Charakterisierung thermisch induzierter Foulingvorgänge mithilfe mikrostrukturierter Apparate

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr.-Ing. Katharina Jasch; Dr.-Ing. Alexander Stroh
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 539483785

Die Bildung unerwünschter Ablagerungen während der Prozessierung empfindlicher Stoffsysteme, das sogenannte Fouling, ist nach wie vor ein wirtschaftlich bedeutsames und nicht vollständig verstandenes Problem vieler Industriezweige. Grundsätzlich sind Foulingprozesse durch ein Zusammenspiel und eine ständige Überlagerung von Ablagerungs- und Abtragungsvorgängen bestimmt. Während der Initialisierungsphase, durch deren Beeinflussung Fouling maßgeblich reduziert werden kann, dominieren Ablagerungsvorgänge, während Abtragungsvorgänge noch eine untergeordnete Rolle spielen. Eine Entkopplung dieser beiden Einzelmechanismen ist daher für eine gezielte Beobachtung des Ablagerungs- und Wachstumsgeschehens während des initialen Foulings notwendig. Hierfür erweisen sich mikrostrukturierte Apparate als besonders vorteilhaft, da sie eine präzise Prozessführung sowie eine gezielte Beeinflussung der Temperaturprofile erlauben. Unter Kenntnis der Temperaturprofile und der optischen Beobachtung des Ablagerungsbeginns kann das Foulinggeschehen mit lokal gemessenen und simulierten Größen verbunden werden. Ziel des Vorhabens ist daher die experimentelle und modellgestützte Aufklärung des initialen Ablagerungsortes sowie der initialen Foulingmechanismen Agglomeration/Transport/Anlagerung bei thermisch induziertem Fouling am Beispiel eines proteinhaltigen Modellstoffsystems unter Zuhilfenahme mikrostrukturierter Apparate. Das Vorhaben ist in insgesamt zwei Projektphasen unterteilt. Gegenstand der hier beantragten 1. Phase sind eine experimentelle und simulative Methodenentwicklung samt Modellvalidierung mit umfassenden Parameterstudien zur Aufklärung einzelner Mechanismen. Dabei werden sowohl die benötigten experimentellen, apparativen als auch simulativen Voraussetzungen für die ganzheitliche Modellierung geschaffen, welche die Basis der angestrebten 2. Projektphase bildet. Ziel der 2. Phase ist abschließend die Entwicklung und Verifizierung eines ganzheitlichen Modells zur Vorhersage lokaler Foulingphänomene unter Berücksichtigung unterschiedlicher Einflussfaktoren. Darüber hinaus werden sowohl Kinetik- als auch Skalierungseffekte mitberücksichtigt. Innerhalb der 1. Projektphase werden Einzel- und Mehrkanalmikrosysteme mit lokaler Temperaturmesstechnik sowie mit synthetisch erzeugten Foulingschichten entwickelt und umfassend thermofluiddynamisch charakterisiert. Auf Basis der experimentell erhobenen Daten wird eine numerische Strömungssimulation etabliert, mit der das temperaturgetriebene Wachstum einer Foulingschicht sowie die Partikelablagerung während des proteinbasierten Reaktionsfoulings nachgebildet werden kann. Der hier verwendete Einsatz mikrostrukturierter Apparate in Kombination mit CFD-Simulationen ermöglicht es, lokale Größen in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern während der initialen Belagbildung zu quantifizieren, daraus mechanistische Teilmodelle zu entwickeln und für eine weiterführende gesamtheitliche Foulingmodellierung bereitzustellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen