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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.

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