Nano- und Mikrofluidmechanik

Dr. Anuhar Osorio Nesme

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Aufnahme der Hydratbildung in einem Zerstäubersystem
Hydratbildung in einem Zerstäubersystem

In diesem Forschungsbereich stehen hauptsächlich die numerische Simulation von kleinskaligen Strömungen im Umwelt- und Ingenieursbereich im Fokus. Dort dominieren viskose und Oberflächenkräfte wie die Oberflächenspannung gegenüber inertialen und Volumenkräften (wie die Schwerkraft), die nur eine untergeordnete Rolle spielen. Auf noch kleineren Skalen im Submikrometerbereich beginnt die Nano-Strömungsmechanik, wo die Kontinuumsannahme nicht mehr gilt und das Verhalten einzelner Moleküle betrachtet wird. Mikro- und Nanofluidik haben ein breites Anwendungsspektrum im medizinischen, chemischen und biologischen Bereich.

Neben der Mikro- und Nanofluidik befasst sich die Gruppe mit Scher- und Drehströmungen sowie Wärmeübertragung. Insbesondere wird auch der Umschlag von laminarer zu turbulenter Strömung bei ansteigender Strömungsgeschwindigkeit untersucht, was für den Transport von Flüssigkeiten (Pipelines) sowie für geo-und astrophysikalischen Anwendungen von besonderer Bedeutung ist

In der Herangehensweise finden Theorie, Modellbildung und wirklichkeitsgetreue Computersimulationen der Strömungsgleichungen Anwendung. Zur Beurteilung der Ergebnisse wird mit Programmen zur Strömungsvisualisierung und mit statistischen Methoden gearbeitet, um ein besseres Verständnis für die zu Grunde liegenden physikalischen Zusammenhänge zu erarbeiten. Außerdem wird die Dynamik der Störmungen mit der Theorie dynamischer Systeme und Bifurkationstheorie analysiert. Neben Simulationen finden in der Forschungsarbeit ebenso experimentelle Untersuchungen Anwendung.

  • Systematische Studien zur Schaumprävention und -inhibierung durch Identifikation von Grenzflächen-Nichtexistenz-Domänen und ihre Realisierung mittels adaptiver Gestaltung von Kolonnenfüllkörpern und -packungen

    (Third Party Funds Single)

    Term: July 1, 2018 - June 30, 2021
    Funding source: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)

  • Lebensmitteltechnologische Potentiale der innovativen, ressourcenproduktschonenden Gashydrattechnologie am Beispiel von ausgewählten Säften

    (Third Party Funds Single)

    Term: April 1, 2017 - March 31, 2020
    Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)
    Abstract

    Die Trocknung bzw. das Entfernen von Wasser stellt in der Lebensmittelherstellung eine zentrale Grundoperation dar, die hinsichtlich des Erhalts der Qualität und der Menge der zu behandelnden Produkte hohe Anforderungen stellt. So kann eine Reduktion des Wassergehalts einerseits dazu beitragen, dass Produkte ihre Funktionalität erhalten, während der Weiterverarbeitung und bei der Lagerung weniger anfällig sind oder dazu, dass Kosten für Verpackung, Lagerung und Transport eingespart werden. Andererseits besteht für diesen Produktionsschritt die kontinuierliche Herausforderung, nachhaltige und ressourceneffiziente Verfahren zu entwickeln.
    Das klassische Verfahren zur Konzentrierung von Lebensmitteln ist die Verdampfung. Um den damit potentiell verbundenen Verlust oder die Beschädigung von leichtflüchtigen oder hitzeempfindlichen Stoffen, wie Phenolen oder Vitamin C, zu vermeiden, wurden alternative Verfahren, wie Membranverfahren oder die Gefrierkonzentration, entwickelt. Der Wasserentzug mittels Gashydrattechnologie ist hingegen ein in der Le-bensmittelindustrie bislang noch nicht etab-liertes Verfahren. Eine Konzentrierung von flüssigen Lebensmitteln mittels Gashydraten bzw. CO2-Hydraten wurde bisher lediglich im Labormaßstab und bei Säften, im Speziellen bei Orangen- und Tomatensaft, durchgeführt. Erste Studien zur Konzentrierung  von
    Orangensaft mittels Ethylen-Gas (C2H4) wurden 2014 durchgeführt und erreichten maximale Konzentrierungsraten von 99,3 %. Unter Einsatz von CO2-Gas konnten vergleichbare Konzentrierungsraten erzielt werden. Eine Abtrennung von Wasser durch Gashydratbildung wurde auch im Bereich der Zuckerproduktion untersucht, da hier der Energieeinsatz zur Wasserabscheidung (Konzentrierung) sehr kostenintensiv ist. 
    Entwicklungen zum Einsatz von Gashydraten zur Wasserabtrennung finden bisher ausschließlich außerhalb Deutschlands statt und fokussieren auch nicht auf die erreichbare Produktqualität. Ziel des Forschungs-vorhabens ist es daher, am Beispiel von Fruchtsäften (Apfel-, Orange- und Sanddornsaft) zu untersuchen, ob sich die Gashydrattechnologie zur Konzentrierung von flüssigen Lebensmitteln eignet. Dabei soll CO2 als Arbeitsmedium eingesetzt werden und eine Prozessbewertung und -optimierung hinsichtlich der Effizienz des Material- und Energieeinsatzes unter besonderer Berücksichtigung der Produktqualität und des Scale-ups erfolgen. Dies geschieht systematisch im Vergleich zu etablierten Verfahren und unter besonderer Berücksichtigung von Prozessvariationen, welche mithilfe einer globalen und lokalen Modellierung abgebildet werden sollen. Dazu wird im Rahmen des Vorhabens außerdem quantifiziert, wie sich unterschiedliche Prozessbe-dingungen auf die Produktqualität auswirken und welche Prozessierungsansätze auch auf größere Maßstäbe übertragen werden können und damit für den industriellen Einsatz geeignet sind. Hierdurch schafft das Vorhaben belastungsfähige Grundlagen für das Design gashydratbasierter Verfahren und Produkte mit besonderer Eignung für einen Einsatz in KMU.

Die aktulee oder kürzlich behandelten Themen lassen sich in zwei Gruppen einteilen:

  • Simulation
    • Strömungen in Mikro- und Nanokanälen
    • Blasenströmungen
    • Dünnschichtströmungen
    • Kapillar- und Oberflächenspannungsphänomene
    • Ganzheitliche Massen- und Energiesimulation
  • Hochdruckprozesse
    • Hcohdrucktechnologie
    • Hydrat-Technologie
    • Hochdruckmessverfahren

Die numerischen Simulationen der Navier-Stokes-Gleichungen werden, abhängig von den Besonderheiten der zu untersuchenden Problemstellung, mit unterschiedlichen Methoden durchgeführt:

  • Finite-Differenzen-Methoden
  • Finite-Elemente-Methoden
  • Spektralmethoden

Für die Simulationen wird auf Hochleistungs-Rechencluster wie JUROPA des Jülich Supercomputer Center zurückgegriffen, die Parallelisierung mittels OpenMP und MPI ermöglichen

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