines Scheibenrührers üblicher Ausführung und eines Begasungsringes: [...]

Wird der Rührkesselreaktor begast, gleichzeitig gerührt und wird dabei der Überflutungspunkt nicht erreicht, kann der kLa-Wert wie für Standardrührkesselreaktoren modelliert werden. Weitere Strömungszustände im Reaktor wurden bei der Modellierung des kLa-Wertes nicht berücksichtigt. Die zunächst angedachte Modellierung des volumenbezogenen Stofftransportkoeffizienten bei ausgeschaltetem Rührer oder bei Oberflächenbegasung (Modell der aufgerauten Oberfläche) musste verworfen werden, weil zur Modellierung des pO2-Wertes immer ein definierter Gasvolumenstrom vorliegen muss. Für die Berechnung des kLa bei Trombenbildung konnten in der Literatur keine Gleichungen recherchiert werden. Für die folgenden Korrelationen wird vorausgesetzt, dass die Fermentationsbrühe koaleszenzhemmendes Verhalten aufweist, die Konzentration an Ionen in der Brühe sowie die Konzentration an Antischaummittel wurde vernachlässigt. [...]