Table Of ContentDie numerische Simulation von
Str¨omung und Stoffaustausch in
geru¨hrten, begasten Bioreaktoren
Von der Gemeinsamen Naturwissenschaftlichen Fakult¨at
der Technischen Universit¨at Carolo-Wilhelmina
zu Braunschweig
zur Erlangung des Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften
(Dr. rer. nat.)
genemigte
Dissertation
von
Dipl.-Biotechnol. Jochen Schu¨tze
aus G¨ottingen
1. Referent: Prof. Dr. W.-D. Deckwer
2. Referent: Prof. Dr. A. Schumpe
eingereicht am: 14. 6.2001
mu¨ndliche Pru¨fung am: 20.11.2001
(2001)
Teilergebnisse aus dieser Arbeit wurden mit Genehmigung der Gemeinsamen Naturwissenschaft-
lichen Fakult¨at, vertreten durch den Mentor, in folgenden Beitr¨agen vorab ver¨offentlicht:
Tagungsbeitr¨age:
Schu¨tze, J., Gollmer, K., Deckwer, W.-D.:
Der Einsatz numerischer Str¨omungssimulation zur Modellierung aerober Bioprozesse
Poster Nr. A9.12 auf der 16. DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen in Wiesbaden (1998).
Schu¨tze, J., Gollmer, K., Deckwer, W.-D., Braun, M.:
Modellierung des Stoffu¨bergangs in begasten Ru¨hrkesseln
auf der Basis numerischer Str¨omungssimulation
Vortrag Nr. 101 auf der GVC-Jahrestagung 1998 in Freiburg;
Gleichnamige Kurzfassung in:
Chemie Ingenieur Technik, 70, 9, S. 1138 (1998).
Schu¨tze, J., Gollmer, K., Deckwer, W.-D.:
Modellierung des Stoffaustausches in begasten Ru¨hrkesseln
mit numerischer Str¨omungssimulation
Vortrag Nr. 162 auf der GVC-Jahrestagung 2000 in Karlsruhe;
Gleichnamige Kurzfassung in:
Chemie Ingenieur Technik, 72, 9, S. 1047 (2000).
LATEX
Till Malin
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Danksagung
Ohne die Hilfe und Unterstu¨tzung vieler Freunde und Kollegen w¨are diese Arbeit nicht entstanden.
Ihnen gilt an dieser Stelle mein herzlicher Dank.
Herr Prof. Dr. W.-D. Deckwer gab mir eine hochinteressante Aufgabe und alle erdenkliche Un-
terstu¨tzung bei meiner Arbeit daran. Fu¨r beides danke ich ihm sehr.
Herrn Prof. Dr. A. Schumpe danke ich fu¨r die U¨bernahme des Korreferates sowie fu¨r den Vorsitz
der Promotionskommission. Herrn Prof. Dr.-Ing. D.-C. Hempel gilt mein Dank fu¨r die Mitwirkung
als Pru¨fer in der Disputation.
Mein direkter Betreuer und Arbeitsgruppenleiter, Herr Prof. Dr.-Ing. K. Gollmer, gab mir tag-
t¨aglich wissenschaftliche, organisatorische und administrative Unterstu¨tzung; diese war fu¨r mich
vongr¨oßtemWertundverdientmeinenherzlichenDank.HerrDr.A.-P.ZenggabmirdieM¨oglich-
keit, in Labors seiner Arbeitsgruppe den praktischen Teil meiner Arbeit auszufu¨hren, wofu¨r auch
ihm mein Dank gilt. Weiterhin verdient hier Dr. W. Sabra dankende Erw¨ahnung, der mir die
M¨oglichkeit zu Vorversuchen mit dem faseroptischen Sauerstoffsensor im Rahmen seiner eigenen
Fermentationen gab.
Herr T. G¨abel half mir bei Anschluß und Einrichtung des Prozeßleitrechners, und er machte mich
mit dessen Benutzung und Programmierung vertraut – herzlichen Dank! Er und Frau Dr. J. Flores
Candia verbreiteten als meine Kollegen in der Arbeitsgruppe Modellierung und Automatisierung“
”
– natu¨rlich zusammen mit ihrem Leiter und meinem Betreuer, Herrn Prof. Dr.-Ing. K. Gollmer
– immer ein fr¨ohliches, produktives Arbeitsklima, das ich sehr genoß. Und einen ganz besonders
herzlichen Dank fu¨r allzeit fr¨ohliche Unterstu¨tzung in beliebigen Lebenslagen verdienen Frau A.
Asmus und Frau M. Ruffer!
Die Herren H. Schu¨ler, W. Kessler und H. Zaczek versorgten mich mit wichtigem technischen Rat
beimBetriebdesPilotreaktors.HerrDr.V.HechtundHerrL.Bischoffstelltendankenswerterweise
einen Gasflußregler zur Verfu¨gung. All Ihnen gilt mein Dank.
Im Bereich Biotechnologie der Gesellschaft fu¨r Biotechnologische Forschung hatte ich viele weitere
Kollegen, die mir mit guter Stimmung und Hilfsbereitschaft immer eine moralische Unterstu¨tzung
waren. Besonders erw¨ahnen m¨ochte ich meinen weit gereisten Freund, Herrn Dr. H. El-Enshasy,
sowie die Herren E. Grothe, Dr. H. Biebl und die Rinasen“ (Arbeitsgruppe Dr. U. Rinas).
”
Weiterhin erhielt ich bei der Arbeit mit dem Computerprogramm zur numerischen Str¨omungssi-
mulation FLUENT wertvollen Rat, Hilfe und Unterstu¨tzung von Herrn Dr.-Ing. M. Braun bei der
Fluent Deutschland GmbH.
Neben zahllose Freunden, die aufzuz¨ahlen hier zwecklos w¨are, unterstu¨tzten mich meine Eltern,
und natu¨rlich ganz besonders meine Frau Malin in unbeschreiblicher Weise. Profane Dankesworte
k¨onnen nicht ausdru¨cken, welchen Beitrag sie zu dieser Arbeit (indirekt) geleistet hat!
Braunschweig, im November 2001
LATEX
Inhaltsu¨bersicht
1 Einleitung 1
2 Grundlagen 13
3 Literaturu¨bersicht 29
4 Modelltheorie 53
5 Modellentwicklung 87
6 Experimente 119
7 Simulationsergebnisse 143
A Zusammenfassung 181
B Summary 183
C Symbolverzeichnis 185
D Herleitungen 197
E Erg¨anzungen 203
Literatur 225
i
ii
Description:Flüssigkeit) und -transport (in der Flüssigkeit) im Reaktor berechnet. Diese Abhängigkeiten sollen im folgenden herge- oder Schwerkräfte eine relative Geschwindigkeit zwischen ihnen verursachen (Sedimentation oder Trägårdh, C.; A hydrodynamic model for the simulation of an aerated
