Lehrstuhlbroschüre - Lehrstuhl für Prozessmaschinen und ...

Lehrstuhl für
Prozessmaschinen und
Anlagentechnik

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LEHRSTUHL FÜR
PROZESSMASCHINEN UND
ANLAGENTECHNIK
Herausgeber:
Lehrstuhl für Prozessmaschinen
und Anlagentechnik
Friedrich-Alexander-Universität
Erlangen-Nürnberg
Prof. Dr.-Ing. E. Schlücker
Redaktion:
PD Dr. S. Becker
Layout:
Ina Platte, www.inani-design.de
Fotos:
K. Fuchs, www.fuchs-foto.de
Druck:
Druckhaus Oberpfalz, Amberg
Datum:
Juni 2010

Inhalt
Vorwort 4
Forschung 6
Lehre 8
Fluidsystemdynamik und Strömungsakustik
Forschungsziele 10
Maschinenakustik 12
Modellierung und Simulation 14
Hochdruck-, Pumpen- und Verfahrenstechnik
Forschungsziele 16
Hochdruckprozesse und Pumpensysteme 18
Verfahrenstechnologie 20
Chemische und Biologische Prozesstechnik
Forschungsziele 22
Ionische Flüssigkeiten 24
Mechanische Behandlung von biologischem
Material 26
Lageplan 28
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LEHRSTUHL FÜR
PROZESSMASCHINEN UND
ANLAGENTECHNIK
Vorwort
Das Fachgebiet der Prozessmaschinen-
und Anlagentechnik erstreckt
sich in viele Felder der Verfahrenstechnik,
stellt eine interessante inge-
nieurtechnische Verbindung zwischen
wissenschaftlichen Grundlagen und
konkreten industriellen Anwendungen
dar und ist im universitären Bereich
geprägt durch eine große thematische
Vielfalt. Oft sind die Entwicklungen
neuer Verfahren mit der
zugehörigen optimalen Prozessausrüstung
gekoppelt. Es müssen komplexe
Systeme mit all ihren Facetten
hinsichtlich Funktion, Verschleiß, Dynamik
und Optimierung betrachtet
werden. Damit ergibt sich ein großes
und weites Forschungsgebiet, das
enorme Herausforderungen beinhaltet,
aber zugleich auch viel Raum für
innovative Ingenieurlösungen bietet.
Aufgrund der hohen Kompetenz und
Kreativität seiner Mitarbeiter hat sich
der Lehrstuhl für Prozessmaschinen
und Anlagentechnik (iPAT) der Technischen
Fakultät über Jahre hinweg
Kenntnisse erarbeitet, die es ihm ermöglichen,
die Methoden für grundlegende
Forschungsarbeiten und für
die Lösung praktischer Ingenieuraufgaben
gezielt einzusetzen. Wir
sind in der Lage, die angesprochene
Themenvielfalt angemessen zu vertreten,
innovative Forschungsprojekte
anzustoßen und interessierte
Partner effizient und kompetent zu
beraten und zu unterstützen. Die
vorliegende Broschüre gibt einen
Überblick über das bisher Erreichte.
Sie beschreibt das Team und die
Struktur, die sich der Lehrstuhl für
die Lösung seiner Forschungs- und
Entwicklungsaufgaben gegeben hat.
Es werden Informationen über gegenwärtige
und zukünftige Kooperationsmöglichkeiten
aufgezeigt.
Der Lehrstuhl ist hierbei in das Department
Chemie- und Bioingenieurwesen
integriert, das sich in den
letzten Jahren zu einem der führenden
Institute der Verfahrenstechnik
in Deutschland entwickelt hat. Mit
seinen Lehrstühlen deckt es nahezu
alle Themen der Verfahrenstechnik,
von der Reaktionschemie, der Thermischen
Verfahrenstechnik, der Strö-
mungsmechanik, der Partikel- und
Grenzflächentechnik, der Multiskalensimulation,
der Technischen Ther-
modynamik, der Bioverfahrenstech-
nik, der Energietechnik und der
Medizinischen Biotechnologie ab.
Diese Lehrstühle sind eng vernetzt
und kooperieren auf der Basis eines
gemeinsamen Verständnisses sehr
erfolgreich. Das Department leitet
das Exzellenzcluster (EAM) der Universität,
betreibt ein Graduiertenkol-
leg für optische Technologien (SAOT)
und ist federführend verantwortlich
für die Nuremberg Energy Labs (NEL).
Der iPAT bietet Lehrveranstaltungen
in allen relevanten Themen der Prozessmaschinen-
und Anlagentechnik
sowie der ingenieurtechnischen Managementpraxis
an. Außerdem hal-
ten wir für Industriepartner Weiterbildungsangebote
bereit. Es ist unser
Bestreben, die wissenschaftliche und
industrielle Kompetenz in der Industrie
weiter auszubauen.
Der Lehrstuhl für Prozessmaschinen
und Anlagentechnik versteht sich
daher als Institution, die Praxis und
Theorie, Lehre und Forschung gewinnbringend
verbindet, die Partner
seiner Kunden bei Problemlösungen
und Ideenfindungen ist und dabei
den Menschen in den Mittelpunkt
stellt.
Prof. Dr.-Ing. Eberhard Schlücker

Administration
Dr.-Ing. L. Depmeier
Fluidsystemdynamik und
Strömungsakustik
PD Dr.-Ing. habil. S. Becker
Prof. Dr.-Ing. E. Schlücker, Lehrstuhlinhaber
Forschung
PD Dr.-Ing. habil. S. Becker
Lehrstuhlinhaber
Prof. Dr.-Ing. E. Schlücker
Sekretariat
I. Wischnewski
Forschungsbereiche
Hochdruck-, Pumpen- und
Verfahrenstechnik
Dipl-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing. N. Alt
Lehre und EDV
Dr.-Ing. W. Wirth
Technik
P. Reichel-Lesnianski
Chemische und Biologische
Prozesstechnik
Dipl.-Ing. N. Ebel
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LEHRSTUHL FÜR
PROZESSMASCHINEN UND
ANLAGENTECHNIK
Forschung
Hohe und effiziente Forschungs- und
Entwicklungsaktivitäten im technisch-
wissenschaftlichen Gebiet erfordern
die Bereitstellung einer leistungsfä-
higen apparativen Ausstattung sowohl
für experimentelle Untersuchungen
als auch für numerische
Simulationen. Der Lehrstuhl für Prozessmaschinen
und Anlagentechnik
weist nach einem stetigen Ausbau
Einrichtungen auf, die es ihm erlauben,
Grundlagenuntersuchungen und
praxisbezogene industrielle Anwendungen
gezielt anzugehen.
Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten
gliedern sich hierbei in drei
Forschungsbereiche:
§ Fluidsystemdynamik und
Strömungsakustik
§ Hochdruck-, Pumpen- und
Verfahrenstechnik
§ Chemische und Biologische
Prozesstechnik
Dabei gibt es eine sehr intensive
fachübergreifende Zusammenarbeit
zwischen den einzelnen Bereichen.
Synergien zwischen den Arbeitsgebieten
werden effektiv genutzt, um
einen hohen wissenschaftlichen Ent-
wicklungsstand zu erreichen. Es ex-
istieren spezielle Versuchseinrichtungen
und spezifisch ausgerichtete
Labors, die es dem Lehrstuhl erlauben,
Forschungsschwerpunkte zu
setzen. Zu diesen Kernkompetenzen
gehören die Hochdrucktechnologie
in der biologischen und chemischen
Verfahrenstechnik, die Anwendung
ionischer Flüssigkeiten, Fragen der
Auslegung von Prozessmaschinen
sowie Fluid-Struktur-Akustik-Wechselwirkungen
in komplexen Fluidsystemen.
Ein Teil der Forschungsstrategie
des Lehrstuhls ist es, die
Entwicklung von Produkten und
Anlagen über den Labormaßstab hi-
naus bis in die industrielle Anwendung
voranzutreiben.
Bei der Konzeption der experimentellen
Versuchsanlagen wurde auf
eine hohe Flexibilität mit einer möglichst
weiten Anwendungsbreite der
Untersuchungen und auf eine umfassende
Instrumentierung besonderen
Wert gelegt. Viele Versuchsstände
wurden speziell für die Durchführung
von Aufträgen aus der Industrie erstellt
und optimiert und für umfassende
Untersuchungen eingesetzt. Die
Auslegung solcher Versuchsstände
gehört zu den Aufgaben, die der
Lehrstuhl übernimmt und durchführt.
Hinsichtlich der Instrumentierung
werden moderne Druck-, Schwingungs-
und Akustikmessverfahren
(einschließlich weiterer physikalischer
Größen wie Kraft, Weg, Drehzahl
etc.) eingesetzt. Analysen des
Strömungsfeldes, teilweise in Kombination
mit den Strukturschwingungen,
erfolgen durch den Einsatz
und die Weitentwicklung geeigneter
Lasermesstechniken. Strömungsvi-
sualisierungen werden mit der An-
wendung von digitalen Bildverarbeitungsalgorithmen
aus Hochgeschwindigkeitsaufnahmendurchgeführt.
Für die Untersuchungen von
Oberflächenstrukturen stehen hochauflösendeRasterelektronenmikroskope
zur Verfügung.
Mit der Verfügbarkeit großer Rechenleistungen
hat sich der Lehr-
stuhl neue Arbeitsgebiete in der Mo-
dellierung und Simulation fluiddynamischer
Prozesse einschließlich der
Kopplung zur Strukturmechanik und
der Akustik erschlossen. Dazu steht
den Mitarbeitern ein modernes und
leistungsfähiges PC-Netzwerk zur
Verfügung. Es besteht eine enge An-
bindung an das Hochleistungsrechenzentrum
der Universität. Für die
Berechnungen werden kommerzielle

Life
Science
Ionische
Flüssigkeiten
Bauteilermüdung
Hochdruckprozesse
Chemische und
Biologische
Prozesstechnik
Tribologie
Pumpen und
Apparate
Hochdruck-,
Pumpen- und
Verfahrenstechnik
Modellierung
und
Simulation
Störungsfrüherkennung
Schwingungsanalyse
Fluidsystemdynamik
und
Strömungsakustik
Klima-
und Kühlungssysteme
Turbo-
maschinen
Fluid-Struktur-
Akustik-
Interaktion
Simulationsprogramme benutzt, und
auch eigene numerische Algorithmen
für das Gebiet der Strömungsakustik
weiterentwickelt.
Der Lehrstuhl besitzt enge Forschungskooperationen
zu nationalen
und internationalen Forschungsinstituten.
Diese betreffen Forschungseinrichtungen
innerhalb der Europäischen
Union aber auch Institute in
Übersee. Er ist engagiertes Mitglied in
verschiedenen nationalen und inter-
nationalen Forschungsgesellschaften
und Industrieverbänden.
Ein direkter Technologie- und Wissenstransfer
vom iPAT zur Industrie
erfolgt im Rahmen von Forschungs-
und Entwicklungsaufträgen mit ver-
schiedenen Firmen im Bereich der
chemischen und bioverfahrenstechnischen
Industrie und dem Maschinenbau.
Um in einer kurzen Zeit realisierbare
Lösungen und Produkte
für die Industrie umzusetzen, werden
Unternehmen aus dem Lehrstuhl
ausgegründet. So entstand die
Firma Agrolytix, die ein neuartiges
biologisches Pflanzenschutzmittel
mit Hilfe eines Verfahrens zur Virenverkapselung
entwickelt hat.
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LEHRSTUHL FÜR
PROZESSMASCHINEN UND
ANLAGENTECHNIK
Lehre
Technisches Zeichnen
Der Kurs lehrt die Darstellung und
normgerechte Ausführung von Kon-
struktionszeichnungen. Neben Grund-
kenntnissen des Zeichnens (z.B. Darstellungs-
und Bemaßungsregeln,
Toleranzen) und der Darstellung von
Maschinenelementen werden Themenbereiche
wie die zeichnerische
Darstellung von Rohrleitungssystemen
und Fließbildern sowie eine Einführung
in CAD behandelt.
Konstruktionslehre
Die Lehrveranstaltung vermittelt einen
Überblick über wichtige Konstruktionselemente
und Berechnungsverfahren
für Normteile und Maschinenelemente.
Nach einer Einführung in
die Grundlagen des Festigkeitsnachweises
sind die Themen nichtlösbare
und lösbare Verbindungselemente,
Welle-Nabe-Verbindungen, Dimensionierung
von Achsen und Wellen
oder Gleit- und Wälzlager Inhalte der
Vorlesung.
Technisches
Zeichnen
Konstruktionslehre
Konstruktionslehre für die Prozesstechnik
Die Lehrveranstaltung führt in die
prozessgerechte Konstruktion und in
die Festigkeitslehre und Gestaltung
von Apparaten ein. Abgedeckt werden
Themen wie werkstoff- bzw. hygienegerechte
sowie verschleißabwehrende
Konstruktion, Einsatz von
Sonderwerkstoffen sowie die Auslegung
von Apparateelementen. In den
zugehörigen Übungen erarbeiten die
Studierenden die Lösungen mit modernen
CAD-Systemen.
Prozessmaschinen und Apparatetechnik
(Kernfach)
Das Kernfach hat die Auswahl, Auslegung,
Gestaltung und den Betrieb
spezieller Gruppen von Apparaten
und Chemiemaschinen zum Inhalt.
Behandelt werden Dosierung von
Stoffkomponenten, Fördern von Flüs-
sigkeiten und Gasen, Apparate zur
Wärmeübertragung sowie Rohrleitungen
und Armaturen.
Konstruktionslehre für
die Prozesstechnik
Prozessmaschinen
und Apparatetechnik
Prozessmaschinen und Apparatetechnik
(Vertiefungsfach)
Die Vertiefung behandelt die wichtigsten
Transportsysteme für Flüssigkeiten
(Pumpen) und Gase (Verdichter).
Ausführlich werden konstruktive
Gestaltung und Betriebseigenschaften
dargestellt. Weitere Gebiete sind
Apparate zur thermischen Stofftrennung
sowie Aspekte der Anlagentechnik.
Anlagenprojektierung
Hier steht die Projektierung von
verfahrenstechnischen Gesamtanla-
gen unter den Gesichtspunkten von
fächerübergreifender Planung und
Wirtschaftlichkeit im Fokus. Die Inhal-
te reichen von Planung über Kosten-
und Energieaspekte, Aufstellungspla-
nung, elektrische Ausrüstung bis hin
zum Beschaffungswesen, Transport
und Montage.
Anlagenprojektierung

Der Lehrstuhl für Prozessmaschi-
nen und Anlagentechnik ist als
einer der 10 Lehrstühle des Chemie-
und Bioingenieurwesens an
der Ausbildung in den Studien-
gängen Chemie- und Bioingenieur-
wesen, Life-Science-Engineering,
Energietechnik, Maschinenbau,
Computational Engineering und
Nachhaltige Chemische Technologie
beteiligt.
Dabei vertritt er die Fächer Technisches
Zeichnen, Messtechnik
und Konstruktionslehre zu Beginn
des Studiums sowie die
Fächer Prozessmaschinen und
Apparatetechnik, Konstruktionslehre,
Anlagenprojektierung, Turbomaschinen,
Maschinenakustik
sowie Managementpraxis in den
höheren Semestern.
Managementpraxis für Ingenieure
Die Vorlesung liefert einen Überblick
über das gesamte Gebiet des
Managements. Die Inhalte umfassen
u.a. Moderation, Präsentation, Kreati-
vitätsmethoden, Projektmanagement,
betriebswirtschaftliche Grundlagen,
Personalführung, Marketing und Busi-
nessplan. Gastdozenten aus der Industrie
bringen Berufserfahrung und
aktuelle Praxisbeispiele ein.
Messtechnik und Instrumentelle
Analytik
In der Lehrveranstaltung stehen die
grundlegenden Prinzipien und physikalischen
Grundlagen verschiedener
Messverfahren im Vordergrund.
Neben Prozessmesstechnik, Analyseverfahren
und digitaler Datenaufbereitung
lernen die Studenten auch
statistische Methoden zur Datenauswertung
kennen und können somit
für den jeweiligen Anwendungsfall
geeignete Messtechniken einsetzen.
Turbomaschinen
Inhalt des Lehrfaches sind die strömungsmechanischen
Grundlagen der
Turbomaschinen. Es werden neben
dem Aufbau und der Wirkungsweise
der Grundgleichungen die Ähnlichkeitskennzahlen
und das Betriebsverhalten
von Turbomaschinen und
Bauteilen behandelt. Die Vorlesung
vermittelt damit den Studenten die
Grundlagen, mit denen es möglich
ist, spezielle Arten von Turbomaschinen
zu entwerfen und zu konstruieren.
Maschinenakustik
Die Vorlesung befasst sich mit den
akustischen Problemen im Zusammenhang
mit Maschinen und Anlagen.
Es werden umfassend die
Mechanismen der mechanisch und
strömungsinduzierten Geräuschentstehung
aufgezeigt, sowohl die theoretischen
Grundlagen als auch die
praktischen Berechnungsmöglichkei-
ten bis hin zu den Gestaltungsprinzipien
lärmarmer Maschinen und Anlagen.
Praktika und Exkursionen
Ein weiterer wichtiger Bestandteil der
Lehre sind Praktika in den Kernvorlesungen
sowie Exkursionen mit den
Studierenden zu Industriefirmen und
Messeveranstaltungen (z.B. Achema).
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FACHBEREICH
FLUIDSYSTEMDYNAMIK UND
STRÖMUNGSAKUSTIK
Forschungsziele
Im Vordergrund der Forschungsaufgaben
in der Gruppe Fluidsystemdynamik
und Strömungsakustik stehen
Untersuchungen in Strömungsanlagen
und -maschinen. Es werden die
strömungsmechanischen Prozesse
in ihrer komplexen Wechselwirkung
mit der Strukturmechanik, dem Wärmeübergang
und der Akustik behandelt.
Hohe Priorität hat eine Synthese
von Grundlagenforschung und
Industrieentwicklungen. In der Bearbeitung
der Forschungsthemen wird
ein komplementärer Ansatz gewählt,
der experimentelle, numerische und
analytische Arbeiten sinnvoll miteinander
koppelt. Die Anwendungen liegen
schwerpunktmäßig im Bereich
der Turbomaschinen, der Lüftungs-
und Klimaanlagen, der Rohrleitungssysteme
sowie der Abgasanlagen.
Fluidsystemdynamik
Jede Pumpe und jede Turbine sind
potentielle Erreger für Druckpul-
sationen, Systemschwingungen und
akustische Effekte. Alle diese Erscheinungen
sind nicht lineare Vor-
gänge mit erheblichem Schadens- und
Störungspotential, vielfach verbunden
mit Energieverlusten und störenden
Einflüssen auf die Produktqualität
oder Systemfunktionalität. Es können
u.a. Laufradeigenschwingungen entstehen,
die oft Lagerschäden nach
sich ziehen. Manchmal vibrieren kom-
plette Rohrleitungsabschnitte derart,
dass Dauerbrüche der Rohre und
massive Lärmbelästigungen die Folge
sind. Dies kann bis zum Ausfall
der Maschine, der Anlage bzw. einzelner
Anlagenkomponenten führen.
Analoge Phänomene lassen sich
hierbei in Flüssigkeits- und ebenso
in Gassystemen beobachten. Physikalisch
gesehen ist in Gassystemen
die Schallgeschwindigkeit kleiner,
das Gas deutlich kompressibler und
die turbulenten Geschwindigkeitsschwankungen
sind aufgrund höherer
Reynoldszahlen wesentlich größer.
Daraus können sich vielfältige
Strömungskontrolle der Nachlaufströmung
an Fahrzeugmodellen zur
Optimierung von Widerstand und
Auftrieb mittels Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessungen
(links) und
Öl-Ruß-Anstrichverfahren (rechts)
Anregungs- und Rückkopplungsmechanismen
im Gesamtsystem ergeben.
Viele der physikalischen Prozesse
sind in ihrer gesamten Komplexität
noch nicht befriedigend geklärt. Daher
liegt ein Schwerpunkt bisheriger
und zukünftiger Forschungen der
Gruppe darin, derartige fluidsystem-
dynamische Eigenschaften in Grund-
lagenexperimenten und in ihrer Über-
tragung auf die technischen Anwendungen
zu studieren.
Strömungsakustik
Immer stärker in den Fokus rückt
ebenfalls die Strömungsakustik. Für
viele Lebens- und Arbeitsprozesse
werden Maschinen benötigt, die in
hohem Maße Geräusche emittieren.
Diese weisen zum Teil Schalldruckpegel
oberhalb der Gefährdungsgrenze
oder gar der Schmerzgrenze
des menschlichen Gehörs auf.
Selbst Schallpegel im mittleren Be-

Rohrleitungsprüfstand zu Untersuchung von Druckstößen,
Druckpulsationen und strömungsinduzierten Rohrleitungsschwingungen
Untersuchung der menschlichen Phonation in einem künstlichen
Stimmlippenkanal
Laseroptische Geschwindigkeits- und Schallmessungen im
Akustikwindkanal
Arbeitsgruppe Fluidsystemdynamik und
Strömungsakustik
reich haben oft vegetative Reaktionen,
Störungen des Schlafes, der
Kommunikation, der Konzentrationsfähigkeit
u. ä. zur Folge.
Typische Lärmquellen hierfür sind
vor allem Transportmittel, wie Kraftfahrzeuge,
Flugzeuge und Schienenfahrzeuge
sowie Kühlungsanlagen
von elektrischen/elektronischen
Geräten oder auch alle Pumpen und
Ventilatoren. Bei all diesen Geräten
und Anlagen besitzt der strömungsinduzierte
Schall einen dominierenden
Einfluss. Dabei steht oft nicht
das einzelne Bauteil im Vordergrund,
sondern es muss die gesamte Dynamik
des Fluidsystems betrachtet
werden.
Die Forschungsgruppe widmet sich
hier in umfassender Weise allen
methodischen Bereichen der Strömungsakustik,
also sowohl der Grund-
lagenforschung als auch der angewandten
Forschung, der praktischen
Umsetzung und im Ergebnis dem
leisen Strömungsvorgang, der leisen
Strömungsmaschine, der leisen
Strömungsanlage.
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12
FACHBEREICH
FLUIDSYSTEMDYNAMIK UND
STRÖMUNGSAKUSTIK
Maschinenakustik
Turbomaschinen
Der Einsatz von rotierenden Maschinen
zur Luftbewegung (Ventilatoren
und Gebläse) umfasst eine sehr große
Anwendungsvielfalt. Das Einsatzspektrum
reicht von Tunnellüftungen
über Staubsaugergebläse bis hin zu
Kühlventilatoren in PCs. Immer wieder
kommt es dabei zur Geräuschbelästigung,
die unangenehm ist, aber
auch z.T. schädigenden Einfluss auf
das Gehör und die Gesundheit der
Menschen hat.
Zur Charakterisierung der Geräuschquellen
reicht es nicht aus, nur die
Schallabstrahlung nach dem Schallleistungspegel
zu bewerten. Ebenso
wichtig ist es, für die Schallquellen in
den rotierenden Fluidsystemen das
spektrale Verhalten der Schallemission
zu analysieren und anhand psy-
choakustischer Gesetzmäßigkeiten zu
beurteilen.
Der Schwerpunkt der Forschungsarbeiten
am Lehrstuhl liegt auf Radial-
und Seitenkanalgebläsen. So lässt
sich beispielsweise an Radialventilatoren
beobachten, dass eine hohe
hydraulische Effizienz nicht zwangsläufig
zu einer geringen Schallabstrahlung
der Maschine führt. Effizienz
und geringe Schallabstrahlung
bilden häufig parallele Optimierungsziele.
Damit haben Hersteller von der-
artigen Gebläsen das Problem, einen
Kompromiss zwischen den strömungs-
mechanischen Anforderungen und
den Erfordernissen einer geräuscharmen
Arbeitsumgebung zu finden.
Die Entwicklungsarbeiten der Forschergruppe
reichen hier von der
strömungsmechanischen Auslegung
der Turbomaschine, der Simulation
über die Konstruktion bis zu den experimentellen
Untersuchungen am
Laufrad. Neben dem Laufraddesign
spielen dabei gerade hinsichtlich der
Druckverteilung am Laufrad in einem
Trommelläufer im eingebauten Lüftungssystem
Strömung in einem Radiallaufrad
Schallgenerierung Rotor-Diffusor-Interaktionen
sowie die Fluid-Struktur-
Wechselwirkungen mit dem Gehäuse
eine wichtige Rolle.
Lüftungs- und Klimaanlagen
In der Realisierung einer effizienten,
geräuscharmen Kühlung liegt eine
der großen Herausforderungen bei
der Entwicklung elektrischer und
elektronischer Geräte. In den letzten
Jahren kam es hier zu großen
Steigerungen der Prozessorleistung
und der Packungsdichte der elektronischen
Bauelemente. Dies führte zu
einer enorm gestiegenen Wärmeentwicklung
der Bauteile und Baugruppen,
die wiederum direkt verbunden
ist mit erhöhten Anforderungen an
das Kühlsystem, um die Funktionsfähigkeit
des Systems zu erhalten.
Aufgrund einer Vielzahl von industriellen
Entwicklungsaufgaben konnte

Simulation der Druckverteilung im Motorkühlungssystem
Windschutzscheibe
Fahrgastinnenraum
Geschwindigkeitsverteilung der Luftströmung hinter der Fahr-
zeugfrontscheibe am Austritt aus einer PKW-Klimaanlage
Aeroakustische Untersuchungen an einer vereinfachten PKW-
Klimaanlage
Schallmessungen an einem Seitenkanalgebläse
sich der Bereich hier eine Kompetenz
erarbeiten, die es ihm ermöglicht,
die Wärmeübergangsprozesse
zu optimieren, aber auch deren Auswirkungen
auf die Geräuschentstehung
zu analysieren. In der Methodik
für die Untersuchungen werden komplementär
numerische und experimentelle
Verfahren eingesetzt.
Ziel der Arbeiten ist es, den Firmen
bessere Verfahren und Methoden
zur Verfügung zu stellen, die es ihnen
ermöglichen, in praktischen An-
wendungen für derzeitige und künftige
Geräteentwicklungen die Geräuschbelästigungen
der Geräte zu
verringern. Dies bedeutet sowohl
Senkungen des Geräuschpegels als
auch Veränderungen der spektralen
Verteilung des abgestrahlten Schalls
vorzunehmen, die einen positiven
Einfluss auf die akustische Wahrnehmung
haben.
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14
FACHBEREICH
FLUIDSYSTEMDYNAMIK UND
STRÖMUNGSAKUSTIK
Modellierung und Simulation
Strömungssimulation
Die Anwendung und Weiterentwicklung
von geeigneten Simulationswerkzeugen
gehört zu den Kern-
gebieten der Forschungsbereiche
Fluidsystemdynamik und Strömungs-
akustik. Vorrangig werden für die Strö-
mungsberechnung Finite-Volumen-
Verfahren eingesetzt. Es kommen
hier kommerzielle Berechnungspro-
gramme und nichtkommerzielle Pro-
grammentwicklungen zur Anwen-
dung. Für die Modellierung der
überwiegend turbulenten Strömungen
in den Simulationen werden alle
FASTEST-3D
Strömungsmechanik
§ Finite-Volumen-Verfahren
§ dreidimensionale,
zeitabhängige Strömungs-
simulationen (LES)
Akustik
§ Finite-Elemente-Verfahren
§ vibrations-/strömungsinduzierter
Schall
drei heute üblichen Ansätze der Modellierung
verwendet:
§ Lösung der Reynolds-gemittelten
Navier-Stokes-Gleichungen mit Turbulenzmodellen
als Schließungs-
ansatz (RANS),
§ Lösung der gefilterten Navier-
Stokes-Gleichungen mit Feinstruktur-Modellen
(Large-Eddy-
Simulation = LES),
§ Lösung der vollständigen Navier-
Stokes-Gleichungen ohne Turbulenzmodellierung
(Direkte Nume-
rische Simulation = DNS).
MpCCI
Kopplung
§ konservative Interpolation
der Strömungslasten
§ bilineare Interpolation der
Strukturverschiebung
CFS++
Strukturmechanik
§ Finite-Elemente-Verfahren
§ lineare/nichtlineare
Strukturmechanik
Schematische Darstellung der entwickelten Programmlandschaft zur Berechnung von
Fluid-Struktur-Akustik-Wechselwirkungen
Zum Einsatz effizienter Lösungsalgorithmen
gehört als weiterer Schwerpunkt
die geeignete Implementierung
der Berechnungsverfahren auf
Hoch- und Höchstleistungsrechnern.
Dies sind zum einen massiv-parallele
Rechnersysteme, bestehend aus
einer großen Anzahl vergleichsweise
schwacher Prozessoren, und zum
anderen moderat-parallele Systeme
mit sehr leistungsfähigen Einzelprozessoren.
Hier arbeitet der Bereich
mit dem Hochleistungsrechenzentrum
der Universität zusammen.
Fluid-Struktur-Akustik-Interaktion
In enger Kooperation mit dem Lehrstuhl
für Sensorik der Universität
Erlangen-Nürnberg (LSE) konnte ein
gemeinsames hybrides Programmpaket
geschaffen werden, das es
ermöglicht, auf der Basis von Strömungssimulationen
die akustische
Schallabstrahlung in das Nah- und
Fernfeld zu berechnen. Für die verschiedenen
physikalischen Bereiche
werden unterschiedliche Programme
verwendet, die auf die jeweiligen
physikalischen Anforderungen hin
optimiert sind und über Schnittstellen
miteinander kommunizieren.
Die Strömung kann zum einen mit
der kommerziellen Software und zum
anderen mit dem Code FASTEST3D
simuliert werden. Für die Berechnung
der akustischen Schallausbreitung
kommt ein Ffowcs-Williams und
Hawkings Integralverfahren sowie ei-

strömungsinduzierte akustische Quellterme
strömungsinduzierte akustische Quellterme
Schalldruck im Akustikfeld
Schalldruck im Akustikfeld
Schallabstrahlung bei der Überströmung einer rückwärtsspringenden
Stufe
Räumliches Schallfeld bei der Umströmung eines wandgebundenen
Zylinders
Spektren der Schalldruckverteilung für die strömungs- und
strukturinduzierten Schallanteile und den Gesamtschall bei der
Überströmung einer flexiblen Plattenstruktur
Strömungsinduzierte Strukturverformungen bei der
Überströmung einer flexiblen Plattenstruktur
Simulation der Wirbelstrukturen in der
Strömung über einer flexiblen Plattenstruktur
ne Finite-Elemente-Formulierung der
inhomogenen Wellengleichung nach
der Lighthill-Analogie mittels des am
LSE entwickelten Programms CFS++
zum Einsatz. Die Übertragung der
akustischen Quellen aus dem Strömungsgitter
auf das im Allgemeinen
gröbere akustische Gitter erfolgt
durch ein eigens entwickeltes konservatives
Interpolationsverfahren.
Eine große Herausforderung besteht
in der Behandlung der Fluid-
Struktur-Akustik-Interaktion und somit
der Einbeziehung von bewegten
mechanischen Strukturen und deren
Interaktion mit dem Strömungsfeld.
Das eigene Programmpaket konnte
hierfür erweitert werden, womit Simu-
lationen des Strömungsschalls und
des strukturinduzierten Vibrationsschalls
und deren Gewichtung im
Akustikfeld durchführbar sind. Es
kann somit eine Trennung von strö-
mungsinduzierten und vibrationsinduzierten
Schallanteilen erfolgen. Die-
se Fragestellungen der Fluid-Struktur-Akustik-Interaktion
gehören heute
zum Kerngebiet der interdisziplinären
Forschergruppe mit dem Lehrstuhl
für Sensorik der Universität
Erlangen.
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16
FACHBEREICH
HOCHDRUCK-, PUMPEN- UND
VERFAHRENSTECHNIK
Forschungsziele
In der Gruppe Hochdruck-, Pumpen-
und Verfahrenstechnik stehen
die funktionstechnische und energe-
tische Optimierung und Neuentwicklung
von Maschinen, Pumpen, Kompressoren,
Apparaten und Prozessen
sowie die Entwicklung von Anlagen
mit optimierter Prozessführung, wirkungsvoller
Störungsfrüherkennung
und Energieeffizienz im Fokus der
Forschung. Dies bedeutet die Erarbeitung
der für die jeweiligen Projekte
relevanten strömungstechnischen,
fluidakustischen, verschleißtechnischen,
ermüdungstechnischen und
thermischen Effekte. Zu deren Erfassung
werden die Maschinen und
Anlagen messtechnisch hochfrequent
und vielfach auch nicht invasiv
abgetastet, mit Hochgeschwindigkeitskameras
oder anderen optischen
Analysemethoden ausgestattet
oder analysiert und parallel dazu
simuliert. Durch diese Kombination
gelingt es, die komplexen Vorgänge
in Prozessmaschinen, Apparaten und
Anlagen zu verstehen und wesentliche
technische Fortschritte daraus
zu generieren.
Pumpentechnik
Im Zentrum des Interesses hierfür
steht die Anwendung von Pumpen
für extreme oder spezielle Prozesse,
unter herausfordernden Randbedingungen
oder als Teil komplexer Systeme.
Diese Forschung betrifft daher
nahezu alle Teile der chemischen,
petrochemischen, biologischen und
pharmazeutischen Prozesstechnik
und alle denkbaren Fluide wie abrasive,
aggressive, toxische, hochviskose
oder leicht verdampfende.
Für alle Anwendungen, auch unter
störenden Einflüssen – wie Kavitation
oder Pulsation – wollen wir ein
Höchstmaß an Zuverlässigkeit, Leistungsdichte,
Wirtschaftlichkeit und
damit niedrige Lebenszykluskosten
erreichen. Darauf aufbauend möchten
wir dafür sorgen, dass nur noch
energetisch hoch wirksame Pumpen
in Prozessen eingesetzt werden. Aus
diesem Grund ist auch die Steigerung
der Energieeffizienz ein grundsätzliches
Thema, das auch in der
auf hohe Effizienz angewiesenen
Hochdrucktechnik von zentraler Bedeutung
ist.
Hochdruckprozesstechnik
In fast jedem Bereich des täglichen
Lebens finden sich Produkte,
die ohne Hochdruckprozesse nicht
existent wären oder nicht so effizient
wirken oder arbeiten würden.
Beispiele hierfür sind verschiedene
Kunststoffe, Geschmacks- und
Geruchsstoffe für Lebensmittel und
Kosmetika oder auch die Common-
Schnittdarstellung einer Hochdrucksichtzelle für 200 MPa und 650°C FEM-Analyse von Betriebsspannungen
in einem Hochdruckreaktor

FEM-Simulation einer C-Ring-Dichtung
bei 300 MPa und 600°C
Versuchsanlage zur Untersuchung von Mehrphasenpumpen
Arbeitsgruppe Hochdruck-, Pumpenund
Verfahrenstechnik
Rail-Technik in Kraftfahrzeugen. Wir
optimieren die dafür nötigen Prozesse
und suchen mit dem gewonnenen
Wissen nach neuen Wegen. Dies gilt
auch für den wichtigen Bereich der
überkritischen Fluide, die durch ihre
vorteilhaften Eigenschaften neue
Prozesse und Produktgestaltungsmöglichkeiten
ermöglichen. Als Bei-
spiele seien maßgeschneiderte Partikel
oder Kristalle sowie die effiziente
Gewinnung von Naturstoffen
genannt. In Kombination mit unserer
Kompetenz für Prozessmaschinen
und Apparate werden damit neue
Anwendungen und neue Verfahrensschritte
möglich.
Verfahrenstechnik
Ziel ist die Entwicklung des Verständnisses
für die komplexen Vorgänge in
industriellen verfahrenstechnischen
Prozessen. Dieses wichtige Zukunfts-
thema verspricht neue Erkenntnisse
und Optimierungsansätze. So führ-
ten beispielsweise die Entwicklungen
neuer Anlagenkonzepte, die Auf-
bau, Handhabung, Funktionalität und
Automatisierung nach funktionstechnischen
und ergonomischen Gesichtspunkten
ausrichten und so die
Prozessgestaltung und die Mensch-
Maschine-Schnittstelle optimieren,
zu einer merklichen Steigerung der
Effizienz und Nachhaltigkeit. Darüber
hinaus ist die Dynamik in Anlagen
und ihre Wirkung auf Reaktion,
Umsatz, Selektivität und Effizienz
noch weitgehend unerforscht.
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FACHBEREICH
HOCHDRUCK-, PUMPEN- UND
VERFAHRENSTECHNIK
Hochdruckprozesse und Pumpensysteme
Ammonothermal-Synthese
Im Bereich der Halbleiter-Bauelementetechnologie
besteht besonders
in den Bereichen Festkörperbeleuchtung
und Leistungstransistoren ein
stetig wachsender Bedarf an hoch-
reinem, einkristallinem Galliumnitrid.
Die Ammonothermal-Synthese ist ein
potentiell geeignetes Verfahren, der-
artige Massivkristalle großtechnisch
herzustellen. Bisher ist der Vorgang
der Kristallbildung aufgrund seiner
extremen Bedingungen (bis ca.
4000 bar und 650 °C) noch wenig erforscht.
Durch die Entwicklung spezieller
Hochdruckapparate, wie z.B. ei-
ner Sichtzelle für 2000 bar bei 650 °C,
können erstmals die Vorgänge im
Inneren des Reaktors in-situ beobachtet
werden. Diese Technologie
ebnet auch den Weg zu vielen neuen
Erkenntnissen in der Hochdruckreaktionstechnik.
Common-Rail
Seit der Einführung Ende der 1990er
Jahre setzte sich das Common-Rail-
System im Bereich der Diesel-Direkteinspritzung
immer mehr durch.
Modernste Motorenkonzepte zur
Benzindirekteinspritzung greifen nun
ebenfalls auf diese bewährte Technik
zurück. Durch konstruktive Maßnahmen
besteht die Möglichkeit, mit diesem
Konzept die Abgasemissionen
weiter entscheidend zu reduzieren.
Ein Ansatz führt über eine Erhöhung
des Systemdrucks im Dieselmotor
auf 2500 bar, um die Kraftstofftropfengröße
zu minimieren. Einherge-
hend mit der Druckerhöhung ist eine
notwendige höhere Dauerfestigkeit
der Bauteile. Zur Untersuchung
verfügt der Lehrstuhl über eine statische
Hochdruckanlage bis 14000
bar und einen Hochdruckpulser mit
4000 bar maximalem Prüfdruck. Neben
der Bauteiluntersuchung ist in
Common-Rail-Systemen aber vor
allem die Pulsation des Kraftstoffes
im Leitungssystem, verursacht durch
Öffnungs- und Schließprozesse der
Injektoren, von Interesse. Je Motorumdrehung
erfolgen aktuell bis zu
fünf Einspritzungen, für die aufgrund
der Pulsation keine definierte Einspritzmenge
zur Verfügung gestellt
werden kann. Ziel ist es, durch konstruktive
und dämpfende Maßnahmen
die auftretende Pulsation zu minimieren,
um einen gleichmäßigeren
Einspritzvorgang zu gewährleisten.
Rotierende Verdrängerpumpen
Im Bereich der rotierenden Verdrängerpumpen
liegen die Forschungsschwerpunkte
in der Optimierung
FEM-Analyse einer Exzenterschneckenpumpe
(Dichtspalte)
sogenannter Mehrphasenpumpen
sowie die Bestimmung der Kennlinien
und der dynamischen Eigenschaften
verschiedenster Pumpentypen. Bevorzugte
Mehrphasenpumpen sind
Exzenterschnecken- und Schraubenspindelpumpen,
die Fördergemische
aus Flüssigkeiten, Feststoffen
und Gasen gegen hohen Druck und
mit wenig Pulsation fördern können.
Auch hier liefert der Einsatz von
Hochgeschwindigkeitskameras, zeitsynchron
gekoppelt mit der Messdatenerfassung,
viele neue Erkenntnisse
für zuverlässigere und effizientere
Gestaltung.
Oszillierende Verdrängerpumpen
Die noch offenen Fragen bei oszillierenden
Verdrängerpumpen betreffen
die Ventiltechnik, die Schädlichkeit
und Wirkung von Kavitation, die Ver-
besserung der Dosiergenauigkeit,
die Vermeidung oder Minimierung
der Förderstrompulsationen und die
Leistungssteigerung durch höhere
Hubfrequenzen. Die Auslegung die-
CFD-Simulation einer Ventildurchströmung
mit Kavitation

Kavitationsuntersuchungen an einer oszillierenden Verdränger-
pumpe im Arbeitsraum (oben) und am Saugventil (unten)
Optimierung von Common-Rail-Systemen für Verbrennungsmotoren
Versuchskopf einer oszillierenden Verdrängerpumpe
ser für die Hochdruck- und Dosieranwendungen
prädestinierten Pum-
pentechnik erfolgt auch heute noch
bevorzugt empirisch oder erfahrungsbasiert
und stellt selbst für
Pumpenkonstrukteure noch immer
eine Herausforderung dar. Der Lehrstuhl
widmet sich hier der ganzen
Themenvielfalt. Die Hochgeschwindigkeitskameratechnik
ist dabei ein
äußerst hilfreiches Werkzeug. In
Kombination mit Druckmessungen
können damit alle Kavitationsphänomene
im Arbeitsraum sowie an den
Ventilen und die reale Ventilkinematik
präzise erfasst und sichtbar gemacht
werden. Ziel ist die Entwicklung von
wirtschaftlichen Auslegungskriterien
für höchste Zuverlässigkeit.
Membranpumpen
Ein großes Potential für die Optimierung
von Membranpumpen besteht
in der Anwendung und Kombination
von numerischen FEM- und CFD-
Methoden. Die damit mögliche Simulation
der Fluid-Struktur-Wechselwirkung
erlaubt die Ermittlung der
realen Membranverformung unter
dem Einfluss der Kolbenverdrängung
und der Strömung im Arbeitsraum.
Darauf aufbauend können
optimale Membranformen gefunden
und damit die Zuverlässigkeit dieser
Pumpentechnik gesteigert werden.
In logischer Konsequenz wird diese
Methode auch auf andere Fragestellungen
wie die Strömung und
Fluid-Struktur-Wechselwirkung in rotierenden
Verdrängerpumpen oder
Hochdrucksystemen angewendet.
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FACHBEREICH
HOCHDRUCK-, PUMPEN- UND
VERFAHRENSTECHNIK
Verfahrenstechnologie
Mikroverkapselung
Das Start-up Agrolytix entwickelt und
produziert biologische Pestizide auf
Basis insektenpathogener Viren in
einer eigenen Produktionsanlage für
den ökologischen und integrierten
Landbau. Die neu entwickelten Pflanzenschutzmittel
besitzen gegenüber
herkömmlichen biologischen Spritzmitteln
deutlich verbesserte Wirkeigenschaften,
hierzu zählt v.a. die
hohe Langzeitwirkung. Das erste
Produkt von Agrolytix trägt den Namen
„GranuCaps Cp“ und richtet sich
gegen die allseits bekannte Made im
Apfel, einen weltweit gefürchteten
Schädling im kommerziellen Apfelanbau.
„GranuCaps Cp“ wurde 2009
erfolgreich getestet und befindet sich
aktuell in der Zulassungsphase. Das
Gründungsunternehmen Agrolytix
wird durch das Förderprogramm
EXIST-Forschungstransfer des Bundesministeriums
für Wirtschaft und
Technologie unterstützt.
Überkritische Partikeltechnologie
Überkritische Fluide (SCFs) haben
annähernd die Dichte einer Flüssigkeit,
aber zugleich die Viskosität eines
Gases, und lassen sich durch mi-
nimale Veränderungen des Druckes
oder der Temperatur auf bestimmte
Eigenschaften präzise einstellen.
Dies erlaubt die gezielte Herstellung
von Partikeln mit einer großen Variation
in Größe und Morphologie,
einhergehend mit einer meist sehr
engen Partikelgrößenverteilung.
Im Fokus der aktuellen Forschung
steht die Gemisch- und Partikelbil-
dung sowie die Klärung der Phänomenologie
des gesamten Hochdruck-
sprühprozesses des „Supercritical
Antisolvent Process (SAS)“. Dieser
ermöglicht es, bei relativ moderaten
Temperaturen Partikel im Mikro- und
Nanobereich zu generieren. Für diese
Untersuchungen steht mittlerweile
ein kontinuierlich arbeitendes Sys-
tem für Drücke bis 1000 bar mit
Sichtfenstern im Sprühbehälter für
die optische Analyse zur Verfügung.
Damit konnten bisher viele richtungsweisende
Erkenntnisse gewon-
nen werden, die zur Aufklärung der
thermodynamischen und prozesstechnischen
Grundlagen und der
Herstellbarkeit von „tailor-made particles“
beitrugen. Die Edukte können
dabei sowohl komplexe mehrphasige
Systeme wie z.B. Suspensionen
oder Emulsionen aber auch Reinstoffe
sein.
Darüber hinaus untersucht der Lehrstuhl
seit vielen Jahren verschiedene
andere Sprühverfahren zur Partikelherstellung.
Beispiele dafür sind der
PGSS („Particles from Gas Saturated
Solution“) Prozess, der RESS (Rapid
Expansion of Supercritical Suspension)
sowie der GAS (Gas Antisolvent)
Prozess.
Druckpulsationen und Pulsations-
dämpfung
Druckpulsationen in Systemen mit
Verdrängerpumpen sind in der Verfahrenstechnik
ein oft vorhandenes
aber störendes Phänomen, das wir
für unsere Kunden beherrschbar
oder vermeidbar machen möchten.
Dass auch Kreiselpumpen starke
und störende Pulsationen erzeugen
können, konnte am Lehrstuhl durch
intensive Analysen, aber auch durch
etliche Problemlösungen für chemische
Anlagen und für die Wasser-
und Abwassertechnik eindeutig nach-
gewiesen werden. Es handelt sich
dabei sowohl um großtechnische An-
lagen als auch um komplexe Systeme
kleinerer Dimensionen. Außerdem
sorgten zahlreiche Forschungsprojekte
an technischen Anlagen für
eine breite Wissensbasis zu diesem
Thema, die es uns erlaubt, optimale
Dämpfungsmaßnahmen für
jede Pumpenart zu erarbeiten und
vorzuschlagen. Die Forschung auf
dem Gebiet der Kreiselpumpen gilt
derzeit den Pulsationsursachen und
deren Wechselwirkungen mit Systemen
sowie deren Reaktion auf
Druckstöße. Die Brisanz der Pulsationsproblematik
zeigen aber auch

Anlage zur Produktion von biologischen Pestiziden auf der
Basis insektenpathogener Viren
Raster-Elektronen-Mikroskop (REM) zu Untersuchung von
Oberflächenstrukturen
Al 2 O 3 -Doppelpyramide im REM REM-Aufnahme von Yttriumacetat-
Hohlkugeln
Laseroptische Untersuchungen zur
Partikelbildung in einem Hochdrucksprühprozess
aktuelle Forschungen im Bereich der
Common-Rail-Einspritzung an Kfz-
und Nfz-Motoren. Hier kommt es aufgrund
der Pulsation des Kraftstoffes
zu Schwankungen der gewünschten
Einspritzmenge.
Da die Pulsationsproblematik für alle
Pumpenanwender ein drängendes
Problem ist, bieten wir zu diesem
Thema regelmäßig Seminare an, in
denen wir den Teilnehmern theoretische
und praktische Erfahrungen
vermitteln.
Störungsfrüherkennung
Zuverlässige Störungsfrüherkennung
und Monitoringtechniken werden in
der Prozesstechnik immer wichtiger,
um die Produktionsausfallkosten zu
minimieren. Hierzu hat der Lehrstuhl
mittlerweile eine herausragende Expertise.
Sowohl für Exzenterschne-
ckenpumpen, Schraubenpumpen, os-
zillierende Verdrängerpumpen als
auch für Flüssigkeitsringvakuumpumpen
konnten effiziente zuverlässige
Systeme entwickelt werden.
Entscheidende Philosophie des Lehr-
stuhls ist dabei, dass Systeminteraktionen
den wesentlichen Schadensbeitrag
liefern. Diesem Gedanken
wird durch SFE-Systeme mit Systemsensibilität
und spezieller Sensortechnik
und Merkmalsbildung
Rechnung getragen. Damit konnte
der Lehrstuhl schon einigen Firmen
zuverlässige Lösungen übergeben.
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FACHBEREICH
CHEMISCHE UND BIOLOGISCHE
PROZESSTECHNIK
Forschungsziele
Der Forschungsschwerpunkt der Arbeitsgruppe
„Chemische und Biologische
Prozesstechnik“ liegt sowohl
in der apparativen Weiterentwicklung
bestehender industrieller Verfahren
als auch in der Etablierung neuer
prozesstechnischer Methoden im
gesamten Bereich des Chemie- und
Bioingenieurwesens. Es ist somit
nicht das primäre Ziel, die eigentliche
chemische oder biologische Reaktion
zu optimieren, sondern vielmehr
neue mechanische Verfahren
zu entwickeln, die diese Reaktionen
energieeffizienter ablaufen lassen
bzw. dabei helfen, die betriebswirtschaftlichen
Hauptfaktoren Kosten
und Zeit zu minimieren. Das Team
von Doktoranden erarbeitet hierbei
ganzheitliche Lösungsansätze von
der ersten Idee bis hin zur industriellen
Realisierung.
Versuchsanlage zur Trennung von Gasgemischen
mit Hilfe Ionischer Flüssigkeiten
Chemische Prozesstechnik
Bei der Stoffgruppe der Ionischen
Flüssigkeiten handelt es sich um
Salze mit einem Schmelzpunkt unter
100°C, die oft sogar schon bei
Raumtemperatur in flüssiger Form
vorliegen. Ionische Flüssigkeiten
sind seit den 90er Jahren im Fokus
der Forschung und wurden seitdem
auf einigen Feldern zu wichtigen
Einsatzmedien. Dazu gehören die
Verwendung von Ionischen Flüssigkeiten
als Batterieelektrolyte, als
neuartige GC-Säulen und HPLC-
Phasen oder als Lösungsmittel für
Synthesen und katalytische Reaktionen.
Die Arbeitsgruppe am iPAT konzentriert
sich auf die Anwendung von
Ionischen Flüssigkeiten im Bereich
der Prozesstechnik.
Aufgrund ihres relativ hohen Preises
im Vergleich zu herkömmlichen
Betriebsflüssigkeiten ist es sinnvoll,
Ionische Flüssigkeiten nur dort ein-
Cationen Anionen
Typische Bestandteile Ionischer Flüssigkeiten
zusetzen, wo eine erhebliche Effizienzsteigerung
erreicht werden
kann. Dies bezieht sich sowohl auf
Anwendungen, in denen durch die
Verwendung Ionischer Flüssigkeiten
Energie eingespart, die Lebensdauer
der Maschine erheblich erhöht
oder der Leistungsbedarf verringert
wird. Zudem können Verfahren realisiert
werden, die mit herkömmlichen
Schmiermitteln unmöglich sind. So
konnte am iPAT ein mit Ionischer
Flüssigkeit geschmierter Sauerstoffkompressor
entwickelt werden.
Biologische Prozesstechnik
Der berechtigte Trend der Konsumenten
hin zu naturnahen, möglichst
unverfälschten biologischen
Erzeugnissen erfordert zunehmend
optimierte Produktionsverfahren, um
den steigenden Qualitätsansprüchen
Rechnung zu tragen. Hierbei entfernen
sich diese Herstellungsprozesse
immer weiter von denen des klas-

Verschiedene Nährmedien zur Kultivierung von Mikroorganismen
Stammhaltung von Mikroorganismen im biologischen Labor
Kultivierung von Mikroorganismen auf Agar-Kulturplatten zur
Bereitstellung für Hochdruckversuche
Arbeitsgruppe Chemische und Biologische
Prozesstechnik
sischen Chemieapparate- und Maschinenbaus,
bedienen sich jedoch
weiterhin deren grundlegender verfahrenstechnischer
Methoden. Bei-
spielsweise können verderbliche
Lebensmittel wie Wurst, Avocadopüree
oder Austern bereits heute
durch eine Hochdruckbehandlung
ohne Verlust der Nährstoffqualität
haltbar gemacht werden, was bei einer
herkömmlichen Hitzesterilisation
nur äußerst bedingt gewährleistet
werden kann. Die verfahrenstechnische
Optimierung und damit die
wirtschaftliche Anwendungsdiversifizierung
dieses Prozesses stecken
jedoch noch in den Anfängen.
Im Gegensatz zum Bestreben, Mikroorganismen
möglichst effektiv
abzutöten, gewinnt auch die genaue
Umkehrung dieser Zielsetzung an
industrieller Relevanz. In diesem Fall
wird versucht, die Organismen möglichst
schonend zu behandeln. Interessant
ist diese Thematik nicht nur
im eigentlichen Produktionsschritt ei-
nes biotechnologischen Prozesses –
also im Bioreaktor selbst – sondern
auch in dessen Peripherie und in vor-
bzw. nachgeschalteten Schritten.
Dies trifft zum einen auf Fermentationen,
aber auch auf Herstellungsverfahren
der pharmazeutischen Industrie
und der Lebensmitteltechnik
zu.
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FACHBEREICH
CHEMISCHE UND BIOLOGISCHE
PROZESSTECHNIK
Ionische Flüssigkeiten
Die Stoffklasse der Ionischen Flüssigkeiten
(IL, von engl.: ionic liquid)
erregt seit einigen Jahren aufgrund
ihrer einzigartigen physikalischen
und chemischen Eigenschaften verstärkt
das Interesse von Forschung
und Industrie. Im Rahmen verschiedener
Forschungsprojekte hat der
iPAT bereits umfangreiche Erfahrungen
mit Ionischen Flüssigkeiten
gesammelt. Um ILs erfolgreich als
Betriebsmittel für Prozessmaschinen
einzusetzen, ist die Kenntnis grundlegender
physikalischer Parameter
notwendig. Deshalb wird am Lehrstuhl
unter anderem mit einem Hoch-
druckbiegeschwinger und einem Rheo-
meter gearbeitet, um Ionische Flüssigkeiten
im Hinblick auf Kompressibilität,
Dichte, Schallgeschwindigkeit
und Viskosität zu charakterisieren.
Für viele potentielle Anwendungen
Ionischer Flüssigkeiten sind ihre
Schmiereigenschaften von großem
Interesse. Zur Bestimmung von Reibungskoeffizienten
und Verschleiß
kann ein oszillierendes Kugel-Scheibe-Tribometer
genutzt werden. Alle
bisher untersuchten ILs zeigen Rei-
bungskoeffizienten, die unter denen
hoch additivierter Vergleichsöle liegen.
Um eine Eignung als Schmierstoff
umfassend bewerten zu können,
werden darüber hinaus die
thermische Stabilität sowie der Benetzungswinkel
gegenüber verschiedenen
Werkstoffen untersucht.
Da eine Betriebsflüssigkeit mit einer
Vielzahl unterschiedlicher Materialien
und Dichtungswerkstoffen in
Kontakt steht, stellen die Korrosivität
und Materialverträglichkeit ein
grundsätzliches Knockout-Kriterium
dar. Die Korrosivität Ionischer Flüssigkeiten
kann am iPAT mit einem
eigens konstruierten Versuchsstand
in Anlehnung an die VDMA-Richtlinie
24570 bestimmt werden. Ein wichti-
Tropfen einer Ionischen Flüssigkeit auf
Kupfer
REM-Aufnahme einer Elastomerprobe,
die von Ionischen Flüssigkeiten geschädigt
wurde
ger Faktor bei der Beurteilung des
Korrosionsverhaltens ist die Bereitschaft
der ILs Wasser aufzunehmen.
Da ein erhöhter Wassergehalt
das Korrosionsverhalten und eine
Vielzahl weiterer physikalischer Parameter
beeinflusst, kann der Wassergehalt
mit Hilfe von Karl-Fischer-
Titration bestimmt werden.
Neben der Erforschung wesentlicher
Grundlagen zur Verwendung
Ionischer Flüssigkeiten in Prozessmaschinen
und industriellen Prozessen
wird am iPAT auch an konkreten
Anwendungen geforscht. Aufgrund
ihres vernachlässigbaren Dampfdrucks
eignen sich ILs besonders für
Verfahren mit Gasen, da diese nicht
durch flüchtige Betriebsmittel verunreinigt
werden. So wurde beispielsweise
ein IL- geschmierter Kompressor
für reinen Sauerstoff erfolgreich
entwickelt. Die eingesetzte IL wurde
zuvor mit einer Druckstoßappara-

Abtragsrate
Edelstahl
Aluminium
Wassergehalt
Abtragsrate von verschiedenen Materialien in Abhängigkeit
vom Wassergehalt der Ionischen Flüssigkeit
Untersuchung von metallischer Korrosion in Ionischen Flüssigkeiten
Tribometer zur Untersuchung von Reibungskoeffizient
und Verschleiß
tur gemäß BAM-Richtlinien auf ihre
Verträglichkeit gegenüber Sauerstoff
ausführlich getestet. Des Weiteren
wird am Lehrstuhl auch die selektive
Löslichkeit von Gasen untersucht
und eine Versuchsanlage zur Trennung
von CO 2 und H 2 mit Hilfe Ionischer
Flüssigkeiten betrieben.
In den letzten Jahren konnten durch
den Einsatz Ionischer Flüssigkeiten
als Betriebsmittel bereits mehrfach
Effizienzsteigerungen nachgewiesen
werden. So konnte beispielsweise
das erzielbare Vakuum in einer
Flüssigkeitsringvakuumpumpe von
70 mbar auf 5 mbar herabgesetzt
werden. Aufgrund der deutlich geringeren
Kompressibilität im Vergleich
zu Mineralölen konnte der Förderdruck
einer Membranpumpe und
deren volumetrischer Wirkungsgrad
bei hohen Betriebsdrücken um mehr
als 50 Prozent gesteigert werden.
Außerdem wurde erstmals gezeigt,
dass der Betrieb von Verbrennungsmotoren
mit ILs als Schmiermedium
möglich ist. Im Rahmen der Untersuchungen
wurde der Motor über
40 Stunden störungsfrei betrieben.
Infolge der guten Schmiereigenschaften
der Ionischen Flüssigkeiten
wurden während der Versuche
erhebliche Verbrauchseinsparungen
gemessen.
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FACHBEREICH
CHEMISCHE UND BIOLOGISCHE
PROZESSTECHNIK
Mechanische Behandlung von
biologischem Material
Am Lehrstuhl für Prozessmaschinen
und Anlagentechnik wurde in
den letzten Jahren unter anderem
ein biologisches Labor eingerichtet,
das es erlaubt, biologisches Material
kontaminationsfrei aufzubereiten,
zu kultivieren und für die spätere
Verwendung zu verwahren. Wie im
Folgenden näher erläutert wird, beziehen
sich derzeitige Forschungsschwerpunkte
auf die Quantifizierung
der Belastungen, die vor allem
auf Mikroorganismen und Lebensmittelinhaltsstoffe
in biotechnischen
Anlagen wirken. Dabei zielen diese
Untersuchungen sowohl darauf, inwiefern
diese Belastungen möglichst
effizient maximiert werden können,
um die Mikroorganismen letztendlich
abzutöten und dadurch das Produkt
zuverlässig zu sterilisieren, als auch
darauf, diese Belastungen zu minimieren,
um gegebenenfalls die Organismen
im Endprodukt möglichst
vital zu erhalten.
Mechanische Sterilisation
Konventionelle Sterilisationsverfahren
wie Erhitzung und Bestrahlung
beeinträchtigen oftmals Textur, Geschmack
und Wertstoffgehalt von
Lebensmitteln und pharmazeutischen
Produkten. Aus diesem Grund
besteht heutzutage ein wachsender
Bedarf an Methoden des sogenannten
Minimal Processing, also der
gezielten Inaktivierung von degenerierenden
und pathogenen Mikroorganismen
ohne Veränderung des
eigentlichen Produktes. Statische
Hochdruckbehandlungen sind eine
Variante dieser schonenden Behandlung,
sind jedoch aufgrund der
Chargenfahrweise, hoher Maximaldrücke
und langer Druckhaltezeiten
bisher vor allem auf die Anwendung
für hochwertige Produkte beschränkt.
Im Gegensatz dazu bergen dynamische
Hochdruckfahrweisen das
Potenzial, die vollständige Inaktivierung
durch gezielte Kombination von
Druckprofilen bereits bei weitaus
energieeffizienteren Prozessbedingungen
zu erreichen. Hierdurch wird
außerdem der Weg zur Etablierung
eines kontinuierlichen Verfahrens ge-
ebnet, welches wiederum den Übergang
zur großwirtschaftlich interessanten
Produktion erlaubt. Zur Erforschung
dieses Themenkomplexes
wurden am Lehrstuhl bereits mehrere
Hochdruckanlagen und Ana-
lytiksysteme (z.B. Raman-Spektroskopie,
Kapillarelektrophorese) ent-
wickelt; zusätzlich vermag die Simulation
des Hochdruckeinflusses auf
die Mikroorganismen mittels finiter
Elemente die experimentellen Ergeb-
nisse zu unterstützen und zu bestätigen.
Schonende Förderung von Biofluiden
Im Gegensatz zur möglichst vollstän-
digen Inaktivierung der Mikroorganis-
men beschäftigt sich die Forschung
auf dem Gebiet der schonenden Förderung
von Biofluiden genau mit der
gegenteiligen Thematik: Wie groß
darf die mechanische Belastung auf
Biofluide maximal sein, und auf welche
Art darf sie auftreten, um gerade
noch nicht schädigend zu wirken? In
biotechnologischen Prozessen spie-
len solche Belastungen eine außerordentlich
wichtige Rolle. In industriellen
Verfahren ist es jedoch auch
notwendig, biotische Suspensionen
möglichst zerstörungsfrei zu transportieren,
um eine schonende Pro-
Geschwindigkeitsverteilung (links) und Scherstressverteilung (rechts) um ein rotierendes
Zahnrad für die Förderung biologischer Fluide

Finite-Elemente-Simulation des Einflusses von Unregelmäßig-
keiten im Zellaufbau unter Hochdruckeinwirkung
Hochdruck-Sterilisation von Lebensmittelproben
Simulation von hochdruckinduzierten
Spannungen auf Zellorganellen
duktion und eine Nachhaltigkeit der
Zellen zu gewährleisten. Ein besse-
res Verständnis der in Pumpen und
Peripherien auftretenden Strömungs-
formen und somit der Belastungsarten
sind wichtig, um eine bessere
Wirtschaftlichkeit bei industriellen
Produktionsverfahren zu gewährleisten.
Experimentell wird am Lehrstuhl die
Schädigung unter Verwendung der
Indikatorzelle Euglena gracilis untersucht.
Das speziell für diese Zelle
entwickelte Ecotox Monitoring System
detektiert dabei die Veränderung
spezifischer Eigenschaften der
Indikatorzelle, die auf mechanische
Reize äußerst sensibel mit Veränderungen
der Zellform, dem Verlust
der Orientierungsfähigkeit und der
Motilität reagiert. Somit kann einfach
und schnell die Inhibierung der Zellen
aufgrund mechanischer Belastungen
bestimmt werden. Numerisch
werden durch Strömungssimulation
diese Belastungen örtlich aufgelöst
quantifiziert. Mit Hilfe der Verbindung
experimenteller Messmethoden und
numerischer Analyse sowie einem
geeigneten Schädigungsmodell gelingt
es, die Schädigung von Euglena
gracilis, im Speziellen aber auch
anderer Mikroorganismen in einer
gegebenen Strömung vorherzusagen.
Damit steht ein Werkzeug zur
Verfügung, das besonders bei der
Auslegung von Pumpen aufwendige
Experimente ersetzen kann.
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Lehrstuhl für Prozessmaschinen
und Anlagentechnik
Technische Fakultät
Friedrich-Alexander-Universität
Erlangen-Nürnberg
Cauerstraße 4
D-91058 Erlangen
Telefon +49 9131 85-29450
Fax +49 9131 85-29449
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www.ipat.uni-erlangen.de
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weiter entlang der B4 Richtung
Erlangen, rechts abbiegen beim Hinweis
Universität Südgelände. Danach links in
die Kurt-Schumacher-Straße und beim
Hinweis Technische Fakultät wieder links
in die Cauerstraße.
Weinstr.
Bahn:
Ab Bahnhof Erlangen Buslinie 287 Richtung
Sebaldus-Siedlung bis Haltestelle
Stettiner Straße oder Technische Fakultät.
Taxi ab Bahnhof ca. 10 Minuten.
Flugzeug:
Taxi ab Flughafen Nürnberg ca. 20 Minuten.