Energie- und Verfahrens - Technik/Bioverfahrenstechnik

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1 Energie- und Verfahrens - Technik/Bioverfahrenstechnik Studienführer 2014

2 1 Institut für Partikeltechnologie 4 Institut für Bioverfahrenstechnik Volkmaroder Str. 4/5 Gaußstraße 17 2 Institut für Energie- und Systemverfahrenstechnik 5 Institut für Thermodynamik Franz-Liszt Str. 35 Hans-Sommer Str. 5 3 Institut f. Chemische u. Thermische Verfahrenstechnik 6 Institut für Flugantiebe und Ströumungsmaschinen Langer Kamp 7 Hermann-Blemk-Straße 37 2 Lageplan der Institute der Fachrichtung Energie- und Verfahrenstechnik und Bioverfahrenstechnik

3 INHALTSVERZEICHNIS I Inhaltsverzeichnis: Inhalt Studium der Vertiefungsrichtung... 1 Bachelor Maschinenbau* (4-6 Sem.)... 1 Wirtschaftsingenieurwesen Maschinenbau*... 2 Master Maschinenbau*... 3 Wirtschaftingenieurwesen Maschinenbau*... 4 Studienpläne Bachelor/Master... 7 Institut für Bioverfahrenstechnik Lehrveranstaltungen Forschung Institut für Chemische und Thermische Verfahrenstechnik Lehrveranstaltungen für Diplomstudiengänge Module für Bachelorstudiengänge Module für Masterstudiengänge Arbeitsgebiete Institut für Partikeltechnik Inhalte der Vorlesungen Arbeitsgebiete Institut für Flugantriebe und Strömungsmaschinen Lehrveranstaltungen / Module (Bachelor) Lehrveranstaltungen / Module (Master) Arbeitsgebiete Institut für Thermodynamik Lehrveranstaltungen für Diplomstudiengänge Module für Bachelor- und Masterstudiengänge Arbeitsgebiete Institut für Energie- und Systemverfahrenstechnik Lehrveranstaltungen Arbeitsgebiete... 65

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5 STUDIUM DER ENERGIE- UND VERFAHRENSTECHNIK UND BIOVERFAHRENSTECHNIK 1 Studium der Vertiefungsrichtung Bachelor Maschinenbau* (4-6 Sem.) Allgemeine Pflichtmodule Einführung in computergestützte Methoden für Ingenieure Wärme und Stoffübertragung oder Maschinendynamik Grundlagen der Regelungstechnik Fertigungstechnik Arbeitswissenschaft Nichttechnische Wahlmodul (Auswahl aus Pool-Modell, sowie eine Liste von empfohlenen Fächern) Projektarbeit Bachelorarbeit Vertiefungsrichtungspflichtmodule Energie- und Verfahrenstechnik / Bioverfahrenstechnik Wahlpflichtmodul Numerik EVT/BVT Einführung in numerische Methoden für Ingenieure Wahlpflichtmodul Mechanik und Festigkeit EVT Grundlagen der Mechanischen Verfahrenstechnik (MB) Wahlpflichtmodul Konstruktionstechnik EVT Anlagenbau (MB) Kompetenzfeld Energie- und Verfahrenstechnik/Bioverfahrenstechnik (insgesamt 18 LP, davon mindestens 2 LP durch Labore) Auslegung und Anwendung mechanischer Verfahren Auslegung und Anwendung mechanischer Verfahren mit Labor Bioprozesstechnik Bioreaktoren und Bioprozesse Bioreaktoren und Bioprozesse mit Labor Chemische Reaktionstechnik Chemische Verfahrenstechnik Einführung in Stoffwandlungsprozesse Einführung in Stoffwandlungsprozesse (mit Labor) ET II für Maschinenbau Grundlagen der Brennstoffzellen Grundlagen der Energietechnik Grundlagen der Energietechnik mit Labor Grundlagen der Strömungsmaschinen Grundlagen der Strömungsmaschinen mit Labor Grundoperationen der Fluidverfahrenstechnik

6 2 STUDIUM DER ENERGIE- UND VERFAHRENSTECHNIK UND BIOVERFAHRENSTECHNIK Wirtschaftsingenieurwesen Maschinenbau* Allgemeine Pflichtmodule Informatik im Maschinenbau oder Einführung in das Programmieren (für Nicht-Informatiker) Quantitative Methoden in den Wirtschaftwissenschaften Bürgerliches Recht Modul Integrationsbereich (4 LP) (Liste von Fächern liegt in der Fakultät Maschinenbau aus) Grundlagen der Regelungstechnik Grundlagen des Konstruierens Arbeitswissenschaft Praktikum Bachelorarbeit Wirtschaftswissenschaftliche Vertiefung (20 LP) Wirtschaftsinformatik Bachelor-Vertiefung Ausrichtung Informationsmanagement Wirtschaftsinformatik Bachelor-Vertiefung Decision Support Wirtschaftswissenschaftliche Bachelor-Vertiefung Ausrichtung Finanzwirtschaft Wirtschaftswissenschaftliche Bachelor-Vertiefung (Ausrichtung Marketing) Wirtschaftswissenschaftliche Bachelor-Vertiefung (Ausrichtung Organisation und Personal) Wirtschaftswissenschaftliche Bachelor-Vertiefung (Ausrichtung Produktion und Logistik) Wirtschaftswissenschaftliche Bachelor-Vertiefung Ausrichtung Recht Wirtschaftswissenschaftliche Bachelor-Vertiefung Ausrichtung Unternehmensrechnung Wirtschaftswissenschaftliche Bachelor-Vertiefung Ausrichtung Volkswirtschaftslehre Wirtschaftswissenschaftliche Bachelor-Vertiefung Dienstleistungsmanagment Wahlpflichtbereich Maschinenbauvertiefung EVT/BVT (16 LP) Anlagenbau (MB) Auslegung und Anwendung mechanischer Verfahren Auslegung und Anwendung mechanischer Verfahren mit Labor Bioprozesstechnik Bioreaktoren und Bioprozesse Bioreaktoren und Bioprozesse mit Labor Chemische Reaktionstechnik Chemische Verfahrenstechnik Einführung in die Messtechnik Einführung in numerische Methoden für Ingenieure Einführung in Stoffwandlungsprozesse ET II für Maschinenbau Grundlagen der Brennstoffzellen Grundlagen der Energietechnik Grundlagen der Energietechnik mit Labor Grundlagen der Mechanischen Verfahrenstechnik (MB) Grundlagen der Strömungsmaschinen Grundlagen der Strömungsmaschinen mit Labor

7 STUDIUM DER ENERGIE- UND VERFAHRENSTECHNIK UND BIOVERFAHRENSTECHNIK 3 Grundlagen der Strömungsmechanik Grundoperationen der Fluidverfahrenstechnik Wärme- und Stoffübertragung Master Maschinenbau* Allgemeine Pflichtmodule Modellierung und Numerik von Differentialgleichungen Nichttechnische Module (12LP) (Liste von Fächern liegt in der Fakultät Maschinenbau aus) Studienarbeit Masterarbeit Vertiefungsrichtung Energie- und Verfahrenstechnik / Bioverfahrenstechnik (56 LP, davon 36 aus Pflicht- und Wahlpflichtbereich, mindestens 6 LP durch Labore sowie 20 LP aus Wahlbereich) Pflichtbereich Thermodynamik der Gemische Thermodynamik der Gemische mit Labor Wahlpflichtbereich Brennstoffe, Feuerungen und Brennstoffzellen Brennstoffe, Feuerungen und Brennstoffzellen mit Labor Computer Aided Process Engineering I (Introduction) Computer Aided Process Engineering II (Design Verfahrenstechnischer Anlagen) Einführung in die Mehrphasenströmung Einführung in die Nanotechnologie Elektrochemische Verfahrenstechnik und Brennstoffzellen Experimentelles Design verfahrenstechnischer Prozesse Fahrzeugklimatisierung Formulierungstechnik Formulierungstechnik mit Labor Grundlagen der Umweltschutztechnik Hybride Trennverfahren Hybride Trennverfahren (mit Labor) Hydraulische Strömungsmaschinen Industrielle Bioverfahrenstechnik Kultivierungs- und Aufarbeitungsprozesse Maschinen der mechanischen Verfahrenstechnik Mechanische und thermische Behandlung von Abfällen Metabolic Engineering und synthetische Biotechnologie Mikroskopie und Partikelmessung im Mikro- und Nanometerbereich Mikroverfahrenstechnik Mobile Brennstoffzellenanwendung Modellierung thermischer Systeme in Modelica Molekulare Simulationen

8 4 STUDIUM DER ENERGIE- UND VERFAHRENSTECHNIK UND BIOVERFAHRENSTECHNIK Nukleare Energietechnik 1 Nukleare Energietechnik 2 Nummerische Brennverfahren Numerische Methoden der Partikeltechnik Numerische Simulation (CFD) Partikelsynthese Objektorientierte Simulationsmethoden in der Thermo- und Fluiddynamik Partikelsynthese Prozesstechnik der Nanomaterialien Prozesstechnik der Nanomaterialien mit Labor Regelung in der elektrischen Antriebstechnik Regelung der elektrischen Energieversorgung Regenerative Energietechnik Thermische Strömungsmaschinen Thermodynamics and Statistics Thermodynamik der Gemische Thermodynamik der Gemische mit Labor Thermodynamik in chemischen Prozesssimulationen Umweltprozesstechnik Wärmetechnik der Heizung und Klimatisierung Wechselströme und Netzwerke Wahlbereich 20 LP aus dem gesamten Modul-Pool Grundlagen und Anwendungen der Fakultät für Maschinenbau Wichtig: von den 56 LP aus den Pflicht-, Wahlpflicht und Wahlbereich müssen mindestens 18 LP aus dem Modul-Pool Grundlagen und mindestens 22 LP aus dem Modul-Pool Anwendungen belegen werden. Wirtschaftingenieurwesen Maschinenbau* Pflichtmodule Projektarbeit Abschlussarbeit Vertiefungsrichtung des Maschinenbaus (Energie- und Verfahrenstechnik / Bioverfahrenstechnik) (25 LP aus Wahlpflichtbereich, 10 LP aus Wahlbereich) Wahlpflichtbereich Brennstoffe, Feuerungen und Brennstoffzellen Brennstoffe, Feuerungen und Brennstoffzelle mit Labor Computer Aided Process Engineering I (Introduction) Computer Aided Process Engineering II (Design Verfahrenstechnischer Anlagen) Einführung in die Mehrphasenströmung Einführung in die Nanotechnologie Elektrische Energieanlagen I / Netzberechnung

9 STUDIUM DER ENERGIE- UND VERFAHRENSTECHNIK UND BIOVERFAHRENSTECHNIK 5 Elektrochemische Verfahrenstechnik und Brennstoffzellen Experimentelles Design verfahrenstechnischer Prozesse Fahrzeugklimatisierung Formulierungstechnik Formulierungstechnik mit Labor Grundlagen der elektrischen Energietechnik Grundlagen der Umweltschutztechnik Hochspannungstechnik I / Übertragungssysteme Hybride Trennverfahren Hybride Trennverfahren (mit Labor) Hydraulische Strömungsmaschinen Industrielle Bioverfahrenstechnik Kultivierungs- und Aufarbeitungsprozesse Maschinen der mechanischen Verfahrenstechnik Mechanische und thermische Behandlung von Abfällen Metabolic Engineering und Synthetische Biotechnologie Mikroskopie und Partikelmessung im Mikro- und Nanometerbereich Mikroverfahrenstechnik Mobile Brennstoffzellenanwendung Modellierung thermischer Systeme in MODELICA Molekulare Simulation Nukleare Energietechnik 1 Nukleare Energietechnik 2 Numerische Berechnungsverfahren Numerische Methoden der Partikeltechnik Numerische Simulation (CFD) Objektorientierte Simulationsmethoden in der Thermo- und Fluiddynamik Partikelsynthese Prozesstechnik der Nanomaterialien Prozesstechnik der Nanomaterialien mit Labor Regelung in der elektrischen Antriebstechnik Regelung in der elektrischen Energieversorgung Regenerative Energietechnik Thermische Energieanlagen Thermische Strömungsmaschinen Thermodynamics and Statistics Thermodynamik der Gemische Thermodynamik der Gemische mit Labor Thermodynamik in chemischen Prozesssimulationen Umweltprozesstechnik Wärmetechnik der Heizung und Klimatisierung Wechselströme und Netzwerke Wirtschaftswissenschaften Vertiefungsrichtung (20 LP) Wirtschaftswissenschaftliche Master-Vertiefung Ausrichtung Volkswirtschaftslehre Wirtschaftswissenschaftliche Master-Vertiefung Ausrichtung Finanzwirtschaft Wirtschaftswissenschaftliche Master-Vertiefung Ausrichtung Controlling Wirtschaftswissenschaftliche Master-Vertiefung Ausrichtung Informationsmanagement Wirtschaftswissenschaftliche Master-Vertiefung Ausrichtung Decision Support

10 6 STUDIUM DER ENERGIE- UND VERFAHRENSTECHNIK UND BIOVERFAHRENSTECHNIK Wirtschaftswissenschaftliche Master-Vertiefung Ausrichtung Produktion und Logistik Wirtschaftswissenschaftliche Master-Vertiefung Ausrichtung Marketing Wirtschaftswissenschaftliche Master-Vertiefung Ausrichtung Organisation und Führung Wirtschaftswissenschaftliche Master-Vertiefung Ausrichtung Recht Wirtschaftswissenschaftliche Master-Vertiefung Ausrichtung Dienstleistungsmanangment Modul Wissenschaftliches Arbeiten (8 LP) Beinhaltet zwei Seminare aus den beiden gewählten wirtschaftswissenschaftlichen Vertiefungen und die Anfertigung von zwei Seminararbeiten über ein ausgewähltes Thema Integrationsbereich (12 LP) Es sind Lehrveranstaltungen aus einem in der Fakultät für Maschinenbau vorliegenden ausgewählten Katalog zu belegen. Modul Wirtschaftwissenschaftliche Ergänzung (5 LP) Ergänzende wirtschaftswissenschaftliche Lehrveranstaltungen aus den nicht innerhalb des Wahlpflichtbereichs der Wirtschaftswissenschaften gewählten Master-Vertiefungen *die aktuell gültige Angabe über die Verteilung der notwenigen zu erreichenden Punkte in den einzelnen Bereichen entnehmen Sie bitte Anlage 7 der jeweils gültigen Prüfungsordnung.

11 STUDIUM DER ENERGIE- UND VERFAHRENSTECHNIK UND BIOVERFAHRENSTECHNIK 7 Studienpläne Bachelor/Master Musterstudienplan für EVT/BVT im Bachelor Maschinenbau Semester 1 Semester 2 Semester 3 Modul LP Modul LP Modul LP Ingenieurmathematik I - Analysis 1 Ingenieurmathematik II - Lineare Algebra Naturwissenschaftliche Grundlagen für den Maschinenbau Ingenieurmathematik III - Analysis 2 Ingenieurmathematik IV - Differentialgleichungen Naturwissenschaftliche Grundlagen für den Maschinenbau Werkstoffkunde 4 Werkstofftechnologie 1 4 Elektrotechnik 4 Technische Mechanik 1 - Statik und Festigkeitslehre 8 Technische Mechanik 2 - Dynamik und Schwingungen Grundlagen des Konstruierens 4 4 Ingenieurmathematik V - Vektoranalysis Grundlagen der Strömungsmechanik 2 Thermodynamik Einführung in die Messtechnik Grundlagen komplexer Maschinenelemente und Antriebe Semester 4 Semester 5 Semester 6 Modul LP Modul LP Modul LP Einführung in die computergestützten Methoden für Ingenieure Wärme- und Stoffübertragung Regelungstechnik - Grundlagen Grundlagen der mechanischen Verfahrenstechnik Fertigungstechnik 5 6 Einführung in numerische Methoden für Ingenieure 5 Anlagenbau 4 6 Wahlpflichtmodul 5 Wahlpflichtmodul (mit Labor) 5 Arbeitswissenschaft 4 Bachelorarbeit 14 5 Projektarbeit 6 Wahlpflichtmodul 5 2 Überfachliche Profilbildung 4 Wahlpflichtmodul 5 Betriebspraktikum 4 Betriebspraktikum 6

12 8 STUDIUM DER ENERGIE- UND VERFAHRENSTECHNIK UND BIOVERFAHRENSTECHNIK Musterstudienplan für EVT/BVT im Bachelor Wirtschaftsingenieurwesen Maschinenbau Semester 1 Semester 2 Semester 3 Modul LP Modul LP Modul LP Ingenieurmathematik I - Analysis 1 Ingenieurmathematik II - Lineare Algebra Technische Mechanik 1 - Statik und Festigkeitslehre Ingenieurmathematik III - Analysis 2 Ingenieurmathematik IV - Differentialgleichungen Technische Mechanik 2 - Dynamik und Schwingungen Werkstofftechnologie 1 4 Werkstofftechnologie Quantitative Methoden in den Wirtschaftswissenschaften 4 Thermodynamik 6 8 Bürgerliches Recht 4 Betriebliches Rechnungswesen 4 5 Elektrotechnik 4 Grundlagen der Betriebswirtschaftslehre 5 Einführung in die Wirtschaftsinformatik 4 Grundlagen der Betriebswirtschaftslehre 5 Grundlagen der Volkswirtschaftslehre 4 Arbeitswissenschaften 4 Grundlagen der Volkswirtschaftslehre 4 Wirtschaftswissenschaftliche Vertiefung 6 Semester 4 Semester 5 Semester 6 Modul LP Modul LP Modul LP Informatik im Maschinenbau oder Einführung in das Programmieren (für Nicht- Informatiker) Quantitative Methoden in den Wirtschaftswissenschaften Wirtschaftswissenschaftliche Vertiefung Integrationsbereich 4 Wirtschaftswissenschaftliche Vertiefung 3 Regelungstechnik für Wirtschaftsingenieure Wahlpflichtmodul Maschinenbau 6 5 Wahlpflichtmodul Maschinenbau 5 Bachelorarbeit 14 5 Bürgerliches Recht 4 Wahlpflichtmodul Maschinenbau 5 Grundlagen des Konstruierens 10 Wahlpflichtmodul Maschinenbau 5 Praktikum 4 Praktikum 6

13 STUDIUM DER ENERGIE- UND VERFAHRENSTECHNIK UND BIOVERFAHRENSTECHNIK 9 Musterstudienplan für EVT/BVT im Master Maschinenbau Bereich Semester 1 (WS) Semester 2 (SS) Semester 3 (WS) Semester 4 (SS) LP Thermodynamik der Modellierung und Numerik Gemische 5 LP von Differentialgleichungen 5 LP Grundlagen mind. 22 mindestens 12 LP aus Grundlagen-Pool 31 LP Wahlpflichtmodule 20 LP frei wählbar aus aus eingeschränktem Katalog beiden Pools Anwendungen mindestens 22 LP aus Anwendungen-Pool mind. 22 nichttechnische Module nichttechnische Module 12 LP 12 Masterarbeit / Studienarbeit Studienarbeit Masterarbeit 17 LP 30 LP 47 Summe LP abhängig vom Studienplan abhängig vom Studienplan abhängig vom Studienplan

14 10 STUDIUM DER ENERGIE- UND VERFAHRENSTECHNIK UND BIOVERFAHRENSTECHNIK Musterstudienplan für EVT/BVT im Master Wirtschaftsingenieurwesen Maschinenbau Bereich Semester 1 Semester 2 Semester 3 Semester 4 Maschinenbau Wahlpflichtmodule Maschinenbau Maschinenbau Maschinenbau Vertiefung Vertiefung Vertiefung 5 LP 5 LP 5 LP Maschinenbau Maschinenbau Vertiefung Vertiefung 5 LP 5 LP 25 Maschinenbau Wahlmodule Maschinenbau Maschinenbau Freie Wahl Frei Wahl 5 LP 5 LP 10 Wirtschaftswissenschaften Wirtschaftswissenschaftl. Master-Vertiefung LP Wirtschaftswissenschaftl. Wirtschaftswissenschaftl. Master-Vertiefung 2 Ergänzung LP LP 25 Wiwi Professionalisierung Wissenschaftliches Arbeiten - Seminar LP 8 Integrationsbereich Integrationsbereich (12 LP) 4 LP 6 LP 2 LP 12 Projektarb. Masterarb. Projektarbeit Masterarbeit 10 LP 30 LP 40 Summe LP

15 INSTITUT FÜR BIOVERFAHRENSTECHNIK 11 Institut für Bioverfahrenstechnik Technische Universität Braunschweig Gaußstraße 17 Prof. Dr. habil. Rainer Krull (komm. Leitung) Braunschweig Tel. (0531) Fax (0531) Web Akademischer Direktor (kommissarischer Institutsleiter) Prof. Dr. habil. Rainer Krull Sekretariat: Fr. Christl Kahmann Wissenschaftliche Mitarbeiter: Dr.-Ing. Philipp Adler Anna Lange Annekathrin Bartsch Sandra Kerstan Dr. Judith Becker Arne Klingner Veronique Beckers Michael Kohlstedt Antje Berger Judith Mönch-Tegeder Jana Blotenberg Dr. Bernd Nörtemann René Bücker Gena Peterat Lisa Dersch Georg Richter Dr.-Ing. Katrin Dohnt André Rodrigues Alexander Fröhlich Rudolf Schäfer Johannes Gädke Sarah Schiefelbein Thibault Godard René Stellmacher Jan Hellriegel Dr. Joost van Duuren Christoph Hönnscheidt Dr. Robert Walisko Antonia Lakowitz Technische Mitarbeiter: BTA Yvonnne Göcke Dipl.-Ing. Rochus Jonas BTA Sandra Hübner BTA Elena Kempf PTA Cord Hullmann CTA Detlev Rasch Studienberatung: Bioverfahrenstechnik, Bioingenieurwesen, Dr.-Ing. Katrin Dohnt, Tel.: Auslandsstudium ISAP (Kanada): Prof. Dr. habil. Rainer Krull, Tel.:

16 12 INSTITUT FÜR BIOVERFAHRENSTECHNIK Lehrveranstaltungen Module für Bachelorstudiengänge Angewandte Mikrobiologie WS 2 VL Nörtemann, Krull Bioprozesskinetik SS 2 VL/2 Ü Krull Bioprozesstechnik SS 2 VL Dohnt Bioreaktoren und Bioprozesse (vormals: Chemie- und Bioreaktoren 1) WS 2 VL/2 Ü Krull, wiss. Mitarbeiter Bioreaktoren und Bioprozesse mit Labor WS 2 VL/2 Ü Krull, wiss. Mitarbeiter Chemische Reaktionstechnik SS 2VL/1 Ü Krull Kultivierungs- und Aufarbeitungsprozesse WS 2 VL Krull, Rau Mikrobiologie für Ingenieure WS 2 VL Nörtemann, Krull Module für Masterstudiengänge Industrielle Bioverfahrenstechnik (vormals: Chemie- und Bioreaktoren 2) SS 2 VL/2 Ü Dohnt, wiss. Mitarbeiter Design und Optimierung SS 2 VL/1 Ü Adler, Walisko bioverfahrenstechnischer Prozesse Nachhaltige Bioproduktion SS 1 VL van Duuren, Dohnt Reaktionskinetik biologischer Systeme SS 2 VL Krull Vom Gen zum Produkt WS/SS Block Dohnt Fachlabore Labor Angewandte Mikrobiologie I und II WS Nörtemann, wiss. Mitarbeiter Labor Bioprozesskinetik WS/SS Krull, wiss. Mitarbeiter Labor Bioprozesstechnik SS Dohnt, wiss. Mitarbeiter Labor Bioreaktoren und Bioprozesse /vorher: WS Dohnt, wiss. Mitarbeiter Chemie- und Bioreaktoren für Bioingenieure und Biotechnologen Labor Bioverfahrenstechnik für SS Dohnt, wiss. Mitarbeiter Bioingenieure Labor Chemische Reaktionstechnik WS/SS Krull, wiss. Mitarbeiter Labor Mikrobiologie für Ingenieure SS Jahn, Moser, Krull, wiss. Mitarbeiter Verfahrenstechnisches Labor für WS/SS Dohnt, Krull, wiss. Mitarbeiter Bioingenieure Verfahrenstechnisches Labor für WS/SS Dohnt, Krull, wiss. Mitarbeiter Bioverfahrenstechniker Verfahrenstechnisches Labor für Verfahrenstechniker Dohnt, Krull, wiss. Mitarbeiter Studentische Arbeiten Theoretische, experimentelle, konstruktive und planerische Studien- und Bachelorarbeiten Theoretische, experimentelle, konstruktive und planerische Diplom- und Masterarbeiten WS/SS WS/SS Krull, Adler, Dohnt, van Duuren, Walisko Krull, Adler, Dohnt, van Duuren, Walisko

17 INSTITUT FÜR BIOVERFAHRENSTECHNIK 13 Lehre Das Institut für Bioverfahrenstechnik (ibvt) ist in der Fakultät Maschinenbau durch Vorlesungen, Übungen, Praktika, Bachelor-, Master-, Studien- und Diplomarbeitsbetreuungen eng in die Lehre in den Studiengängen Bioingenieurwesen, Maschinenbau und Wirtschaftsingenieurwesen Maschinenbau eingebunden. Darüber hinaus werden Vorlesungen, Übungen, Praktika sowie Bachelor-, Master-, Studienarbeits- bzw. Diplomarbeitsbetreuungen für fakultätsfremde Studenten in den Studiengängen Biotechnologie, Biologie und Chemie angeboten. Das Spektrum der Vorlesungsinhalte umfasst sowohl verfahrenstechnisch-ingenieurwissenschaftliche als auch naturwissenschaftliche Themen. Dabei werden die naturwissenschaftlichen Themen im Sinne des interdisziplinären Charakters des Lehrangebotes am ibvt behandelt. So werden beispielsweise mechanische und thermische Grundverfahren der Stoffumwandlung und behandlung am ibvt durch bioverfahrenstechnische, chemische, mikrobiologische und biochemische Methoden ergänzt. Durch finanzielle Unterstützung des DAAD im Rahmen eines ISAP-Programms koordiniert das ibvt im Auftrag der Fakultät Maschinenbau bei vollständiger Anerkennung der Studienleistungen das Studentenaustauschprogramm mit der University of Waterloo, Ontario, Kanada. Lehrangebot am ibvt Angewandte Mikrobiologie Technische Nutzung von Mikroorganismen Ausgewählte Primärmetabolite (Zitronensäure aus Aspergillus bzw. Hefen, organische Säuren aus Pilzen, Vitamine aus Bakterien) Bioprodukte (Enzyminhibitoren, Proteine mit Wirkstoffcharakter, Siderophore, Oligo- und Polysaccharide, biologische Biozide) Mikrobiologie der Abwasserreinigung und der Bodensanierung, Biodegradationen Abbau von fremdstoffartigen Verbindungen wie z.b. aromatischen Kohlenwasserstoffen und synthetischen Komplexbildnern Bioprozesskinetik Kinetik enzymatischer Reaktionen: katalytische Wirkung, Substratlimitierung, Transformationen, Einfluss der Temperatur und des ph-wertes, Effektoren, Mehrfach-Substratlimitierung Kinetik des mikrobiellen Wachstums: absatzweise (batch) und kontinuierliche Kultivierung, Zellerhaltung, Zellimmobilisierung, Zellrückhaltung und -rückführung Mischpopulationen: Interaktionen, kinetische Ansätze, Morphologie Produktbildung: Kultivierungsprozesse und -produkte, Definitionen, Kultivierungstypen, kinetische Modelle, Hemmung des Wachstums durch Produkte Bioprozesstechnik Definition, wirtschaftliche Bedeutung, Literatur Mikroorganismen mit technischer Bedeutung Kultivierungsbedingungen, Stammhaltung: Vorkommen, Screening, Isolierung Sterilisation: Hitzesterilisation, Sterilfiltration, Sterilisation mit chemischen Substanzen und Bestrahlung Wachstumsbedingungen, Wachstumskinetik, Aufbau technischer Kultivierungen Bioprozessmodellierung, Bilanzierung

18 14 INSTITUT FÜR BIOVERFAHRENSTECHNIK Bioreaktoren: Oberflächen- und Submersverfahren, Reaktortypen Mess- und Regelungstechnik, Schaumzerstörung Bioreaktoren und Bioprozesse (vormals: Chemie- und Bioreaktoren 1) Einführung und Definitionen Biokatalysator und Bioreaktor Grundlegende Aufgaben von Bioreaktoren Kennzahlen / Ähnlichkeitstheorie Transportprozesse in Bioreaktoren Rheologie Mehrphasensysteme in Bioreaktoren Bilanzierung von Bioprozessen Rührkessel als wichtigster Reaktortyp Instrumentierung und Peripherie Industrielle Bioverfahrenstechnik (vormals: Chemie- und Bioreaktoren 2) Grundlagen und Anforderungen des GMP Konzepts (Good Manufacturing Practice) Maßstabvergrößerung (Scale-Up), Maßstabverkleinerung (Scale-Down) Industrielle Produktionsverfahren zur Herstellung von pharmazeutischen Wirkstoffen, Chemikalien und Biofuels Verfahrensspezifische Auslegung und Betriebsweisen für einzelne Produkte Verfahren der Produktaufreinigung (Downstream Processing), Scale-Up Spezielle Anforderungen in der Pharmazeutischen Entwicklung Integrierte Prozesskonzepte (Bioraffinierie, In-situ-Produktentfernung) Chemische Reaktionstechnik Einführung Thermodynamik chemischer Reaktionen Kinetik chemischer Reaktionen - Mikrokinetik: Homogene Gas- und Flüssigkeitsreaktionen Makrokinetik, heterogene Katalyse, Chemische Reaktion und Transportvorgänge (Katalysatornutzungsgrad, Thiele-Modulus, Hatta-Zahl) Design und Optimierung bioverfahrenstechnischer Prozesse Mathematische Darstellung biokatalytischer Prozesse Das Konzept der Zielfunktion Numerische Integrations- und Optimierungsmethoden Parameteridentifikation Optimierung von Prozessvariablen Optimierungsaufgaben mit mehreren Zielfunktionen Kultivierungs- und Aufarbeitungsprozesse Überblick biotechnologischer Verfahren Bioreaktoren Transportprozesse in Bioreaktoren Mikrobioreaktoren Kultivierung filamentöser und schersensitiver Mikroorganismen Pflanzenzellen, Säugerzellen, Hochzelldichte-Kultivierung Aufarbeitung: Allgemeine Prinzipien, Primärabtrennung, Feinreinigung von nieder-

19 INSTITUT FÜR BIOVERFAHRENSTECHNIK 15 und hochmolekularen Bioprodukten Integration von Kultivierung und Primärseparation Mikrobiologie für Ingenieure Allgemeine Eigenschaften von Mikroorganismen, Stoffkreisläufe Struktur und Bestandteile der Zellen Wachstum von Mikroorganismen, Mikrobielle Ökologie, Proteinsynthese Transportmechanismen, Grundmechanismen des Stoffwechsels Nährstoffansprüche Genetische Grundlagen Abbau von Natur- und Fremdstoffen Nachhaltige Bioproduktion Prinzipien der biotechnologischen Wertstoffproduktion Konzepte zur Nutzung nachwachsender Rohstoffe Bewertung von Nachhaltigkeit und Bioverträglichkeit mittels Ökoeffizienz-Analyse Beispiele aus der industriellen Anwendung Reaktionskinetik biologischer Systeme Kinetik enzymatischer Reaktionen Kinetik des mikrobiellen Wachstums (batch, fed batch und kontinuierlich) Endogener Stoffwechsel Wachstum myzelbildender Mikroorganismen Mischpopulationen Produktbildungskinetik mit Einzelbeispielen Vom Gen zum Produkt (Einzeltermine) Behandlung aktueller Forschungsschwerpunkte aus den Bereichen systemorientierter, ganzheitlicher Ansätze und Konzepte zur Stamm- und Prozessoptimierung, die natur- und ingenieurwissenschaftliche, insbesondere gen- und verfahrenstechnische Methoden verknüpfen. Fachlabor Angewandte Mikrobiologie 1. Bioreaktor-Kultivierungen mit Aspergillus niger 2. Untersuchung der Glucoamylase und Sucrase-Produktion 3. Analyse der Enzymaktivitäten und des Gesamt-Protein-Gehalts 4. Mikroskopische Charakterisierung der morphologischen Eigenschaften Fachlabor Angewandte Mikrobiologie II 1. Bioreaktorkultivierung mit Aspergillus niger zur Sucrase-Produktion 2. Analyse des Wachstumsverlaufs und Aktivitätsbestimmung der Sucrase 3. Gesamt-Protein- und Biotrockenmassebestimmung Fachlabor Bioprozesstechnik 1. Bestimmung der spezifischen Wachstumsrate eines Bakteriums unter dem Einfluss von 4- Hydroxy-benzoesäure bzw. Glucose, der Temperatur und des ph-wertes 2. Bestimmung des Zellertrags- und des Energieertragskoeffizienten/ 3. Einstellung von ph-wertbereichen mit Hilfe von verschiedener Pufferlösungen 4. Vorausberechnung von ph-wertänderungen und experimentelle Überprüfung 5. Kultivierung im Schüttelkolben und Bioreaktor

20 16 INSTITUT FÜR BIOVERFAHRENSTECHNIK Fachlabor Bioprozesskinetik In diesem Fachlabor sollen Kenntnisse über biochemische Reaktionsmechanismen anhand ausgewählter Laborversuche vertieft werden. Die Studierenden werden dazu befähigt, Enzymkatalysierte Umsetzungsprozesse zu planen, Enzyme richtig einzusetzen und die Prozessabläufe mathematisch zu beschreiben. Verfahrenstechnisches Labor für Bioingenieure Dieses Labor wird gemeinsam mit dem Institut für Partikeltechnik (Prof. Kwade) und dem Institut für Chemische und Thermische Verfahrenstechnik (Prof. Scholl) durchgeführt. Am Institut für Bioverfahrenstechnik kann aus folgenden Versuchen ausgewählt werden: 1. Stoffübergang und Durchmischung in Airlift-Schlaufenreaktoren 2. Verweilzeitverhalten chemischer Reaktoren 3. Fluiddynamik in Rührkesseln 4. Enzymatische Herstellung von Fructosesirup aus Stärke 5. Ethanolproduktion mit immobilisierter Hefe Fachlabor Bioreaktoren und Bioprozesse (vormals: Chemie- und Bioreaktoren 1) In diesem Fachlabor sollen Kenntnisse über Transportprozesse in Bioreaktoren auf der Grundlage von physikalischen, chemischen und biologischen Prozessen vertieft werden. Dafür werden verschiedene Reaktorsysteme eingesetzt, anhand derer die Studierenden verschiedenste Prozessparameter untersuchen und vergleichen können. Folgende Versuche werden durchgeführt: 1. Stoffübergang und Durchmischung in Airlift-Schlaufenreaktoren 2. Verweilzeitverhalten chemischer Reaktoren 3. Fluiddynamik in Rührkesseln 4. Enzymatische Herstellung von Fructosesirup aus Stärke 5. Bioreaktorkultivierung mit Escherichia coli Verfahrenstechnisches Labor für Bioverfahrenstechniker und Verfahrenstechniker Dieses Labor wird ebenfalls gemeinsam mit dem Institut für Partikeltechnik (Prof. Kwade) und dem Institut für Chemische und Thermische Verfahrenstechnik (Prof. Scholl) durchgeführt. Am Institut für Bioverfahrenstechnik kann aus folgenden Versuchen ausgewählt werden: 1. Stoffübergang und Durchmischung in Airlift-Schlaufenreaktoren 2. Verweilzeitverhalten chemischer Reaktoren 3. Fluiddynamik in Rührkesseln 4. Enzymatische Herstellung von Fructosesirup aus Stärke 5. Ethanolproduktion mit immobilisierter Hefe Die angebotenen Versuche werden in einer Vorbesprechung vorgestellt. Zu den Versuchen wird ein Umdruck herausgegeben. Die Durchführung der Versuche ist mit einem Kolloquium und der Anfertigung eines Protokolls verbunden.

21 INSTITUT FÜR BIOVERFAHRENSTECHNIK 17 Forschung Die zentralen Forschungsaktivitäten des als Brückeninstitut zwischen Ingenieur- und Naturwissenschaften fungierenden ibvt umfassen die Erarbeitung systembiotechnologischer Methoden und Konzepte unter Nutzung molekularbiologischer, biochemischer und bioprozesstechnischer Aspekte für die Entwicklung, die Optimierung und den Einsatz maßgeschneiderter Biokatalysatoren und nachhaltiger Bioprozesse. Die Forschungsarbeiten werden durch öffentliche Drittmittelgeber (u.a. DFG, BMBF, DBU, AiF, DAAD) aber auch im Rahmen industrieller Forschungskooperationen (u.a. Bayer Pharma, BASF, Henkel, Evonik, Phyton Biotech, Paik Kwang Industries) unterstützt. A. Systembiotechnologie In den letzten Jahren wurde die Biotechnologie zu einem wichtigen Motor in der industriellen Entwicklung neuer Produkte und Verfahren. Um das Potenzial dieses Industriezweiges weiter auszuschöpfen, nutzt die Systembiotechnologie genomorientierte Ansätze zum gezielten Design von Produktionsstämmen. Diese Polyomics-Technologien, ausgehend vom Genom über das Transkriptom, das Proteom bis hin zum Fluxom helfen dabei, den gesamten Mikroorganismus mit allen regulatorischen Prozessen abzubilden. Die Anwendung mathematischer Konzepte zur Beschreibung der biologischen Prozesse machen dieses Zweig der Forschung zu einem Schnittpunkt verschiedener Disziplinen wie der Biologie, der Biotechnologie, der Mathematik und der Informatik. Der iterative Wechsel von Laborexperimenten und der Modellierung am Computer ermöglichen es, den Produktionsstamm unter verschiedenen Bedingungen zu charakterisieren und Ansatzpunkte zur Optimierung zu identifizieren (Metabolic Engineering). So können Engpässe in den Stoffflüssen, sogenannte Bottlenecks, durch gezielte genetische Veränderungen (Genetic Engineering) aufgehoben und die Produktausbeute deutlich gesteigert werden.

22 18 INSTITUT FÜR BIOVERFAHRENSTECHNIK Unter diesen Aspekten wurden am ibvt Arbeiten zur Charakterisierung mariner Mikroorganismen durchgeführt. Die Ozeane stellen durch ihre Biodiversität eine große Ressource für mögliche Antibiotikaproduzenten dar. Dies ist ein besonders wichtiger Aspekt unter dem Gesichtspunkt der stetig steigenden Resistenzen gegen Antibiotika. Mikroorganismen der Roseobacter-Gruppe sind die am häufigsten vorkommenden Bakterien in den Weltmeeren. Aufgrund ihrer weiten Verbreitung und ihrer physiologischen Vielseitigkeit wird ihnen in Bezug auf die Stoffkreisläufe der Meere eine wichtige Rolle zugeschrieben. Dinoroseobacter shibae und Phaeobacter gallaciensis sind dabei zwei der prominentesten Vertreter dieser Gruppe und dienen als Modellorganismen bezüglich systembiologischer Untersuchungen im Hinblick auf symbiotisches Wachstum mit Algen und Biofilmbildung. Mit Hilfe von Markierungsexperimenten mit 13 C- und 15 N-enthaltenden Substraten werden die Kohlenstoff- und die Stickstoffmetabolisierung untersucht sowie die zentralen Stoffwechselwege näher charakterisiert. B. Bioprozesstechnik Die Bioprozesstechnik beschäftigt sich mit der verfahrenstechnischen Realisierung biotechnologischer Produktionsprozesse. Die Umsetzung dieser Prozesse erfolgt dabei sowohl im Labor- als auch im Pilotmaßstab und beinhaltet neben der Planung und Ausführung auch die Untersuchung unterschiedlicher Prozessführungsstrategien sowie die Entwicklung von Aufarbeitungsmethoden (Downstream Processing). Bereits bestehende Prozesse gilt es stetig zu optimieren, dabei wird der gesamte Prozess vom Upstream Processing über die Kultivierung bis hin zum Downstream Processing betrachtet. Das Upstream Processing umfasst alle vorbereitenden Maßnahmen zur Prozessdurchführung, dazu zählen u.a. die optimale Vorbereitung des Substrates sowie das Screening nach einem geeigneten Produktionsstamm. Für das Screening sind besondere Werkzeuge notwendig, um möglichst schnell eine große Anzahl an potentiellen Produktionskandidaten untersuchen zu können. Am ibvt werden zu diesem Zweck parallelisierte und kontinuierlich arbeitende Bioreaktoren im Mikromaßstab (Reaktionsvolumen von bis zu 100 µl) eingesetzt. Diese sogenannten Mikrobioreaktoren erlauben ein schnelles und kostengünstiges Screening im sogenannten High-Throughput-Verfahren. Eine online-messtechnik zur Bestimmung der Biomasse- und Substratkonzentrationen, wie beispielsweise Glukose und Ethanol, wurden für das Mikrosystem realisiert. Derzeitig werden in einer kontinuierlich betriebenen Mikroblasensäule mit dem Modellorganismus Saccharomyces cerevisiae reaktionskinetische Parameter aufgenommen und ein Vergleich mit den erhaltenen Daten im Makromaßstab durchgeführt. C. Industrielle Biotechnologie In der industriellen Biotechnologie, auch als weiße Biotechnologie bezeichnet, werden biologische und biochemische Prozesse zur technischen Anwendung gebracht. Die Ursprünge der industriellen Biotechnologie liegen weit zurück. Hierzu zählen die Herstellung von Bier und Wein (Ethanolgärung) sowie die Essigsäureherstellung mit Acetobacter-Stämmen. Unter heutigem Verständnis werden in der weißen Biotechnologie unter Verwendung von Enzymen, Zellen oder Mikroorganismen industrielle Produkte wie beispielsweise Nahrungsergänzungsmittel (Aminosäuren, Vitamine) oder Enzyme für die Lebensmittel- und Wachmittelindustrie sowie Arzneimittel hergestellt. Als Ausgangsstoff für die Synthesen dienen nachwachsende Rohstoffe. Damit gilt die biotechnologische Produktion von Fein- und

23 INSTITUT FÜR BIOVERFAHRENSTECHNIK 19 Grundchemikalien als echte Alternative zur Petrochemie. Um bestehende Prozesse effizienter zu gestalten und weitere Anwendungsgebiete zu erschließen, gilt es die Produktionsstämme genauestens zu analysieren. Durch Ansätze der Systembiologie ist es möglich, beispielsweise höhere Erträge zu erzielen, die Stressresistenz der Stämme zu verbessern oder die Nachhaltigkeit der Prozesse zu optimieren. Am ibvt kommen in diesem Bereich zur umfassenden Metabolomcharakterisierung (Metabolomik) neue Techniken, wie die sogenannte gekoppelte Liquid-Chromatographie- Massenspektometrie/ Massen-spektometrie (LC-MS/MS) zum Einsatz. Auf diese Weise werden die Mikroorganismen auf Engpässe oder stoffwechselregulatorische Effekte im zentralen Kohlenstoff-Metabolismus untersucht. Mit dem erhaltenen metabolischen Fingerabdruck können Mikroorganismen charakterisiert und gezielt genetische Veränderungen in das Genom eingebracht werden, um so die Produktion des Zielproduktes insgesamt zu verbessern. D. Pharmabioverfahrenstechnik Mit einer steigenden Lebenserwartung in Deutschland steigt auch das Risiko einer Erkrankung. So ist in den letzten Jahren die Zahl der Krebserkrankungen stetig angestiegen. Um diesem Trend entgegenzuwirken, steht die Bereitstellung von hochwirksamen und kostengünstigen Arzneimitteln im Zentrum des Interesses. Dabei verursachen insbesondere Biopharmazeutika hohe Kosten im Gesundheitssystem, da sie aufgrund ihrer Molekülgröße und Empfindlichkeit schwer zu verarbeiten sind. Zukunftsweisende Konzepte beschäftigen sich weiterhin mit der Produktion maßgeschneiderte Arzneimittel zur Krebstherapie, die sich gegen Zielstrukturen im Tumorgewebe von einzelnen Patienten richten und die naturgemäß nur in geringen Mengen bereitgestellt werden müssen. Auch individuell maßgeschneiderte Biopharmazeutika, deren Herstellung mit etablierten biotechnologischen Verfahren zu teuer ist, werden in der Zukunft Bedeutung erlangen. Die Entwicklung von miniaturisierten Wirkstoff- und Arzneimittelprozessen zur Herstellung kleiner, patientengerechter Mengen ist daher ein weiteres Ziel auf dem Weg zu personalisierten Arzneimitteln. Um die aufgezeigten Ziele erfolgreich durchzuführen, hat sich das Pharmaverfahrenstechnische Zentrum der TU Braunschweig, ein interdisziplinärer Forschungsverbund aus Instituten der Pharmazie, Verfahrenstechnik und Mikrotechnik gegründet. Die Forschungsarbeiten, in denen das ibvt involviert ist, erfolgen auf Basis integrativer Konzepte zur ganzheitlichen Betrachtung des Produktionsprozesses bestehend aus dem Upstream Processing, der Kultivierung und dem Downstream Processing. So wird u. a. über systembiologische Ansätze der Modellorganismus Escherichia coli gentechnisch so verändert, dass er zur Produktion von Violacein und Rebeccamycin genutzt werden kann. Violacein ist ein schmerzlindender, antibiotischer und antitumoraler Wirkstoff, der ursprünglich von dem Bakterium Chrysogenum violaceum synthetisiert wird. Streptomyces sp. ist der natürliche Produzent für das antitumorale Rebeccamycin. Neben der maßgeschneiderten Herstellung von Produktionsstämmen gilt es weiterhin die Produktivität im Kultivierungsverlauf zu optimieren. Hierzu werden am ibvt u.a. Streptomyceten in Hinblick auf ihre Morphologie und die damit verbundene Produktausbeute betrachtet. Streptomyceten sind besonders interessant, da sie eine große Zahl von pharmazeutisch wirksamen Sekundärstoffmetaboliten bilden, u.a. eine Vielzahl von Antibiotika.

24 20 INSTITUT FÜR BIOVERFAHRENSTECHNIK Auswahl an aktuellen Angeboten über Studien-, Diplom-, Bachelor- und Masterarbeiten Zu folgenden Themenbereichen können am ibvt Studien- und Diplomarbeiten sowie Bachelor- und Masterarbeiten angefertigt werden. Auch Lesearbeiten als theoretische Vorarbeit zu Projektarbeiten sind möglich. Bei Interesse sprechen Sie bitte direkt die an den Projekten arbeitenden Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Institutes an. Im persönlichen Gespräch lassen sich leicht gezielt angepasste Aufgabenstellungen erarbeiten. Einfluss von Temperatur und Osmolarität auf den Metabolismus und das Produktionsverhalten von Bacillus megaterium Optimierung der PHB-Produktion mit Bacillus megaterium mittels systembiologischer Methoden Metabolische Analyse von Stoffwechselnetzwerken im marinen Bakterium Dinoroseobacter shibae Metabolische Fingerprints zur Identifizierung von Engpässen im zentralen Kohlenstoffwechsel Systems biology of photoautotrophic microalgae - experimental development of appropriate tools for multi-omics studies Systembiologie mariner Mikroorganismen Metabolische Flussanalyse in Phaeobacter gallaeciensis Modern designs of biomaterial formulations for health care issues Lab-on-Chip Systeme zur Untersuchung biologischer Prozesse in Mikrobioreaktoren Biofilmmechanik Entwicklung eines biomimetischen Hydrogelbiofilms Reaktoren der Zukunft Mehrphasige Mikroreaktoren als Screening-Instrument für biologische Prozesse Continuous microdevices for nanomedical questions Morphologiesteuerung filamentöser Mikroorganismen durch Einsatz von Mikropartikeln zur Produktion industriell relevanter Enzyme Systembiologie - Einfluss von Antibiotika auf den Stoffwechsel von Pseudomonas aeruginosa-biofilmen Einfluss von Behandlungsstrategien auf Pseudomonas aeruginosa Systembiologische Untersuchungen in mikrobiellen Elektrolysezellen Produktion von Therapeutika mit Mikroorganismen Prozessoptimierung der biotechnologische Produktion von Antikörperfragmenten Produktion von scfv-antikörperfragmenten mit Hilfe funktionalisierter Nanopartikel in Bacillus megaterium Produktionsoptimierung durch Morphology Engineering von Streptomyces griseus EHEC und Co auf der Spur - Die Systembiologie als vielversprechendes Werkzeug gegen alte und neue Krankheitserreger

25 STUDIUM DER ENERGIE- UND VERFAHRENSTECHNIK UND BIOVERFAHRENSTECHNIK Institut für Chemische und Thermische Verfahrenstechnik Technische Universität Braunschweig Langer Kamp 7 Prof. Dr.-Ing. S. Scholl Tel.: (0531) Fax: (0531) ictv@tu-braunschweig.de Web: Institutsleiter : Prof. Dr.-Ing. Stephan Scholl Sekretariat: Marion Harms Vivien Buckiewicz Akademischer Direktor: Dr.-Ing. Wolfgang Augustin Emeritus: Prof. Dr.-Ing. Matthias Bohnet Wissenschaftliche Mitarbeiter: Cristiane Boxler, M.Sc Dipl.-Ing. Christian Bradtmöller Dipl.-Ing. Henning Föste Dipl.-Ing. Robert Goedecke Dipl.-Ing. Laura Grundemann Dipl.-Ing. Paul Haas Dipl.-Ing. Jochen Hammerschmidt Dipl.-Ing. Steffi Höft Dr.-Ing. Katharina Jasch Dipl.-Chem. Jan Kuschnerow Dipl.-Ing. Moriz Mayer Dipl.-Ing. Martin Schoenitz Dipl.-Ing. Karl Siebeneck Dipl.-Ing. Friederike Stehmann Dipl.-Ing. Ariane Unterlauft Dipl.-Biotechnol. Thomas Waluga Dipl.-Ing. Niels Wellner Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.Ing. Matthias Wengerter Mandy Wesche, M.Sc Studienfachberatung: Dipl.-Ing. Niels Wellner (Termine nach Vereinbarung) Lehrveranstaltungen für Diplomstudiengänge Für die Lehrveranstaltungen der auslaufenden Diplomstudiengänge werden äquivalente Module in den Bachelor- und Masterstudiengängen angeboten. Für detaillierte Informationen schauen Sie bitte auf der Webseite der Fakultät für Maschinenbau nach oder wenden sich an den Studienfachberater.

26 22 INSTITUT FÜR BIOVERFAHRENSTECHNIK Module für Bachelorstudiengänge Chemische Verfahrenstechnik WS 4 LP 2 V, 1 Ü Scholl Chemische Verfahrenstechnik mit Labor WS 6 LP 2 V, 1 Ü, L Scholl Einführung in Stoffwandlungsprozesse WS 4 LP 2 V, 1 Ü Scholl Einführung in Stoffwandlungsprozesse WS 6 LP 2 V, 1 Ü, L Scholl mit Labor Grundoperationen der SS 4 LP 2 V, 1 Ü Scholl Fluidverfahrenstechnik Grundoperationen der SS 6LP 2 V, 1 Ü, L Scholl Fluidverfahrenstechnik mit Labor Grundoperationen der Fluidverfahrenstechnik (UI) SS 5 LP 2 V, 1 Ü Scholl Module für Masterstudiengänge Computer Aided Process Engineering I SS 5 LP 2 V, 1 Ü Scholl (Introduction) Computer Aided Process Engineering II WS 5 LP 2 V, 1 Ü Augustin, Scholl (Design verfahrenstechnischer Anlagen) Einführung in die Mehrphasenströmung SS 5 LP 2 V, 1 Ü Augustin, Scholl Elektrochemische Verfahrenstechnik SS 5 LP 2 V, Exk. Klein von Brennstoffzellen Hybride Trennverfahren SS 5 LP 2 V, 1 Ü Scholl Hybride Trennverfahren mit Labor 7 LP 2 V, 1 Ü,L Scholl Interdisziplinäres Forschungsmodul Vom Gen zum Produkt WS/SS 5 LP Block Kwade, Scholl, Wittmann Ionische Flüssigkeiten: Innovative SS 2,5 LP Block Scholl Prozessfluide in der Verfahrenstechnik Mikroverfahrenstechnik WS 5 LP 2 V, Prak. Kwade, Scholl Neue Technologien: Messtechnik in der WS 2,5 LP Block Ulbig Energie- und Verfahrenstechnik Neue Technologien: Prozess- und SS 2,5 LP Block Klausmeyer Anlagensicherheit Numerische Simulation (CFD) WS 5 LP 2 V, 1 Ü Krewer, Scholl, Friedrichs Inhalte der Vorlesungen Chemische Verfahrenstechnik Die Vorlesung vermittelt die wesentlichen Aspekte zur Realisierung von Reaktionsschritten in chemischen Produktionsverfahren sowie zur Integration von Reaktion und Stofftrennung: Grundlagen - Gleichgewicht: Physikalisch, chemisch - Kinetik: Wärme- und Stoffübergang, Reaktionskinetik - Reaktionstypen, homogene und heterogene Katalyse - Stoff- und Energiebilanzierung Reaktionsprozesse und Reaktoren - Laborreaktoren: Rührzelle, Laminarstrahlkammer, Differenzialkreislaufreaktor - Technische Reaktortypen: Einsatzgebiete, Grundlagen der Berechnung

27 INSTITUT FÜR BIOVERFAHRENSTECHNIK 23 - Isotherme vs. nicht-isotherme Reaktoren, Verweilzeitverhalten Kombination von Reaktion und Stofftrennung - Chemisorption, Reaktivrektifikation, Reaktivextraktion Computer Aided Process Engineering I (Introduction) Based on the theory for thermal separation processes the typical workflow for process design and optimization is demonstrated. Commercial software is employed for modelling and simulation of the following tasks: Physical properties and phase equilibria: Data retrieval, regression of experimental data, parameter estimation Two phase flash: Single stage separations, integral vs. differential operation mode Rigorous modelling of a rectification column: Binary mixture, multicomponent mixture, design specifications, sensitivity analysis Flow sheet simulation for multistage separation: Feed forward, recycles Equipment design: Selection and sizing for distillation columns, heat exchangers, reboilers, condensers Costing, process optimization The lecture is presented in English language with exercises at the ICTV Electronic Classroom. Computer Aided Process Engineering II (Design Verfahrenstechnischer Anlagen) Die Vorlesung vermittelt die Grundlagen der Anlagenplanung anhand einer Projektarbeit zum Design eines vollständigen verfahrenstechnischen Prozesses. Dabei wird eine kommerzielle Software für die Fließbildsimulation verwendet. Hauptthemen der Vorlesung sind: Prozessdatenbeschaffung (physikalische Eigenschaften, Sicherheitsdaten, Kapazitätsdaten) Prozessentwicklung anhand von Reaktionsgleichungen Wärme- und Massenbilanzen, Fliessbildsimulation Dimensionslose Kennzahlen für die überschlägige Dimensionierung von Apparaten Auswahl und genaue Dimensionierung von Apparaten (Kolonnen, Wärmeübertrager) Computer Aided Process Engineering Kostenschätzung sowie rechtliche Aspekte (z. B. Umweltauflagen, Genehmigungsverfahren) Einführung in die Mehrphasenströmung Neben den einphasigen Strömungen sind die zwei- und dreiphasigen Strömungen von großer Bedeutung. Diese treten nicht nur beim Transport der Stoffe zwischen den einzelnen Apparaten der thermischen Trenntechnik und den Reaktoren auf, sondern bestimmen auch die Konstruktion der Apparate selbst. Nach einer Darstellung der strömungstechnischen Grundlagen (Rohrströmung, Ähnlichkeitstheorie, Partikelumströmung, Bildung von Blasen und Tropfen) erfolgt die Beschreibung der Strömung durch Düsen und Blenden und durch poröse Strukturen und Schüttschichten sowie die Strömung durch Blasen- und Tropfensäulen. Einführung in Stoffwandlungsprozesse Die Vorlesung behandelt die Grundlagen stoffwandelnder Produktionsprozesse. Wesentliche Inhalte sind: Der stoffwandelnde Produktionsprozess im Zusammenhang: Rohstoffe, Hilfsstoffe, Edukte und Produkte, Wertschöpfungsketten, Verbund. Die Grundelemente eines Produktionsprozesses: Hauptprozessfunktionen, die Verfahrensfunktion und ihre apparative Umsetzung. Stoffdaten und Phasengleichgewichte von mehrkomponentigen und mehrphasigen

28 24 INSTITUT FÜR BIOVERFAHRENSTECHNIK Systemen Reaktionen und Reaktoren: Stöchiometrie, Umsatz, Selektivität, Ausbeute, Gleichgewicht und Kinetik Produktaufarbeitung und -darstellung: Das Konzept der Grundoperationen, Stofftrennung durch Verdampfung, Rektifikation und Extraktion, Produktdarstellung, Prozessintegration Design in Stoffwandlungsprozessen: Verfahrens-, Apparate- und Produktdesign. Elektrochemische Verfahrenstechnik von Brennstoffzellen In der Vorlesung Elektrochemische Verfahrenstechnik und Brennstoffzellen werden folgende Themen behandelt: Elektrochemische GrundlagenTransportprozesse in der ECVT Elektrochemische Reaktionstechnik Vorstellung von Elektrolyseverfahren und ihrer Anwendungen Elektrochemische Energiewandlung Brennstoffzellen Grundoperationen der Fluidverfahrenstechnik In der Vorlesung Grundoperationen der Fluidverfahrenstechnik werden die verschiedenen Grundoperationen der thermischen Stofftrennung mit ihren theoretischen Grundlagen, apparativen Umsetzungen und verfahrenstechnischen Anwendungen vorgestellt. Die Vorlesung umfasst die Kapitel: Stoffdaten von Reinstoffen und Gemischen Phasengleichgewichte: Dampf-flüssig, flüssig-flüssig, flüssig-fest Kristallisation: Eindampfung von Lösungen, Mehrstufenverdampfung, Wärmeintegration Rektifikation: Verstärkungs- und Abtriebssäule, minimales Rücklaufverhältnis, McCabe- Thiele-Diagramm, Einbauten, Kolonnendesign Absorption: Ab- und Desorption, minimale Waschmittelmenge, Kreislauffahrweise, Stoffübergang, HTU-NTU-Konzept Extraktion: Flüssig-flüssig- und Fest-flüssig-Extraktion, Polstrahlverfahren, Mixer-Settler, Extraktionskolonne Adsorption: Gleichgewicht und Kinetik, Durchbruchsverhalten, Einzelkorn, Festbett, Adsorbentien Trocknung: 1. und 2. Trocknungsabschnitt, Wärme- und Stoffübergang bei der Trocknung, Trocknungsverfahren Hybride Trennverfahren Das Konzept der Integration von Reaktion und Stofftrennung wird für die gebräuchlichsten Verfahren vorgestellt. Im Einzelnen sind dies die Operationen Reaktivabsorption, Reaktivrektifikation, Reaktivextraktion, Reaktivadsorption, Chromatographie sowie Membranverfahren. Auf Grundlage reaktions- und trenntechnischer Charakterisierung der betrachteten Stoffsysteme werden die verfahrenstechnische Modellierung dieser integrierten Funktionen sowie mögliche Optimierungsansätze dargestellt. Für die apparative Realisierung werden alternative Optionen erläutert sowie deren Design unter Beachtung betrieblicher und wirtschaftlicher Aspekte vorgestellt. Interdisziplinäres Forschungsmodul Vom Gen zum Produkt Das interdisziplinäre Forschungsmodul Vom Gen zum Produkt soll eine vertiefte Kenntnis verfahrenstechnischer Prozessabläufe ermöglichen. Hierzu werden experimentelle Versuche, die thematisch miteinander verknüpft sind, in drei verschiedenen Instituten (ibvt, ipat und

29 INSTITUT FÜR BIOVERFAHRENSTECHNIK 25 ICTV) durchgeführt. Zunächst werden Bakterien, welche Glukosyltransferase exprimieren, in Bioreaktoren kultiviert. Da dieses Enzym intrazellulär vorliegt, müssen die Bakterien in einem weiteren verfahrenstechnischen Schritt aufgeschlossen werden und das Enzym wird immobilisiert. Dabei werden verschiedene Aufschlussmethoden untereinander verglichen. Mit den Immobilisaten wird aus Haushaltszucker das wertvolle Saccharid Isomaltose hergestellt. Die Isomaltose wird zur Reindarstellung reaktionsintegriert adsorbiert und anschließend desorbiert. Mikroverfahrenstechnik In der Veranstaltung werden die Grundlagen von Beschreibungen und Anwendungen von Mikrostrukturen gegeben. Dazu gehören unter Anderem: Strömungen in Mikrokanälen Typische Mikrobauteile und deren Einsatzgebiete sowie Vor- und Nachteile von Mikrobauteilen Skalierungseffekte bei der Miniaturisierung Theorie der Wärme-, Impuls- und Stoffübertragung im Mikromaßstab Vorlesungsbegleitendes mikroverfahrenstechnisches Praktikum zum selbständigen Arbeiten mit Mikrokomponenten Neue Technologien: Messtechnik für Energie- und Verfahrenstechnik Die Vorlesung gibt einen Überblick über die für die Verfahrenstechnik relevanten Messtechniken mit Hinweisen zum Aufbau einer leistungsfähigen Messdatenerfassung für Laborzwecke. Es werden Beispiele zu industriellen Prozessleittechniken erläutert. Die Kapitel umfassen: Temperatur, Druck und Druckdifferenzen, Feuchte elektrische Größen, Masse, Dichte (Flüssigkeiten und Gase) Durchfluss, Massenstrom (Flüssigkeiten, Gase, heterogene Phasen) Füllstand (Flüssigkeiten, Schüttungen) On-line Analytik für Gaszusammensetzung und für flüssige Gemische Partikelmesstechnik Messtechnik für Ex-geschützte Zonen und zur Reinraumüberwachung Grundlagen von RI-Fließbildern (normative Grundlagen, Beispiele) Aufbau einer leistungsfähigen Labordatenerfassung Prozessleittechnik (Bussysteme, graphische Benutzeroberflächen, Datenspeicherung) Neue Technologien: Prozess- und Anlagensicherheit Die Vorlesung vermittelt die wichtigsten Grundlagen verfahrenstechnischer Sicherheitstechnik in den beiden Fachgebieten Analyse der Sicherheit des Prozesses und der Prozessführung und Sicherheit der Anlagen und ihrer Komponenten. Vorlesungsschwerpunkte sind: Beispiel: eine Lösemittelrückgewinnungsanlage (z. B. Aceton/Wasser) Auslegung des Trennverfahrens (Destillation, Rektifikation) Beschaffung der sicherheitstechnischen Kenngrößen (Dampfdrücke, untere und obere Explosionsgrenze, Lagerungskenngrößen, Zündenergie, elektrostatische Zündgefahren, Explosionsgasgruppe des Dampf-/Luftgemisches etc.) Risikoanalyse der Gesamtanlage inklusive der verfahrenstechnischen Einzelschritte (z. B. Ausfall der Kondensation, Aufzeigen von Sicherheitsmassnahmen) Auslegung der zu- und abgeführten Stoffströme (Lagerung, Transport, Förderung), staatliche Transport- und Lagerungsvorschriften Auslegung der Prozessleittechnik (MSR) mit Blick auf die abzuwehrenden Sicherheitsrisiken

30 26 INSTITUT FÜR BIOVERFAHRENSTECHNIK Dokumentation der sicherheitstechnischen Auslegung. Numerische Strömungssimulation (CFD) Zunächst werden die theoretischen Grundlagen der numerischen Strömungssimulation wie Bilanzgleichungen, Diskretisierungsmethoden, Turbulenzmodelle und Lösungsansätze vorgeführt. Der anschließende praktische Teil der Vorlesung umfasst eine Einführung in ein kommerzielles CFD Programm (z.b. FLUENT). Die Studenten lernen dabei die wesentlichen Bearbeitungsschritte sowohl bei der Geometriedefinition und Gittergenerierung als auch beim Lösen des CFD Problems selber durchzuführen. Anschließende Demobeispiele aus den Gebieten Wärme- und Stoffübertragung, Strömungsmaschinen und Brennkammer wird ein Teil der Einsatzmöglichkeit der numerischen Strömungssimulation vorgestellt. Arbeitsgebiete Am Institut für Chemische und Thermische Verfahrenstechnik werden Problemstellungen in folgenden Forschungsgebieten bearbeitet: Fouling und Reinigung, Mikroverfahrenstechnik, Energieeffizienz/Verdampfung, Advanced Fluids sowie Biotechnologische und Pharmazeutische Prozesse. Dabei werden sowohl Problemstellungen der ingenieurtechnischen Grundlagenforschung als auch anwendungsorientierte Aspekte bearbeitet. Die Arbeiten werden in Zusammenarbeit mit anderen Forschungseinrichtungen wie auch mit der Industrie durchgeführt. Fouling und Reinigung Unter Fouling wird hier die Belagbildung auf wärmeübertragenden Flächen verstanden. Dies resultiert in einer Verminderung der Wärmeübertragungsleistung des Apparates, was zu erhöhten Investitionen und Betriebskosten wie auch zu Produktschädigungen führen kann. Man unterscheidet verschiedene Arten von Fouling, wie z. B. Kristallisationsfouling, Biofouling, Sedimentationsfouling oder Reaktionsfouling. Am ICTV werden derzeit Arbeiten zum Kristallisationsfouling und Biofouling sowie zu Fouling und Reinigung bei der Lebensmittelproduktion durchgeführt. Kristallisationsfouling ist insbesondere bei der Meerwasserentsalzung und Abb. 1: CaSO4 Kristallisation in einem Rohr Trinkwasseraufbereitung, wie aber auch beim Einsatz von Wasser als Kühlmedium von großer industrieller Bedeutung. An verschiedenen stationären und mobilen Versuchsanlagen werden die bestimmenden stofflichen, apparativen und betrieblichen Parameter für den Foulingvorgang untersucht und modelliert. Ziel ist die Vorhersage des unter Prozessbedingungen zu erwartenden Foulingverhaltens und daraus abgeleitet Maßnahmen zur Vermeidung oder Minderung von Fouling. Der zur Prozessoptimierung interessanteste Zeitabschnitt ist die Anhaftung erster Kristalle in der sogenannten Induktionsphase. Um diese möglichst bis ins unendliche zu verlängern und dadurch Standzeiten zu erhöhen und Kosten zu senken, ist die genaue Kenntnis des Kristallisationsvorgangs und der wirkenden Oberflächenkräfte von Nöten. Parameter dieser Wechselwirkungen sind Oberflächenenergie, Rauheit, Strömungsgeschwindigkeit usw. Zur Visualisierung des Kristallisationsvorgangs wird mittels eines Atomic Force Microscope (AFM) ex-situ und in-situ, also während des Kristallisationsvorgangs, die Topographie verschiedener Wärmeübertragerflächen und Beschichtungen gemessen, um Parameter für optimierte Werkstoffe zu erhalten. Eine weitere Möglichkeit zur Foulingminderung ist das Aufprägen einer periodischen oder stochastischen Pulsation auf die Strömung. Dies führt zu einer

31 INSTITUT FÜR BIOVERFAHRENSTECHNIK 27 Erhöhung der Wandschubspannung und somit zu einer Verminderung der Ablagerungsrate von in der Strömung befindlichen oder in Wandnähe gebildeten Partikeln. Ziel ist die Optimierung des Pulsationsaufwandes bzgl. Amplitude und Frequenz für eine möglichst weitgehende Unterdrückung der Ablagerung. In den Untersuchungen zum Biofouling wird an einem begasten Schlaufenreaktor die Foulingneigung biologischer Systeme betrachtet. Die Bildung von Ablagerung bei der Lebensmittelproduktion, z. B. bei der thermischen Behandlung von Milch oder Milchprodukten, ist ein ernsthaftes Problem in der lebensmittelverarbeitenden Industrie. Durch das Fouling werden nicht nur erhöhte Investitionen und Betriebskosten verursacht, besonderes in der Lebensmittelindustrie steigt das Verunreinigungsrisiko, kann Sterilitätsverlust auftreten und damit die Produktqualität unmittelbar beeinträchtigen. Daher sind regelmäßige Reinigungszyklen fester Bestandteil der Produktion. Zur Erforschung des Reinigungsverhaltens ist zunächst eine exakte Beurteilung der Beläge notwendig, da die Reinigungsmethode stark von der Art des Foulings abhängt. Eine Bedingung zur verbesserten Abtragung der Foulingschicht ist, dass die auf den Belag wirkenden Strömungskräfte größer sein müssen als die Haftkräfte zwischen Belag und Oberfläche. Im Rahmen eines Forschungsvorhabens wird der Einfluss einer Pulsationsströmung auf das Reinigungsverhalten untersucht. Dazu werden Reinigungsversuche mit unterschiedlichen stationären Geschwindigkeiten durchgeführt. Versuche in einem kommerziellen Plattenwärmeübertrager erlauben die Übertragung der Erkenntnisse auf einen industriellen Maßstab. Mikroverfahrenstechnik Im Hinblick auf die Grundoperationen der thermischen Verfahrenstechnik zielt die Entwicklung neuer Technologien in den letzten Jahren auf immer kompaktere Apparate zur Wärme- und Stoffübertragung. Im Zuge der Miniaturisierung ist es erforderlich, die Fluidik in Mikrostrukturen sowie die daran gekoppelten Mechanismen von Wärme- und Stofftransport zu verstehen. Aufgrund der kleinen Dimensionen können allerdings Mechanismen, die bei der Strömung durch Makrostrukturen meist vernachlässigt werden können, nicht mehr bzw. nur bedingt außer Acht gelassen werden. Daher bedarf es erweiterter Modellansätze für Strömungen in Mikrostrukturen, die den Zusammenhang zwischen dimensionslosen Transport- und Oberflächenkenngrößen beschreiben. Hierfür werden am Institut sowohl experimentelle als auch theoretische Untersuchungen u. a. mittels Numerischer Strömungssimulation (CFD) durchgeführt. An einem Mikrokanal, in dem verschieden strukturierte Oberflächen eingesetzt werden können, wird sowohl der Wärmeübergang als auch der Druckverlust experimentell erfasst. Die dazu eingesetzten Strukturen werden anhand geeigneter Oberflächenanalytik charakterisiert und die Fluid- Abb. 3: CFD-Simulation einer mikrostrukturierten Oberfläche Abb. 2: Mikromischer zur kontinuierlichen Produktion von Schreibfarben und Thermodynamik unterschiedlicher Stoffe, einphasig und mehrphasig, u. a. auch mit micro-particle Image Velocimetry (µpiv), untersucht. Parallel dazu werden die experimentellen Untersuchungen mittels CFD-Simulation nachgebildet, um eine Optimierung der Mikrostrukturen zu realisieren. Die meisten Produkte der chemischen, pharmazeutischen, kosmetischen oder Lebensmittelindustrie werden in Batchverfahren hergestellt. Dies hat sowohl stoffliche wie produktions-

32 28 INSTITUT FÜR BIOVERFAHRENSTECHNIK technische Gründe. Die mit der Batchfertigung verbundenen Nachteile, wie lange Prozesszeiten, Qualitätsschwankungen von Batch zu Batch, eine schlechte Automatisierbarkeit sowie oft hohe Umweltbelastungen, könnten durch eine kontinuierliche Produktion auf Basis der Mikroverfahrenstechnik eliminiert werden. Dies wird am Beispiel einer Farbenherstellung experimentell und theoretisch untersucht. Die Experimente werden an einer kontinuierlich betriebenen Mikroproduktionsanlage durchgeführt. Eine Kampagnenfahrweise erlaubt die Fertigung unterschiedlicher Produkte auf derselben Anlage. Neben dem Nachweis der prinzipiellen Machbarkeit konnten die optimalen Verfahrensparameter ermittelt werden. Von entscheidender Bedeutung ist die Handhabung feststoffhaltiger und viskoser Stoffströme in mikroverfahrenstechnischen Anlagen. Mithilfe der numerischen Strömungssimulation werden die Einflüsse verschiedener stofflicher wie betrieblicher Parameter auf Strömung und Mischung weiter untersucht. Energieeffizienz/Verdampfung In dem Arbeitsgebiet werden sowohl verfahrenskonzeptionelle wie apparative Aspekte behandelt. Der Entwurf neuer wie auch die Überarbeitung bestehender Produktionsverfahren erfolgen unter Nutzung einer integrierten Werkzeugumgebung des Computer Aided Process Engineering. Die Forschungsarbeiten zielen auf die Integration ökobilanzieller Betrachtungen in die frühe Phase des Verfahrensentwurfs bzw. der Verfahrensüberarbeitung. Dazu muss der ökobilanzielle Effekt typischer verfahrenstechnischer Entscheidungsalternativen, z. B. Einsatz rezyklierfähiger Katalysatoren, Wertigkeit von Wärmequellen und senken, identifiziert und bewertet werden. Eine besondere Bedeutung kommt dabei der Wärmeintegration zu. Dafür sind die prozessliche Machbarkeit, die betriebstechnische Verträglichkeit, die apparative Umsetzbarkeit sowie die Wirtschaftlichkeit zu betrachten. Mit Blick auf die letzten beiden Aspekte werden am ICTV Maßnahmen zur Ertüchtigung bekannter Apparate, speziell Verdampfer, wie auch zum Einsatz neuer Apparatekonzepte, untersucht. Naturumlaufverdampfer sind aufgrund ihrer Wirtschaftlichkeit und einfachen Bauweise einer der am häufigsten verwendete Verdampfertypen in der stoffwandelnden Industrie. Durch die Kopplung von Wärmeübertragung und Fluiddynamik ist der Betriebsbereich eingeschränkt. Zur Erweiterung des Betriebsbereiches und der Erhöhung der Wärmeübertragungsleistung werden an einem Einrohr-Naturumlaufverdampfer der Einfluss von Turbulenzpromotoren wie z. B. hitran -Drahtgestricken untersucht. Als neuer Apparatetyp werden Naturumlaufverdampfer in Thermoblechweise untersucht. Aufgrund ihrer Oberflächenstruktur weisen diese potentiell gute Wärmeübertragungseigenschaften auf, was zu geringen spezifischen Investitionen führt. Fallfilmverdampfer werden für die Ein- oder Verdampfung thermisch sensibler Produkte eingesetzt, wie z. B. die Aufkonzentrierung von Fruchtsäften, Milch, Polymerlösungen, ionischen Fluiden, etc.. Sie eignen sich durch partielle Verdampfung des aufgegebenen Flüssigkeitsstromes als eigenständiger Stofftrennapparat. Einsatzgrenzen werden erreicht bei erhöhter Viskosität des Stoffgemisches oder wenn der Leichtsieder bis auf geringe Restkonzentrationen abgereichert werden soll. An verschiedenen Einrohr-Fallfilmverdampfern wird daher die Stofftrennung in Abhängigkeit stofflicher, apparativer und betrieblicher Parameter experimentell und theoretisch untersucht. Das Design der Anlagen erlaubt das Scale- Up bis hin zum industriellen Maßstab. Advanced Fluids In vielen Verfahren werden Hilfsstoffe für Reaktion und Stofftrennung eingesetzt, so z. B. als flüssiger Katalysator, als Absorptions-, Extraktions- oder als Lösungsmittel. Besonders vorteilhaft ist es, wenn es gelingt, dem Hilfsstoff mehrere Funktionalitäten gleichzeitig zuzuordnen.

33 INSTITUT FÜR BIOVERFAHRENSTECHNIK 29 Die Integration von Reaktion und Stofftrennung in eine Verfahrensstufe hat sich als potenzialreiche Möglichkeit zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit verfahrenstechnischer Produktionsprozesse etabliert. Dabei kann das Verfahrensziel sowohl in der Verbesserung der Reaktion durch reaktionsintegrierte Produktabtrennung liegen wie auch in der Erhöhung der Trennleistung durch reaktionsunterstützte Stofftrennung. In einem Projekt zur homogenen Reaktivdestillation unter Einsatz ionischer Flüssigkeiten als Katalysator wird der Ersatz von Schwefelsäure durch Ionische Flüssigkeiten als recyclingfähige Katalysatoren untersucht. Am Beispiel einer Umesterung werden Katalysator- und Prozessoptimierung integriert betrachtet. Mit Hilfe einer Ökobilanzierung kann die Umweltentlastung durch die neue Verfahrensweise quantifiziert werden. Durch Anwendung besonders produktschonender Trenntechniken zur Katalysatorrückgewinnung kann der Aktivitätsverlust und damit die Ausschleuse- bzw. Ersatzrate des Katalysators minimiert werden. Die Schließung von Stoffkreisläufen für Hilfsstoffe ist essentiell für die Gestaltung umweltverträglicher Produktionsverfahren. In weiteren Projekten wird daher die Reinigung Ionischer Flüssigkeiten mittels Verdampfung oder Adsorption untersucht. Biotechnologische und Pharmazeutische Prozesse Viele biotechnologische Verfahren nutzen immobilisierte Enzyme als Katalysatoren. Gleichzeitig kann eine reaktionsintegrierte Produktabtrenung eine erhöhte Ausbeute bei gleichzeitig erhöhter Selektivität bewirken. Für die trienzymatische Synthese von Laminaribiose mit auf Chitosan immobilisierten Enzymen wird das Konzept der reaktionsintegrierten Separation Abb. 5: REM-Aufnahme einer Chitosanmembran untersucht. Aufgrund der einfachen Möglichkeit, Chitosan chemisch zu modifizieren, ergibt sich ein breites Anwendungsspektrum. Da es ungiftig und biologisch abbaubar ist, finden sich vielerlei Einsatzgebiete im Alltag, z.b. in der Abwassertechnik, Medizin, Pharmazie, Landwirtschaft sowie der Lebensmittel- und Biotechnologie. Ähnlich wie aus Alginat lassen sich auch Membranen mittels ionotroper Gelierung herstellen und/oder wertvolle Enzyme immobilisieren. Werden jedoch Enzyme in eine Matrix eingebunden, müssen Edukte wie auch Produkte durch diese Matrix diffundieren, was zum Flaschenhals der Reaktionskinetik werden kann. Aus diesem Grund muss die Einschlussmatrix so optimiert werden, dass sowohl die Enzymbindung als auch die Stofftransporteigenschaften möglichst ideal sind. Das Produkt der enzymatischen Reaktion soll reaktionsintegriert gewonnen werden. In diesem Projekt findet die Adsorption also direkt im Produktionsreaktor statt, so dass ein weiterer Prozessschritt gespart werden kann. Ein weiteres Forschungsthema auf dem Gebiet Pharmazeutischer Prozesse ist die Herstellung fester Lipidnanopartikel (LNP) mittels Schmelzkristallisation. LNP sind neuartige Arzneistoffträgersysteme, die aufgrund ihrer verschiedenen polymorphen Kristallzustände unterschiedliche chemische und physikalische Charakteristika ausprägen können. Diese bestimmen die für eine Applikation entscheidenden Produkteigenschaften wie Bioverfügbarkeit, Beladbarkeit und Stabilität. Neben stofflichen Einflussgrößen bestimmen insbesondere die Tröpfchengröße sowie die Abkühlrate bei der Schmelzkristallisation die sich einstellenden chemischen und physikalischen Eigenschaften. Dabei begünstigen hohe Abkühlraten die Ausbildung vorteilhafter Eigenschaften. Aufgrund ihrer sehr guten Wärmeübertragungseigenschaften bei gleichzeitig minimalem Holdup eignen sich mikroverfahrenstechnische Apparate für die Erzielung definierter und hoher Abkühlraten.

34 30 INSTITUT FÜR BIOVERFAHRENSTECHNIK Themenbeispiele für Studien-, Diplom- Bachelor- oder Masterarbeiten Fouling & Reinigung Abhängigkeit der Partikelablagerung von der Geometrie der angeströmten Fläche Untersuchungen von Foulingbelägen mittels Fluid Dynamic Gauging (FDG) im konzentrischen Ringspalt Verbesserung des Foulingverhaltens in Doppelrohrwärmeübertragern durch Veränderungen der Oberflächeneigenschaften Oberflächenmodifikationen zur gezielten Einstellung von Kristalleigenschaften Untersuchungen zum Oberflächeneinfluss bei der Grenzflächenkristallisation CIP-Prozesse mit und ohne Pulsator in Abfüllsystemen für flüssige, sterile Pharmazeutika Milchbeläge in Plattenwärmeübertragern Foulingverhalten von Milch auf Wärmeübertragerflächen Fraktalanalyse des Kristallisationsfoulings in der Induktionsphase Untersuchung/Visualisierung des Kristallisationsfoulings im Mikrowärmeübertrager Messung/ Modellierung der Haftfestigkeit von kristallinen Schichten auf Metallsubstraten Simulation der Induktionsphase des Kristallisationsfoulings mittels Populationsbilanzierung Bestimmung und Modellierung der heterogenen Kristallkeimbildung beim Kristallisationsfouling Design von Wärmeübertragern bei Prozessen mit Anfälligkeit für Kristallisationsfouling Energieeffizienz Simulation von elektrochemischen Stoffumwandlungsprozessen Simulation eines alkalischen Brennstoffzellensytsems Rückgewinnung von Lösungsmitteln mittels Adsorption Extraktion von wertvollen Komponenten aus Lithium-Ionen-Batterien Inbetriebnahme und Trennleistung einer Miniplant-Packungskolonne Experimentelle Untersuchung des Wärmeübergangs und der Fluiddynamik in einem Thermoblech-Naturumlaufverdampfer Mikroverfahrenstechnik Untersuchung des Reinigungsverhaltens von Mikrowärmeübertragern Fouling Untersuchungen mit festen Lipid Nanopartikeln Evaluierung geeigneter Reinigungsstrategien Mischgütebestimmung in Mikrokomponenten Kontinuierliche Produktion von Bindemitteln für Lacke Umweltfreundliche und wirtschaftliche Prozesse durch Mikro-Konti Produktion Entwicklung einer neuartigen Ablagerungsdetektion Stoffstrombasierte Ökobilanzierung Biotechnologische und Pharmazeutische Verfahren Mikro-/Pharmaverfahrenstechnik CIP Cleaning in Place Mikro-/Pharmaverfahrenstechnik: Entwicklung einer neuartigen Ablagerungsdetektion Kontinuierliche Aufreinigung von Aminosäuren mittels Chromatographie Advanced Fluids Adsorptive Reinigung von Ionischen Flüssigkeiten Kontinuierliche Reaktivdestillation unter Einsatz Ionischer Fluide als homogener Katalysator Kontinuierliche Entwässerung Ionischer Fluide mittels Fallfilmverdampfung

35 INSTITUT FÜR PARTIKELTECHNIK 31 Institut für Partikeltechnik Technische Universität Braunschweig Prof. Dr.-Ing. A. Kwade Volkmaroder Str Braunschweig Tel.: (0531) Fax.: (0531) Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Arno Kwade Stellv. Institutsleiter: Dr.-Ing. Harald Zetzener Leiter Bereich Nanomaterialien: Prof. Dr. Georg Garnweitner Sekretariat: Tanja Henkens Julia Schulte Projektmanagement: Nina Hommola Wissenschaftliche Mitarbeiter: Nina Barth Stefan Beinert André Bitterlich Henrike Bockholt Dr.-Ing. Sandra Breitung-Faes Christine Burmeister Mar Combarros Jan Diekmann Henning Dreger Benedikt Finke Frederik Flach Linus Froböse Thomas Gothsch Rabea Grisat Greta Gronau Steffi Günther Christian Hanisch Wolfgang Haselrieder Jutta Hesselbach Dr. Dietmar Jansen Dr.-Ing. Ingo Kampen Alexander Kockmann Kai Lippe Ingke Masthoff Chris Meyer Christine Nowak Stephan Olliges Achim Overbeck Maria Paulick Tobias Preller Dana Rosická Ray Runge Apostolos Salmatonidis Christiane Schilcher Dr.-Ing. Carsten Schilde Didier Schons Tom Simons Denise Steiner Dr.-Ing. Jörg Stieghan Larissa Titscher Paul Titscher Manuela Vielkind Bastian Westphal Sabrina Zellmer Mandy Zimmermann Studienfachberatung: Greta Gronau Beratung zum Auslandstudium: Ingke Masthoff, Christian Hanisch und

36 32 INSTITUT FÜR PARTIKELTECHNIK Lehrveranstaltungen Module für Bachelorstudiengänge: Anlagenbau WS 2V 1Ü 4 LP Kwade Anorganische Chemie WS 2V 1Ü 4 LP Garnweitner Auslegung u. Anwendung mechanischer Verfahren WS 2V 1Ü 4 LP Kwade Auslegung u. Anwendung mechanischer Verfahren (+Labor) WS 2V 1Ü 2L 6 LP Kwade Grundlagen der mechanischen Verfahrenstechnik SS 2V 1Ü 4 LP Kwade Module für Masterstudiengänge: Einführung in die Nanotechnologie SS 2V 1Ü 5 LP Garnweitner Formulierungstechnik SS 2V 1Ü 5 LP Kwade Formulierungstechnik (+Labor) SS 2V 1Ü 2L 7 LP Kwade Maschinen der mechanischen Verfahrenstechnik WS 2V 1Ü 5 LP Kwade Mikroskopie und Partikelmessung im Mikround Nanometerbereich WS 2V 1Ü 5 LP Kwade Neue Technologien: Materialien und Prozesse für moderne Batteriesysteme SS 1V Garnweitner/Kwade Simulationsmethoden der Partikeltechnik SS 1V 1Ü 1P 5 LP Kwade Partikelsynthese SS 2V 1Ü 5 LP Garnweitner Projektmanagement WS 2V 1Ü 5 LP Kwade Prozesstechnik der Nanomaterialien WS 2V 1Ü 5 LP Garnweitner Prozesstechnik der Nanomaterialien (+Labor) WS 2V 1Ü 2L 7 LP Garnweitner Qualitätswesen und Hygiene in der Prozessindustrie SS 2V 1Ü 5 LP Kwade Zerkleinern und Dispergieren WS 2V 1Ü 5 LP Kwade Gemeinsame Module der verfahrenstechnischen Institute für Masterstudiengänge: Abwasser- und Abfallbehandlung SS 2V 1Ü 5 LP Mikroverfahrenstechnik WS 2V 1L 5 LP Umweltprozesstechnik WS 2V 1Ü 5 LP Weitere Lehrveranstaltungen des Instituts für Partikeltechnik Lagern, Fördern und Dosieren von Schüttgütern WS 2V 1Ü 5 LP Ferner werden alle studentischen Arbeiten jeglichen Umfangs (also Bachelor-, Master-, Studien-, Diplom-, sowie Projektarbeiten und Seminarvorträge) am Institut angeboten und durch Prof. Kwade bzw. Prof. Garnweitner und die wissenschaftlichen Mitarbeiter betreut. Inhalte der Vorlesungen Anlagenbau (Anlagenplanung und Apparatetechnik) Die Vorlesung Anlagenbau besteht aus zwei wesentlichen Bereichen. Der eine Bereich ist die Anlagenplanung, welche die Inhalte Dokumentation und Information (Datenbanken, Fließbilder), Machbarkeitsstudien, Verträge und Risiken, Genehmigungsverfahren, behördliche Auflagen, Projektplanung, technische Vorprojektierung (Process, Basic and Detail Design, Sicherheitsanalysen, Betriebshandbuch) und Nachbetrachtung beinhaltet. Der andere Bereich beschäftigt sich mit der Apparatetechnik, welche konstruktive Grundlagen, Regelwerke, Normen, Behälterabnahme, konstruktive Betrachtung eines Apparates (zyl. Mantel,

37 INSTITUT FÜR PARTIKELTECHNIK 33 Böden, Stutzen, Flansche, Dichtungen und Zusätze für Druckbehälter), Strömungsmaschinen (Pumpen, Verdichter), Verbindung von Maschinen und Apparaten (Rohrleitungen, Armaturen) und Hygienic Design behandelt. Grundlagen der mechanischen Verfahrenstechnik Die Grundlagenvorlesung zur Mechanische Verfahrenstechnik umfasst die folgenden Themen: Definition und Anwendungsgebiete (u.a. Nanotechnik), Partikel- und Produkteigenschaften disperser Systeme (u.a. Kennzeichnung von Partikeln), Kräfte auf Partikeln in strömenden Medien, Darstellung von Partikelgrößenverteilungen, Partikelgrößenanalyse, Strömung durch Packungen, Mechanische Trennverfahren (Klassieren, Sortieren, Abscheiden Kennzeichnung und Maschinen), Mischen (Kennzeichnung und Maschinen) und Zerkleinern (Partikelbeanspruchung, Partikelbruch, Übersicht Maschinen), Agglomerieren (Haftmechanismen, Maschinen) Anwendung und Auslegung mechanischer Verfahren In der weiterführenden Vorlesung zur mechanischen Verfahrentechnik werden folgende Inhalte behandelt: Wirbelschichten, pneumatischer und hydraulischer Transport, Auslegung mechanischer Trennverfahren (u.a. Windsichten, Fest-Flüssig-Trennung, Filtern), Auslegung von Zerkleinerungsverfahren, Einführung in die Beschreibung von Partikelsystemen mit Populationsbilanzen und der Diskrete-Elemente-Methode, Partikel-Partikel-Wechselwirkungen, Stabilisieren partikulärer Systeme Maschinen der mechanischen Verfahrenstechnik Die Vorlesung befasst sich mit dem Themenkomplex der Gestaltung, Konstruktion und Auslegung von Zerkleinerungsmaschinen, Siebmaschinen, Sichtern, Eindickern, Filtern, Zentrifugen, Mischund Dispergiermaschinen und zusätzlich werden jeweils die wichtigsten Grundlagen aus Mechanische Verfahrenstechnik 1 wiederholt. Im Wesentlichen werden aber Arbeitsweisen, Bauarten von Maschinen und Berechnungsweisen behandelt. Lagern, Fördern und Dosieren von Schüttgütern In der Vorlesung Lagern, Fördern und Dosieren von Schüttgütern werden die Grundlagen aus der Kontinuumsmechanik (statisches Gleichgewicht des Kontinuums, Fließkriterien, Deformation eines Kontinuums beim plastischen Fließen), das Verhalten realer Schüttgüter (Messung der Schüttguteigenschaften, Fließgrenzen, Differentialgleichungen des Spannungs- und Geschwindigkeitsfeldes, Probleme beim Bunkern von Schüttgütern wie Brückenbildung und Schachtbildung), Austragorgane, Austraghilfen, Dosieren von Schüttgütern, Spannungen in Silos, Fördern von Schüttgütern, Staubexplosionen und eine Einführung in die festigkeitsmäßige Auslegung von Silos vermittelt. Mikroskopie und Partikelmessung im Mikro- und Nanometerbereich In dieser Vorlesung wird das Thema Lichtmikroskopie, Elektronenmikroskopie, Rasterkraftmikroskopie, Partikelgrößenanalyse (Sedimentationsverfahren, Trennverfahren, Zählverfahren, etc.) behandelt. Einführung in die Nanotechnologie Dieses Modul setzt sich aus der Vorlesung + Übung Grundlagen der Nanotechnologie und der Vorlesung Nanopartikeltechnologie zusammen. In Grundlagen der Nanotechnologie wird eine Einführung in die Nanotechnologie geboten, bestehend aus den Fragestellungen: Was ist Nanotechnologie? Welche Eigenschaften besitzen Nanomaterialien? Wofür kann man sie nutzen? Was versteht man unter den Generationen der Nanotechnologie? Die Vorlesung Nanopartikeltechnologie geht auf speziellere Aspekte der Realisierung von Nanotechnologie-

38 34 INSTITUT FÜR PARTIKELTECHNIK Anwendungen basierend auf Nanopartikeln ein (funktionale dünne Schichten, druckbare Elektronik, Nanokomposite und Hybridpolymere) und erläutert, welche wirtschaftlichen Erfolgsstrategien im Bereich Neue Technologien und speziell Nanotechnologie existieren (Innovationsstrukturen, Förderinstrumente, Venture Capital). Zerkleinern und Dispergieren In der Vorlesung Zerkleinern und Dispergieren werden die Inhalte Partikelbeanspruchung und Partikelbruch, Beanspruchungsmodell, wichtige Betriebsparameter und deren Einfluss auf Produktqualität und Betriebsverhalten, Stabilisierung der Partikelsysteme, Produktgestaltung, Maschinenauslegung, Verschleißprobleme, Scale-up, Zerkleinerungs- und Dispergiermaschinen, Ausführung von Zerkleinerungs- und Dispergieranlagen, Produktgestaltung (u.a. Farben und Lacke, Pharmazeutische Wirkstoffe, Nanopartikeln) besprochen. Prozesstechnik der Nanomaterialien In dieser Vorlesung erhalten Sie eine Einführung in die Welt der Nanomaterialien. Die Vorlesung behandelt die Themen Charakterisierung von Nanomaterialien, Stabilisierung und Funktionalisierung, Syntheseverfahren zu Nanomaterialien (Top-Down und Bottom-Up- Synthese), Anwendung von Nanomaterialien und je nach Wunsch der Hörer ausgewählte weitere Themen (Nanopartikel in der Medizin, Nanokomposite, poröse Nanomaterialien, Carbon Nanostructures, photonische Kristalle etc.) Anorganische Chemie Es wird das Basiswissen zu folgenden Inhalten vermittelt: Atombau und Periodensystem der Elemente, Bindungsarten, Aggregatzustände, Stöchiometrie, Chemische Reaktionen und Kinetik, Säuren und Basen, Oxidation und Reduktion sowie Elektrochemie. Partikelsynthese Die Partikelsynthese beschäftigt sich mit der Erzeugung von Partikeln aller Art durch chemische Methoden. In dieser Vorlesung werden insbesondere die Theorie der Partikelbildung, Verfahren der Partikelsynthese (gasphasen-, flüssig- und feststoffbasierte Synthese), reaktive Partikelsynthese (Schwerpunkt Sol-Gel-Prozesse), neue Methoden der Partikelsynthese sowie die Anwendung der modernen Partikelsynthese zur Herstellung konventioneller und neuartiger Materialien behandelt. Formulierungstechnik Formulierungstechnik enthält die Inhalte: Einführung in die Formulierungstechnik, Produkteigenschaften, Grundlagen der Kolloide, Phasen, Grenzflächen für die Formulierungstechnik, feste Formen, Emulsionen, Suspension, Extrudieren, Anwendung der Formulierungstechnik in der pharmazeutischen- und Lebensmittelindustrie Qualitätswesen und hygienegerechte Gestaltung in der Prozesstechnik Die Vorlesung vermittelt Kenntnisse in den Themenbereichen Qualitätskontrolle, Qualitätsmanagement (QM), Qualitätssicherung und Struktur eines QM-Systems, Dokumentationsaufbau und gesetzliche Regelungen (GMP, FDA, HACCP) und eine Einführung in das Normensystem. Der Ablauf einer Zertifizierung inklusive durchzuführender Audits und der Qualitätsplanung und der Risikoanalyse werden ebenso besprochen wie technische Anforderungen an unterschiedliche Konstruktionselemente und deren Reinigung, wofür einige Grundlagen über Biofilme und Mikroorganismen vermittelt werden.

39 INSTITUT FÜR PARTIKELTECHNIK 35 Materialien und Prozesse für moderne Batteriesysteme Diese neue Vorlesung wird ab dem Sommersemester 2013 im Rahmen des Moduls Neue Technologien angeboten. Moderne Batteriesysteme, für die insbesondere im Rahmen der Elektromobilität großer Bedarf besteht, können ohne neue Materialien (die u.a. auch nanostrukturiert sind) sowie ohne Optimierung der Verfahrenstechnik der Elektroden- und Batteriefertigung keinen Eingang in Massenanwendungen finden. Im Rahmen dieser Vorlesung werden sowohl die unterschiedlichen Materialien für Batteriesysteme erläutert und ihre Herstellung diskutiert, als auch die Prozessierung dieser Materialien zu den einzelnen Komponenten, zur Zelle und zum fertigen System dargestellt. Simulationsmethoden der Partikeltechnik Die Vorlesung gibt einen Überblick über die verschiedenen Möglichkeiten, Prozesse mit Partikeln numerisch zu beschreiben und vermittelt die jeweiligen Grundlagen. Zudem wird die Verknüpfung der unterschiedlichen Methoden zum Einsatz von Multi-Physik- sowie Multi- Skalen-Simulationen gezeigt. Zwei der wichtigsten Methoden, die Diskrete Elemente Methode sowie die Population Balance Methode, werden detailliert besprochen, um darauf aufbauend eigene Simulationen durchführen zu können. Hierbei wird insbesondere auch auf die Kalibrierung der Modellparameter und die Modellvalidierung eingegangen. Verfahrenstechnisches Labor Dieses Labor wird gemeinsam mit dem Institut für Chemische und Thermische Verfahrenstechnik und dem Institut für Bioverfahrenstechnik durchgeführt. Am Institut für Partikeltechnik kann aus folgenden Versuchen ausgewählt werden: Zerkleinerungsversuche an einer Universalmühle und Ermittlung von Partikelgrößenverteilungen, Untersuchungen zur Mischzeit und Mischgüte an einem diskontinuierlich betriebenen Pflugscharmischer, Filterversuch mit einer Labor- Rahmenfilterpresse, verfahrenstechnische Auslegung eines Silos nach der Jenike-Methode, mechanischer Aufschluss von Hefezellen. Arbeitsgebiete Das Institut arbeitet schwerpunktmäßig auf den Themenkomplexen: Zerkleinern, Dispergieren und Beschichten, Batterie-Verfahrenstechnik, Schüttgüter und granulare Medien, Nanopartikel und Nanokomposite und Bio- und Pharmapartikeltechnik. Die Arbeitsgruppe Bio- und Pharmapartikeltechnik ist im Biozentrum der TU angesiedelt. 1. Zerkleinern Feinpartikuläre Produkte finden sich in vielen Industriezweigen wie Pharmazie, Chemie, Maschinenbau, Lebensmittel oder Baustoffbranche wieder. Ein wesentlicher weltweit sichtbarer Forschungsschwerpunkt des Instituts für Partikeltechnik ist daher die Herstellung solcher partikulärer Systeme durch Zerkleinerung, vielfach zur Erzeugung von Nanopartikeln. Die aktuellen Forschungsschwerpunkte fokussieren sich dabei wie folgt: Die Herstellung von Suspensionen im Nanometerbereich durch Nasszerkleinerung in Rührwerkskugelmühlen. Die zu zerkleinernden Partikel können dabei anorganischer oder organischer Natur sein. Neben dem Verständnis der Vorgänge in der Mühle, rückt die anwendungs- oder verarbeitungstechnische Seite bei diesen Prozessen weiter in den Vordergrund, so dass der Zerkleinerungsschritt mit z.b. einem anschließenden Beschichtungsprozess gekoppelt wird.

40 36 INSTITUT FÜR PARTIKELTECHNIK Planetenkugelmühlen können trocken und nass betrieben werden und besitzen einen hohen Stellenwert bei der Entwicklung von Produkten wie Legierungen, Kompositwerkstoffen oder durch mechanochemische Reaktionen hergestellten Materialien. Aktuelle Ziele sind die Erfassung von Mahlkugelbewegungen und die Untersuchung der Übertragbarkeit auf andere Mühlen mit losen Mahlkörpern. Dabei werden am ipat nicht nur reine Zerkleinerungsaufgaben betrachtet, sondern auch mechanochemische Vorgänge untersucht. Neben rein verfahrenstechnischen Projekten arbeitet das IPAT im Bereich der Maschinenentwicklung eng mit industriellen Abb.: Farbänderung durch Zerkleinerung. Partnern zusammen. Dabei stehen im Bereich der Mahlkörpermühlen sowohl Neuentwicklungen als auch Weiterentwicklungen bestehender Mühlen für bestimmte Anforderungen im Fokus. Ergänzend zu allen Projekten wird die Mahlkörperbewegung mittels der Diskreten Elemente Methode simuliert, um ein tieferes Verständnis über die Beanspruchungsvorgänge in den Mühlen zu erhalten und optimale Mühlengeometrien vorausberechnen zu können. 2. Dispergieren und Beschichten Nanopartikel werden häufig durch Pyrolyse als trockenes Pulver oder durch Fällung mit anschließender Trocknung hergestellt. Prozessbedingt liegen die Nanopartikeln nach der Herstellung jedoch nicht als Primärpartikeln, sondern in agglomerierter oder aggregierter Form vor und müssen für die Gestaltung maßgeschneiderter Produkte wie Beschichtungen oder Nanokomposite dispergiert, d.h. zerteilt und umstrukturiert werden. Ziel des Forschungsschwerpunktes Dispergieren ist es, bei diesen Prozessen wichtige Zielgrößen wie Partikelform und -größe durch die Wahl geeigneter Dispergiergeräte sowie Prozess- und Formulierungsparameter einzustellen und die Beziehung zwischen Struktur und Produkteigenschaften zu ermitteln. Die aktuellen Forschungsschwerpunkte fokussieren sich dabei auf die folgenden Teilgebiete: Formulierung und Herstellung nanopartikulärer Dispersionen für Beschichtungen und Polymerkompositwerkstoffe, um die Eigenschaften der Produkte entscheidend zu verbessern und neue Eigenschaften zu generieren. Im Rahmen der Forschergruppe 856 werden Mikrostrukturen für die Herstellung von nanopartikulären Suspensionen für Life-Science-Produkten, wie z.b. Sonnencreme entwickelt und optimiert. Neben den anwendungsorientierten Ansätzen werden Projekte bearbeitet, die sich mit grundlegenden Fragestellungen der Formulierung und Dispergierung nanopartikulärer Dispersionen beschäftigen. Ziel ist es, mit Hilfe innovativer Ansätze neue Möglichkeiten in der Nanopartikelherstellung und Dispergierung zu eröffnen. Beispielsweise werden die Prozessparameter bei der Fällung und Trocknung von Nanopartikeln auf die spätere Redispergierbarkeit und Produkteigenschaften systematisch untersucht.

41 INSTITUT FÜR PARTIKELTECHNIK Batterie-Verfahrenstechnik Allgemeine wissenschaftliche Zielsetzung der Arbeitsgruppe Batterie-Verfahrenstechnik ist die Korrelation von Prozessparametern mit den Produkteigenschaften der Partikel, Suspensionen und Beschichtungen/Elektroden. Insbesondere werden verfahrentechnische Fragestellungen der industriellen Elektrodenherstellung für Lithium-Ionen-, Zink-Luft- und Li-Dual-Ionen Batterien betrachtet. Die Arbeitsgruppe untersucht beispielsweise die Fertigung hierarchisch strukturierter Elektroden mit ein- und mehrschichtigem Aufbau. Im Rahmen der Projekte wird hierfür eine kontinuierliche Beschichtungs- und Verdichtungsanlage für die gezielte Produktionsforschung im Bereich der Elektrodenfertigung betrieben. Neben Eigenschaften der Ausgangspulver, Kompositmischungen und Suspensionen (z.b. Partikelgröße und elektrische Leitfähigkeit) werden Strukturaufbau/-eigenschaften der Elektroden unter anderem durch die Fertigung von Batteriezellen und deren elektrochemische Charakterisierung getestet. Somit können Struktur-Eigenschaftsbeziehungen in Abhängigkeit von Fertigungsprozessen, Formulierungsstrategien und Rezepturdesigns gezielt untersucht werden. Ab nächstem Jahr wird die Prozesskette der Elektrodenfertigung durch einen automatisierten Zellbau von großformatigen Zellen ergänzt. Abgerundet wird die Wertschöpfungskette mit Forschung zum Recycling von Lithium-Ionen-Batterien aus Elektromobilen. Hier wird eine Prozesskette entwickelt und zusammen mit den industriellen Partnern im Pilotmaßstab abgebildet. Der Fokus der Forschung liegt am Institut für Partikeltechnik auf folgenden Forschungsschwerpunkten: Verfahrens-, Fertigungs- und Prozesstechnologie der Elektrodenfertigung: o Trocken- und Nassmischen zur Herstellung von Batteriesuspensionen o Konditionierung, Strukturierung der dispersen Phasen o Beschichtung/Trocknen: diskontinuierlich, kontinuierlich und strukturiert o Kontinuierliche und diskontinuierliche Verdichtung (Kalandrierung) Formulierungsstrategien und Rezepturentwicklung Partikelvorbehandlung: Feinstzerkleinerung, Morphologieanpassung, und Granulation von Batteriegrundstoffen Mechanische und strukturelle Analytik von Elektroden vor und nach dem Betrieb in einer Batterie (z.b. Nanoindentation mechanisch, Hg-Porosimetrie und µ-ct strukturell) Elektrochemische Charakterisierung in Voll- und Halbzelle sowie mittels Impedanzanalyse Partikelbasierte Simulation (DEM) von Elektrodenbeschichtungen mit Schwerpunkt auf mechanischen Systemeigenschaften (Verdichtung, Wickeln, Interkalation von Li-Ionen) Recycling von Lithium-Ionen-Batterien und Realisierung einer Recycling-Pilotanlage für einen Durchsatz von 100 t Batteriezellen / pro Jahr 4. Schüttgüter und granulare Medien Abb. Kontinuierliche Kalandrierung von Elektroden. Schüttgüter werden in Form von Pulvern und Granulaten in vielen Industriebranchen, wie z.b. der Lebensmittel-, Pharma-, Chemie- und Bauindustrie, eingesetzt. Je nach Fließeigenschaften des Schüttguts können bei der Lagerung und Förderung verschiedene Probleme auftreten. So führen z.b. die Brücken- oder Schachtbildung, Entmischungen oder das so genannte Schießen (schlagartiges Fluidisiren des Schüttgutes) zu besonderen Herausforderungen bei der verfahrenstechnischen Gestaltung. Für die Messung der Eigenschaften granularer Medien werden unterschiedliche Messverfahren eingesetzt: Auf makroskopischer Ebene werden die Fließeigenschaften und das Zeitfließverhalten mit der Zweiaxialbox, dem Anisotropie-Tester und

42 38 INSTITUT FÜR PARTIKELTECHNIK mit Standard-Schergeräten ermittelt. Außerdem werden auf mikroskopischer Ebene die Haftkräfte von Einzelpartikeln mit einem Rasterkraftmikroskop und das Verformungsverhalten mit einem Nanoindenter detailliert untersucht. Darüber hinaus seit Juli 2011 am Institut für Partikeltechnik mit der Röntgenmikrotomographie (XMT) eine neue Messmethode zur zerstörungsfreien Analyse mikrostrukturierter Proben zur Verfügung. Der hochauflösende Computertomograph liefert mit Ortsauflösungen von 20 μm/voxel bis 500 nm/voxel (Bildbereiche 50 mm bis 500 μm) einen detaillierten Einblick in die innere Struktur unterschiedlichster Proben. Um wichtige Informationen über den Einfluss mikromechanischer Parameter auf das makroskopische Verhalten zu gewinnen wird in einem interdisziplinären Forschungsprojekt mit der Universität Duisburg-Essen die Entwicklung und Charakterisierung der Struktur gescherter kohäsiver Schüttgüter (DFG- Schwerpunktprogramm 1486) betrachtet. Die Ergebnisse bilden eine neue strukturbasierte Grundlage zur Analyse des kontaktmechanischen Verhaltens kohäsiver Partikel und ermöglichen einen direkten Vergleich mit numerischen Simulationen. Für die numerische Beschreibung des mechanischen Verhaltens granularer Medien werden die Diskrete- Elemente- sowie die Finite-Elemente-Methode eingesetzt. In diesem Bereich wird die Arbeitsgruppe Schüttgüter und granulare Medien ab 2014 im Rahmen des europäischen Projekts T-MAPPP durch vier Doktoranden verstärkt werden, die ihre Promotion teilweise oder komplett im Institut durchführen. T-MAPPP steht dabei für Training in Multiscale Analysis of multi-phase Particulate Processes und wird finanziert durch Marie Curie Actions der Europäischen Union. Ziel ist dabei eine systematische Schulung der teilnehmenden Doktoranden und die Entwicklung von einer Methode für die Modellierung von industriellen Prozessen mittels einer Multiscaling Analyse. 5. Nanomaterialien Abb.: Schnittansicht (oben) und Volumenansicht (unten) von Glaspartikeln (d ~ 75 µm). Nanomaterialien sind heutzutage schon buchstäblich in aller Munde, denn selbst Ketchup oder Salz enthalten oftmals Nanopartikel als Fließhilfsmittel. Während bei diesen Anwendungen die genaue Einstellung der Partikelgröße keine so große Rolle spielt, könnten Nanomaterialien mit Abb. (v. l. n. r.): ZrO2-Nanopartikeln von 2 nm Größe; transparente Nanokomposite; Dispersion von lumineszierenden Nanopartikeln (normal- und UV-Licht); strukturierte Nanokomposite als optische Elemente. exakt definierter Größe, Form und Oberflächenchemie bald unser tägliches Leben verändern. Magnetische Nanopartikel mit speziellen Eigenschaften könnten beispielsweise als Alternative zur Chemotherapie eingesetzt werden, um Krebszellen gezielt zu zerstören, ohne aber den restlichen Körper übermäßig zu belasten. Hier ist es entscheidend, Partikel mit exakt gleicher Größe und Zusammensetzung sowie definierten Oberflächeneigenschaften bereitzustellen, ansonsten würden sie sich im Körper unterschiedlich verhalten und unerwünschte Wechselwirkungen auftreten. Dies ist aber mit den heute in großen Maßstäben üblichen Herstellverfahren von Nanopartikeln nur

43 INSTITUT FÜR PARTIKELTECHNIK 39 eingeschränkt möglich. Eine viel versprechende Alternative ist die bottom up -Synthese ausgehend von molekularen Bausteinen: sie macht Nanomaterialien mit genau kontrollierten Eigenschaften auch in großen Mengen möglich. Durch gezielte Auswahl des Reaktionsmediums bzw. der verwendeten Ausgangsstoffe kann zudem eine Einstellung der genauen Größe und Form der entstehenden Nanopartikeln erfolgen. Nach Herstellung der Partikel ist die Kontrolle ihrer Oberflächenchemie wichtig, um ihre Agglomeration zu verhindern und somit ihren optimierten Einsatz in optischen Materialien, wie neuartigen Linsen oder Hologrammen, zu ermöglichen. Außerdem werden die Oberflächeneigenschaften dieser Materialien manipuliert, um ganz bestimmte Wechselwirkungen zu erzeugen, etwa das Wachstum von Polymeren an Nanopartikeln zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen mit verbessertem Ermüdungsverhalten oder die selektive Anbindung von Proteinen zur Aufreinigung von Produkten in der Biotechnologie. Ein weiterer Schwerpunkt des Bereichs Nanomaterialien am ipat ist die Abscheidung ultradünner Filme aus Nanopartikeldispersionen, die beispielsweise als photokatalytisch aktive Schichten zur Schadstoffentfernung genutzt werden können, sowie die Synthese funktionaler nanoskaliger Materialien für Lithium-Ionen-Batterien, weitere zukünftige Batteriesysteme (Lithium-Luft, Lithium-Schwefel, etc.) und Brennstoffzellen. 6. Bio- und Pharmapartikeltechnik Innerhalb dieses Forschungsschwerpunktes werden biotechnologische Prozesse auf der mikroskopischen wie auch der makroskopischen Skala im Grenzgebiet zwischen Biotechnologie und Partikeltechnik untersucht. Die Betrachtung von Mikroorganismen als biologische Partikel erlaubt die Anwendung von Erkenntnissen und Methoden sowohl aus den biologischen als auch den ingenieurwissenschaftlichen Wissensgebieten. Somit können z.b. Zellwänden Kennwerte bezüglich ihrer mechanischen Eigenschaften zugeordnet werden, die sonst nur im Ingenieurwesen Anwendung finden. Auf der anderen Seite kann der Einfluss der Kultivierungsbedingungen oder auch bestimmter Gene auf diese Kennwerte untersucht werden. Die Kombination dieser beiden Wissensgebiete führt zu neuen Ansätzen und Methoden, die ganz neue Einblicke in die Welt der Mikroorganismen liefern. Für die Untersuchungen von einzelnen Mikroorganismen, die sich im Größenbereich weniger Mikrometer bewegen, kommen hochentwickelte Messgeräte wie das Rasterkraftmikroskop (AFM) und der Nanoindenter zum Einsatz. Aktuelle Arbeiten umfassen die Messung von Haftkräften und mechanischen Eigenschaften einzelner Mikroorganismen und sogar ganzen Biofilmen. Ferner werden Untersuchungen zum Transport von Nanopartikeln in Böden durchgeführt. Diese zunächst grundlagenorientiert erscheinenden Untersuchungen haben konkrete anwendungsbezogene Hintergründe: So entscheiden die Haftkräfte von Sporen des Pilzes Aspergillus niger über dessen Wuchsform und somit über die Produktivität des Pilzes in einem biotechnologischen Prozess. Die mechanischen Eigenschaften einer Zelle haben entscheidenden Einfluss auf den Zellaufschlussprozess, während die mechanischen Eigenschaften eines Biofilms bei der Reinigung von Anlagen wichtig werden. Das Transportverhalten von Nanopartikeln in Böden soll Aufschluss über die Verbreitung dieser synthetisch erzeugten Partikel in der Umwelt geben. Abb.: Rasterkraftmikroskopische Aufnahmen von: Saccharomyces cerevisiae (links) und Escherichia coli (rechts).

44 40 INSTITUT FÜR PARTIKELTECHNIK Themenbeispiele für Bachelor-, Master-, Studien- und Diplomarbeiten Zerkleinern Verarbeitung von nanopartikulären Wirkstoffen zu neuartigen festen Formen (Steiner) Feinstzerkleinerung organischer Materialien in Rührwerkskugelmühlen (Flach) Messung der Mahlkörperverteilung in Rührwerkskugelmühlen mit innovativen Methoden (Schons) Dispergieren und Beschichten Simulation des Dispergier- und Zerkleinerungsprozesses mittels Populationsbilanzen (Gronau) Untersuchung und Charakterisierung nanopartikulärer Beschichtungen (Hesselbach) Dispergierung und Charakterisierung von Nanokompositstrukturen (B. Finke) Synthese, Struktur und Mechanik nanostrukturierter Aggregate (Schilde) Batterie-Verfahrenstechnik Strukturoptimierte Anoden für wiederaufladbare Zink-Luft-Batterien (Titscher) Mechanische Verspannung von Lithium-Ionen-Batteriezellen (Meyer) Kontinuierliche Suspensionsherstellung für Lithium-Ionen-Batterieelektroden (Dreger) Gezielte Strukturierung von Elektroden durch Herstellverfahren und Prozessstrategien (Westphal) Verfahrens- und Prozesstechnik zur Strukturierung und Fertigung von Elektroden für Dual- Ion Batterien (Froböse) Formulierungsstrategien für Batteriesuspensionen gezielt Strukturen erzeugen und analysieren (Bockholt) Lagern und Fließen von Partikeln (Schüttgütern) 3D Strukturanalyse partikulärer Systeme Entwicklung von Messmethoden zur Bestimmung von Partikel- und Schüttguteigenschaften DEM Simulation zur Charakterisierung partikulärer Prozesse Entwicklung von Analyseverfahren und Beschreibung von kompaktierten bzw. tablettierten Systemen Nanomaterialien Synthese und Stabilisierung von Aluminiumzinkoxid-Nanopartikeln zur Anwendung in der Solarindustrie (Zellmer) Synthesis and stabilization of titanium dioxide nanoparticles for thin film production (Salmatonidis) Multifunktionale Hybridstrukturen durch Kombination verschiedener nanopartikulärer Metalloxide (Preller). Synthese nanoskaliger Metalloxide als Aktivmaterialien für Batterien und Brennstoffzellen (Runge). 2-Stufige Modifizierung von Aluminiumoxid-Nanopartikeln für optimierte Nanokomposite (Kockmann)

45 INSTITUT FÜR FLUGANTRIEBE UND STRÖMUNGSMASCHINEN Braunschweig Technische Universität Braunschweig Prof. Dr.-Ing. J. Friedrichs Hermann-Blenk-Straße Braunschweig Tel.: (0531) Fax.: (0531) Institutsleitung: Prof. Dr.-Ing. Jens Friedrichs Prof. Dr.-Ing. a.d. Günter Kosyna Sekretariat: Annette Woyde Katrin Sielemann Akademischer Direktor: Dr.-Ing. Detlev Wulff Wissenschaftliche Mitarbeiter: Dr.-Ing. Thomas Kenull Kevin Dwinger Alexander Skorpel Jan-Hendrik Krone Gerald Reitz Thore Bastian Lindemann Nils Budziszewski Stefano Tosin Caglar Atalayar Marc Bauer Heiko Schwarz Markus Raben Charlotte Hertel Christoph Bode Lars Müller Andreas Kellersmann Constance Heykena Studienfachberatung: Heiko Schwarz Lehrveranstaltungen / Module (Bachelor) WS 2V 1Ü 4LP Friedrichs Grundlagen der Strömungsmaschinen WS 2V 1Ü 2L 6LP Friedrichs Grundlagen der Strömungsmaschinen mit Labor SS 2V 1Ü 4LP Friedrichs, Grundlagen der Umweltschutztechnik Kwade SS(ab14) 2V 1Ü 4LP Friedrichs Regelungstechnik-Grundlagen WS / SS 14LP Friedrichs, Bachelorarbeiten wiss. Mitarbeiter 1

46 42 INSTITUT FÜR FLUGANTRIEBE UND STRÖMUNGSMASCHINEN Lehrveranstaltungen / Module (Master) WS 2V 1Ü 5LP Friedrichs Hydraulische Strömungsmaschinen SS 2V 1Ü 5LP Saathoff Thermische Strömungsmaschinen / Gas- und Dampfturbinen WS 2V 1Ü 5LP Friedrichs, Messtechn. Methoden an Strömungsmaschinen Wulff WS/SS 2V 1Ü 3L 11LP Friedrichs, Messtechn. Methoden an Strömungsmaschinen Wulff mit Labor SS 2V 1Ü 5LP div. Dozenten Regenerative Energietechnik WS 2V 1Ü 5LP Scholl, Friedrichs, Numerische Simulation (CFD) Krewer WS 2V 1Ü 5LP Friedrichs, Systeme der Windenergieanlagen Wulff WS / SS 17LP Friedrichs, Studienarbeiten wiss. Mitarbeiter WS / SS 30LP Friedrichs Masterarbeiten wiss. Mitarbeiter Inhalte der Module: Grundlagen der Strömungsmaschinen (WS 2V 1Ü) 4LP mit Labor (WS 2V 1Ü 2L) 6LP Allgemeine strömungstechnische Grundlagen Wirkungsweise und betriebliches Verhalten der Strömungsmaschinen Besonderheiten hydraulischer Maschinen Thermische Strömungsmaschinen Hydrodynamische Wandler und Sonderbauarten von Pumpen Labor: Anhand ausgewählter Beispiele werden die in der Vorlesung erlernten theoretischen Grundlagen praktisch angewendet und die in den Versuchen angeführten Aufgabenstellungen selbstständig bearbeitet und diskutiert. Grundlagen der Umweltschutztechnik (SS 2V 1Ü) 4LP Feste, Flüssige, gasförmige Schadstoffe Messmethoden für verschiedene Schadstoffe Schadstoffe und Schadstoffausbreitung in der Atmosphäre Verbrennungsschadstoffe Lärm- und Lärmschutz Technikbewertung & rechtliche Aspekte Auswahl von Messgeräten Auswertung von Messungen

47 INSTITUT FÜR FLUGANTRIEBE UND STRÖMUNGSMASCHINEN 43 Regelungstechnik Grundlagen (ehem. ILR) (SS 2V 1Ü) 4LP Methoden der klassischen Regelungstechnik Grundlegende Eigenschaften dynamischer Systeme Mathematische Methoden zur Analyse linearer Differentialgleichungen Regelkreis, Stabilität linearer Regelsysteme Reglerentwurf (Wurzelortskurve, Bode-Diagramm, Nichols-Verfahren). Hydraulische Strömungsmaschinen (WS 2V 1Ü) 5LP Entwurf von Kreiselpumpen Erfassung von Kavitationserscheinungen Betrachtung von mechanischen Reaktionen Ausführungsformen von Kreiselpumpen Betrachtung von Dichtungssystemen Thermische Strömungsmaschinen / Gas- und Dampfturbinen (SS 4V 1Ü) 5LP Historische Entwicklung der Gas- und Dampfturbinen Typen von Gas- und Dampfturbinen; Gas- und Dampfturbinenkraftwerke Module von Gas- und Dampfturbinen (Verdichter, Brennkammer, Turbine) Instationäre Strömungsvorgänge Konstruktion und Werkstoffauswahl Ausgewählte Kapitel der thermischen Strömungsmaschinen Betriebsverhalten von Gas- und Dampfturbinen Messtechnische Methoden an Strömungsmaschinen (WS/SS 2V 1Ü 3L) 5LP mit Labor 11LP Analoge und digitale Signale deterministische und stochastische Signale statistische Eigenschaften von Messsignalen, Fouriertransformation, Wavelettransformation Messfehler und Kalibrierung, Fehlerfortpflanzung Messgeräte und Messverfahren Messketten, Mehrkanalanlagen, Telemetrie Normung und Richtlinien Abnahmeversuche Labor: Anhand ausgewählter Beispiele werden die in der Vorlesung erlernten theoretischen Grundlagen praktisch angewendet und die in den Versuchen angeführten Aufgabenstellungen selbstständig bearbeitet und diskutiert. Regenerative Energietechnik (WS 2VL 1Ü) 5LP Überblick über Formen und Umfang regenerativer Energien Solarthermische Kraftwerke Biomasse, Geothermie, Biogas Thermische Solarenergie für Raumheizung und Warmwasserbereitung Photovoltaik, Windenergieanlagen, Wasserkraftanlagen

48 44 INSTITUT FÜR FLUGANTRIEBE UND STRÖMUNGSMASCHINEN Numerische Simulation (CFD) (WS 2VL 1Ü) 5LP System der Bilanzgleichungen der Fluiddynamik Grundlagen der Turbulenzmodellierung Grundlagen der Berechnung von Zweiphasenströmungen Diskretisierung und numerische Lösungsverfahren, Finite-Volumenmethode Methoden zur Lösung nichtlinearer algebraischer Gleichungssysteme Konvergenz und Stabilität der Diskretisierungsschemata Beurteilung und Validierung der Ergebnisse Übersicht über kommerzielle CFD-Programmsysteme Simulationsübungen mit FLUENT Systeme der Windenergieanlagen (ab WS13/14 2VL 1Ü) 5LP Historische Entwicklung und strömungsmechanische Grundlagen Energiewandlung, Schnelllaufzahl, Leistungszahl, Modellgesetze Widerstandsläufer Auftriebsläufer Konstruktiver Aufbau Auslegungsverfahren, Profiltheorie, Profilauswahl Steuerung und Regelung Anlagenkonzepte (netz- und windgeführte Anlagen) Planung, Betrieb und Wirtschaftlichkeit Windparks onshore offshore Berechnung der Leistung einer WEA Auslegung einer WEA für verschiedene Windangebote Zusätzliche Lehrangebote SS 2V 1Ü 4LP Friedrichs Kreisprozesse der Flugtriebwerke SS 2V 1Ü 4LP Friedrichs Bauelemente von Strahltriebwerken WS 2V 1Ü 5LP Friedrichs Airline-Operation WS 2V 1Ü 5LP Friedrichs Entwurf von Flugtriebwerken SS 2V 1Ü 5LP Friedrichs Regelung und Betriebsverhalten von Flugtriebwerken SS 2V 1Ü 5LP Friedrichs Triebwerks-Maintenance Arbeitsgebiete Die Forschungsschwerpunkte des Instituts liegen im Bereich der Energietechnik auf dem Gebiet der Kreiselpumpen und der Ventilatoren. Wichtige Themenkreise sind derzeit das Betriebsverhalten von Axialmaschinen im Teillastbereich, Optimierung von Kreiselpumpen, Verfahren zur Schadensfrüherkennung sowie neuartige Dichtungskonzepte für thermische Strömungsmaschinen. Im einzelnen werden derzeit folgende Forschungsvorhaben bearbeitet:

49 INSTITUT FÜR FLUGANTRIEBE UND STRÖMUNGSMASCHINEN Axialventilatoren und -verdichter: 1.1 Optimierung von Verdichter-Beschaufelungen durch 3D-Schaufelentwurf: Das Institut für Strömungsmechanik und das Institut für Flugantriebe und Strömungsmaschinen arbeiten gemeinsam im Rahmen des EU-Forschungsvorhabens AdComB - Advanced 3D Compressor Blade Design - an der Verbesserung von Flugtriebwerks- Verdichter-Beschaufelungen. Hierzu werden an einem 1,5-stufigen Niedergeschwindigkeitsverdichter, dessen Beschaufelung repräsentativ für eine mittlere Stufe eines modernen Flugtriebwerk-Verdichters ist, experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Diese Untersuchungen umfassen den Einsatz modernster Messeinrichtungen. Folgende Messtechniken kommen u.a. zum Einsatz: stationäre und instationäre Messdatenerfassung Telemetrie Heissfilmmesstechnik Visualisierungstechniken Unter Berücksichtigung der experimentellen Ergebnisse werden im weiteren Verlauf des Vorhabens weitere Verdichterstufen entworfen, wobei im Gegensatz zum konventionellen Entwurf der ursprünglichen Stufe 3D-Eigenschaften wie Pfeilung und V-Stellung angewendet werden, um die Stufendruckerhöhung und den Wirkungsgrad signifikant zu verbessern. Darüber hinaus dienen die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen der Validierung numerischer Strömungsberechnungen, die am Institut für Strömungsmechanik mit Hilfe eines CFD-Codes gewonnen wurden. 1.2 Rotating Stall in Axialventilatoren Der nutzbare Kennfeldbereich von Axialventilatoren wird in Richtung abnehmender Lieferzahlen durch die Abreißgrenze eingeschränkt. Wird die Abreißgrenze im Betrieb überschritten, so kommt es zu einem schlagartigen Abfall der Druckumsetzung und des Wirkungsgrads. Die Ursache für den Kennlinieneinbruch liegt in einer oder mehreren Zellen abgelöster Strömung innerhalb der Rotor-Beschaufelung. Diese Stall-Zellen laufen relativ zum Rotor in der Beschaufelung um. Nach Lehrbuchauffassung wird Rotating Stall durch abgelöste Schaufelprofil-Grenzschichten ausgelöst. Neueren Untersuchungen zur Folge können auch abgelöste Gehäuse-Grenzschichten Auslöser für Rotating Stall sein. Das Ziel eines neuen Forschungsvorhabens ist es deshalb, die Strömungsphänomene, die zur Stall-Auslösung führen, genauer zu untersuchen. Dazu werden Messungen an drei, vom Entwurfspunkt her unterschiedlichen einstufigen Axialventilatoren vorgenommen. Bei den Messungen handelt es sich vorrangig um Sonden- und Druckverteilungs-Messungen mit einer zeitlich hochauflösenden Messtechnik. Daneben sind auch Visualisierungs-Versuche der Strömung am Gehäuse und in der Beschaufelung geplant. Einen weiteren Schwerpunkt des Vorhabens bildet die Untersuchung und Erprobung einer aktiven Maßnahme zur Unterdrückung der Stall-Auslösung. Die insgesamt bei den Versuchen gewonnenen Erkenntnisse sollen dazu führen, dass bereits beim Entwurf eines Axialventilators eine zuverlässige Vorhersagemöglichkeit der Abreißgrenze zur Verfügung steht.

50 46 INSTITUT FÜR FLUGANTRIEBE UND STRÖMUNGSMASCHINEN 1.3 Stator und Rotor Clocking an mehrstufigen Axialverdichtern Die Entwicklung moderner Flugtriebwerke ist wesentlich gekennzeichnet durch das Bestreben die Größe und das Gewicht der Maschinen zu reduzieren und den Maschinenwirkungsgrad zu steigern. Dies gilt insbesondere für den Axialverdichter als wesentliche Komponente des Triebwerkes, dessen Wirkungsgrad bereits ein beachtliches Niveau erreicht hat. In der Fachliteratur besteht Einigkeit darüber, dass die Voraussetzung für weitere Wirkungsgradsteigerungen in einer Erlangung fundierteren Wissens über die instationäre Verdichterströmung liegt. Ein Grund für die hohe Instationarität besagter Strömung sind die Wechselwirkungen benachbarter Stufen oder Schaufelreihen, die über ihre Nachläufe wesentlich zur Turbulenzproduktion und Verlustentstehung innerhalb der Maschine beitragen. Eine Möglichkeit diese nachlaufinduzierten, instationären Effekte gewinnbringend zu nutzen, besteht in einer speziellen Anordnung benachbarter Stator- oder Rotorschaufelreihen zueinander, dem so genannten Clocking oder Indexing. Im Verbundprojekt VerDeMod (Verdichterdesign und -modellierung) soll die Nutzbarkeit dieses so genannten Clocking Effekts für einen Einsatz in Axialverdichtern sowohl numerisch als auch experimentell am 2-stufigen Niedergeschwindigkeits-Axialverdichter der TU Braunschweig untersucht werden. Das von Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms IV in Auftrag gegebene Forschungsvorhaben bearbeiten das Institut für Strömungsmechanik auf numerischer Seite und das Institut für Flugantriebe und Strömungsmaschinen der TU Braunschweig (Experiment und Validierung). 1.4 Auslegung von Niederdruck Axialventilatoren Im Rahmen eines AiF-Projektes mit der Forschungseinrichtung für Lüftungs- und Trocknungstechnik werden am Institut für Flugantriebe und Strömungsmaschinen Untersuchungen zur Auslegung von Niederdruck Axialventilatoren mit Sichelung durchgeführt. Obwohl diese Ventilatoren in sehr großen Stückzahlen von der Industrie gefertigt werden, gibt es für diese Ventilatoren bislang noch keine zuverlässigen Auslegungsverfahren. Im Rahmen dieses Vorhabens soll nun ein Auslegungsverfahren entwickelt werden. Hierzu besitzt das IFAS einen eigenen Prüfstand an dem Ventilatoren bis zu einem Durchmesser von 700mm Ventilatoren untersucht werden können. Neben Kontrollmessungen an Ventilatoren aus der Industrie werden hier auch selbst entworfene Ventilatoren unter zur Hilfenahme unterschiedlicher Messverfahren umfangreich untersucht. Hierzu werden neben verschiedenster Sondenmessungen auch Hitzdrahtund PIV-Messungen durchgeführt. Neben der Beurteilung des Strömungsverhaltens werden die Ventilatoren auch hinsichtlich ihrer Schallemissionen bewertet und Entwurfsverfahren zur Reduzierung der Schallemission entwickelt sowie experimentell validiert.

51 INSTITUT FÜR FLUGANTRIEBE UND STRÖMUNGSMASCHINEN Schadensfrüherkennung an Unterwassermotorpumpen: Unterwassermotorpumpen werden vielfach in mehreren 100 m Wassertiefe eingesetzt und sind demzufolge häufig schwer zugänglich. Aus diesem Grund ist man an einer Überwachung und Schadensfrüherkennung interessiert, die ohne störanfällige Messwertaufnehmer in der Unterwassermotorpumpe selbst auskommt. Eine elegante Möglichkeit zur Erkennung bestimmter abnormaler Betriebszustände ist deshalb die Analyse zeitlicher Änderungen der Motorstromaufnahme. Betriebliche Unregelmäßigkeiten beeinflussen den Momentenfluss zwischen Motor und angetriebener Maschine. Diese Momentenänderungen bilden sich in der Motorstromaufnahme ab und können mit entsprechender Analysetechnik nachgewiesen werden. In einem in der jüngsten Vergangenheit durchgeführten Projekt wurden charakteristische Muster in den Signalen der Motorstromaufnahme detektiert, die bestimmten Störfällen zugeordnet werden können und somit eine Schadensfrüherkennung ermöglichen. Die Störfälle wurden dabei durch entsprechende Modifikation der Aggregate herbeigeführt und im Vergleich zum Originalzustand der Maschine untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass die meisten für Unterwasserpumpen sowie für andere Kreiselpumpenarten typischen Maschinenfehler und unzulässigen Betriebsweisen anhand der Motorstromanalyse erkennbar sind. In einem Feldversuch wurde als nächster Schritt die praktische Eignung erprobt, wenn die Maschinenfehler und Betriebsstörungen nicht durch Simulation, sondern durch natürlichen Verschleiß bzw. durch den Eintritt von Störereignissen entstehen. Das Expertenwissen aus dem vorangegangenen Projekt wird dabei anhand der hier gewonnenen Ergebnisse überprüft und erweitert. Hieraus wurden Algorithmen für die Maschinenüberwachung in Echtzeit erstellt. 3. Kleine Kreiselpumpen: An kleinen Kreiselpumpen wie z.b. PKW-Kühlmittelpumpen werden im Industrieauftrag Entwicklungsarbeiten durchgeführt. Aufgaben hierbei sind: Entwurf, Fertigung und Vermessung von kleinen Kreiselpumpen für vorgegebene Betriebsbedingungen. Vollständige Entwicklung von Pumpen bis zur Vorserienreife. Herstellung von Vorserienmustern. Anpassung vorgegebener Pumpen an geänderte Einsatzbedingungen. 4. Kavitation in Kreiselpumpen: Beim Einsatz von Kreiselpumpen muss die Kavitation auf ein noch zu tolerierendes Maß beschränkt werden, um Schädigungen und vorzeitige Ausfälle zu vermeiden. Als einfach anwendbares Kriterium für das zulässige Ausmaß der Kavitation wird in der Praxis vielfach der kavitationsbedingte Förderhöhenabfall angewendet. Nachteilig bei diesem Kriterium ist, dass hiermit der sehr komplexe Einfluss der Kavitation auf die Förderhöhe sowie die Auswirkungen der heterogenen Strömungsstrukturen bei Kavitation nur unvollkommen beschrieben werden können. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist ein besseres Verständnis des Einflusses der Kavitationsvorgänge auf das Förderverhalten von Kreiselpumpen. Im Mittelpunkt steht eine neuartige Methode zur Untersuchung der instationären Schaufeldruckverläufe im Verbund mit simultan durchgeführter videogestützter optischer Beurteilung des Kavitationsbildes. Durchgeführt werden die Untersuchungen an mehreren Kreiselpumpenlaufrädern radialer und halbaxialer Bauart. Zur Analyse des Ablaufs der Kavitation kommen dabei neben instationären Druckmessungen auch Hochgeschwindigkeitsaufnahmen zum Einsatz. Darüber hinaus erfolgt mit dem institutseigenen PIV-System (Particel Image Velocimetry) die Untersuchung der kavitierenden Laufradströmung.

52 48 INSTITUT FÜR FLUGANTRIEBE UND STRÖMUNGSMASCHINEN 5. Optimierung von Fluidmaschinen durch den Einsatz von CFD Heutzutage werden Fluidmaschinen wie Pumpen und Kompressoren nicht mehr nach dem Stromlinienverfahren entworfen, angefangen bei den Eingangsparametern bis zum Prototyp, sondern die Entwicklung findet in einem iterativen Prozess statt. Die kontinuierliche Verbesserung der Entwurfs und Bautechniken für diese Maschinen ermöglichen es immer höhere Wirkungsgrade zu erreichen. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei darauf die Grenzen der aktuell verwendeten Methoden zu überwinden. Hierzu werden z.b. automatische Optimierungssysteme verwendet die den Design-Prozess durch den Einsatz von numerischen Simulationen (CFD) überprüfen und weiter verbessern. Ein derzeitiges Forschungsgebiet des IFAS ist die Entwicklung eines eigenen Design- Optimierer-Codes, welcher in der Lage sein soll, das gesamte Design-Verfahren zu koordinieren, ausgehend von den Entwurfsparametern bis zur fertigen Geometrie. Die Geometrie wird anschließend simuliert und auf ihre Eignung hin überprüft. Anschließend wird die Geometrie in einem iterativen Prozess weiter optimiert. Das laufende Forschungsvorhaben arbeitet mit einem Design und Redesign Konzept welches mit Hilfe von verschiedenen Optimierer-Codes arbeitet und die Optimierung in einem iterativen Prozess durchführt. 6. Untersuchung und Optimierung von Bürstendichtungen für den Einsatz in Strömungsmaschinen Im Streben nach weiterer Wirkungsgradsteigerung gilt es, die Leckageverluste in den Spaltdichtungen von Strömungsmaschinen weiter zu minimieren. Ein vielversprechender Ansatz wird dabei in der Verwendung von Bürstendichtungen gesehen, welche bedingt durch den radial adaptiven Aufbau einer Rotorexzentrizität folgen können und minimal kleine Spaltweiten zulassen. Diese Dichtungsform hat ihre grundsätzliche Eignung bereits bewiesen und wird, im Bereich der Dampfturbine, zur Abdichtungen von Wellendurchführungen, des Schaufelpfades oder bei Turbinen kleinerer Labyrinthdichtung mit Bürstendichtungen, Wellendichtung Labyrinthdichtung inkl. Bürstendichtungen, Schaufelpfad Labyrinthdichtung mit Anstreifbelägen, Schubausgleichkolben Hochdruckturbine, SIEMENS AG, verändert [VGB-Fachtagung 2012, Dampfturbinen und Dampfturbinenbetrieb] Leistungsklasse auch zur Abdichtung des Schubausgleichkolbens verwendet. Im Fokus der Entwicklung steht neben der Prüfung der Langzeitstandfestigkeit bei hohen Drücken auch die Eignung der Dichtungen in Bezug auf eine flexible Betriebsweise moderner Kraftwerke. Hierfür betreibt das IFAS in Zusammenarbeit mit der Industrie einen weitgehend automatisierten Heißdampf-Dichtungsprüfstand, welcher mit Heißdampf aus dem Heizkraftwerk-Mitte in Braunschweig versorgt wird. Neben der realitätsnahen Untersuchung von Bürstendichtungen im Heizkraftwerk-Mitte werden die Dichtungen zur Bestimmung der individuellen Dichtungseigenschaften mit einer Mess- und Prüfeinrichtung im Institut mit Druckluft vermessen, analysiert und kostengünstig für die Versuche im Kraftwerk vorausgewählt.

53 INSTITUT FÜR FLUGANTRIEBE UND STRÖMUNGSMASCHINEN Numerische Strömungsberechnung: Mit Hilfe des kommerziellen Softwarepaketes ANSYS-CFX werden an verschiedenen Geometrien wie Triebwerkskomponenten, Versuchsverdichtern, Pumpenlaufrädern und Ventilatorstufen Strömungsberechnungen durchgeführt. Im Bereich der Flugantriebe ist das Ziel, existierende Verschleißphänomene sowie neue Antriebskonzepte und Komponententechnologien hinsichtlich ihres Wirkungsgradeinflusses zu untersuchen. Über die kommerzielle Vernetzungssoftware ICEM-CFD werden dazu vorzugsweise blockstrukturierte Netze erstellt, die einerseits eine hohe Berechnungsqualität ermöglichen und andererseits die vorhandenen Hardware- Ressourcen effizient nutzen. Nach der Validierung von Simulationen über Messergebnisse ermittelt mit Prüfständen ist es unter anderem möglich, Parameterstudien oder Vorausberechnungen für neue Geometrien durchzuführen, bei denen Experimente nicht möglich oder sehr zeitintensiv sind. Für den Neuentwurf und die Beurteilung von Laufrädern kommt darüber hinaus das kommerzielle Softwarepaket ANSYS Blade-Modeler zum Einsatz. Dieses ermöglicht eine weitgehend automatisierte Gittergenerierung direkt aus dem Entwurfsprogramm, so dass die Einflüsse von Änderungen im Laufraddesign auf die Strömung schnell untersucht werden können. 8. Messtechnik an Strömungsmaschinen: Weiterentwicklung von Messverfahren zur zeitlich bzw. örtlich aufgelösten Messung der Druck- und Geschwindigkeitsverteilungen in Strömungsmaschinen. Hierzu werden mit Subminiatur-Druckaufnehmern bestückte Sonden und die erforderlichen Auswerteverfahren entwickelt. Mittels Telemetrieanlagen werden Signale aus rotierenden Systemen berührungslos übertragen, damit lassen sich auch Vorgänge, die bezogen auf das rotierende System instationär sind, detailliert untersuchen. Mit Hitzdraht- Messsystemen können insbesondere auch in Wandnähe, wo herkömmliche Sonden aufgrund ihrer Größe ungeeignet sind, Messungen instationärer Geschwindigkeiten vorgenommen werden. Particle Image Velocimetry (PIV) erlaubt die zeitgleiche und berührungslose Messung von Geschwindigkeitsfeldern. Mit einer Kamera lassen sich zwei Geschwindigkeitskomponenten messen (2C-2D), mit stereoskopischer Anordnung von zwei Kameras lassen sich alle 3 Komponenten messen (3C-2D).

54 50 INSTITUT FÜR FLUGANTRIEBE UND STRÖMUNGSMASCHINEN Themenbeispiele für Bachelor- und Masterarbeiten Entwurf und Anwendung eines Grenzschichtrechenprogramms für ebene Schaufelgitterströmungen Strömungstechnische Optimierung der Laufradgeometrie von Radial- und Halbaxialpumpen Untersuchung von Triebwerkskomponenten mit 2D- und 3D-PIV-Verfahren Erweiterung des Modells zur Berechnung der Leckage von Bürstendichtungen Numerische Simulation der Strömung durch Axialventilatorstufen Numerische Untersuchung der instationären Strömung in einer Axialpumpe Theoretische Untersuchung der Belastungsgrenze von hochbelasteten Leitradbeschaufelungen Entwicklung von Algorithmen zur automatisierten Auswertung von Frequenzspektren Umsetzung eines Entwurfsprogrammes zur Berechnung von Axialventilatoren Ausstattung des Instituts für Flugantriebe und Strömungsmaschinen: Prüfstände zur Untersuchung von: Kreiselpumpen bis DN 150/ DN 300 Axialpumpen bis DN 500 Niedergeschwindigkeits-Axialverdichters in DN 600 Axialventilatorer in DN 400 Niederdruck-Axialventilatoren bis DN 700 Weitere Prüfstände Gitterwindkanal 0,3 x 0,9 m Windkanal zur Kalibrierung von Strömungsmesssonden Großer Wasserkanal bis 6 m/s Mess- und Prüfeinrichtung für Bürstendichtungen DN 300 bis 8 bar Heißdampfprüfstand für Bürstendichtungen im Kraftwerk BS Mitte Geräte: Rechnergestützte Messwerterfassungsanlagen für stationäre und instationäre Messsignale Telemetrieanlagen Hitzdraht-Messsysteme zur Messung instationärer Geschwindigkeiten 2C-2D- und 3C-2D-Particle Image Velocimetry (PIV) zur berührungslosen Messung von Geschwindigkeitsfeldern Workstation-Cluster zur Strömungsberechnung (CFD) und zum Entwurf von Strömungsmaschinen (CAD)

55 INSTITUT FÜR THERMODYNAMIK 51 Institut für Thermodynamik Technische Universität Braunschweig Hans-Sommer-Str. 5 Prof. Dr.-Ing. Jürgen Köhler Braunschweig Tel.: (0531) Fax.: (0531) ift@tu-bs.de Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Jürgen Köhler Emeritus: Prof. em. Dr.-Ing. H. J. Löffler Sekretariat: Frau Annette Ratayczak Jacqueline Benke (Auszubildende) Wissenschaftliche Mitarbeiter: MSc. Thomas Alpögger Dipl.-Ing. Martin Buchholz Dipl.-Ing. Nicolas Fidorra Dipl.-Ing. Steffen Heinke Dr.-Ing. Nicholas Lemke Dipl.-Ing. Christian Lucas Dipl.-Ing. Andreas Möhlenkamp Dipl.-Wirtsch.-Ing. Michael Nöding MSc. Erick Oliveira da Silva Dipl.-Ing. Sven Packheiser Dipl.-Ing. Philipp Petr Dr.-Ing. Gabriele Raabe Dipl.-Ing. Andreas Schröder Dipl.-Wirtsch.-Ing. Ragnar Somdalen Dr. rer. nat. Issam Swaid M.Eng. Tian Tang Dr.-Ing. Wilhelm Tegethoff Dipl.-Ing. Maren Titze Dipl.-Ing. Andreas Varchmin Studienplanberatung: Dipl.-Ing. Martin Buchholz Dipl.-Ing. Christian Lucas Dipl.-Wirtsch.-Ing. Ragnar Somdalen

56 52 INSTITUT FÜR THERMODYNAMIK Lehrveranstaltungen für Diplomstudiengänge WS 2V 1Ü (5LP) Köhler Thermodynamik der Gemische SS 2V 1Ü (5LP) Köhler Thermodynamics and Statistics WS/SS 2V 1Ü (5LP) Köhler / Tegethoff Objektorientierte Simulationsmethoden in der Thermo- und Fluiddynamik WS/SS 2V (5LP) Köhler / Raabe Molekulare Simulation WS/SS 2V 1Ü (5LP) Köhler / Tegethoff Modellierung thermischer Systeme in Modelica WS 2V (5LP) Köhler / Lemke Fahrzeugklimatisierung WS 4Ü (8LP) Köhler / Krewer / Energietechnisches Labor Friedrichs WS/SS 2S (3LP) alle Dozenten der Seminar für Energie-, Verfahrens- Fachrichtung und Bioverfahrenstechnik WS/SS 2S Köhler Thermodynamik-Seminar wiss. Mitarbeiter WS/SS 6Ü (24LP) Köhler Theoretische, experimentelle, wiss. Mitarbeiter konstruktive und planerische Studienarbeiten WS/SS 6Ü (30LP) Köhler Theoretische, experimentelle, wiss. Mitarbeiter konstruktive und planerische Diplomarbeiten Module für Bachelor- und Masterstudiengänge WS 2V 1Ü (5LP) Köhler Thermodynamik der Gemische WS 2V 1Ü 2L (7LP) Köhler Thermodynamik der Gemische mit Labor SS 2V 1Ü (5LP) Köhler Thermodynamics and Statistics WS/SS 2V 1Ü (5LP) Köhler / Tegethoff Objektorientierte Simulationsmethoden in der Thermo- und Fluiddynamik SS 2V 1Ü (5LP) Köhler / Raabe Molekulare Simulation WS/SS 2V 1Ü (5LP) Köhler / Tegethoff Modellierung thermischer

57 INSTITUT FÜR THERMODYNAMIK 53 Systeme in Modelica WS 2V 1Ü (5LP) Köhler / Lemke Fahrzeugklimatisierung WS/SS 2S (8LP) alle Dozenten der Projektarbeit für Energie-, Fachrichtung Verfahrens-und Bioverfahrenstechnik WS/SS 6Ü (14LP) Köhler Theoretische, experimentelle, wiss. Mitarbeiter konstruktive und planerische Bachelorarbeiten WS/SS 6Ü (17LP) Köhler Theoretische, experimentelle, wiss. Mitarbeiter konstruktive und planerische Studienarbeiten WS/SS 6Ü (30LP) Köhler Theoretische, experimentelle, wiss. Mitarbeiter konstruktive und planerische Masterarbeiten Inhalte der Vorlesungen Thermodynamik der Gemische Einführung in die Thermodynamik der Gemische: Grundbegriffe, Gemische idealer Gase und Gas-Dampf-Gemische (Feuchte Luft) Fundamentalgleichung von Gemischen und das chemische Potential Der erste Hauptsatz für Systeme mit veränderlicher Stoffmenge Zustandsgleichungen, Eulersche Gleichung und die Gleichung von Gibbs-Duhem Gibbssche Phasenregel und Phasendiagramme Thermodynamische Potentiale und Zustandsgrößen realer Gemische Phasenzerfall und Phasengleichgewichte: Gleichgewichtsbedingungen, Berechnung von Phasengleichgewichten, Konsistenzkriterien, Differentialgleichungen der Phasengrenzkurven Thermodynamik der chemischen Reaktionen, inkl. Verbrennung Brennstoffzelle

58 54 INSTITUT FÜR THERMODYNAMIK Labor zur Vorlesung Thermodynamik der Gemische Das Institut bietet zur Vorlesung ein Laborpraktikum mit 3 Versuchen an. Die Laborversuche 1 und 2 sind auch Bestandteil des Energietechnischen Labors im Diplomstudiengang. 1. Betrieb einer PEM-Brennstoffzelle - Bestimmung des Wirkungsgrades - Aufnahme der Kennlinie 2. Demonstration des kritischen Punktes reiner Stoffe - Beobachtung kritischer Phänomene - Phänomenologische Beschreibung 3. Simulation Phasenverhalten fluider Mischung - Dampf-Flüssig-Phasengleichgewichte in Gemischen - Berechnung von Exzessgrößen Thermodynamics and Statistics Basics: thermodynamic systems, extensive and intensive properties, process variables Balances and conservation laws: mass balance, momentum balance, energy balance, total energy, kinetic energy, internal energy, Gibbs relation, entropy balance Thermodynamic relations: Euler equation, Gibbs-Duhem relation, Maxwell relations Fundamental equations and equations of state: thermal and caloric equation of state, heat capacity Heat and work interactions: isobaric, isochoric, isothermal, isentropic, polytropic changes of state, the Carnot cycle Equilibrium criteria Ideal Gas Properties of Real Substances Statistical Thermodynamics: foundations, applications Objektorientierte Simulationsmethoden in der Thermo- und Fluiddynamik Intensivkurs C++ Grundlagen der objektorientierten Beschreibung auf der Basis von C++ (Aggregation, Vererbung, Polymorphismus) Objektorientierte Modellierung einfacher Energiesysteme auf Basis des 1. Hauptsatzes der Thermodynamik unter Berücksichtigung von Enthalpieströmen und unterschiedlicher Wärmetransportmechanismen (Leitung, Konvektion, Strahlung, Kontakt) Stationäre und instationäre Formulierungen des 1. Hauptsatzes GUI (graphical user interface) mit der plattformunabhängigen Bibliothek QT (als zusätzliche freiwillige Übung)

59 INSTITUT FÜR THERMODYNAMIK 55 Molekulare Simulation Grundlagen aus der statistischen Thermodynamik: Begriff des Ensembles, Zustandssummen, Zustandssumme des idealen Gases, Maxwell-Boltzmann-Geschwindigkeitsverteilung Monte Carlo Simulation: Inportant Sampling, Simulation in verschiedenen Ensemblen, spezielle Algorithmen zur Simulation von Phasengleichgewichten Molekulardynamik: Finite Differenzen Methoden, Bestimmung von Stoffeigenschaften, Simulation in verschiedenen Ensemblen, Simulation von Molekülen Modelle zur Beschreibung der Wechselwirkungsenergie: Arten der intra- und intermolekularen Wechselwirkungen, empirische und ab initio Potentialfunktionen Simulationstechniken: Dimensionslose Variablen, Initialisierung einer Simulation, periodische Randbedingungen, Nachbarlisten Fahrzeugklimatisierung Theoretische Grundlagen der Fahrzeugklimatisierung (thermischer Komfort, Heiz- und Kälteleistung) Praktische Umsetzung und Anwendung in aktuellen Beispielen Diskussion ausgewählter Problemstellungen Auslegung des Kühlmittelkreislaufs und des Kälteprozesses Diskussion von aktuellen Kälteprozessen und zukünftigen Alternativen

60 56 INSTITUT FÜR THERMODYNAMIK Arbeitsgebiete Molekulare Simulation Monte Carlo Simulation von Phasengleichgewichten (Gibbs Ensemble, Gibbs-Duhem Integration) Molekulardynamik-Simulationen zu strukturellen Eigenschaften und Transportgrößen (z.b. Viskositäten, Diffusionskoeffizienten) von Reinstoffen und Gemischen Entwicklung von molekularen Modellen (Force Fields) für die Molekulare Simulation Reaktive Molekulardynamik-Simulation (ReaxFF) zum Reaktionsmechanismus der Siliziumgewinnung Simulationen in Systemen mit ionischen Flüssigkeiten, alternativen Kältemitteln u.ä. Untersuchung thermodynamischer Eigenschaften neuer Kältemitteln wie Fluoropropene (zb. R1234yf, R1234ze(E)) Molekulardynamik-Simulation zu Eigenschaften von Lotmaterialen Phasengleichgewichte von Gemischen Berechnung von Phasengleichgewichten mit verschiedenen Zustandsgleichungen und Mischungsregeln (zb. G E - Mischungsregel) Berechnung von Phasengleichgewichten fluider CO2/Kältemaschinenöl-Mischungen mit Hilfe verschiedener Zustandsgleichungen Wärme- und Stofftransport Wärme- und Stofftransport in Luftströmungen mit Kondensationsprozessen Wärme- und Stoffübertragung in komplexer Geometrie Simulation und experimentelle Untersuchung von Kälteprozessen mit alternativen Kältemitteln und Kältekreisläufen Alternative Kälteverfahren, insbesondere transkritische Kältekreisläufe Wärmepumpen Mobile Kälte- und Klimaprozesse Adsorptionskälteanlagen Alternative Kältemittel für Transportkälteanlagen CO2 als Kältemittel für Supermarktanlagen Anlagenoptimierung Komponentenuntersuchung Untersuchung von Kältekreisläufen im Hinblick auf Steigerung des COP (Coefficient of Performance) für stationäre und mobile Anwendungen

61 INSTITUT FÜR THERMODYNAMIK 57 Ejektor-Kreisläufe und Wärmepumpen Aufbau eines Ejektor-Prüfstandes zur experimentellen Untersuchung von CO2- Ejektor-Kältekreisläufen Auslegung, Konstruktion und Aufbau eines regelbaren Ejektors sowie eines Flüssigkeitsabscheiders Theoretische Untersuchung des Potenzials von Ejektoren in unterschiedlichen Anwendungsgebieten (z.b. bei sehr hohen Umgebungstemperaturen in tropischen Gebieten) sowohl für stationäre als auch für mobile Anwendungen CFD-Simulationen zur Ejektorströmung Wärmeversorgungssystem mit CO2-Wärmepumpe Primärenergieoptimiertes Wärmeversorgungssystem für Niedrigstenergie Wohngebäude Einsatz eines Schichtenladespeichers gekoppelt mit Solarenergienutzung und CO2-Wärmepumpe Theoretische sowie experimentelle Untersuchung verschiedener Systemvarianten Abstimmung und Optimierung des CO2-Systems Vereisungsproblematik des Verdampfers von Luft/Wasser- Wärmepumpen Aufbau eines Prüfstandes zur experimentellen Untersuchung der Vereisung eines CO2- Wärmepumpenkreislaufes. Entwicklung von Maßnahmen speziell für CO2 zur Verbesserung der Abtauung Modellbildung und Simulation unter Modelica Thermoelektrik Grundsatzuntersuchungen zum Potential von thermoelektrischen Modulen Aufbau von Prototypen zum Heizen bzw. Kühlen sowie eines thermoelektrischen Generators Theoretische und experimentelle Untersuchung verschiedener thermoelektrische Systemvarianten

62 Drehzahl [Hz] Massenstrom [g/sec] Druck [bar] 58 INSTITUT FÜR THERMODYNAMIK Thermisches Verhalten von Brennstoffzellenstapeln bei Kaltstart Untersuchung des Aufheizverhaltens von Brennstoffzellenstapeln Theoretische und experimentelle Untersuchung des Phasenwechsels und Gas-Flüssig Strömungscharakteristik Messung von Mengenstromverteilung, Temperaturverteilung und Berechnung von Wärmeübergangskoeffizienten im Aufheizverfahren Modellierung der Wärme- und Stoffübertragung in der Brennstoffzelle Modelica Bibliothek für Brennstoffzellen System Simulation und Untersuchung verschiedener Thermomanagement Strategien Niedertemperatur-Abwärmenutzung mittels Rankine-Prozessen Anwendungsgebiete: Omnibus, PKW, Kraft-Wärme- Kopplungssysteme Stationäre Parameterermittlung zur Maximierung der Rekuperatationsleistung Dynamische Modellierung und Simulation von Wärmekraftprozessen und deren umgebenden Systemen Entwicklung von Betriebs-und Regelungsstrategien für dynamische Abwärmeströme Experimenteller Nachweis am Rankine-Prüfstand Thermomanagementoptimierung in konventionell, hybridisch und elektrisch angetriebenen Fahrzeugen Aufbau von thermischen Gesamtfahrzeugmodellen Exergiestromanalyse des thermischen und mechanischen Netzwerks Konzeptionierung und Bewertung von Maßnahmen zur Optimierung von Energiebedarf- und Klimakomfort Experimentelle Untersuchung von neuartigen Heiz-Klima- Konzepten Objektorientierte Simulation und Optimierung von thermischen Systemen Objektorientierte transiente und stationäre Systemsimulation unter Dymola und einer institutseigenen Simulationsumgebung Objektorientierte Modellierung von Komponenten in C++ und der Simulationssprache Modelica ( Modellierung von thermischen Systemen, insbesondere im Bereich mobiler Klimatechnik und Kälte/Wärmekoppelung Zusammenarbeit mit Unternehmen wie Volkswagen, Daimler, Bosch, Visteon u.a Hochdruck. m Verdichter. m Orifice Drehzahl Zeit [sec] 60

63 INSTITUT FÜR THERMODYNAMIK 59 Modellierung echtzeitfähiger thermischer Systeme in Modelica Objektorientierte und gleichungsbasierte Formulierung von Algebro-Differentialgleichungssystemen (ADGL-Systemen) zur Beschreibung z.b. thermischer Systeme mit Hilfe der Simulationssprache Modelica ( Einführung in die Sprache Modelica mit Hilfe der Arbeitsumgebung Dymola ADGL-Systeme und Lösungsverfahren sowie Index-Reduzierung Hybride (ereignisorientierte) Modellierung Objektorientierte Analyse und Modellierung Methoden der Modell-Kalibrierung Echtzeitfähige Stoffdatenbibliothek Integrationsverfahren für die Anwendung in Echtzeitsysteme Zusammenarbeit mit Universitäten und Forschungseinrichtungen im In- und Ausland Institut für Thermodynamik der Luft- und Raumfahrt (Prof. Weigand), Universität Stuttgart Institut für Thermodynamik (Prof. Kabelac), Uni Hannover Institut für Thermofluiddynamik (Prof. Schmitz), Technische Universität Hamburg- Harburg NTNU / SINTEF (Nekså), Trondheim, Norwegen Massachusetts Institute of Technology (MIT, Prof. Lienhard, Prof. Chen), Cambridge, USA Department of Chemical and Biomolecular Engineering (Prof. Maginn), University of Notre Dame, Notre Dame, USA Centre for Molecular Simulation (Prof. Sadus), Swinburne University of Technology, Hawthorn, Australien Universidade Federal de Pernambuco em Recife (Primo Mendes), Brasilien Tong Ji University (School of Automotive Studies, Prof. Zhou Su), Shanghai, China Zusammenarbeit mit Industrieunternehmen im In- und Ausland (Auswahl) Audi AG Daimler AG Dynasim/Modelon BMW AG Bosch GmbH GEA Bock Kältemaschinen GmbH Konvekta AG SOLVIS GmbH & Co KG Stiebel Eltron GmbH&Co. TLK-Thermo GmbH Visteon Deutschland GmbH Volkswagen AG