In der modernen Verfahrenstechnik hat sich die Miniaturisierung zur gezielten Ausnutzung definierter Reaktionsbedingungen weitgehend etabliert. Der Nachteil kleiner Volumenströme und uneffektiver, laminarer Durchmischung wird durch kontinuierliche Betriebsweise und kurze Diffusionswege weitgehend ausgeglichen. Dennoch treten bei der Übertragung makroskopisch sicher beherrschter Prozesse noch erhebliche Schwierigkeiten auf, da vor allem grenzschichtdominierte Transportprozesse weitgehend unverstanden sind. Dies gilt besonders für biotechnologische Anwendungen, bei denen Umsatz und Selektivität neben skalenübergreifenden Stofftransportprozessen auch von lokalen Scherbeanspruchungen beeinflusst werden. Zur gezielten Einstellung von Prozessparametern werden deshalb Miniatur‐Hohlfasermembranreaktoren entwickelt, die auf kleinem Raum eine indirekte Begasung sowie eine integrierte Eduktzufuhr und Produktabtrennung bei definierter Scherrate ermöglichen. Da sich gezielt einstellbare Sekundärströmungen als besonders geeignet erwiesen haben, um kurze Diffusionswege bei scherarmer Durchmischung zu gewährleisten [1], werden deren Prinzipien auch im Miniatur‐Hohlfasermembranreaktor angewendet. So werden Reaktorgeometrien zur Erzeugung von Kármánschen Wirbelstraßen und Dean‐Wirbeln optimiert, um insbesondere den grenzschichtnahen Stofftransport zwischen Hohlfasermembran und umgebendem Fluid zu erhöhen. Zunächst werden numerische Strömungssimulationen durchgeführt, die im Weiteren mit experimentellen Daten validiert werden. Anhand zweier Reaktormodelle wird gezeigt, dass durch gezielte Nutzung von Sekundärströmungen eine erhebliche Steigerung des Stoffaustausches bei scherarmer Durchmischung erzielt werden kann.
Hohlfasermembrankontaktoren wurden bereits häufig für die physikalische und chemisch beschleunigte Absorption von CO2 getestet. Dabei bieten Kontaktoren aufgrund des hohen Oberfläche/Volumen‐Verhältnisses einige Prozessvorteile. Dennoch ist der Massentransport in kommerziell erhältlichen Hohlfasermodulen limitiert. Durch die geringen Innendurchmesser der Fasern und die niedrigen Durchflussgeschwindigkeiten ergibt sich ein laminares Strömungsprofil. Um insbesondere den grenzschichtnahen Stofftransport zu erhöhen, wurden in dieser Arbeit durch neuartige Hohlfasergeometrien gezielt Sekundärströmungen (Dean‐Wirbel) erzeugt. Zudem wurde der Einfluss des Helixdurchmessers untersucht. Mithilfe der Filmtheorie und der dimensionslosen Dean‐Zahl gelang die Vorhersage der Absorptionsraten sowohl für gerade als auch helikal geformte Hohlfasern.
The potential of non-metallic reinforcement to be an environmentally sustainable alternative to classic steel reinforcement in concrete has become evident in recent years. The high-performance fibres used to produce non-metallic reinforcement elements have a considerably lower weight to transferable tensile forces ratio and are almost non-corrosive under common exposures. These indicators allow for a high environmental performance throughout the extended life cycle of the product. At the same time, substantially more resources and energy per unit weight are required for their production in some cases, e.g. for carbon fibres, compared to conventional reinforcing steel. The presented work addresses this conflict by closing a number of obvious research gaps. Despite an increasing number of publications during the last years, so far there are no comprehensive sets of data available on the environmental impact of various concrete reinforcing materials. With the data compiled in this work, for the first time, an objective comparison of different reinforcement systems (conventional and alternative) is presented that differentiates various environmental impact categories and therefore enables to perform Life Cycle Assessment (LCA). Other often observed shortcomings in sustainability assessments in concrete constructions are that an extension of the service life due to improved durability and the burden a material poses at the end of its life cycle are not considered. Comprehensive reviews of durability considerations help to develop an estimation of the service life. In addition, a state-of-the-art on possible strategies for dismantling, recycling and reuse of alternative non-metallic reinforcement systems shows that the composition of the FRPs, i.e., fibre and matrix materials, not only has a strong influence on the environmental impact in the production phase, but also on the durability as well as on a possible reuse.
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