Numerical Investigation of Thermofluiddynamical Heterogeneities during High Pressure Treatment of Biotechnological Substances

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