Stofftransport in überkritischem Kohlendioxid



Wenn eine Flüssigkeit erhitzt wird, beginnt sie zu dampfen. Mit steigender Druck- und Temperaturerhöhung nimmt auch die Dichte des Dampfes zu. Ab einem bestimmten Punkt haben "Flüssigkeit" und "Dampf" schließlich die gleiche Dichte und sind nicht mehr unterscheidbar. Man spricht dann von einem kritischen Fluid. Steigert man Druck und Temperatur weiter, bezeichnet man es als überkritisches Fluid.

Überkritische Fluide lassen sich für viele unterschiedliche Anwendungen einsetzen und ermöglichen neue, umweltfreundliche und schonende Verfahren. So wird überkritisches Wasser für die umweltschonende Beseitigung von Abfällen mittels einer "kalten" Verbrennung genutzt. Hierbei handelt es sich nicht um einen herkömmlichen Verbrennungsvorgang mit einer Flamme, sondern um die chemische Reaktion von Sauerstoff mit Schadstoffen in der überkritischen Flüssigkeit. Dabei werden Gas und Schadstoffe in das Wasser eingeleitet.

Überkritisches Kohlendioxid wird bei der Herstellung kleiner, pharmazeutisch interessanter Partikel verwendet, aber auch zur Hochdruckextraktion von Inhaltsstoffen aus Pflanzen in der Lebensmitteltechnologie, Pharmazie und Kosmetik. Beispiele sind die Entkoffeinierung von Kaffee zur Herstellung von koffeinfreiem Kaffee oder die Gewinnung von Aromastoffen. Dennoch fehlen in vielen Fällen die grundlegenden Kenntnisse, um eine hohe Ausbeute und eine optimierte Prozessführung in überkritischen Stoffen realisieren zu können und damit die Wirtschaftlichkeit zu steigern.

In diesem Experiment werden zwei der wichtigsten Teilaspekte direkt beobachtet, um das Verständnis der ablaufenden Vorgänge zu erhöhen. Dies betrifft zum einen die Diffusion eines ausgewählten Stoffes in überkritischem Kohlendioxid. Sie spielt eine wesentliche Rolle während des Lösungsprozesses. Zum anderen wird die Nukleation untersucht, also die Entstehung kleiner Teilchen, in diesem Fall von Tröpfchen, bei entsprechenden Versuchsbedingungen. Für die Beobachtung der Prozesse ist Schwerelosigkeit notwendig, da im Erdlabor die Dichteunterschiede zwischen den zu beobachtenden Stoffen zu einer Bewegung führen würde, die die Diffusion überlagert. Beim Prozess der Nukleation würde die Schwerkraft dazu führen, dass bereits gebildete Tröpfchen zusammenlaufen.

Zum einen wollen die Wissenschaftler herausfinden, ob die beschriebenen Phänomene im Experiment direkt beoabchtet werden können. Außerdem sollen die Ergebnisse Hinweise darauf geben, wie die Prozesse im großen Maßstab, also in der Industrie, optimiert werden können. So ist es von Interesse, wie sich Druck und Temperatur, die am einfachsten zu kontrollierenden Parameter des ablaufenden Experiments, auf die Geschwindigkeit der Diffusion und der Nukleation auswirken. Auch wollen die Forscher herausfinden ob es möglich ist, ein Modell des Vorgangs zu erstellen, so dass sein Verlauf auch ohne Versuche unter Schwerelosigkeit vorhergesagt werden kann.


Kontakt
Prof. Dr.-Ing. Antonio Delgado
Lehrstuhl für Strömungsmechanik

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

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Fax: +49 9131 85 29503
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