Detaillierte Untersuchung des Mischverhaltens feuchter Pulver

Die Fließeigenschaften von feuchten Schüttgütern sind für viele Bereiche interessant, z.B. in der Verfahrenstechnik, der pharmazeutischen Industrie, dem Maschinenbau oder der Erdölindustrie. Trotz der enormen technischen Relevanz dieser Strömungen gibt es noch immer signifikante grundlegende wissenschaftliche Herausforderungen beim Verständnis, bei der Modellierung und bei der Simulation der Strömung feuchter Schüttgüter und des Flüssigkeitstransportes im granularen Medium. In dem vorgelegten Antrag ist es unser Ziel, eine neue, detaillierte Methode für die Untersuchung und Modellierung der Strömung feuchter Schüttgütern zu etablieren. Im Speziellen sind unsere Ziele die (i) Entwicklung einer numerischen Berechnungsstrategie zur direkten Simulation von feuchten Agglomeraten auch bei hohen Sättigungsgraden, (ii) die Etablierung einer innovativen experimentellen Methode zur Validierung der Simulationen, (iii) die Anwendung der Methode, sowie (iv) die Kopplung der Simulationsresultate mit einer relativ neuen Methode, der Discrete Element Method (DEM). Im ersten Teil unserer vorgeschlagenen Arbeit werden wir eine state-of-the-art Berechnungsmethode für gas- flüssig Systeme adaptieren. Unsere Arbeit wird dabei die Modellierung der Partikel, eine genaue Behandlung des dynamischen Kontaktwinkels zwischen den Phasen, einen detaillierten Kontaktdetektions-Algorithmus, sowie eine möglichst exakte Berechnung der Kontaktkräfte zwischen den Partikeln beinhalten. Mit dieser adaptierten numerischen Methode werden wir erstmalig in der Lage sein, auch die Strömung der Flüssig- und Gasphase in den sich bewegenden, komplexen Zwischenräumen einer feuchten Schüttung zu berechnen. Dieses Wissen werden wir weiter nutzen, um die Flüssigkeitsverteilung in gescherten Schüttgütern zu analysieren, was beispielsweise essentiell für die rationale Auslegung von Granulationsvorgängen ist. Im zweiten Teil unserer Arbeit werden wir ein innovatives experimentelles Setup zur Untersuchung von statischen und dynamischen Kräften in einem Partikelbett aufbauen. Eine exakte Kontrolle der Distanz und der Relativbewegung zwischen einzelnen Partikeln werden wir durch den Einsatz von ultra-präzisen Mikromanipulatoren erreichen. Die Neuheit bei diesem Setup ist, dass wir Kräfte zwischen ganzen Partikelhaufen auch bei hohen Sättigungsgraden und unter einer definierten Relativgeschwindigkeit messen können. Weiters werden wir eine Scherzelle einsetzen, um unsere Simulationsresultate zu validieren. Ein weiterer Punkt unserer Arbeit ist der Einsatz der Simulationsmethode für die Mikroskalensimulation von Agglomeraten, die Simulation von Konsolidierungs- und Verflüssigungs-effekten, die Analyse von Mischvorgängen und des Tablettenzerfalls. Abschließend wollen wir unser Wissen in andere, bereits bekannte Simulationsmethoden einfließen lassen. So ist es eines unserer Ziele, Modelle für die Discrete Element Method zu entwickeln. Die erwarteten Resultate aus dem vorgeschlagenen Projekt werden eine signifikante Auswirkung auf den verstärkten Einsatz von Simulationsmethoden in vielen Bereichen, wie z.B. dem pharmazeutischen Engineering, der Geomechanik, der Erdölwissenschaften oder aber in der Erforschung von modernen Drug-Delivery Technologien haben. Dies ist ein entscheidender Schritt zur rationellen (und nicht mehr empirischen) Entwicklung von Verfahren und Produkten.

Die Beschreibung der Strömung und des Mischverhaltens feuchter Pulver ist herausfordernd, was hauptsächlich auf die unbekannte Verteilung der Flüssigkeit in den Poren dieser Pulver zurückzuführen ist. In diesen Systemen wird der lokale Flüssigkeitsgehalt oft durch das Volumen von Flüssigkeitsbrücken beschrieben. Folglich muss (i) die Transportrate von Flüssigkeit in diese Brücken, sowie (ii) der Transport von Brücken aufgrund der Partikelbewegung vorhergesagt werden. Im gegenständlichen Projekt fokussieren wir uns auf die dynamische Beschreibung der Flüssisigkeitsbrückenvolumina, wobei wir Anwendungen in der Lebensmittel- und Pharmabranche, sowie der Petrochemie im Blickwinkel behalten. Speziell wenden wir (i) numerische Simulationsmodelle, sowie (ii) klein-skalige Experimente an, um ein quantitatives Verständnis für die Flüssigbrückenbildung zu generieren. Im ersten Teil unserer Arbeit adaptieren wir eine Simulationsmethode für Gas-Flüssigströmungen, und kombinieren diese mit einem Modell zur Beschreibung der Partikelphase. Somit kann eine sehr genaue Beschreibung der Benetzung der Partikel, sowie der Gas- und Flüssigkeitsströmung in feuchten Pulvern erreicht werden. Beispielsweise können wir mit dieser Methode die Geburt einer Flüssigkeitsbrücke studieren, bzw. die Flüssigkeits-umverteilung in einem feuchten Pulver analysieren. Aus diesen Daten können anschließend Modelle für die zeitliche Veränderung der Flüssigkeitsbrückenvolumina extrahiert werden. Im zweiten Teil konstruieren wir innovative experimentelle Aufbauten zur Untersuchung schwerkraft-getriebener granularer Strömungen, sowie vibro-fluidisierter Partikelsysteme. Die gewonnenen experimentellen Daten sind bei der Validierung der oben erwähnten Modelle hilfreich. Im dritten Teil kombinieren wir unsere Flüssigkeitsbrückenmodelle mit der Diskreten Elemente Methode (DEM), welche bereits weit verbreitet in Industrie und Forschung eingesetzt wird. Diese verbesserte DEM wenden wir anschließend auf die Strömung und das Mischverhalten von feuchten Pulvern, beispielsweise bei der Feuchtgranulation, oder in einfachen Scherströmungen, an. Die Ergebnisse unserer Arbeit sind für eine Vielzahl von Simulationsanwendungen interessant, z.B., im Bereich der Pharmazeutischen Verfahrenstechnik, der Geomechanik, oder der Petrochemie. Die entwickelten Quellcode-offenen Modelle und Simulationswerkzeuge sind für ein breites Publikum zugänglich.