2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/15595In der Verfahrenstechnik werden zunehmend neue Möglichkeiten zur Begasung von Prozessmedien mit hohen Stoffaustauschraten bei geringen Druckverlusten, niedrigen Scherkräften und geringer Schaumbildungsneigung gesucht. Eine neue Technologie mit großem Anwendungspotenzial stellt die Begasung mit Feinblasen dar, die einen Durchmesser von weniger als 100 Mikrometern aufweisen. Die Feinblasen-Technologie hat sich in den letzten Jahren insbesondere in Japan etabliert, wo für Feinblasen-Generatoren und Messgeräte bereits eine eigene Branche existiert, die auf ISO-Standards zurückgreifen kann. In Deutschland ist diese Technologie noch nahezu unbekannt. Für Flotationsprozesse kommen zwar bereits seit langem Feinblasen zur Anwendung, deren physikalische Eigenschaften und Wirkungsweise im Zusammenhang mit Stofftransportprozessen sind jedoch weitgehend unerforscht. Verschiedene Autoren berichten z.B. über Feinblasen, die über Wochen und Monate in Flüssigkeiten beständig sind, obwohl dies der Theorie deutlich wiederspricht. Dieser Effekt wird sehr kontrovers diskutiert und z.B. auf Oberflächenkontaminationen oder Oberflächenladungen zurückgeführt. Trotz der offenen Fragen bieten Feinblasen aufgrund der großen spezifischen Stoffaustauschfläche und damit großen Stoffaustauschleistung ein großes Potenzial zur Intensivierung von chemischen und biochemischen Reaktionen. Die starke Zusammenarbeit zwischen Deutschland und Japan auf dem Gebiet der Verfahrenstechnik mehrskaliger und mehrphasiger Prozesse (Deutsch-Japanisches Symposium on Multiscale Multiphase Process Engineering, 2011 und 2014 gefördert durch die DFG) bietet die einmalige Chance, diese neue aufstrebende Technologie gemeinsam mit der führenden Nation auf diesem Gebiet zu erforschen und neue Anwendungsbereiche zu eröffnen. Als erstes Pilotprojekt soll hier das Potenzial von Feinblasen für biokatalytische Prozesse untersucht werden. Die hohe Stofftransportleistung, der geringe Zweiphasen-Druckverlust und die vernachlässigbare Scherbeanspruchung sowie die Vermeidung von Schaumbildung und Verdunstung von Reaktanden sind die vielversprechendsten Vorteile der feinblasigen Belüftung gegenüber konventioneller Begasung. Während die Messmethoden des Instituts für Mehrphasenströmungen tiefe Einblicke in die Hydrodynamik und den Stofftransport in Feinblasen-Strömungen mit hoher zeitlicher und örtlicher Auflösung ermöglichen werden, bietet die reaktionstechnische Expertise des Instituts für Technische Biokatalyse die Möglichkeit, die Beeinflussung biokatalytischer Reaktionen durch Feinblasen detailliert zu untersuchen. Für den Wissenstransfer aus Japan soll mit diesem Projekt Prof. Terasaka, Keio University, Japan als Merkator-Fellow gewonnen werden. Weiterhin ist ein Austausch von Studierenden, Doktoranden und Hochschullehrern beider Länder geplant. Projektergebnisse werden u.a. auf dem nächsten MMPE Symposium 2017 in Toyama, Japan präsentiert, um weitere länderübergreifende Forschungsprojekte zu initiieren.The rising demand in process engineering for aeration with high mass transfer performance with low pressure drop, low shear stress and avoidance of foaming opens an interesting field for new technologies. One possibility to achieve these goals is the aeration with fine bubbles whose diameter is less than 100 micrometers. In Japan, many applications of fine bubbles can be found and several companies have been established that are offering fine bubble generators (FBG) and analyzing devices for fine bubbles. In 2013, the technical committee for Fine Bubble Technologies (FBT) was established and approved by the Organization for Standardization (ISO). In Germany fine bubbles are known at the most in connection with flotation processes but their potential for mass transfer in two phase flows has not been addressed so far. Especially the question of physical properties and effectiveness has not been answered satisfactorily. Several authors are reporting a lifetime of fine bubbles in the range of several weeks and months, which is much longer than the predicted one. This effect is discussed very contradictorily and attributed to contaminations or surface charging. Nevertheless, the introduction of small-sized bubbles leads to large volume-specific interfacial areas and therefore to high mass transfer rates. The strong collaboration between Germany and Japan in the field of Multiscale Multiphase Process Engineering (MMPE joint conferences 2011 and 2014, supported by the DFG) provides a unique possibility to intensively exchange knowledge about fine bubbles and its applications between Germany and Japan and enables efficient research in this emerging field of technology. This project is intended to investigate the potential of fine bubbles for biocatalytic processes. High mass transfer performance, negligible two-phase pressure drop and shear stress as well as the avoidance of foaming and reactant evaporation are the most promising advantages of fine bubble aeration in comparison to conventional systems. While the measurement methods of the Institute of Multiphase Flows will provide a deep insight into hydrodynamics and mass transfer processes in fine bubble two-phase flows with high temporal and spatial resolution, the reaction engineering expertise and knowledge in biocatalysis of the Institute of Technical Biocatalysis will enable the detailed investigation of the effect of fine bubbles on biocatalytic reactions in stirred tanks as well as packed bed reactors. For the transfer of knowledge, Prof. Koichi Terasaka from Keio University, Japan is intended to join the project as Mercator Fellow. Furthermore, an intensive scientific exchange of students, PhD students and professors between Keio University and TUHH will foster research between the Universities and the presentation of results at the next International Symposium of MMPE 2017 in Toyama, Japan, is intended to motivate further initiatives related to research on fine bubbles.