Experimentelle Untersuchung des Stofftransports im mikroblasenbegasten Rührreaktor unter der Berücksichtigung von Gegendiffusionseffekten
Creators: name: Merbach, Timo Alexander
Publisher: name: TUHH Universitätsbibliothek
Year: 2020
Subjects: subject: Gegendiffusion
subject: volumetrischer Stoffübergangskoeffizient
subject: Rührkessel
subject: Mikroblasen
subject: Entgasungsmethoden
classificationCode: 600
subject: Technik

description: Viele chemische und biologische Reaktionen in wässriger Phase benötigen gasförmige Komponenten, welche über Begasungseinrichtungen bereitgestellt werden. Für schnelle chemische und biologische Reaktionen ist der Stofftransport von der Gas- in die Flüssigphase häufig limitierend, was eine kontinuierliche Prozessoptimierung notwendig macht. Für diese Prozessoptimierung wird im Labor der Stofftransport über den volumenspezifischen Stoffdurchgangskoeffizienten kLa quantifiziert. Für die Bestimmung des kLa-Wertes wird in der Regel die Messmethode des Gasstrippings mit Stickstoff verwendet. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Charakterisierung von Gegendiffusionseffekten und deren Einfluss auf den Stofftransport. Hierbei ist vor allem der Einfluss unterschiedlicher Strippinggase bei der Bestimmung des kLa-Wertes von Interesse. Die Grundlage dieser Arbeit bildet ein 2 L Rührreaktor sowie drei Begasungseinrichtungen (Opentube, L-Begaser und Sinterstein), welche sich primär über ihre Blasengröße und -form differenzieren lassen. Der Stofftransport bei unterschiedlichen Entgasungsmethoden wird mit dem Sauerstoff-kLa-Wert für unterschiedliche Gasvolumenströme und Begaser analysiert. Hierbei wird das Reaktionsmedium über Stickstoff oder Argon gestrippt, zudem wird physikalisch entgastes Medium verwendet. Neben den Stofftransportmessungen werden die Blasen über endoskopische Messungen aufgenommen. Als ein entscheidendes Ergebnis der Untersuchungen zeigt das physikalisch entgaste Medium um 56% höhere Stofftransportraten als das mit Stickstoff desorbierte Medium. Als Hauptgrund kann die vorliegende Gegendiffusion und der dadurch niedrigere Sauerstoffpartialdruck in den Blasen identifiziert werden, welcher den Stofftransport negativ beeinflusst. Zudem steigt die Gegendiffusion mit höherer Gaslöslichkeit des Strippinggases, während die Stofftransportrate von Sauerstoff sinkt. Außerdem sind über die endoskopischen Messdaten und die kLa-Werte die jeweiligen flüssigseitigen Stoffdurchgangskoeffizienten kL berechnet worden, welche charakteristisch für jede Entgasungsmethode sind. Auf Basis der kL-Werte konnte ein Modell zur Quantifizierung der Gegendiffusionseffekte entwickelt werden.
description: Many chemical and biological liquid phase reactions require gaseous components provided by aeration via gassed stirred tanks. For fast chemical and biological reactions mass transfer from the gas to the liquid phase is often limited making a continuous process optimisation necessary. For this process optimisation, the mass transfer is usually quantified in the laboratory via the volumetric mass transfer coefficient kLa using the measurement method of gas stripping with nitrogen. The present work focuses on the characterisation of counter-diffusion effects and their influence on mass transport. The influence of different stripping gases on the determination of the kLa-value is particular important. The basis of this work is a 2 L stirred reactor and three gassing devices (opentube, L-sparger and sintered frit). These sparger can be differentiated primarily by their bubble size and shape. The analysis of mass transfer with different degassing methods is performed by the oxygen kLa-value for different gas volume flows and gassing devices. The reaction medium is stripped via nitrogen or argon. A physically degassed medium is used as well. In addition to mass transport measurements, endoscopic measurements are used to record the micro-bubbles generated by the sintered frit. As a key-result of the investigations, the physically degassed medium shows 56% higher mass transport rates than the medium desorbed with nitrogen. The main reason is the counter-diffusion and the resulting lower oxygen partial pressure in the bubbles, which has a negative influence on the mass transport. Moreover, the counter-diffusion effects increase with higher gas solubility of the stripping gas and mass transfer rate of oxygen decreases. In addition, the endoscopic measurement data and the kLa-values were used to calculate the respective mass transfer coefficients kL. These are characteristic for each degassing method. On the basis of the kLa-values a model for quantifying the counter-diffusion effects could be developed.