Modellierung und Simulation von Kurzzeit-Ultra-Hochdruckprozessen

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Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2009-03-17
Issue Year
2008
Authors
Rauh, Cornelia
Editor
ISBN
978-3-18-390103-6
Abstract

The present study is concerned with thermofluiddynamical phenomena and mechanisms as well as their effects on (bio-)chemical reactions during the innovative short time ultra high pressure treatment. Mathematical abstraction in the sense of modelling, analytical approaches and numerical simulations serve as tools of analysis. The description of thermofluiddynamical and (bio-)chemical effects is based on spatiotemporal, three-dimensional modelling applying balancing models. The modelling includes here (i) the formulation of the thermofluiddynamical basic equations for compressible media on moving calculation domains and (ii) the formulation of the strong pressure and temperature dependency of thermophysical properties of the process media under this process conditions. For the purpose of description of the course of pressure induced (bio-)chemical conversion reactions as well as of the transport of the chemical species – here especially enzymes during the pressure induced change of activity – the derivation of transport balances is conducted. This results for the first time in an assured complete description of pressure induced enzymatic reactions based on the scalar quantity „activity“. Theoretical considerations and numerical simulations by means of the thermofluiddynamical basic equations as well as the pressure and temperature sensitivity of (bio-)chemical reactions lead to relations for the quantitative description and explanation of thermofluiddynamical phenomena, kinetics and mechanisms. Only by this, statements about the achievable process homogeneity of target reactions can be deduced. As an example the present study examines the inactivation reactions of different enzymes. Here, a strong dependency of the course of the process inhomogeneity on the pressure and temperature dependency appears. Additionally, a more homogeneous process does not necessarily result in a more efficient one expressed in terms of the mean remaining enzyme activity. In this study the enormous potential and the wide range of application of the high pressure treatment in several fields of science and engineering – especially in bio and chemical engineering – are becoming evident. Nevertheless, to be able to benefit from the advantages and potential, for each application a product adapted process design is necessary. Here, the proposed approaches can serve as orientation. Future scientific work can deal with further enhancement of modelling and simulation techniques of the present research especially concerning the consideration of multiscale phenomena and non-continuum flows under high pressure conditions.

Abstract

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 druckinduzierten Aktivitätsänderung – erfolgt die Herleitung von Transportbilanzen. Dies führt erstmalig gesichert zur vollständigen Beschreibung druckinduzierter enzymatischer Reaktionen auf Basis der skalaren Größe „Aktivität“. 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 naktivierungsreaktionen 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, bedarf es für jeden Anwendungsfall eines produktadaptierten Prozessdesigns. 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.

Citation
Erscheint auch im Buchhandel: Düsseldorf : VDI-Verl., 2009 als Fortschritt-Bericht VDI, Reihe 3 Nr. 901
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