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Die Dissertation beschäftigt sich mit der Wärmeleitfähigkeit von Flüssigkeiten in Hochdruckprozessen (bis zu 400 MPa) im Bereich der Lebensmittel- und Biotechnologie. Im Vordergrund steht die modellbezogene Beschreibung thermischer Diffusionsvorgänge zur Verbesserung der Charakterisierbarkeit thermofluiddynamischer Vorgänge in Hochdruckkammern. Zur Erarbeitung bisher fehlender in-situ Daten wurde zunächst ein auf der instationären Hitzdrahtmethode basierendes Wärmeleitfähigkeitsmesssystem für niedrigviskose Flüssigkeiten konzipiert und experimentell realisiert. Die Eignung druckadaptierter empirischer Modelle wird anhand gewonnener Messdaten für wässrige Zuckerlösungen, Pflanzenöle und Ethanol-Rizinusöl-Gemische erörtert und die Ergebnisse hinsichtlich der Hochdruckbehandlungsprozesse interpretiert., This work deals with the thermal conductivity of liquids at pressures up to 400 MPa in the field of food- and biotechnology. Here, the modelling of thermal diffusion is carried out to enable an improved characterization of thermo-fluid dynamics in high pressure chambers. In order to acquire unavailable in-situ data, first of all a thermal conductivity measurement system for low viscous liquids on the basis of the transient hot-wire method was conceived and experimentally realized. The applicability of pressure adapted empirical models is discussed with obtained measuring data for aqueous sugar solutions, plant oils, and ethanol-castor oil-mixtures. Finally, the results are interpreted concerning high pressure treatment processes.

Aufgrund von Züchtungs- und Wettereinflüssen ändert sich die Qualität des Rohstoffes Malz ständig. Der Prozessschritt innerhalb der Bierbereitung, bei dem Schwankungen der Malzeigenschaften ausgeglichen werden müssen, ist das Maischen. Bisher wird dieser Prozessschritt weitgehend empirisch über Temperatur-Zeit-Programme gesteuert, wobei Schwankungen in der Malzqualität nicht ausreichend berücksichtigt werden. Hieraus können sich große Verarbeitungsprobleme in Bezug auf die Filtrierbarkeit des Bieres und erhebliche Qualitätseinbußen bei der Schaumhaltbarkeit und dem Geschmack sowie der Geschmacksstabilität des Bieres ergeben. Diese Schwierigkeiten sind nach Beendigung des Maischprozesses nicht mehr zu beheben. Es wäre wünschenswert, den Maischprozess online zu beobachten und dadurch rückgekoppelt steuern zu können, um die Würze- und die Bierqualität konstant zu halten. Somit können diese Probleme vermieden werden. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden Analysen zur chronologischen Beobachtung von Maischprozessen ausgesucht und angewendet. Dies waren der ß-Glucan-Gehalt zur Diagnose der Zytolyse (Zellwandlösung), der FAN-Gehalt zur Beurteilung der Proteolyse (Eiweißlösung) und die fotometrische Jodprobe sowie der Extraktgehalt zur Erfassung der Amylolyse (Stärkelösung). Bezüglich der Zytolyse wurde festgestellt, dass ihr Ausmaß erst rückwirkend beurteilt werden kann und nicht während sie beeinflussbar ist. Die Proteolyse ist in ihrem Fortschritt am FAN-Gehalt erkennbar. Dieser nimmt einen ähnlichen Kurvenverlauf wie der lösliche Stickstoff. Die Amylolyse ist hauptsächlich durch Zuwachs an Extrakt in der Lösung charakterisiert. Physikalische Daten wurden mittels einer an den Maischbottich angeschlossenen Messstrecke generiert. Dies waren die Dichte, die Schallgeschwindigkeit, die Leitfähigkeit und die Viskosität der Maische. Außerdem ist an die Messtrecke ein Gerät zur online-Messung der Jodprobe anschließbar. Die im Labor gewonnenen Analysendaten wurden mit den physikali, The quality of malt continously varies because of different barley varieties and weather conditions. Mashing is the processing step in beer brewing which holds the possibility to compensate the variation of malt properties. Up to now this processing step was controlled by empiric programs of temperature and duration alternations, not considering sufficiently the variations in malt quality. This may cause major problems in batch-processing in regard to fiterabiltiy of beer and losses in terms of foam, taste quality and taste stability. Those difficulties can not be corrected once mashing is finished. An online monitoring of mashing and the possibility of regenerative control holds the option to give constancy to wort and beer quality and to prevent the afore mentioned problems. For this objective certain analysis were selected and applied to track the mashing process chronologically: The ß-glucan content to valuate the cytolytic degradation. The FAN (Free Amino Nitrogen) content to state proteolytic conversions. The photometric iodine test/content of extract to rate amylolytic dissolution. The extent of cytolytic degradation can only be rated in a retroactive way, and not while exerting influence on it is possible. The proteolytic conversion can be detected by its progress of the FAN content. The proteolytic conversion shows a similar plot as the soluble Nitrogen. Amylolytic dissolution mainly is characterized by the increase of dissoluted extract. Physical data were generated by means of a measuring section attached at the mash tun. This have been the density, the sound velocity, the conductivity and the viscosity of the mash. In addition equipment is connectable to the measuring-section for the on-line measurement of the iodine sample. The analysis data won in the laboratory were compared with the physical data. This comparison resulted in that the progress of the proteolysis is observable by the recordation of the conductivity of the mash, since this correlates wi

Aufgrund von Züchtungs- und Wettereinflüssen ändert sich die Qualität des Rohstoffes Malz ständig. Der Prozessschritt innerhalb der Bierbereitung, bei dem Schwankungen der Malzeigenschaften ausgeglichen werden müssen, ist das Maischen. Bisher wird dieser Prozessschritt weitgehend empirisch über Temperatur-Zeit-Programme gesteuert, wobei Schwankungen in der Malzqualität nicht ausreichend berücksichtigt werden. Hieraus können sich große Verarbeitungsprobleme in Bezug auf die Filtrierbarkeit des Bieres und erhebliche Qualitätseinbußen bei der Schaumhaltbarkeit und dem Geschmack sowie der Geschmacksstabilität des Bieres ergeben. Diese Schwierigkeiten sind nach Beendigung des Maischprozesses nicht mehr zu beheben. Es wäre wünschenswert, den Maischprozess online zu beobachten und dadurch rückgekoppelt steuern zu können, um die Würze- und die Bierqualität konstant zu halten. Somit können diese Probleme vermieden werden. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden Analysen zur chronologischen Beobachtung von Maischprozessen ausgesucht und angewendet. Dies waren der ß-Glucan-Gehalt zur Diagnose der Zytolyse (Zellwandlösung), der FAN-Gehalt zur Beurteilung der Proteolyse (Eiweißlösung) und die fotometrische Jodprobe sowie der Extraktgehalt zur Erfassung der Amylolyse (Stärkelösung). Bezüglich der Zytolyse wurde festgestellt, dass ihr Ausmaß erst rückwirkend beurteilt werden kann und nicht während sie beeinflussbar ist. Die Proteolyse ist in ihrem Fortschritt am FAN-Gehalt erkennbar. Dieser nimmt einen ähnlichen Kurvenverlauf wie der lösliche Stickstoff. Die Amylolyse ist hauptsächlich durch Zuwachs an Extrakt in der Lösung charakterisiert. Physikalische Daten wurden mittels einer an den Maischbottich angeschlossenen Messstrecke generiert. Dies waren die Dichte, die Schallgeschwindigkeit, die Leitfähigkeit und die Viskosität der Maische. Außerdem ist an die Messtrecke ein Gerät zur online-Messung der Jodprobe anschließbar. Die im Labor gewonnenen Analysendaten wurden mit den physikali, The quality of malt continously varies because of different barley varieties and weather conditions. Mashing is the processing step in beer brewing which holds the possibility to compensate the variation of malt properties. Up to now this processing step was controlled by empiric programs of temperature and duration alternations, not considering sufficiently the variations in malt quality. This may cause major problems in batch-processing in regard to fiterabiltiy of beer and losses in terms of foam, taste quality and taste stability. Those difficulties can not be corrected once mashing is finished. An online monitoring of mashing and the possibility of regenerative control holds the option to give constancy to wort and beer quality and to prevent the afore mentioned problems. For this objective certain analysis were selected and applied to track the mashing process chronologically: The ß-glucan content to valuate the cytolytic degradation. The FAN (Free Amino Nitrogen) content to state proteolytic conversions. The photometric iodine test/content of extract to rate amylolytic dissolution. The extent of cytolytic degradation can only be rated in a retroactive way, and not while exerting influence on it is possible. The proteolytic conversion can be detected by its progress of the FAN content. The proteolytic conversion shows a similar plot as the soluble Nitrogen. Amylolytic dissolution mainly is characterized by the increase of dissoluted extract. Physical data were generated by means of a measuring section attached at the mash tun. This have been the density, the sound velocity, the conductivity and the viscosity of the mash. In addition equipment is connectable to the measuring-section for the on-line measurement of the iodine sample. The analysis data won in the laboratory were compared with the physical data. This comparison resulted in that the progress of the proteolysis is observable by the recordation of the conductivity of the mash, since this correlates wi

Die Komplexität chemisch-biologischer Systeme steht einer ortsaufgelösten Modellierung und Simulation von Bioprozessen häufig entgegen. Mit dem Ziel das Potential und die Grenzen der Lattice-Boltzmann-Methode (LBM) für die Modellierung biotechnologischer Problemstellungen aufzuzeigen, soll mit dieser Dissertation eine Verbesserung der Modellierungsmöglichen von Biosystemen erreicht werden. Die Fähigkeit der Methode, simultan mikro- und makroskalierte Phänomene belastbar zu modellieren, eröffnet dazu neue Möglichkeiten. So wurde sowohl grundlagenorientiert die Weiterentwicklung der LBM-Grundgedanken mit Blick auf die Modellierung von Transportprozessen und damit verbundener Phasengleichgewichtsphänomene in der Mikroumgebung poröser Materialien vorgenommen, als auch anwendungsorientiert, die daraus gewonnen Erkenntnisse für das Prozessdesign im Tissue Engineering sowie in der Lebensmittel- und Getränketechnologie eingesetzt., The complexity of chemical and biological systems often hinders spatially resolved modeling and simulation of bioprocesses. This thesis tries to achieve improvements for modeling possibilities in biological systems, with the aim to demonstrate the potential and limits of the Lattice-Boltzmann Method (LBM) for modeling biotechnological issues. The ability of this method to model both micro/macro-scale phenomena opens new opportunities to numerically treat a variety of bio-systems. Thus, fundamental research is achieved on the development of the LBM with a view to the modeling of transport processes and related phase equilibrium phenomena in the micro-environment of porous materials. Additionally, the developed methods and knowledge were applied on the process design for tissue engineering, food and beverage technology.

Die Dissertation beschäftigt sich mit der Wärmeleitfähigkeit von Flüssigkeiten in Hochdruckprozessen (bis zu 400 MPa) im Bereich der Lebensmittel- und Biotechnologie. Im Vordergrund steht die modellbezogene Beschreibung thermischer Diffusionsvorgänge zur Verbesserung der Charakterisierbarkeit thermofluiddynamischer Vorgänge in Hochdruckkammern. Zur Erarbeitung bisher fehlender in-situ Daten wurde zunächst ein auf der instationären Hitzdrahtmethode basierendes Wärmeleitfähigkeitsmesssystem für niedrigviskose Flüssigkeiten konzipiert und experimentell realisiert. Die Eignung druckadaptierter empirischer Modelle wird anhand gewonnener Messdaten für wässrige Zuckerlösungen, Pflanzenöle und Ethanol-Rizinusöl-Gemische erörtert und die Ergebnisse hinsichtlich der Hochdruckbehandlungsprozesse interpretiert., This work deals with the thermal conductivity of liquids at pressures up to 400 MPa in the field of food- and biotechnology. Here, the modelling of thermal diffusion is carried out to enable an improved characterization of thermo-fluid dynamics in high pressure chambers. In order to acquire unavailable in-situ data, first of all a thermal conductivity measurement system for low viscous liquids on the basis of the transient hot-wire method was conceived and experimentally realized. The applicability of pressure adapted empirical models is discussed with obtained measuring data for aqueous sugar solutions, plant oils, and ethanol-castor oil-mixtures. Finally, the results are interpreted concerning high pressure treatment processes.

Mit in der Vergangenheit entwickelten Methoden war es nicht möglich mikroskopische Bilder mit hoher optischer Auflösung und befriedigender Qualität bei einem hohen Druck (> 1000 bar) zu gewinnen. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer Methode zur lichtmikroskopischen Beobachtung von mikroskopisch kleinen Partikeln unter dem Einfluss von Hochdruck. Dies erfolgte ausschließlich mit Hilfe konventionell erhältlichen optischen Geräten. Dabei wurden die aus optischen Gesichtspunkten erforderlichen Dimensionen von Sichtfenstern für Hochdrucksichtzellen hergeleitet. Die während der Arbeit entwickelte Hochdruckzelle (HPDS-3000) und die benutzten optischen Geräte und sämtliche Nebenaggregate werden in ausführlicher Form beschrieben. Das System ermöglicht lichtmikroskopische Beobachtungen von Partikeln mit einer optischen Auflösung von ≈ 0,5 µm bis zu einem Druck von 3000 bar. Es ermöglicht Durch- und Auflichtbetrachtung, mit Phasenkontrast-, Fluoreszenzmikroskopie und konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie. Untersucht wurden Zwiebelepithel- und Stärkezellen (Weizen-, Tapioka- und Kartoffelstärke), Lipide, die Grünalge Spirogyra, die Spalthefe Schizosaccharomyces pombe (mit den Farbstoffen Methylenblau, Methylgrün, Trypanblau und Eosin Y), humanen Krebszellen (mit den Fluoreszenzfarbstoffen PI, Hoechst 33342 und DiOC6) und Muskelzellen der Maus (mit den Fluoreszenzfarbstoffen Rhod-2 und Fluo-4). Abschließend wird eine Methode zur Abschätzung bzw. Minimierung der sphärischen Aberration bei Verwendung von herkömmlichen Long-Distance-Objektiven in Verbindung mit Fenstern aus Materialien mit hoher optischer Dichte vorgeschlagen. Dabei wird auf die Erfolgsaussichten für die Benutzung von Diamant- anstelle von Saphirfenstern eingegangen., With methods developed in the past it was not possible to get microscopic images with a high optical resolution and satisfying quality under high pressure (> 1000 bars). The aim of this work was the development of a method for the light microscopic observation of microscopic small particles which are exposed to high hydrostatic pressure. For the system only ready-made optical equipment was used. Therefore the required window dimensions (from the optical aspect) for the high pressure cell were calculated. The optical high pressure cell and all surrounding equipment which was developed during this work are explained in detail. The system enables the light microscopic observation of particles with an optical resolution of about 0.5 µm up to a pressure of 3000 bars. It is possible to observe with transmitted and reflected light, with phase contrast and fluorescence, and with confocal laser scanning microscopy. During the investigations onion epithelia cells and starch granules (wheat, tapioca an potato), lipids (eatable), the green alga Spirogyra, the yeast Schizosaccharomyces pombe (with the dyes methylene blue, methyl green, trypan blau and eosin Y), human cancer cells (with the dyes PI, Hoechst 33342 and DiOC6) and muscle cell of mice (with the fluorescence dyes Rhod-2 und Fluo-4) were investigated. Finally a method is presented which enables to estimate and minimize the spherical aberration of ready-made long distance objectives in combination with thick windows made of transparent material with an high index of refraction. Herewith the chances of success are given to replace the windows made of sapphire by windows made by diamond.

High pressure technology is a new application in the preparation and preservation of biotechnological substances, e.g. food. Here, biotechnological substances are treated with pressures up to 1,000 MPa in high pressure autoclaves. During the procedure of the volume change work is converted into internal energy, so that the temperature in high pressure autoclaves increases. In smaller high pressure autoclaves, such temperature increase can be controlled effectively. In larger high pressure autoclaves, however, temperature gradients are prominent. Since the heterogeneity in the temperature distribution has influences on the quality of the product, this represents one of the most important problems in the high pressure treatment of food. This work dedicates itself to the analysis of the thermofluiddynamic processes during the high pressure treatment of biotechnological substances using theoretical modelling and numerical simulations. The finite volume code CFX-5.7 and CFX-10 are extended with own subroutines, in order to be able to simulate thermofluiddynamic processes during the high pressure treatment of different biotechnological substances with 500 MPa. For this two inactivation kinetics are also implemented into the program. On the one hand, the use of inactivation kinetics of the enzyme Bacillus subtilis Alpha-Amylase to investigate the flow behaviour of the fluid "water" gives information about how the thermal heterogeneity affects the homogeneity of the treatment of liquid food. Different process trajectories lead to different fluiddynamic processes during the entire high pressure treatment. Above all, the distributions of the temperature as well as of the residual activity of the enzyme are examined. The dimensionless numbers, Re, Pr, Fr, Gr and Ra give additional information on the behaviour of the fluid movements in the autoclaves. It can be shown that the interaction of the thermal expansion and the cooling process by the wall material of the autoclaves is, Die Hochdrucktechnologie ist eine neuartige Anwendung zur Zubereitung und Haltbarmachung von biotechnologischen Substanzen, z. B. Lebensmitteln. Hierbei werden biotechnologische Substanzen in sog. Hochdruckautoklaven bei Drücken bis zu 1.000 MPa behandelt. Beim Vorgang der Kompression wird die Volumenänderungsarbeit in innere Energie umgesetzt, so dass sich die Temperatur im Hochdruckautoklaven erhöht. In kleineren Hochdruckautoklaven lassen sich solche Temperaturerhöhungen relativ einfach mit Einrichtungen zur Temperierung in den Griff bekommen. In größeren Hochdruckautoklaven liegt indessen keine gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des Autoklaven vor. Da die Heterogenität in der Temperaturverteilung Einflüsse auf die Qualität des Produkts ausübt, stellt dies eine der wichtigsten Problemstellungen in der Hochdruckbehandlung von Lebensmitteln dar. Die vorliegende Arbeit widmet sich der Analyse der thermofluiddynamischen Prozesse während der Hochdruckbehandlung von biotechnologischen Substanzen mit Hilfe der theoretischen Modellierung und der numerischen Simulationen. Der Finite-Volumen-Code CFX-5.7 und CFX-10 wurde mit selbst entwickelten Subroutinen erweitert, um thermofluiddynamische Vorgänge bei der Hochdruckbehandlung von verschiedenen biotechnologischen Substanzen bei 500 MPa simulieren zu können. Hierzu werden zwei Inaktivierungskinetiken mit in das Programm implementiert. Zum einen gibt die Verwendung der Inaktivierungskinetik des Enzyms Bacillus subtilis Alpha-Amylase bei den Untersuchungen des Strömungsverhaltens des Druckmediums „Wasser“ Auskunft darüber, wie sich die thermische Heterogenität auf die Homogenität bei der Behandlung von flüssigen Lebensmitteln auswirkt. Anhand verschiedener Prozesstrajektorien werden Einflüsse verschiedener fluiddynamischer Subvorgänge auf die gesamte Hochdruckbehandlung, vor allem die Verteilung der Temperatur sowie der Restaktivität des Enzyms, untersucht. Die dimensionslosen Zahlen Re, Pr, Fr, Gr und Ra geben zusä

The aim of this thesis was to study the effect of temperature-co-solvent or combined pressure-temperature-co-solvent induced inactivation behaviour of bacteria. Therefore, the focus was set on the fermentative organism Lactococcus lactis ssp. cremoris MG 1363, which should be characterised on its physiological behaviour under extreme conditions. In addition, previously measured data sets were used (Molina-Höppner, 2002) to the pressure-temperature-co-solvent dependent inactivation kinetics that were determined in preparation of this work. Data Mining tools as well as differential equation tools have been used for this bacteria to extract as much information as possible out of the generated data and to describe its behaviour mathematically. The second part of the thesis represents a study about the detection of stress induced enzymes and their influence on the inactivation behaviour of contaminating Escherichia coli TMW 2.497. The prolongation of temperature induced inactivation of L. lactis by the use of protective additives was verified by quantifying viable and stress resistant cell counts after the process as well as by the use of FT-IR spectroscopy during the temperature treatment. Therefore, different buffer systems namely milk bufffer, milk buffer 1.5M sucrose or milk buffer 4M NaCl and a temperature range between 40°C and 75°C was used to detect the protective effect of both additives. NaCl protects L. lactis more effective than sucrose. The inactivation kinetics followed the characteristics of sigmoid asymetric shapes with either with or without an initial shoulder effects. Nevertheless, a complete inactivation of the population was reached by the use of 65°C in each buffer. The protective effect was detected and assigned to the reduced aw in case of NaCl as well as the preferential hydration effect of proteins in carbohydrate solutions. These findings as well as the generated data were used to detect correlations between those physiological states as well a, Das Ziel der Arbeit stellte die Untersuchung temperatur- oder druck-temperatur- oder druck-pH-induzierter Inaktivierung von Bakterien in Abhängigkeit von verschiedenen Additiva zum Messsystem „Milchpuffer“ dar. Dabei kam der fermentative Organismus Lactococcus lactis ssp. cremoris MG 1363 sowie der Verderbsorganismus Escherichia coli TMW 2.497 zum Einsatz. Der Fokus der Arbeit lag auf L. lactis sowie der Analyse der druck-temperaturinduzierten Inaktivierung. Zusätzlich zu den in dieser Arbeit generierten Daten wurden Daten aus einer weiteren Doktorarbeit zur Hochdruckinaktivierung von L. lactis verwendet (Molina-Höppner, 2002). Beide Datensätze sollten mit Hilfe geeigneter Data Mining Methoden analysiert werden, um letztendlich weiteres Wissen aus den Daten zu extrahieren um ein Modell generieren zu können, welches die Detektion von thermisch induzierten Prozessungleichförmigkeiten bei der Hochdruckbehandlung von Lebensmitteln voraussagen kann. Der zweite Teil der Arbeit stellte die Detektion von stressinduzierter Resistenzmechanismen in E. coli und deren Einfluss auf die kombinierte Druck-pH-Inaktivierung dar. Bei der Anlayse zur temperaturinduzierten Inaktivierung von L. lactis konnte durch den Zusatz von Protektiva wie Kochsalz bzw. Saccharose in molarer Konzentration ein Schutzeffekt im Vergleich zu Inaktivierungsdaten generiert in Milchpuffer bestätigt werden. Dabei bot die Zugabe von 4 M Kochsalz einen effektiveren Schutz wie der Zusatz von 1,5M Saccharose. Die dabei erzielten Kinetiken nahmen einen Verlauf an, bei dem entweder keine Inaktivierung und/oder eine Dezimierung der Population stattfanden. Eine komplette Reduktion der Population von L. lactis konnte in jedem Puffersystem ab 65°C beobachtet werden. Der Schutzeffekt lässt sich durch den reduzierten aw-Wert in Gegenwart von Kochsalz sowie der Bildung einer proteinumlagerneden schützenden Hydrathülle in Gegenwart von Saccharose erklären. Dadurch musste in Gegenwart dieser Zusätze mehr Energie in Form vo

In addition to heat treatment of food used to enhance shelf life, the relevance of the application of hydrostatic pressures is increasing. With treatment of several 100 MPa many food-spoiling microorganisms can be completely eliminated, while valuable properties such as vitamins, colouring, smell and taste are mostly preserved. Equilibrium constants change with pressure. Consequently, both the pH-value of a solution and the behaviour of pH-sensitive reactions change, e.g. the pH-optimum of an enzyme or the pH-value under which a protein is denatured. Although research into high pressure treatment of food has been intensified in the last decades, there is still a deficiency in in-situ measuring methods for many fundamental physical and chemical quantities such as the pH-value. The aim of this work was to develop a system for the optical measurement of the pH-value of food during pressure treatment of up to 450 MPa. The system developed is based on absorption measurements using indicator dyes in an optical high pressure cell. The calibration took place using different buffer solutions under pressure. A mixture of 14 indicator dyes was used, covering a pH-range from 2 to 8 at standard pressure. Since acid/base equilibria shift under pressure, the pressure behaviour of the buffer systems had to be calculated. For this purpose, different procedures described in literature were presented and discussed. The procedure which showed the best agreement with measured data was selected for the calculations. The modelling of the spectroscopic data took place using chemometric methods in order to be able to cope with the complicated overlapping spectra and to keep the influence of matrix effects small. Different mathematical procedures were tested and the PCR (Principal Component Regression) with 3 principal components was considered to be the best. In validation, an empirical variance of 0.25 pH-units was reached using the calculations with PCR., Neben der thermischen Behandlung zum Haltbarmachen von Lebensmitteln gewinnt die Anwendung von hydrostatischen Drücken immer größere Bedeutung. Es hat sich gezeigt, dass bei Drücken von mehreren 100 MPa viele lebensmittelverderbende Mikroorganismen vollständig abgetötet werden können, wöhrend wertvolle Inhaltsstoffe wie Vitamine, Farb-, Aroma- und Geschmacksstoffe weitgehend erhalten bleiben. Bei einer Veränderung des Druckes ändern sich die Gleichgewichtskonstanten. Infolgedessen ändert sich sowohl der pH-Wert einer Lösung als auch das Verhalten von pH sensitiven Reaktionen, wie z.B. das pH-Optimum eines Enzyms oder der pH-Wert, dessen Unterschreitung zu einer Proteindenaturierung führt. Wenngleich die Forschung auf dem Gebiet der Hochdruckbehandlung von Lebensmitteln in den letzten Jahrzehnten intensiviert wurde, so fehlt es doch noch an in-situ Messmethoden für viele grundlegende physikalische und chemische Größen, wie den pH-Wert. Zielsetzung dieser Arbeit war es, ein System zur optischen Messung des pH-Wertes von Lebensmitteln unter Drücken bis 450 MPa zu entwickeln. Das dafür entwickelte System beruht auf Absorptionsmessungen eines Indikatorgemisches in einer Hochdrucksichtzelle. Es wurden 14 Indikatoren verwendet, die bei Normaldruck einen pH-Bereich von 2 bis 8 abdecken. Das System wurde mit verschiedenen Pufferlösungen unter Druck kalibriert. Da sich Säure/Basen-Gleichgewichte unter Druck verschieben, musste das Druckverhalten der verwendeten Puffer berechnet werden. Dazu wurden verschiedene Verfahren aus der Literatur vorgestellt und diskutiert und das Verfahren mit der besten Übereinstimmung mit Messwerten ausgewählt. Die Modellierung der spektroskopischen Daten erfolgte mit chemometrischen Methoden, um die komplizierten überlagerten Spektren beherrschen zu können und um den Einfluss von Matrixeffekten klein zu halten. Es wurden verschiedene mathematische Verfahren getestet. Die PCR (Principal Component Regression) mit 3 Hauptkomponenten erwies sich als d

High pressure technology is a new application in the preparation and preservation of biotechnological substances, e.g. food. Here, biotechnological substances are treated with pressures up to 1,000 MPa in high pressure autoclaves. During the procedure of the volume change work is converted into internal energy, so that the temperature in high pressure autoclaves increases. In smaller high pressure autoclaves, such temperature increase can be controlled effectively. In larger high pressure autoclaves, however, temperature gradients are prominent. Since the heterogeneity in the temperature distribution has influences on the quality of the product, this represents one of the most important problems in the high pressure treatment of food. This work dedicates itself to the analysis of the thermofluiddynamic processes during the high pressure treatment of biotechnological substances using theoretical modelling and numerical simulations. The finite volume code CFX-5.7 and CFX-10 are extended with own subroutines, in order to be able to simulate thermofluiddynamic processes during the high pressure treatment of different biotechnological substances with 500 MPa. For this two inactivation kinetics are also implemented into the program. On the one hand, the use of inactivation kinetics of the enzyme Bacillus subtilis Alpha-Amylase to investigate the flow behaviour of the fluid "water" gives information about how the thermal heterogeneity affects the homogeneity of the treatment of liquid food. Different process trajectories lead to different fluiddynamic processes during the entire high pressure treatment. Above all, the distributions of the temperature as well as of the residual activity of the enzyme are examined. The dimensionless numbers, Re, Pr, Fr, Gr and Ra give additional information on the behaviour of the fluid movements in the autoclaves. It can be shown that the interaction of the thermal expansion and the cooling process by the wall material of the autoclaves is, Die Hochdrucktechnologie ist eine neuartige Anwendung zur Zubereitung und Haltbarmachung von biotechnologischen Substanzen, z. B. Lebensmitteln. Hierbei werden biotechnologische Substanzen in sog. Hochdruckautoklaven bei Drücken bis zu 1.000 MPa behandelt. Beim Vorgang der Kompression wird die Volumenänderungsarbeit in innere Energie umgesetzt, so dass sich die Temperatur im Hochdruckautoklaven erhöht. In kleineren Hochdruckautoklaven lassen sich solche Temperaturerhöhungen relativ einfach mit Einrichtungen zur Temperierung in den Griff bekommen. In größeren Hochdruckautoklaven liegt indessen keine gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des Autoklaven vor. Da die Heterogenität in der Temperaturverteilung Einflüsse auf die Qualität des Produkts ausübt, stellt dies eine der wichtigsten Problemstellungen in der Hochdruckbehandlung von Lebensmitteln dar. Die vorliegende Arbeit widmet sich der Analyse der thermofluiddynamischen Prozesse während der Hochdruckbehandlung von biotechnologischen Substanzen mit Hilfe der theoretischen Modellierung und der numerischen Simulationen. Der Finite-Volumen-Code CFX-5.7 und CFX-10 wurde mit selbst entwickelten Subroutinen erweitert, um thermofluiddynamische Vorgänge bei der Hochdruckbehandlung von verschiedenen biotechnologischen Substanzen bei 500 MPa simulieren zu können. Hierzu werden zwei Inaktivierungskinetiken mit in das Programm implementiert. Zum einen gibt die Verwendung der Inaktivierungskinetik des Enzyms Bacillus subtilis Alpha-Amylase bei den Untersuchungen des Strömungsverhaltens des Druckmediums „Wasser“ Auskunft darüber, wie sich die thermische Heterogenität auf die Homogenität bei der Behandlung von flüssigen Lebensmitteln auswirkt. Anhand verschiedener Prozesstrajektorien werden Einflüsse verschiedener fluiddynamischer Subvorgänge auf die gesamte Hochdruckbehandlung, vor allem die Verteilung der Temperatur sowie der Restaktivität des Enzyms, untersucht. Die dimensionslosen Zahlen Re, Pr, Fr, Gr und Ra geben zusä

The aim of this thesis was to study the effect of temperature-co-solvent or combined pressure-temperature-co-solvent induced inactivation behaviour of bacteria. Therefore, the focus was set on the fermentative organism Lactococcus lactis ssp. cremoris MG 1363, which should be characterised on its physiological behaviour under extreme conditions. In addition, previously measured data sets were used (Molina-Höppner, 2002) to the pressure-temperature-co-solvent dependent inactivation kinetics that were determined in preparation of this work. Data Mining tools as well as differential equation tools have been used for this bacteria to extract as much information as possible out of the generated data and to describe its behaviour mathematically. The second part of the thesis represents a study about the detection of stress induced enzymes and their influence on the inactivation behaviour of contaminating Escherichia coli TMW 2.497. The prolongation of temperature induced inactivation of L. lactis by the use of protective additives was verified by quantifying viable and stress resistant cell counts after the process as well as by the use of FT-IR spectroscopy during the temperature treatment. Therefore, different buffer systems namely milk bufffer, milk buffer 1.5M sucrose or milk buffer 4M NaCl and a temperature range between 40°C and 75°C was used to detect the protective effect of both additives. NaCl protects L. lactis more effective than sucrose. The inactivation kinetics followed the characteristics of sigmoid asymetric shapes with either with or without an initial shoulder effects. Nevertheless, a complete inactivation of the population was reached by the use of 65°C in each buffer. The protective effect was detected and assigned to the reduced aw in case of NaCl as well as the preferential hydration effect of proteins in carbohydrate solutions. These findings as well as the generated data were used to detect correlations between those physiological states as well a, Das Ziel der Arbeit stellte die Untersuchung temperatur- oder druck-temperatur- oder druck-pH-induzierter Inaktivierung von Bakterien in Abhängigkeit von verschiedenen Additiva zum Messsystem „Milchpuffer“ dar. Dabei kam der fermentative Organismus Lactococcus lactis ssp. cremoris MG 1363 sowie der Verderbsorganismus Escherichia coli TMW 2.497 zum Einsatz. Der Fokus der Arbeit lag auf L. lactis sowie der Analyse der druck-temperaturinduzierten Inaktivierung. Zusätzlich zu den in dieser Arbeit generierten Daten wurden Daten aus einer weiteren Doktorarbeit zur Hochdruckinaktivierung von L. lactis verwendet (Molina-Höppner, 2002). Beide Datensätze sollten mit Hilfe geeigneter Data Mining Methoden analysiert werden, um letztendlich weiteres Wissen aus den Daten zu extrahieren um ein Modell generieren zu können, welches die Detektion von thermisch induzierten Prozessungleichförmigkeiten bei der Hochdruckbehandlung von Lebensmitteln voraussagen kann. Der zweite Teil der Arbeit stellte die Detektion von stressinduzierter Resistenzmechanismen in E. coli und deren Einfluss auf die kombinierte Druck-pH-Inaktivierung dar. Bei der Anlayse zur temperaturinduzierten Inaktivierung von L. lactis konnte durch den Zusatz von Protektiva wie Kochsalz bzw. Saccharose in molarer Konzentration ein Schutzeffekt im Vergleich zu Inaktivierungsdaten generiert in Milchpuffer bestätigt werden. Dabei bot die Zugabe von 4 M Kochsalz einen effektiveren Schutz wie der Zusatz von 1,5M Saccharose. Die dabei erzielten Kinetiken nahmen einen Verlauf an, bei dem entweder keine Inaktivierung und/oder eine Dezimierung der Population stattfanden. Eine komplette Reduktion der Population von L. lactis konnte in jedem Puffersystem ab 65°C beobachtet werden. Der Schutzeffekt lässt sich durch den reduzierten aw-Wert in Gegenwart von Kochsalz sowie der Bildung einer proteinumlagerneden schützenden Hydrathülle in Gegenwart von Saccharose erklären. Dadurch musste in Gegenwart dieser Zusätze mehr Energie in Form vo

Among new treatments in high pressure (HP) technology, phase change is one of the processes attributed with high potential of application in the food industry. Density differences of ices formed under HP and supercooling as well as the rapid ice nucleation are reported to reduce cellular damage of the food and enhance the final product quality. This work is, therefore, aimed at investigating phase change processes of water under high pressure by help of an in-situ visualization technique. Thermo liquid crystal technology is applied to a HP phase change process which has not been previously accustomed. Through this method, thermal and convective fields during different phase change processes with different ice types are analysed. Two-dimensional velocity data are further handled to generate some fluid-mechanical parameters such as shear rate, strain rate, vorticity and dissipation. Additionally, the system is represented mathematically by continuity equations for mass, momentum and energy to render a global interpretation and proficiency in analysing process mechanisms possible. Dimensionless numbers are utilized to decide the remarkable terms effecting the process. Convective and temperature field results demonstrate the differences between applied processes, such as Pressure Assisted Thawing (PAT) and Pressure Shift Thawing/Freezing (PST/PSF). A strong interaction is found between solid body motion and liquid phase. For PST process, where the thawing is taking place during pressure increase, enhanced local velocity values are obtained for both phases, in comparison with PAT. During both PAT and PST, different local flow characteristics are observed, such as stagnation or extensional flow regions. For PST vortex formation is also observed for the process. This different flow behaviour is found to be effective on temperature profile as well. PST process demonstrates inhomogeneities during phase change, whereas PAT has almost a homogeneous temperature distribution. Th, Der unter Hochdruck (HD) induzierte Phasenübergang besitzt ein enormes Potential zur Anwendung in der Lebensmittelindustrie. Dichteunterschiede der verschiedenen Eistypen in Kombination mit Unterkühlung und schneller Eiskeimbildung beim HD-Prozess verringern beim Einfrieren den zellulären Schaden an Lebensmitteln im Vergleich zu Gefrierprozessen unter atmosphärischen Druck. Dadurch kann eine bessere Produktqualität erzielt werden. Diese Arbeit untersucht den Prozess des Phasenüberganges von Wasser unter HD mit Hilfe einer in-situ Visualisierungstechnik. Dabei werden erstmals Thermoflüssigkristalle zur Beschreibung dieses Prozesses unter HD verwendet. Diese Methode erlaubt , die Temperatur- und Strömungsfelder während des Überganges von Wasser in die verschiedenen Eistypen und umgekehrt unter Hochdruck zu analysieren. Aus den Geschwindigkeitsdaten werden zusätzlich Scher- und Dehneffekte, die Wirbelstärke und die Dissipation ermittelt. Dabei wird das System mathematisch mit den Masse-, Impuls- und Energie-Erhaltungssätzen beschrieben. Die Dimensionsanalyse und die Bestimmung der dimensionslosen Kennzahlen ermöglichen eine verallgemeinerte Aussage über den Gefrier- und Auftauprozess unter HD. Die aufgenommenen Temperatur- und Bewegungsfelder zeigen charakteristische Unterschiede zwischen den verschiedenen Verfahren, wie zum Beispiel dem Hochdruckunterstützten Auftauen (PAT) und dem Hochdruckinduzierten Auftauen/ -Gefrieren (PST/PSF). Indes besteht eine starke Interaktion zwischen der Bewegung des Festkörpers und der flüssigen Phase. Beim Auftauen durch eine Druckerhöhung (PST) entstehen höhere lokale Geschwindigkeiten für beide Phasen verglichen mit dem PAT-Verfahren. Während der Prozesse PAT und PST können auch verschiedene lokale Strömungscharakteristiken beobachtet werden. Dabei kommt es örtlich zu Staupunktströmungen oder Dehnströmungen, überdies erzeugt PST zusätzliche Wirbel. Die unterschiedlichen Strömungsverhalten besitzen ebenfalls Einfluss auf die Temperatur

Ziel dieser Arbeit war das Entwickeln innovativer Anwendungen für den effizienten Einsatz der Informationstechnologie bei Getränkeabfüllanlagen. Basierend auf einer neu definierten standardisierten Schnittstelle für die informationstechnische Integration konnten grundlegende Erkenntnisse über das Störverhalten kompletter Anlagen und einzelner Maschinen erlangt werden. Das resultierende theoretische Modellwissen wurde in Bausteine für die ereignisdiskrete Materialflusssimulation integriert. Durch den Einsatz eines lernfähigen Expertensystems konnte ein Werkzeug für die automatisierte Schwachstellenanalyse geschaffen und im Pilotmaßstab erfolgreich implementiert werden. Hierauf aufbauend wurde ein neuartiges übergeordnetes Leitsystem für Getränkeabfüllanlagen konzipiert. Wie Simulationsstudien zeigten, ermöglicht dieses mittels wissensbasierter Regelung von Transporteur- und Maschinengeschwindigkeiten eine Verbesserung des Anlagenverhaltens mit Effizienzsteigerungen von bis zu 5 %., Goals of this thesis have been the development of innovative methods for the efficient application of information technology tools to beverage filling plants. Based on a new defined interface for the vertical integration, new fundamental knowledge about the downtime behaviour of machines could be achieved. The resulting theoretical models have been transferred into modular components for the event discrete line simulation. With the help of an adaptive expert system a tool for the automated weak point analysis could be developed and implemented successfully in pilot scale. On this basis novel super ordinate control system for filling plants has been designed. As simulation studies showed, this system obtains an enhancement of the plant behaviour and an increase of the line efficiency up to 5 per cent by its knowledge based machine and conveyor speed control.

Ende 1998 wurde ein Kochsystem präsentiert, das nach dem Prinzip der Dünnschicht-Verdampfung arbeitet. Das System besteht aus einem Whirlpool und dem eigentlichen Kochgefäß, einem kegelförmigen Dünnschicht-Verdampfer. Die Würze wird im Whirlpool gesammelt und dann im Kreislauf über die Heizfläche gepumpt. Dabei wird sie zunächst auf Kochtemperatur erwärmt und dann für die Kochzeit zirkuliert. Im Anschluss an die Kochzeit folgt die Whirlpoolrast zur Heißtrubabscheidung. Auf dem Weg zum Plattenkühler wird die Würze beim DSVD-System nochmals über die Heizfläche gepumpt, sie kocht am Ende der Lauflänge kurz auf, und eine Ausdampfung der während der Heißhaltung gebildeten unerwünschten Aromastoffe findet statt. Zunächst wurde eine Pilotanlage für 250l gebaut, um die Eignung dieser neuartigen Art der Würzekochung zu testen. Im Parallelbetrieb wurden mit einer Maischwürzepfanne mit Innenkocher die Würzen beider Kochungen miteinander verglichen. Dabei hat sich gezeigt, dass die Dünnschicht-Verdampfung hinsichtlich der Würzequalität technologische Vorteile hatte. Besonders interessant und wichtig für die Wirtschaftlichkeit der Würzekochung war allerdings die niedrige erforderliche Gesamtverdampfung von nur etwa 4–5%. Bis zu diesem Zeitpunkt waren etwa 6–6,5% Stand der Technik. Auf Basis der in der Pilotanlage gewonnenen Erkenntnisse wurde die erste industrielle Anlage für 110hl Ausschlagwürze gebaut. In diesem Maßstab zeigte sich endgültig, dass das DSVD-System bei nur 4–4,5% Gesamtverdampfung hervorragende Würze- und Bierqualitäten produzierte. Parallel wurden mit der Pilotanlage weitere Versuche unternommen, u.a. Versuche zum High Gravity Brewing. Dabei wurden neben der konventionellen Analytik vor allem die Auswirkungen auf die Würzearomastoffe untersucht, da sich hier sehr gut Ausdampfung und auch thermische Belastung verfolgen lassen. Ende 1999 wurde die zweite Anlage für 160hl heiße Ausschlagwürze in Betrieb genommen. Hier wurde wieder das DSVD-System zunächst mit dem, At the end of 1998 a novel boiling system which works on the principle of thin layer evaporation was presented. The system consists of a whirlpool and the actual boiling vessel, a cone-shaped thin layer evaporator. The wort is collected in the whirlpool and then pumped over the heating surface in circular flow. In this process, it is heated to boiling temperature first and then circulated for the time of boiling. Following, the boiling time is the whirlpool rest for hot trub removal. With the thin layer evaporator, the wort is pumped once again over the heating surface on its way to the plate cooler. At the end of the step it is boiled up briefly and the unwanted flavouring substances formed when keeping it hot are evaporated. This step is called stripping. But before the thin layer evaporator was realised a pilot plant for 250l was built to test the aptitude of this novel method of wort boiling. In a brewery with a mash and wort kettle with internal boiler the worts of both boils were compared. This showed that the thin layer evaporation has technological advantages in terms of wort quality. Especially interesting and important for the economic efficiency of wort boiling was, however, the low total evaporation of only 4–5% this method required. By the time, 6–6.5% were state-of-the-art. Based on the findings gained with the pilot plant the first industrial plant for 110hl cast-wort was built. This scale definitely showed that the thin layer evaporator produces excellent wort and beer qualities at a total evaporation of only 4–4.5%. At the same time, additional tests were made with the pilot plant. As high gravity brewing is the international state-of-the-art, tests were also made in this respect, analysing in addition to the conventional chemical analysis the effects on the flavouring substances of the wort as the evaporation and the thermal load can be well observed here. At the end of 1999, the second plant for 160hl hot cast-wort was put into operation after com

Zahlreiche technische Prozesse mit hochreinen oder aggressiven Flüssigkeiten, insbesondere die Probenvorbereitung bei der Naturstoffanalytik, erlauben nur eine nichtinvasive Temperaturmessung. Diese kann bei geschlossenen Behältern ausschließlich durch die Wand erfolgen. Hierfür wird in dieser Arbeit erstmals ein Strahlungsthermometer vorgestellt, das nur geringe Anforderungen an die optische Transparenz des Behälterwerkstoffes im mittleren Infraroten stellt. Dieser Sensor bewertet in vier Kanälen mit unterschiedlicher optischer Bandbreite die thermische Strahlung, die das gefüllte Gefäß in den Außenraum abgibt. Die spektrale Festlegung erfolgt dabei auf Grundlage eines Modells für die spektrale Verteilung des Strahlungsflusses, das die Temperaturverteilung und den komplexen Brechungsindex von Flüssigkeit und Gefäß berücksichtigt. Sie wurde für den hier beschriebene Prototyp so getroffen, dass er sich für solch unterschiedliche Werkstoffe wie für Borosilicatglas, PTFE, Polyethylen oder das Infrarotglas IG2 eignet. Die Verknüpfung der Ausgangssignale der Sensorkanäle mittels Regressionspolynom oder einem speziell für diese Anwendung entwickelten Verfahren, das Methoden der Fuzzi-Logik nutzt, ermöglicht die Bestimmung der Innentemperatur, unabhängig von der überlagerten thermischen Strahlung der Wand. Die erreichte Messgenauigkeit für die Innentemperatur hängt dabei stark vom Behältermaterial ab. Bei allen untersuchten Werkstoffen übersteigt sie die Genauigkeit der Bestimmung über die Wandtemperatur deutlich. Für IG2 liegt sie im Bereich eines kommerziellen Strahlungsthermometers, das jedoch auf frei zugängliche Oberflächen beschränkt ist. Untersuchungen an Wasser und verschiedenen organischen Lösungsmitteln zeigen, dass der Temperaturmesswert nicht von der Strömungsgeschwindigkeit abhängt, sofern der Temperaturgradient in der Flüssigkeit verschwindet. Dann bleibt auch die chemische Zusammensetzung des Inhalts ohne Auswirkung auf den Messwert., Numerous technical processes with high-purity or aggressive liquids, particularly the preparation of samples for the analysis of natural materials, require a non-contact measurement of temperature. In a closed container only the measurement through the wall is possible. This paper presents for the first time a radiation thermometer with minor requirements to the optical transparency of the container material in the mid infrared. This sensor evaluates the thermal radiation emitted by the filled container in four channels with a different optical bandwidth. The spectral determination occurs based on a model of the spectral distribution of the radiant power. It includes the temperature distribution and the complex refractive index of the liquid and the container. Concerning the presented prototype, the spectral sensitivity of the channels is chosen in a way that makes the sensor suitable for such varying materials as borosilicate glass, PTFE, polyethylene or the infrared glass IG2. The combination of the output signals using polynome regression or a numerical method, that was developed especially for this application and uses the methods of fuzzi logic, allows to measure the liquid temperature independent of the superposed thermal radiation. The achieved precision of measurements strongly depends on the material of the container. For all the investigated materials the results are considerably better than the simply determination of the liquid temperature by the measurement of the outer wall temperature. For IG2 the precision corresponds to that of a commercial radiation thermometer, but this one is restricted to surfaces with free optical access. Investigations of water and various organic solvents reveal that the measured value of temperature is independent of the flow velocity, if the temperature gradient in the liquid equals zero. In this case the chemical composition of the content doesn’t effect the result of the measurement.

Die vorliegende Arbeit beschreibt einen hybriden Ansatz, der numerische Methoden mit Fuzzy-Systemen für die Beschreibung des Proteinfoulings bei der Erhitzung von Milch kombiniert. Zur Modellvalidierung werden aus dem Prozessleitsystem einer Industrieanlage zur Milcherhitzung gewonnene Prozessparameter (Temperatur, Druck) herangezogen und hinsichtlich des Foulings untersucht. Der numerische Teil des Numero-Fuzzy-Hybrids setzt ein Finite-Volumen-Modell ein. Modellansätze und –daten für das Produkt (Milch) entstammen der Literatur. Die Integration des in einer Vielzahl von in der Literatur genannten Experimenten gewonnenen qualitativen Wissens über die Milchansatzbildung wird über Fuzzy-Systeme integriert. Ein Ansatz zur Untersuchung der Sensitivität der eingesetzten Fuzzy-Systeme, der auf einer differenzierbaren Approximation dieser beruht, wird vorgestellt., The work describes a hybrid approach combining numerical methods with fuzzy-systems for the description of fouling during the heating of milk. For model validation process parameters (temperature, pressure) of an industrial milk heating plant are taken from the process control system and studied with respect to fouling. The numerical part of the numero-fuzzy-hybrid uses a finite-volume-model. Approaches and data for modelling the product (milk) are taken from literature. The integration of the qualitative knowledge obtained in numerous experiments being documented in literature is integrated using fuzzy-systems. An approach to study the sensitivity of the implemented fuzzy-systems by means of a differentiable approximation is presented.

Die Zielsetzung dieser Dissertation besteht in der Entwicklung und Anwendung eines in-situ- Messverfahrens zur Untersuchung von Temperatur- und Konvektionsfeldern in bewegungsfähiger Matrix unter Hochdruckeinfluss. Die Motivation entstand in Zusammenhang mit dem zukunftsträchtigen Verfahren der Hochdruckbehandlung von Lebensmitteln. Auf Basis der selektiven Reflexion thermochromer Flüssigkristalle wurde das bis 700 MPa einsetzbare digitale Messverfahren der HP-PIT (High Pressure- Particle Image Thermography) entwickelt. Damit konnten in Experimenten erstmalig die Vorgänge erzwungener und freier Konvektion sowie thermische Ausgleichsprozesse in komprimierten Flüssigkeiten studiert werden. Anhand der durchgeführten Versuchsreihen zeigt sich der Einfluss der Viskosität und der Druckänderungsrate auf die entstehenden thermischen und hydrodynamischen Prozesse., The aim of this thesis is to study the development and application of an in-situ measuring method that investigates the temperature and convection fields in fluids under high pressure conditions. The incentive came from the promising research into the high pressure treatment of foods. The developed measuring technique HP-PIT (High Pressure- Particle Image Thermography) can be applied up to 700 MPa and is based on the selective reflexion of thermochromic liquid crystals. Using this technique the processes of forced and thermal convection, as well as processes of thermal compensation, have been studied for the first time. The performed experiments show the effect of the viscosity and the rate of pressure on the generated thermal and hydrodynamic processes.

Zur rheologischen Beschreibung der Maische als Suspension wurden Messmethoden entwickelt, die die Partikelgrößenverteilung, Partikelform und Partikelkonzentration sowie die Viskosität der kontinuierlichen Phase in Abhängigkeit von Temperatur, Feststoffkonzentration, Lösung des Malzes und Zeit erfassen. Die Messmethoden können Quellung, Desagglomeration, Verkleisterung und Lösungsprozesse während des Maischens quantifizieren. Sowohl die grob- als auch die feindisperse Suspensionsviskosität der Maische kann auf Grundlage der Einstein-Gleichung beschrieben werden., A measuring system has been developed in order to measure the parameters required to characterise the rheological properties of the mash: viscosity and density of the continous phase, particle size distribution, particle concentration and particle shape of non-soluble particles during the mashing process. Swelling, disintegration gelatinisation and hydrolysis are measured. It can be shown that the viscosity dependency from solid volume fraction of starch can be described by the modified Einstein-equation for asymmetric particles (fine and coarse).

Anaerobic treatment of wastewater offers the advantage of the elimination of the main part of pollutants, which saves disposal charges. Compared to the aerobic technology, less sludge is formed, and energy is produced in the form of biogas. However, anaerobic treatment has also several drawbacks. These are the more difficult handling and the extreme long characteristical times, whereby particularly an overload can lead to a complete break-down of the plant. A restart takes weeks to months, which has restricted the user’s acceptance compared to conventional aerobic plants. But using intelligent control systems can circumvent this problem. Up to now comparatively few control engineering is applied in the wastewater treatment. The controlled variables are mostly regarded in isolation, e.g. temperature and pH are held constant and controlled by a local controller. Connecting the particular measurands and manipulated variables, one can essentially increase the efficiency of wastewater treatment systems as well as the stability. Even though such controllers would be possible by using classical control engineering, the effort would be considerable due to its high complexity. Therefore, Fuzzy logic (the classical Mamdani-type fuzzy rulebase) was chosen for state detection and control of the two-stage anaerobic wastewater treatment. A two-stage anaerobic wastewater treatment reactor system was modelled and controlled the way the biological state of the reactors could be predicted. Based upon this, proper control actions were enacted automatically. Even very strong fluctuations in the loading of both, concentration and volumetric flow rate, could thereby be handled successfully. Moreover, effluent concentrations could be kept relatively low without using TOC, COD or equivalent measurements. In concrete, the engineering should be developed and tested on a lab scale plant using wastewater from the potato processing industry. As no existing plant meeting the requirements was ava, [Abstract nur auf Englisch verfügbar.] Anaerobic treatment of wastewater offers the advantage of the elimination of the main part of pollutants, which saves disposal charges. Compared to the aerobic technology, less sludge is formed, and energy is produced in the form of biogas. However, anaerobic treatment has also several drawbacks. These are the more difficult handling and the extreme long characteristical times, whereby particularly an overload can lead to a complete break-down of the plant. A restart takes weeks to months, which has restricted the user’s acceptance compared to conventional aerobic plants. But using intelligent control systems can circumvent this problem. Up to now comparatively few control engineering is applied in the wastewater treatment. The controlled variables are mostly regarded in isolation, e.g. temperature and pH are held constant and controlled by a local controller. Connecting the particular measurands and manipulated variables, one can essentially increase the efficiency of wastewater treatment systems as well as the stability. Even though such controllers would be possible by using classical control engineering, the effort would be considerable due to its high complexity. Therefore, Fuzzy logic (the classical Mamdani-type fuzzy rulebase) was chosen for state detection and control of the two-stage anaerobic wastewater treatment. A two-stage anaerobic wastewater treatment reactor system was modelled and controlled the way the biological state of the reactors could be predicted. Based upon this, proper control actions were enacted automatically. Even very strong fluctuations in the loading of both, concentration and volumetric flow rate, could thereby be handled successfully. Moreover, effluent concentrations could be kept relatively low without using TOC, COD or equivalent measurements. In concrete, the engineering should be developed and tested on a lab scale plant using wastewater from the potato processing industry. As no existing

Yeast propagation increasingly stands for a central step in beer production and emprises an important economical and technological factor in brewing practice. Vitality and quality of the propagated yeast exerts a relevant influence on the subsequent fermentation run and the resulting beer quality. Therefore, the yeast inoculum must be available at pitching time in the right amount and especially in the right quality. To guarantee this by process management tools, in particular by modelling and active process control, is a main feature of this work. Two kinetic models of yeast propagation are introduced. These modelling approaches represent the basis for a control strategy aiming on the provision of an optimal inoculum at the starting time of subsequent industrial fermentations. Both models, a Black Box model and a metabolic model, include respiratory metabolism on sugars and ethanol as well as fermentative metabolism on sugars. Limitation effects, occurring due to specific nutritional data of the growth medium beer wort, were taken into account for sugar, nitrogen, ethanol and oxygen concentrations. Correspondingly, inhibitions of the metabolism by ethanol and high sugar concentrations were formulated. The models especially represent the Crabtree-effect. For model validation, literature data were used and selected experiments within the relevant range of manipulated variables (temperature, dissolved oxygen) were conducted for different yeast strains and propagation strategies. In a sensitivity analysis three parameters were identified as particularly relevant. After adaptation of these parameters on data sets, simulations, based on the suggested models, matched these data with a deviation below 10 mmol/L (0.2% w/w for sugar concentrations and 6.2*106 cells/mL for biomass concentration). The variable parameters showed a characteristic temperature dependency, which could be described by mathematical functions. The implementation of these functions in both models allow, Die Hefeherführung gilt zunehmend als zentraler Teilprozess im Rahmen der Bierbereitung. Sie stellt somit einen wichtigen technologischen und wirtschaftlichen Faktor in der Brauindustrie dar. Die Qualität und Vitalität der hergeführten Hefe beeinflusst in einem hohen Maße die nachfolgende Gärung und die Qualität des fertigen Bieres. Deshalb muss zum Anstellzeitpunkt stets die richtige Menge an Hefe in der richtigen Qualität vorliegen. In dieser Arbeit wurden in Form von Modellierung und modellbasierter aktiver Prozessführung Management-Instrumente zur Prozesssimulation und optimierung entwickelt. Das Hefewachstum wird in zwei kinetischen Modellen beschrieben. Die Modellierungsansätze bilden die Basis für eine Prozessführungsstrategie, die auf die Bereitstellung einer vitalen Hefe für die nachfolgende Gärung abzielt. Beide Modelle, ein Black Box Modell und ein metabolischer Ansatz, umfassen sowohl den oxidativen Stoffwechselweg mit Nutzung von Glucose oder Ethanol als Hauptsubstrat als auch den fermentativen Stoffwechselweg mit ausschließlicher Nutzung von Glucose. Limitierungseffekte, die aufgrund der Eigenschaften des Wachstumsmediums Bierwürze auftreten, wurden für Konzentrationen von Zuckern, Stickstoffquelle, Ethanol und Sauerstoff berücksichtigt. Analog sind Inhibierungseffekte durch Ethanol und hohe Zuckerkonzentrationen integriert. Besondere Berücksichtigung in den Modellen findet der Crabtree Effekt. Zur Validierung der Prozessmodelle wurden Literaturdaten herangezogen sowie ausgesuchte Experimente aus dem relevanten Parameterraum der Stellgrößen Temperatur und Gelöstsauerstoffkonzentration mit verschiedenen Hefestämmen und Propagationsanlagen durchgeführt. In einer Sensitivitätsanalyse wurden für beide Modelle drei Parameter als besonders relevant identifiziert. Nach Anpassung dieser Parameter an die Datensätze gaben auf den Modellen basierende Simulationen die experimentellen Daten mit einer Abweichung von weniger als 10 mmol/L (0.2% G/G Extraktkonzentrati

Das Hauptaugenmerk bei der Gestaltung der Verfahren und Reaktoren zur anaeroben Behandlung von Abwässern richtet sich nach der Effizienz, d.h. dem organischen Abbaugrad der Verfahren, in Abhängigkeit von der Zeit. Zur Biomasseanreicherung stehen prinzipiell zwei Möglichkeiten zur Verfügung, nämlich eine Rückhaltung der Mikroorganismen durch Abscheidevorrichtungen oder die Fixierung der Mikroorganismen auf geeigneten Aufwuchsflächen. Neben den verfahrenstechnischen Aspekten zur Leistungssteigerung ist die Erhöhung der Betriebssicherheit bei anaeroben Verfahren von großer Bedeutung. Die Gefahr der Überlastung des anaeroben Abbauprozesses ist oft gegeben. Allen Anlagentypen sind die Probleme der Überlastung gemeinsam. Ursache für Überlastungen sind schwankende organische Konzentrationen im Zulauf oder wechselnde Abwasserzusammensetzung. Beginnende Überlastungen werden oft zu spät erkannt, da keine Kenntnis über die organische Belastung des Zulaufes vorhanden ist und zudem keine geeignete Prozessanalytik verfügbar ist, die schnell und zuverlässig Überlastungszustände, unabhängig von der Abwasserzusammensetzung und dem Reaktortyp, erkennt und vermeiden hilft. Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Biomasseanreicherung. In einem experimentellen Vergleich verschiedener Kunststoffmaterialien mit einem Festbett aus Kokosfasern konnte ein deutlicher Vorteil dieses Materials nachgewiesen werden. Die Untersuchungen zu den verschiedenen Trägermaterialien wurden mit industriellem Abwasser eines kartoffelverarbeitenden Betriebes durchgeführt. Nach den vorausgehenden Untersuchungen zum Festbettmaterial wurde für die weiteren Untersuchungen an einer Versuchsanlage im Labormaßstab das Festbett aus Kokosfasern ausgewählt. Die Regelung der Laboranlage erfolgt mittels Fuzzy-Control. Während der Versuchsreihen erfolgt eine ständige Anpassung und Erweiterung der Wissensbasis ausgehend von einem einfachen Grundsystem. Um eine Adaptation des Regelungssystems auch auf andere A, Most important for design of reactors for anaerobic treatment of wastewater is the efficiency, i.e. the degree of degradation of the organic loads as a funvction of time. For enrichment of the biomass separators or fixed bed materials are used. Additional to the increase of efficiancy the stability of the anaerobic process is most important. Most of the wastewater treatment plants have problems with overload because of changing organic concentration of the waste water. High specification of the systems, high hydraulic loads and improper analytics of the process are the reasons for late detection of overload. In the first part of this thesis different synthetic fixed bed materials with different specific surface forms and materials are tested togehter with a fixed bed of coconut fibres. Wastewater from potato processing is used as substrate for these experiments. The fixed bed of coconut fibres showed big advantages . Using the fixed bed material of coconut fibres further experiments with potato processing wastewater and different high concentrated process wastewaters are done in a laboratory scale plant. This plant is controlled by a fuzzy-system which is adapted to detect overload in two stage anaerobic systems. Starting with a simple rulebase during the experiments the rulebase is adapted by using process parameters as value of pH and concentration of methane and hydrogen in the biogas. By using fuzzy-control in the used laboratory scale wastewater treatment plant, overload can be detected easily and can be avoided. Finally a concept for a full scale anaerobic wastewater treatment plant was elaborated.

Die Dissertation beschäftigt sich mit der lokalen Beschreibung von Impuls- und Stofftransportphänomenen in Festbett-Bioreaktoren (FBR) mittels numerischer Simulation. Dabei wird die Navier-Stokes Gleichung und die Stofftransportgleichung mit Senkenterm in den drei Raumrichtungen gelöst. Der Senkenterm wird durch die Michaelis–Menten Kinetik repräsentiert und berücksichtigt den Stoffumsatz durch die biologische Aktivität. Die Berechungsergebnisse zeigen, daß ein FBR in vier strömungsmechanisch unterschiedliche Zonen eingeteilt werden kann und die mechanischen Belastungen bei den sehr langsamen Betriebsgeschwindigkeiten nicht ausreichen, die Biomaterie zu schädigen. Weiterhin wird gezeigt daß, besonders bei Biomaterie mit hohen Umsatzgeschwindigkeiten, der Stofftransport und -umsatz im Reaktor im wesentlichen von der Durchströmungsgeschwindigkeit abhängt. Bei einer Erhöhung der Einlaufkonzentration verringert sich der Einfluß der Geschwindigkeit., The thesis describes the impulse- and mass transfer phenomena in a fixed-bed biofilmreactor (FBR) by means of numerical simulation. The flow and solute field is calculated by solving the Navier-Stokes and mass transfer equation with a sink in three co-ordinate directions. The sink is represented by the kinetic approach of Michaelis-Menten in order to account for the solute conversion by biological activity. The results of the calculation show that a FBR can be separated into four different zones with diverse fluiddynamic behaviour. At the low operation velocities of FBR’s the mechanical stress imposed by the fluid is not sufficient to damage the biomass. Furthermore it is shown that for biomass with a high turnover rate the solute transport and conversion strongly depends on the mass flux of solute. With increasing the inflow concentration the influence of fluid velocity is diminished.

Die vorliegende Arbeit setzt die Methode der Neuronumerik erstmals zur Schadenserkennung an Getränkekästen (Mehrweg-Stapelkästen, Flaschenkästen) ein. Dabei wird ein Verfahren vorgestellt, das auf der mechanischen Signalausbreitung in Festkörpern aufbaut. Die Systemantwort nach dynamischer Anregung gilt als Kriterium zur Schadensklassifizierung. Unterschiedliche Geometrien, also auch Schadensfälle, lassen sich dabei im Übertragungssignal erkennen. Die Mustererkennung, d.h. die Klassifizierung von Schäden, übernimmt ein künstliches neuronales Netz (KNN). Dieses ist gerade durch seine Fähigkeit zu Generalisieren besonders geeignet, auch Fertigungstoleranzen und Positionierungsfehler zu tolerieren und dennoch die Getränkekästen in "intakt" und "defekt" zu klassifizieren. Die numerische Simulation wird zu Beginn zur Auslegung und Validierung des Verfahrens für eine experimentelle Pilotanlage zur Aufnahme von Frequenz-Antwort-Spektren (FAS) von Getränkekästen eingesetzt. Als zentrales Ziel dieser Anwendung kommen im validierten System bei der Parametrierung des KNN Datensätze numerischen Ursprungs zum Einsatz. Diesen Vorgang bezeichnet die vorliegende Arbeit als Neuronumerik. Das Eigenschwingungsverhalten sowie die FAS an diskreten Punkten eines Getränkekastens werden unter Anwendung der Finite-Elemente-Methode (FEM) numerisch berechnet. Die experimentelle Pilotanlage zur Schwingungsprüfung basiert auf der vertikalen Anregung eines zentral am Boden fixierten Getränkekastens mittels eines elektrodynamischen Shakers. Die Steuerung übernimmt ein handelsüblicher PC. Dieser dient sowohl der Ansteuerung der Prüfanlage mittels einer gleitenden Sinusschwingung, als auch der Messwerterfassung der Antwortsignale des Getränkekastens, welche mittels Beschleunigungsaufnehmern ermittelt werden. Ebenso ist dort die Mustererkennung zur Schadensklassifizierung mittels KNN implementiert. Die Grundkonfiguration des KNN stellt ein feedforward gerichtetes Multi-Layer-Perzeptron (MLP) dar. Al, In this thesis the method of neuro-numerics is being used for the first time for damage detection on crates of beverages. A procedure based on mechanical signal transmission through solids is presented. The system response after dynamical excitation is the sorting criterion. Thereby different geometries, which for example can result from damaged crates, are recognisable by their response signals. The pattern recognition, i.e. classification of damages, is performed by an artificial neural network (ANN). Through its ability to generalise it is especially suitable for the correct classification of "intact" and "damaged" cases, recognising variation due to manufacturing or incorrect positioning. Initially, numerical simulation is performed for set-up and validation of the experimental pilot plant that records frequency-response-spectra (FRS) of the crates. It is the central goal of this work to use data-sets from the numerical source for ANN parametration within the validated system. This process is described by the expression "neuro-numerics" in this thesis. The behaviour of eigenmodes as well as the FRS on discrete points of the crate are simulated by application of the finite-element-method (FEM). The experimental pilot plant for vibration analysis is based on vertical excitation by an electrodynamical vibration facility of the centrally fixed crates of beverages. A standard PC-control-system assumes the drive of the vibration plant by sinus sweep and records the response signals of the crates, received by acceleration sensors. In addition, the pattern recognition by ANN for the classification of damages is implemented. The basic configuration of the ANN is described by a feedforward multilayer-perceptron (MLP). Resilient propagation (RPROP) is used as a supervised learning algorithm for network training. Simulation results prove the sensitivity of the FRS to geometrical and material changes which in this study represent selected damage. The comparison of experiment

The presented work contributes to the optimisation of heating processes in the dairy industry by investigations using structural synthesis, based on the analysis of individual plant parts. Partial aspects of a mathematically based model were extended by application of fuzzy logic. The simulation tool was then applied to different plant configurations and process parameters. For evaluation of a modification both process and quality parameters were observed. The investigations showed that a lengthening of run time of approx. 20% can be realised. One of the tested modifications has already been implemented in a local dairy, resulting in an improved energy usage without provoking problems with respect to run time. For further improvement of the simulations tools performance, laboratory and pilot plant scale experiments are required., Die vorgestellte Arbeit leistet einen Beitrag zur Optimierung von Erhitzungsprozessen in der Milchindustrie durch Untersuchungen anhand struktureller Synthese, aufbauend auf der Analyse individueller Anlagenteile. Teilaspekte eines mathematisch basierten Modells wurden durch die Anwendung von Fuzzy Logik erweitert. Das Simulationswerkzeug wurde dann auf unterschiedliche Anlagenkonfigurationen und Prozeßparameter angewandt. Zur Bewertung einer Modifikationen wurden sowohl Prozeß- als auch Qualitätsparameter verfolgt. Die Untersuchungen zeigten, daß sich eine Verlängerung der Betriebszeit in der Größenordnung bis 20% realisieren läßt. Eine der so erarbeiteten Modifikationen wurde bereits in einer örtlichen Molkerei implementiert und resultierte in einer verbesserten Energienutzung, ohne Beeinträchtigung der Betriebszeit. Um die Leistung des Simulationswerkzeuges weiter zu verbessern, erweisen sich allerdings Labor- und Pilotversuche als erforderlich.

Zahlreiche technische Prozesse mit hochreinen oder aggressiven Flüssigkeiten, insbesondere die Probenvorbereitung bei der Naturstoffanalytik, erlauben nur eine nichtinvasive Temperaturmessung. Diese kann bei geschlossenen Behältern ausschließlich durch die Wand erfolgen. Hierfür wird in dieser Arbeit erstmals ein Strahlungsthermometer vorgestellt, das nur geringe Anforderungen an die optische Transparenz des Behälterwerkstoffes im mittleren Infraroten stellt. Dieser Sensor bewertet in vier Kanälen mit unterschiedlicher optischer Bandbreite die thermische Strahlung, die das gefüllte Gefäß in den Außenraum abgibt. Die spektrale Festlegung erfolgt dabei auf Grundlage eines Modells für die spektrale Verteilung des Strahlungsflusses, das die Temperaturverteilung und den komplexen Brechungsindex von Flüssigkeit und Gefäß berücksichtigt. Sie wurde für den hier beschriebene Prototyp so getroffen, dass er sich für solch unterschiedliche Werkstoffe wie für Borosilicatglas, PTFE, Polyethylen oder das Infrarotglas IG2 eignet. Die Verknüpfung der Ausgangssignale der Sensorkanäle mittels Regressionspolynom oder einem speziell für diese Anwendung entwickelten Verfahren, das Methoden der Fuzzi-Logik nutzt, ermöglicht die Bestimmung der Innentemperatur, unabhängig von der überlagerten thermischen Strahlung der Wand. Die erreichte Messgenauigkeit für die Innentemperatur hängt dabei stark vom Behältermaterial ab. Bei allen untersuchten Werkstoffen übersteigt sie die Genauigkeit der Bestimmung über die Wandtemperatur deutlich. Für IG2 liegt sie im Bereich eines kommerziellen Strahlungsthermometers, das jedoch auf frei zugängliche Oberflächen beschränkt ist. Untersuchungen an Wasser und verschiedenen organischen Lösungsmitteln zeigen, dass der Temperaturmesswert nicht von der Strömungsgeschwindigkeit abhängt, sofern der Temperaturgradient in der Flüssigkeit verschwindet. Dann bleibt auch die chemische Zusammensetzung des Inhalts ohne Auswirkung auf den Messwert., Numerous technical processes with high-purity or aggressive liquids, particularly the preparation of samples for the analysis of natural materials, require a non-contact measurement of temperature. In a closed container only the measurement through the wall is possible. This paper presents for the first time a radiation thermometer with minor requirements to the optical transparency of the container material in the mid infrared. This sensor evaluates the thermal radiation emitted by the filled container in four channels with a different optical bandwidth. The spectral determination occurs based on a model of the spectral distribution of the radiant power. It includes the temperature distribution and the complex refractive index of the liquid and the container. Concerning the presented prototype, the spectral sensitivity of the channels is chosen in a way that makes the sensor suitable for such varying materials as borosilicate glass, PTFE, polyethylene or the infrared glass IG2. The combination of the output signals using polynome regression or a numerical method, that was developed especially for this application and uses the methods of fuzzi logic, allows to measure the liquid temperature independent of the superposed thermal radiation. The achieved precision of measurements strongly depends on the material of the container. For all the investigated materials the results are considerably better than the simply determination of the liquid temperature by the measurement of the outer wall temperature. For IG2 the precision corresponds to that of a commercial radiation thermometer, but this one is restricted to surfaces with free optical access. Investigations of water and various organic solvents reveal that the measured value of temperature is independent of the flow velocity, if the temperature gradient in the liquid equals zero. In this case the chemical composition of the content doesn’t effect the result of the measurement.

Das Hauptaugenmerk bei der Gestaltung der Verfahren und Reaktoren zur anaeroben Behandlung von Abwässern richtet sich nach der Effizienz, d.h. dem organischen Abbaugrad der Verfahren, in Abhängigkeit von der Zeit. Zur Biomasseanreicherung stehen prinzipiell zwei Möglichkeiten zur Verfügung, nämlich eine Rückhaltung der Mikroorganismen durch Abscheidevorrichtungen oder die Fixierung der Mikroorganismen auf geeigneten Aufwuchsflächen. Neben den verfahrenstechnischen Aspekten zur Leistungssteigerung ist die Erhöhung der Betriebssicherheit bei anaeroben Verfahren von großer Bedeutung. Die Gefahr der Überlastung des anaeroben Abbauprozesses ist oft gegeben. Allen Anlagentypen sind die Probleme der Überlastung gemeinsam. Ursache für Überlastungen sind schwankende organische Konzentrationen im Zulauf oder wechselnde Abwasserzusammensetzung. Beginnende Überlastungen werden oft zu spät erkannt, da keine Kenntnis über die organische Belastung des Zulaufes vorhanden ist und zudem keine geeignete Prozessanalytik verfügbar ist, die schnell und zuverlässig Überlastungszustände, unabhängig von der Abwasserzusammensetzung und dem Reaktortyp, erkennt und vermeiden hilft. Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Biomasseanreicherung. In einem experimentellen Vergleich verschiedener Kunststoffmaterialien mit einem Festbett aus Kokosfasern konnte ein deutlicher Vorteil dieses Materials nachgewiesen werden. Die Untersuchungen zu den verschiedenen Trägermaterialien wurden mit industriellem Abwasser eines kartoffelverarbeitenden Betriebes durchgeführt. Nach den vorausgehenden Untersuchungen zum Festbettmaterial wurde für die weiteren Untersuchungen an einer Versuchsanlage im Labormaßstab das Festbett aus Kokosfasern ausgewählt. Die Regelung der Laboranlage erfolgt mittels Fuzzy-Control. Während der Versuchsreihen erfolgt eine ständige Anpassung und Erweiterung der Wissensbasis ausgehend von einem einfachen Grundsystem. Um eine Adaptation des Regelungssystems auch auf andere A, Most important for design of reactors for anaerobic treatment of wastewater is the efficiency, i.e. the degree of degradation of the organic loads as a funvction of time. For enrichment of the biomass separators or fixed bed materials are used. Additional to the increase of efficiancy the stability of the anaerobic process is most important. Most of the wastewater treatment plants have problems with overload because of changing organic concentration of the waste water. High specification of the systems, high hydraulic loads and improper analytics of the process are the reasons for late detection of overload. In the first part of this thesis different synthetic fixed bed materials with different specific surface forms and materials are tested togehter with a fixed bed of coconut fibres. Wastewater from potato processing is used as substrate for these experiments. The fixed bed of coconut fibres showed big advantages . Using the fixed bed material of coconut fibres further experiments with potato processing wastewater and different high concentrated process wastewaters are done in a laboratory scale plant. This plant is controlled by a fuzzy-system which is adapted to detect overload in two stage anaerobic systems. Starting with a simple rulebase during the experiments the rulebase is adapted by using process parameters as value of pH and concentration of methane and hydrogen in the biogas. By using fuzzy-control in the used laboratory scale wastewater treatment plant, overload can be detected easily and can be avoided. Finally a concept for a full scale anaerobic wastewater treatment plant was elaborated.

Die vorliegende Arbeit setzt die Methode der Neuronumerik erstmals zur Schadenserkennung an Getränkekästen (Mehrweg-Stapelkästen, Flaschenkästen) ein. Dabei wird ein Verfahren vorgestellt, das auf der mechanischen Signalausbreitung in Festkörpern aufbaut. Die Systemantwort nach dynamischer Anregung gilt als Kriterium zur Schadensklassifizierung. Unterschiedliche Geometrien, also auch Schadensfälle, lassen sich dabei im Übertragungssignal erkennen. Die Mustererkennung, d.h. die Klassifizierung von Schäden, übernimmt ein künstliches neuronales Netz (KNN). Dieses ist gerade durch seine Fähigkeit zu Generalisieren besonders geeignet, auch Fertigungstoleranzen und Positionierungsfehler zu tolerieren und dennoch die Getränkekästen in "intakt" und "defekt" zu klassifizieren. Die numerische Simulation wird zu Beginn zur Auslegung und Validierung des Verfahrens für eine experimentelle Pilotanlage zur Aufnahme von Frequenz-Antwort-Spektren (FAS) von Getränkekästen eingesetzt. Als zentrales Ziel dieser Anwendung kommen im validierten System bei der Parametrierung des KNN Datensätze numerischen Ursprungs zum Einsatz. Diesen Vorgang bezeichnet die vorliegende Arbeit als Neuronumerik. Das Eigenschwingungsverhalten sowie die FAS an diskreten Punkten eines Getränkekastens werden unter Anwendung der Finite-Elemente-Methode (FEM) numerisch berechnet. Die experimentelle Pilotanlage zur Schwingungsprüfung basiert auf der vertikalen Anregung eines zentral am Boden fixierten Getränkekastens mittels eines elektrodynamischen Shakers. Die Steuerung übernimmt ein handelsüblicher PC. Dieser dient sowohl der Ansteuerung der Prüfanlage mittels einer gleitenden Sinusschwingung, als auch der Messwerterfassung der Antwortsignale des Getränkekastens, welche mittels Beschleunigungsaufnehmern ermittelt werden. Ebenso ist dort die Mustererkennung zur Schadensklassifizierung mittels KNN implementiert. Die Grundkonfiguration des KNN stellt ein feedforward gerichtetes Multi-Layer-Perzeptron (MLP) dar. Al, In this thesis the method of neuro-numerics is being used for the first time for damage detection on crates of beverages. A procedure based on mechanical signal transmission through solids is presented. The system response after dynamical excitation is the sorting criterion. Thereby different geometries, which for example can result from damaged crates, are recognisable by their response signals. The pattern recognition, i.e. classification of damages, is performed by an artificial neural network (ANN). Through its ability to generalise it is especially suitable for the correct classification of "intact" and "damaged" cases, recognising variation due to manufacturing or incorrect positioning. Initially, numerical simulation is performed for set-up and validation of the experimental pilot plant that records frequency-response-spectra (FRS) of the crates. It is the central goal of this work to use data-sets from the numerical source for ANN parametration within the validated system. This process is described by the expression "neuro-numerics" in this thesis. The behaviour of eigenmodes as well as the FRS on discrete points of the crate are simulated by application of the finite-element-method (FEM). The experimental pilot plant for vibration analysis is based on vertical excitation by an electrodynamical vibration facility of the centrally fixed crates of beverages. A standard PC-control-system assumes the drive of the vibration plant by sinus sweep and records the response signals of the crates, received by acceleration sensors. In addition, the pattern recognition by ANN for the classification of damages is implemented. The basic configuration of the ANN is described by a feedforward multilayer-perceptron (MLP). Resilient propagation (RPROP) is used as a supervised learning algorithm for network training. Simulation results prove the sensitivity of the FRS to geometrical and material changes which in this study represent selected damage. The comparison of experiment

Yeast propagation increasingly stands for a central step in beer production and emprises an important economical and technological factor in brewing practice. Vitality and quality of the propagated yeast exerts a relevant influence on the subsequent fermentation run and the resulting beer quality. Therefore, the yeast inoculum must be available at pitching time in the right amount and especially in the right quality. To guarantee this by process management tools, in particular by modelling and active process control, is a main feature of this work. Two kinetic models of yeast propagation are introduced. These modelling approaches represent the basis for a control strategy aiming on the provision of an optimal inoculum at the starting time of subsequent industrial fermentations. Both models, a Black Box model and a metabolic model, include respiratory metabolism on sugars and ethanol as well as fermentative metabolism on sugars. Limitation effects, occurring due to specific nutritional data of the growth medium beer wort, were taken into account for sugar, nitrogen, ethanol and oxygen concentrations. Correspondingly, inhibitions of the metabolism by ethanol and high sugar concentrations were formulated. The models especially represent the Crabtree-effect. For model validation, literature data were used and selected experiments within the relevant range of manipulated variables (temperature, dissolved oxygen) were conducted for different yeast strains and propagation strategies. In a sensitivity analysis three parameters were identified as particularly relevant. After adaptation of these parameters on data sets, simulations, based on the suggested models, matched these data with a deviation below 10 mmol/L (0.2% w/w for sugar concentrations and 6.2*106 cells/mL for biomass concentration). The variable parameters showed a characteristic temperature dependency, which could be described by mathematical functions. The implementation of these functions in both models allow, Die Hefeherführung gilt zunehmend als zentraler Teilprozess im Rahmen der Bierbereitung. Sie stellt somit einen wichtigen technologischen und wirtschaftlichen Faktor in der Brauindustrie dar. Die Qualität und Vitalität der hergeführten Hefe beeinflusst in einem hohen Maße die nachfolgende Gärung und die Qualität des fertigen Bieres. Deshalb muss zum Anstellzeitpunkt stets die richtige Menge an Hefe in der richtigen Qualität vorliegen. In dieser Arbeit wurden in Form von Modellierung und modellbasierter aktiver Prozessführung Management-Instrumente zur Prozesssimulation und optimierung entwickelt. Das Hefewachstum wird in zwei kinetischen Modellen beschrieben. Die Modellierungsansätze bilden die Basis für eine Prozessführungsstrategie, die auf die Bereitstellung einer vitalen Hefe für die nachfolgende Gärung abzielt. Beide Modelle, ein Black Box Modell und ein metabolischer Ansatz, umfassen sowohl den oxidativen Stoffwechselweg mit Nutzung von Glucose oder Ethanol als Hauptsubstrat als auch den fermentativen Stoffwechselweg mit ausschließlicher Nutzung von Glucose. Limitierungseffekte, die aufgrund der Eigenschaften des Wachstumsmediums Bierwürze auftreten, wurden für Konzentrationen von Zuckern, Stickstoffquelle, Ethanol und Sauerstoff berücksichtigt. Analog sind Inhibierungseffekte durch Ethanol und hohe Zuckerkonzentrationen integriert. Besondere Berücksichtigung in den Modellen findet der Crabtree Effekt. Zur Validierung der Prozessmodelle wurden Literaturdaten herangezogen sowie ausgesuchte Experimente aus dem relevanten Parameterraum der Stellgrößen Temperatur und Gelöstsauerstoffkonzentration mit verschiedenen Hefestämmen und Propagationsanlagen durchgeführt. In einer Sensitivitätsanalyse wurden für beide Modelle drei Parameter als besonders relevant identifiziert. Nach Anpassung dieser Parameter an die Datensätze gaben auf den Modellen basierende Simulationen die experimentellen Daten mit einer Abweichung von weniger als 10 mmol/L (0.2% G/G Extraktkonzentrati

Die Zielsetzung dieser Dissertation besteht in der Entwicklung und Anwendung eines in-situ- Messverfahrens zur Untersuchung von Temperatur- und Konvektionsfeldern in bewegungsfähiger Matrix unter Hochdruckeinfluss. Die Motivation entstand in Zusammenhang mit dem zukunftsträchtigen Verfahren der Hochdruckbehandlung von Lebensmitteln. Auf Basis der selektiven Reflexion thermochromer Flüssigkristalle wurde das bis 700 MPa einsetzbare digitale Messverfahren der HP-PIT (High Pressure- Particle Image Thermography) entwickelt. Damit konnten in Experimenten erstmalig die Vorgänge erzwungener und freier Konvektion sowie thermische Ausgleichsprozesse in komprimierten Flüssigkeiten studiert werden. Anhand der durchgeführten Versuchsreihen zeigt sich der Einfluss der Viskosität und der Druckänderungsrate auf die entstehenden thermischen und hydrodynamischen Prozesse., The aim of this thesis is to study the development and application of an in-situ measuring method that investigates the temperature and convection fields in fluids under high pressure conditions. The incentive came from the promising research into the high pressure treatment of foods. The developed measuring technique HP-PIT (High Pressure- Particle Image Thermography) can be applied up to 700 MPa and is based on the selective reflexion of thermochromic liquid crystals. Using this technique the processes of forced and thermal convection, as well as processes of thermal compensation, have been studied for the first time. The performed experiments show the effect of the viscosity and the rate of pressure on the generated thermal and hydrodynamic processes.

Die vorliegende Arbeit beschreibt einen hybriden Ansatz, der numerische Methoden mit Fuzzy-Systemen für die Beschreibung des Proteinfoulings bei der Erhitzung von Milch kombiniert. Zur Modellvalidierung werden aus dem Prozessleitsystem einer Industrieanlage zur Milcherhitzung gewonnene Prozessparameter (Temperatur, Druck) herangezogen und hinsichtlich des Foulings untersucht. Der numerische Teil des Numero-Fuzzy-Hybrids setzt ein Finite-Volumen-Modell ein. Modellansätze und –daten für das Produkt (Milch) entstammen der Literatur. Die Integration des in einer Vielzahl von in der Literatur genannten Experimenten gewonnenen qualitativen Wissens über die Milchansatzbildung wird über Fuzzy-Systeme integriert. Ein Ansatz zur Untersuchung der Sensitivität der eingesetzten Fuzzy-Systeme, der auf einer differenzierbaren Approximation dieser beruht, wird vorgestellt., The work describes a hybrid approach combining numerical methods with fuzzy-systems for the description of fouling during the heating of milk. For model validation process parameters (temperature, pressure) of an industrial milk heating plant are taken from the process control system and studied with respect to fouling. The numerical part of the numero-fuzzy-hybrid uses a finite-volume-model. Approaches and data for modelling the product (milk) are taken from literature. The integration of the qualitative knowledge obtained in numerous experiments being documented in literature is integrated using fuzzy-systems. An approach to study the sensitivity of the implemented fuzzy-systems by means of a differentiable approximation is presented.

Zur rheologischen Beschreibung der Maische als Suspension wurden Messmethoden entwickelt, die die Partikelgrößenverteilung, Partikelform und Partikelkonzentration sowie die Viskosität der kontinuierlichen Phase in Abhängigkeit von Temperatur, Feststoffkonzentration, Lösung des Malzes und Zeit erfassen. Die Messmethoden können Quellung, Desagglomeration, Verkleisterung und Lösungsprozesse während des Maischens quantifizieren. Sowohl die grob- als auch die feindisperse Suspensionsviskosität der Maische kann auf Grundlage der Einstein-Gleichung beschrieben werden., A measuring system has been developed in order to measure the parameters required to characterise the rheological properties of the mash: viscosity and density of the continous phase, particle size distribution, particle concentration and particle shape of non-soluble particles during the mashing process. Swelling, disintegration gelatinisation and hydrolysis are measured. It can be shown that the viscosity dependency from solid volume fraction of starch can be described by the modified Einstein-equation for asymmetric particles (fine and coarse).

Anaerobic treatment of wastewater offers the advantage of the elimination of the main part of pollutants, which saves disposal charges. Compared to the aerobic technology, less sludge is formed, and energy is produced in the form of biogas. However, anaerobic treatment has also several drawbacks. These are the more difficult handling and the extreme long characteristical times, whereby particularly an overload can lead to a complete break-down of the plant. A restart takes weeks to months, which has restricted the user’s acceptance compared to conventional aerobic plants. But using intelligent control systems can circumvent this problem. Up to now comparatively few control engineering is applied in the wastewater treatment. The controlled variables are mostly regarded in isolation, e.g. temperature and pH are held constant and controlled by a local controller. Connecting the particular measurands and manipulated variables, one can essentially increase the efficiency of wastewater treatment systems as well as the stability. Even though such controllers would be possible by using classical control engineering, the effort would be considerable due to its high complexity. Therefore, Fuzzy logic (the classical Mamdani-type fuzzy rulebase) was chosen for state detection and control of the two-stage anaerobic wastewater treatment. A two-stage anaerobic wastewater treatment reactor system was modelled and controlled the way the biological state of the reactors could be predicted. Based upon this, proper control actions were enacted automatically. Even very strong fluctuations in the loading of both, concentration and volumetric flow rate, could thereby be handled successfully. Moreover, effluent concentrations could be kept relatively low without using TOC, COD or equivalent measurements. In concrete, the engineering should be developed and tested on a lab scale plant using wastewater from the potato processing industry. As no existing plant meeting the requirements was ava, [Abstract nur auf Englisch verfügbar.] Anaerobic treatment of wastewater offers the advantage of the elimination of the main part of pollutants, which saves disposal charges. Compared to the aerobic technology, less sludge is formed, and energy is produced in the form of biogas. However, anaerobic treatment has also several drawbacks. These are the more difficult handling and the extreme long characteristical times, whereby particularly an overload can lead to a complete break-down of the plant. A restart takes weeks to months, which has restricted the user’s acceptance compared to conventional aerobic plants. But using intelligent control systems can circumvent this problem. Up to now comparatively few control engineering is applied in the wastewater treatment. The controlled variables are mostly regarded in isolation, e.g. temperature and pH are held constant and controlled by a local controller. Connecting the particular measurands and manipulated variables, one can essentially increase the efficiency of wastewater treatment systems as well as the stability. Even though such controllers would be possible by using classical control engineering, the effort would be considerable due to its high complexity. Therefore, Fuzzy logic (the classical Mamdani-type fuzzy rulebase) was chosen for state detection and control of the two-stage anaerobic wastewater treatment. A two-stage anaerobic wastewater treatment reactor system was modelled and controlled the way the biological state of the reactors could be predicted. Based upon this, proper control actions were enacted automatically. Even very strong fluctuations in the loading of both, concentration and volumetric flow rate, could thereby be handled successfully. Moreover, effluent concentrations could be kept relatively low without using TOC, COD or equivalent measurements. In concrete, the engineering should be developed and tested on a lab scale plant using wastewater from the potato processing industry. As no existing