Laminar Mixing in Miniature Hollow‐Fibre Membrane Reactors by using Secondary Flows (Part 1)

Abstract

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.

Modular micro reaction engineering for carboligation catalyzed by benzoylformate decarboxylase

“…These membranes are available as flat membrane filters as well as micro hollow fibers. The huge advantage of micro hollow fibers is their low inner diameter of around 700 μ m, which excellently fits to the micro reactors illustrated above [ 29 ]. Therefore, this membrane type was chosen for the investigated system.…”

Generation of Dean vortices and enhancement of oxygen transfer rates in membrane contactors for different hollow fiber geometries

“…The outer curve is longer than the inner curve, but the velocity maximum is located in the center of the flow. Therefore, fluid moves radially towards the outer curve and tangentially towards the inner curve [24]. The intensity of the formation of this secondary flow is described by the dimensionless Dean number De, which is a function of Reynolds number Re, curvature of the pipe d c and the internal diameter d i…”

The onset of oblique vortex shedding behind a heated circular cylinder in laminar wake regime

“…Laminar vortex shedding has recently found its practical use in microfluidic devices. [23][24][25] Kopf et al 23 applied the vortex shedding behind cylinder to enhance the mass transfer and mixing process in miniature reactors for modern process engineering and bio-engineering. Wang et al 24 faced the lack of precise gas flowmeter in the range of ll/min and provided an alternative way to measure gas flowrate ratio in a micro-bubble generation system.…”