Synopse 1140

Losungen (Flow-behaviour-Indices n von 0,847 bis 0,440) wurde das effektive Schergefalle yefr (s-') nach einer auch in den fruheren Arbeiten [l - 31 verwendeten Beziehung abgeschatzt:

(1 1

( V , Gasleerrohrgeschwindigkeit, m s - l ) . In den CMC-Losungen war die Blasenstromung bis zu Viskositaten um 0,l Pas heterogen (Churn-turbulent flow). Der Zusatz von 0,s kmol/m3 Natriumsulfat oder -sulfit verzogerte die Ausbildung von Kolbenblasen-Stromung (Slug flow) sogar bis auf 0,2 Pas. Fur CMC-Losungen in einer Saule

jeff = 5000 v, .

Sauerstoff-Eintrag in CMC-Losungen in einer Blasensaule groBen Durchmessers

Adrian Schumpe, Sanjay P. Godbole und Yatish T. Shah*

WaBrige Losungen von CMC (Carboxymethylcellulose) wurden vielfach als Model1 fur pseudoplastische viskose Medien verwendet, wie sie in biotechnologischen und pharmazeutischen Prozessen auftreten. In Blasensaulen wurde der Stoffubergang in CMC- Losungen bisher stets bei Saulendurchmessern von etwa 0,14 m untersucht. Gasanteile wurden von Schumpe u.a. [I] auch in einer Saule von 0,102 m Durchmesser ermittelt. AuRer bei homogener Blasenstromung waren die Gasgehalte hoher als beim Saulendurch- messerOJ4m. Godboleu. a. [2] beobachtetenineiner Saulevon0,305 m Durchmesser erheblich geringere Gasanteile. Offenbar bedingt die GroBe der in viskosen Medien auftretenden Blasen einen starkeren Durchmesser-EinfluB als in niedrigviskosen Losungen. Godbole u. a. [2 ] schlugen eine umgekehrte Proportionalitat des Gasanteiles E, zur Quadratwurzel des Saulendurchmessers vor ( E , - D-Os5). Anderer- seits beinhaltet eine von Nakanoh und Yoshida [3] vorgeschlagene Korrelation fur die volumetrischen Stoffubergangszahlen k,a eine Zunahme mit steigendem Saulendurchmesser ( k,a -Do," ; a spezifi- sche Phasengrenzflache, m-' ; k, flussigkeitsseitiger Stoffubergangs- koeffizient,m s-I) . Daher wurden indieser Arbeit in der von Godbole u. a. [2] verwendeten Blasensaule von 0,305 m Durchmesser Gasgehalte (manometrische Methode), volumetrische Stoffuber- gangszahlen (dynamische Methode [3]) und spezifische Phasengrenz- flachen (Sulfit-Oxidationsmethode [l]) in CMC-Losungen ermittelt. Ferner wurdeder EinfluR des Zusatzes von Salz (Natriumsulfat) bzw . einer oberflachenaktiven Substanz (Triton X-114) untersucht. Zur Berechnung der effektiven Viskositaten der pseudoplastischen

0.20

0,15

E

410

0.05

0

10%. N m-'

0 0.1 0.2 0.3 Em73 VG , ms-1

Abb. 1. teil an groBeren (-) und an sehr kleinen Blasen (----).

EinfluB einer oberflachenaktiven Substanz auf den Gasan-

* Dr. A . Schumpe (derzeitige Adresse: Fachbereich Chemie - Technische Chemie, Univ. Oldenburg, Ammerlander Heerstr. 67-99,2900 Oldenburg), Dr. S. P. Godbole und Prof. Dr. Y . T. Shah, Department of Chemical and Petroleum Engineering, University of Pittsburgh, Pittsburgh, PA 15261, USA.

I I I I I */ /

40 2

0 0 20 LO

Abb. 2. Korrelation der volumetrischen Stoffubergangszahlen bei heterogener Blasenstromung in CMC-Losungen (offene Symbole) und CMC/Natriumsulfat-Losungen (gefullte Symbole).

von 0,14 m Durchmesser berichteten Schumpe u.a. [l] uber Kolbenblasen-Stromung bereits fur Viskositaten ab 0,02 bis 0,03 Pas. In beiden Stromungsbereichen waren die Gasanteile in der 0,305-m-Saule erheblich kleiner als in Saulen geringerer Durchmes- ser. Fur heterogene Stromung folgten sie mit *4%0 mittlerer Abweichung der Beziehung:

E~ = 0,207 Pd6O pLe<f0.l9 (2)

(pelf effektive dynamische Viskositat, Pa s). Bei Zusatz von 0,s kmol/m3 Natriumsulfat oder -sulfit waren die Gasanteile gegenuber G1. (2) um 23% erhoht. Zusatze einer oberflachenaktiven Substanz (Triton X-114) erhohten den Anteil sehr kleiner Blasen (dB < 1 mm), beeinfluBten jedoch nicht den Anteil an groBeren Blasen (Abb. 1). Die volumetrischcn Stoffubergangszahlen in CMC- bzw. CMC/Na- triumsulfat-Losungen waren erheblich niedriger als in CMC-freien Medien (Wasser, Natriumsulfat-Losung). Fur heterogene Stromung in CMC-Losungen lie0 sich der EinfluB der Gasgeschwindigkeit Vc (0,03 bis 0,24 m/s) und der effektiven dynamischen Viskositat perf (0,Ol bis 0,lO Pas) mit nur 3% mittlerer Abweichung korrelieren :

Die Stoffubergangszahlen waren deutlich niedriger als die Vorhersa- gen bisher vorgeschlagener Korrelationen [l , 31. Im Vergleich zu Kolbenblasen-Stromung [I] ergab sich eine starkere Abhangigkeit von der Viskositat, und es zeigte sich ein deutlicher Salzeffekt. Die gemeinsame Auftragung (Abb. 2) der k,a-Werte in CMC- und

722 Chem.-1ng.-Tech. 55 (1983) Nr. 9, S. 722-723 0 Verlag Chemie GmbH, D-6940 Weinheim 1983 0009-286X/83/0505-0722$02.50/0

schlieRen. Bisher vorgeschlagene Korrelationen sind daher fur eine sichere MaRstabsvergroBerung nicht hinreichend. In mikrobiellen Kulturmedien ist mit der Anwesenheit von Salzeri und oberflachen- aktiven Substanzen zu rechnen. Die mit diesen ZusZtzen erzielten Ergebnisse sind daher von Bedeutung fur die Anwendung der an CMC-Modellmedien entwickelten Korrelationen.

CMC/"triumsulfat-Losungen gegen die Parameter-Gruppe (V244 pe;,!,") lieferte fur die salzhaltigen Losungen eine um den Faktor 2.5 hohere Steigung der Ausgleichsgeraden. Bei den Untersuchungen zum EinfluR oberflachenaktiver Substanzen be- dingte der hohe Gehalt an sehr kleinen Blasen (d,< 1 mm) methodische Unsicherheiten, die nur eine obere Abgrenzung fur den EinfluR der Oberflachenspannung erlaubten. Die spezifischen Phasengrenzflachen in CMC/Natriumsulfit-Losun- gen bei heterogener Stromung folgten mit f 10% mittlerer Abwei- chung der Beziehung

Wie fur die Gasgehalte und Stoffubergangszahlen ergab sich damit eine etwas starkere Abhangigkeit von der Viskositat als bei Kolbenblasen-Stromung [I]. Wegen desstarken Salzeffektes lie13 sich GI. (4) nur auf die in CMC/Natriumsulfat-Loisungen gemessenen Stoffubergangszahlen anwenden. Die so abgeschatzten flussigkeits- seitigen Stoffubergangszahlen k , zeigten nur eine geringe Abhangig- keit von der Gasgeschwindigkeit und waren mit Werten von 1,6 . lo-" bis ?,6 10-4m/s hoher als unter vergleichbaren Bedin- gungen bei Kolbenblasen-Stromung [I]. Im Vergleich zu fruheren Arbeiten in Saulen kleinerer Durchmesser lassen die Ergebnisse auf einen starken EinfluD des Saulendurchmes- sers auf die Hydrodynamik und den Stoffaustausch viskoser Medien

Die Autoren danken fur die Finanzierungder Arbeiten durchdie Gulf Research & Development Company. Eingegangen am 7. Februar 1983

[l] Schumpe, A . ; Nguyen-tien, K. ; Deckwer, W.-D. : Chem.-1ng.-

[2] Godbole, S . P. ; Honath, M . F. ;Shah, Y . T. : Chem. Eng. Commun.

[3] Nukunoh, M . ; Yoshida, F.: Ind. Eng. Chem., Process Des. Dev. I 9

SchIiisselworte: Blasensaule, Carboxymethylcellulose, Gasanteil, Stoffiibergangszahl, Phasengrenzflache.

Tech. 53 (1981) S. 886.

16 (1982) S. 119.

(1980) S. 190.

Chem.-1ng.-Tech. 55 (1983) Nr . 9, S. 722-723 723

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