Charakterisierung und Maßstabsübertragung von Membran‐Zyklon‐Reaktoren

Abstract

I B i o v e r f a h r e n s t e c h n i k IChemie lngenieur Technik 9 I 9 5 gesehen werden. Die rechnerische Abschatzung des Leistungseintrags bei Riihrkesseln mit Standardgeometrie bereitet heute keine Probleme mehr. Fur Schiittelkolben, in denen der bei weitem iiberwiegende Teil unserer biotechnologischen Enhvicklungsarbeiten ablauft, existieren in der Literatur noch keinerlei brauchbare Anhaltswerte. Wir haben daher nach Methoden gesucht, um den Leistungseintrag in Schiittelkolben zu messen. Gute Erfolge wurden mit einer MeRvorrichtung erzielt, bei der ein mechanischer Drehmomentaufnehmer im externen Antrieb der Schiittelapparatur sitzt. Aus der Drehzahl und dem gemessenen Drehmoment kann der Leistungseintrag berechnet werden. Reibungsverluste werden durch Differenzbildung mit einer Messung bei durch Agar verfestigter Fliissigkeit gleichen Volumens kompensiert. Es wurden Messungen mit Wasser in Abhangigkeit von der Schiittelfrequenz, der Kolbengrode, des Fiillvolumens, der Oberflacheneigenschaft des Wandmaterials, ohne und mit Schikanen und bei zwei Schiittelradien durchgefiihrt. Die Messungen im Schiittelkolben ohne Schikanen fiihrten allgemein zu ganz erstaunlich hohen Leistungseintragen, die im Bereich der bei Riihrkesseln iiblichen Werte liegen (s. Abb.). Mit dem Fiillvolumen sinkt der spez. Leistungseintrag, da die Reibungsflache zwischen Glaswand und Fliissigkeit im Verhaltnis zum Fiillvolumen unterproportional steigt. Grode Kolben weisen bei gleicher Drehfrequenz einen vergleichsweise hohen Leistungseintrag auf, da die Relativgeschwindigkeit zwischen kreisender Flussigkeit und Glaswand mit dem Radius zunimmt. Der Schiittelradius hat bei schikanelosen Kolben nur einen schwachen EinfluR.Zur Beschreibung der gewonnenen Versuchsergebnisse wurde ein mechanistisches Modell erstellt, welches auf der Berechnung der Fliissigkeitsverteilung im Schiittelkolben und der Reibungsflache zwischen Glaswand und kreisender Fliissigkeit basiert. Der lokale Widerstandsbeiwert wurde in Anlehnung an friihere Arbeiten zu stromungstechnischen Grundproblemen wie drehende Scheibe oder rotierender Zylinder mit dem 1/7-Potenzgesetz der Geschwindigkeitsverteilung in turbulenten Grenzschichten angesetzt. Die Abb. zeigt an einem Beispiel, daR die Messungen durch das Modell recht gut wiedergegeben werden.ijberraschend sind auch die Resultate aus Schiittelkolben, die mit Schikanen versehen sind. Bei kleinen Schiittelradien nimmt der Leistungseintrag mit dem Fiillvolumen zu, im Gegensatz zu den oben beschriebenen Ergebnissen. Bei geringen Fiillvolumen ist der Leistungseintrag rnit Schikanen sogar kleiner als ohne Schikanen. Durch einen optischen Vergleich der Fliissigkeitsbewegung in Schiittelkolben mit und ohne Schikanen konnte schliedlich eine logische Erklamng fur dieses Phanomen gefunden werden. Bei Kolben mit Schikanen tritt zwischen der Drehbewegung des Schiitteltisches und der Rotation der Fliissigkeit ein Schlupf auf. Dieser wird mit steigendem Fiillvolumen und Schiittelradius geringer, da zunehmend grodere Teile der Fliissigkeit...