Universität Stuttgart
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Item Open Access Entwicklung laserspektroskopischer Methoden zur Analyse der Verdunstungseigenschaften von Brennstofftropfen(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2021) Werner, Stefanie; Riedel, Uwe (Prof. Dr. rer. nat.)Die steigenden Emissionen des klimaschädlichen Treibhausgases CO2 durch die Verbrennung von fossilen, endlichen Energieträgern müssen möglichst schnell und nachhaltig reduziert werden. Ein vielversprechender Lösungsansatz zur Reduzierung der Schadstoffemissionen bei der Verbrennung liegt in dem Einsatz von alternativen und erneuerbaren Brennstoffen. Als Energieträger bieten sich auf Grund ihrer hohen Energiedichte vor allem flüssige Brennstoffe an. Diese werden typischerweise durch Druckzerstäubung in die Brennkammer eingebracht, verdunstet und dann mit dem Oxidationsmittel vermischt und verbrannt. Die Verdunstung der kleinen Brennstofftropfen des sogenannten Sprays ist von entscheidender Bedeutung für den Gesamtverbrennungsprozess in Verbrennungsmotoren und Gasturbinen. Im Allgemeinen bestimmt die Verdunstungsrate die Verbrennungsrate. Daher sind Modelle notwendig, die eine genaue Vorhersage der Brennstoffverdunstung ermöglichen. Zur Validierung dieser Modelle werden quantitative Messungen unter genau definierten Randbedingungen benötigt. Da die Prozesse in technischen Brennkammern sehr komplex sind, werden Experimente zur Tropfenverdunstung häufig mit linearen, monodispersen Tropfenketten durchgeführt, um die Kopplung zwischen den verschiedenen Effekten zu minimieren. Durch die geringe Größe der Tropfen (typischerweise wenige hundert Mikrometer oder weniger), erfordert die experimentelle Untersuchung eine hohe räumliche Auflösung. In dieser Arbeit wurden quantitative, laseroptische Messtechniken mit hoher räumlicher Auflösung zur experimentellen Untersuchung der Tropfenverdunstung an monodispersen Tropfenketten entwickelt. Mit den Messtechniken wurden Validierungsdaten für die Verdunstungseigenschaften von verschiedenen Brennstoffen bestimmt. Konzentrationsmessungen von verdunsteten Kohlenwasserstoffen wurden unter Verwendung von Infrarot-Laserabsorptionsspektroskopie und laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie (LIF) durchgeführt. Tropfenketten wurden mit einem Tropfenkettengenerator erzeugt, welcher vertikal in einem Strömungskanal installiert wurde. Die untersuchten Brennstoffe waren Cyclohexan, iso-Octan, n-Heptan, n-Pentan, 1-Butanol und Anisol. Der Strömungskanal wurde mit einer laminaren Luftströmung bei verschiedenen Temperaturen (313 K - 430 K) durchströmt. Da die untersuchten Tropfen einen Durchmesser in der Größenordnung von 120 bis 160 µm hatten und die Konzentrationsgradienten nahe der Tropfenoberfläche groß waren, war eine hohe räumliche Auflösung der Messtechniken erforderlich. Die Absorptionsmessungen wurden mit der Infrarotstrahlung eines HeNe-Lasers bei λ = 3,39 µm durchgeführt, um die CH-Streckschwingung der Kohlenwasserstoffe anzuregen. Die für die Quantifizierung der Brennstoffkonzentrationen benötigten Absorptionsquerschnitte wurden in einer beheizten Gaszelle für Temperaturen von 300 K - 773 K bestimmt. Die räumliche Auflösung im Strömungskanal betrug < 50 µm über eine Länge von 2 mm (Halbwertsbreite). Durch die Zylindersymmetrie und gute Stabilität der Tropfenketten konnten zeitliche Mittelungs- und Tomografieverfahren angewandt werden. Hierdurch konnten radiale Konzentrationsprofile an mehreren Positionen im Strömungskanal erhalten werden. Aus dem Anstieg der Dampfkonzentration an verschiedenen Messpositionen konnte die Verdunstungsrate bestimmt werden. Die Verdunstungsraten wurden in Abhängigkeit von der Mantelstromtemperatur (313 K - 430 K), der Tropfengeschwindigkeit (8 m/s - 23 m/s), der Tropfenerzeugungsfrequenz (12 kHz - 75 kHz) und dem Tropfenabstand (300 µm - 685 µm) gemessen. Im untersuchten Temperaturbereich steigt die Verdunstungsrate des Brennstoffs linear mit der Temperatur an. Die Reihenfolge der Brennstoffe in Bezug auf die Verdunstungsrate entspricht den Siedepunkten der einzelnen Brennstoffe. Da technische Brennstoffe häufig eine Mischung mehrerer Komponenten sind, ist die Untersuchung von Brennstoffgemischen von großem Interesse. Daher wurde ein Messverfahren entwickelt, um binäre Gemische zu untersuchen. Das Verfahren wurde verwendet, um eine Mischung aus Cyclohexan und Anisol zu untersuchen. Zwei Messtechniken - laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) und Infrarot Absorptionsspektroskopie - wurden verwendet, um beide Spezies zu messen. Um λ = 3,39 µm ist der Absorptionsquerschnitt von Cyclohexan um etwa den Faktor 8 größer als von Anisol. Im untersuchten Fall war die Konzentration aufgrund des höheren Dampfdrucks ebenfalls deutlich größer. Daher konnte das Infrarot-Absorptionssignal praktisch ausschließlich Cyclohexan zugeordnet werden. Anisol hat bei Anregung bei λ = 266 nm eine sehr gute Fluoreszenzquantenausbeute, während Cyclohexan keine Fluoreszenz zeigt. LIF ermöglicht daher die Quantifizierung von Anisol (oder anderen Aromaten) ohne Interferenz durch Kohlenwasserstoffe. Es wurde ein Messverfahren entwickelt, welches Halationseffekte vermeidet, die typischerweise in planaren LIF-Experimenten an Tropfenketten auftreten. Kalibrationsmessungen, die im gleichen Strömungskanal durchgeführt wurden, ermöglichten die Quantifizierung der verdunsteten Anisolkonzentrationen. Die räumliche Auflösung betrug 80 µm. Ähnlich wie bei den Einzelkomponentenmessungen wurden Verdunstungsraten bestimmt. Wie aufgrund des niedrigeren Dampfdrucks zu erwarten, ist die Verdunstungsrate von Anisol niedriger als die von Cyclohexan. Die Verdunstungsrate von Cyclohexan in der binären Mischung stimmt gut mit den Einzelkomponentenmessungen überein. Das entwickelte Messverfahren ist sehr vielversprechend für weitere Untersuchungen an Mehrkomponentenmischungen. In dieser Arbeit konnte damit erstmals mit hoher räumlicher Auflösung die Verdunstung von Brennstoffkomponenten mittels Absorptionsspektroskopie in der Nähe von Brennstofftropfen untersucht werden. Zusätzlich wurden in Kombination mit laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie Messungen an binären Mischungen durchgeführt. Damit steht ein wertvoller Datensatz zur Validierung von numerischen Simulationen zur Verfügung.Item Open Access Multistep reactions of molten nitrate salts and gas atmospheres(2024) Steinbrecher, Julian; Thess, André (Prof. Dr.)Dissertation zur Untersuchung der Stabilität von Nitratsalzschmelzen unter verschiedenen atmosphärischen Bedingungen und Temperaturen.Item Open Access Calculation of pure substance and mixture viscosities using PCP-SAFT and entropy scaling(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Technische Thermodynamik und Thermische Verfahrenstechnik, 2020) Lötgering-Lin, Oliver; Gross, Joachim (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Subcellular fractionation enables assessment of nucleotide sugar donors Inside the Golgi apparatus as a prerequisite for unraveling culture impacts on glycoforms of antibodies(2025) Regett, Niklas; Dieterle, Marcel; Peters, Fleur; Deuring, Max; Stegmaier, Kaja; Teleki, Attila; Takors, RalfGlycosylation is a critical quality attribute in biopharmaceuticals that influences crucial properties, such as biological activity and blood clearance. Current methods for modeling glycosylation typically rely on imprecise or limited data on nucleotide sugar donor (NSD) dynamics. These methods use in vitro transporter kinetics or flux balance analysis, which overlook the key aspects of metabolic regulation. We devised an integrative workflow for absolute subcellular NSD quantification in both cytoplasm and secretory organelles. Using subcellular fractionation, exhaustive sample extraction, and liquid chromatography triple‐quadrupole tandem mass spectrometry, we accurately measured NSD concentrations ranging from 1.6 amol/cell to 3 fmol/cell. As expected, NSD concentration profiles aligned closely with the glycan distributions on antibodies, particularly after nutrient pulsing to stimulate NSD production, showcasing method validity. This method enables empirical observation of compartment‐specific NSD dynamics. Thus, this study provides novel insights indicating that N‐glycosylation, which governs NSD supply, is primarily regulated within the Golgi apparatus (GA). This method offers a novel tool to obtain sophisticated data for a more efficient optimization of glycosylation processes in production cell lines.Item Open Access Chemical equilibria and intrinsic kinetics of reactions in molten nitrate salt(2021) Sötz, Veronika Anna; Thess, André (Prof. Dr.)Die Nitratsalzmischung „Solarsalz“ wird als Wärmespeichermedium in großtechnischen Speichersystemen eingesetzt, die wesentliche Bestandteile von konzentrierenden Solarkraftwerken sind, um die Stromproduktion der Nachfrage anzupassen. Die Speichertemperatur beträgt in bestehenden Systemen maximal 565 °C, soll aber zukünftig ansteigen, um den Wirkungsgrad bei der Verstromung und die Speicherkapazität zu erhöhen. Chemische Reaktionen in Flüssigsalz werden jedoch durch steigende Temperaturen beschleunigt und verstärkt, was zu thermischer Instabilität des Speichermaterials führt und wodurch vermehrt Zersetzungsprodukte einschließlich korrosiver Ionen und toxischer Gase entstehen. Ein grundlegendes Verständnis des Zersetzungsprozesses ist notwendig, um die Materialien bei erhöhten Temperaturen stabil zu halten. In dieser Dissertation sind Reaktionen, die relevanten Zersetzungsprodukte bilden, experimentell untersucht und mathematisch beschrieben. Die Reaktion von Nitrationen zu Nitritionen stellt den ersten Schritt des Zersetzungsprozesses dar und das zugehörige chemische Gleichgewicht ist in zwei Temperaturbereichen (450-550 und 560-630 °C) bestimmt. Die intrinsische Kinetik der Nitritbildung ist bis 550 °C durch thermogravimetrische Analyse untersucht. Das differentielle Zeitgesetz enthält die Kinetik der Hin- als auch der Rückreaktion. Die Zersetzung von Nitritionen weiter zu Oxidionen wird als zweiter Schritt betrachtet. Erstmalig zeigt diese Arbeit Experimente, die ein chemisches Gleichgewicht mit Beteiligung von Oxidionen in Solarsalz belegen. Der Zusatz nitroser Gase zum Spülgas (synthetische Luft) stabilisiert den Oxidgehalt, was bei 600 und 620 °C nachgewiesen ist. Diese Ergebnisse sind besonders wertvoll, da Oxidionen Stahlkorrosion in Solarsalz verstärken. Die intrinsische Kinetik der Oxidbildung ist in Luftatmosphäre bis 630 °C untersucht und mathematisch ausgedrückt. Die Kinetikparameter sind durch Fit der experimentellen Ergebnisse ermittelt. Insgesamt bilden die Zersetzungsreaktionen ein konsistentes Netzwerk, das durch chemische Gleichgewichte und die intrinsische Kinetik zweier Reaktionen beschrieben ist. Die Ergebnisse tragen zur Entwicklung der Flüssigsalz-Wärmespeichertechnologie durch Vorhersage der Solarsalzstabilität bei bestehenden und höheren Betriebstemperaturen bei.Item Open Access Uncertainty-biased molecular dynamics for learning uniformly accurate interatomic potentials(2024) Zaverkin, Viktor; Holzmüller, David; Christiansen, Henrik; Errica, Federico; Alesiani, Francesco; Takamoto, Makoto; Niepert, Mathias; Kästner, JohannesEfficiently creating a concise but comprehensive data set for training machine-learned interatomic potentials (MLIPs) is an under-explored problem. Active learning, which uses biased or unbiased molecular dynamics (MD) to generate candidate pools, aims to address this objective. Existing biased and unbiased MD-simulation methods, however, are prone to miss either rare events or extrapolative regions-areas of the configurational space where unreliable predictions are made. This work demonstrates that MD, when biased by the MLIP’s energy uncertainty, simultaneously captures extrapolative regions and rare events, which is crucial for developing uniformly accurate MLIPs. Furthermore, exploiting automatic differentiation, we enhance bias-forces-driven MD with the concept of bias stress. We employ calibrated gradient-based uncertainties to yield MLIPs with similar or, sometimes, better accuracy than ensemble-based methods at a lower computational cost. Finally, we apply uncertainty-biased MD to alanine dipeptide and MIL-53(Al), generating MLIPs that represent both configurational spaces more accurately than models trained with conventional MD.Item Open Access Predicting by-product gradients of baker’s yeast production at industrial scale : a practical simulation approach(2020) Sarkizi Shams Hajian, Christopher; Haringa, Cees; Noorman, Henk; Takors, RalfScaling up bioprocesses is one of the most crucial steps in the commercialization of bioproducts. While it is known that concentration and shear rate gradients occur at larger scales, it is often too risky, if feasible at all, to conduct validation experiments at such scales. Using computational fluid dynamics equipped with mechanistic biochemical engineering knowledge of the process, it is possible to simulate such gradients. In this work, concentration profiles for the by-products of baker’s yeast production are investigated. By applying a mechanistic black-box model, concentration heterogeneities for oxygen, glucose, ethanol, and carbon dioxide are evaluated. The results suggest that, although at low concentrations, ethanol is consumed in more than 90% of the tank volume, which prevents cell starvation, even when glucose is virtually depleted. Moreover, long exposure to high dissolved carbon dioxide levels is predicted. Two biomass concentrations, i.e., 10 and 25 g/L, are considered where, in the former, ethanol production is solely because of overflow metabolism while, in the latter, 10% of the ethanol formation is due to dissolved oxygen limitation. This method facilitates the prediction of the living conditions of the microorganism and its utilization to address the limitations via change of strain or bioreactor design or operation conditions. The outcome can also be of value to design a representative scale-down reactor to facilitate strain studies.Item Open Access A magnetically transformable twisting millirobot for cargo delivery at low Reynolds number(2025) Jeong, Moonkwang; Tian, Jiyuan; Zhang, Meng; Qiu, TianInspired by bacteria flagella, miniature robots often use a helical shape to propel themselves in fluids at low Reynolds numbers. The helical microstructures in the robots are often rigid and are made by advanced 3D micro‐/nanofabrication techniques. However, it remains challenging to fabricate these 3D helical structures without complicated machinery. Herein, for the first time, a magnetically transformable millirobot-TwistBot-with a flexible body that can transform from a simple flat ribbon to a helical shape under an applied magnetic field is reported, enabling its propulsion in viscous fluids. The robot's twisting is modeled using numerical simulation and its geometry is optimized to maximize the twist angle. The unique shape transformation not only allows the propulsion through narrow lumens but also facilitates TwistBot in carrying and delivering solid cargo successfully to the target. The concept of the TwistBot opens new opportunities in designing soft transformable minirobots for targeted cargo delivery.Item Open Access Fouling during polymerization in different continuous reactor setups(2024) Welzel, Stefan; Nieken, UlrichFouling in continuous reactors presents a significant challenge in the process intensification of specialty polymers. While in continuous stirred tank reactors (CSTRs) fouling is minimal, tubular reactors experience severe fouling, sometimes leading to complete blockage. Therefore, it is crucial to understand process and design conditions contributing to deposit formation. In this work, the impact of geometry, mixing elements, novel coatings, and ultrasonic waves are tested on tubular reactors for the polymerization of polyvinylpyrrolidone.Item Open Access The knowledge driven DBTL cycle provides mechanistic insights while optimising dopamine production in Escherichia coli(2025) Hägele, Lorena; Trachtmann, Natalia; Takors, RalfBackground. Dopamine is a promising organic compound with several key applications in emergency medicine, diagnosis and treatment of cancer, production of lithium anodes, and wastewater treatment. Since studies on in vivo dopamine production are limited, this study demonstrates the development and optimisation of a dopamine production strain by the help of the knowledge driven design-build-test-learn (DBTL) cycle for rational strain engineering. Results. The knowledge driven DBTL cycle, involving upstream in vitro investigation, is an automated workflow that enables both mechanistic understanding and efficient DBTL cycling. Following the in vitro cell lysate studies, the results were translated to the in vivo environment through high-throughput ribosome binding site (RBS) engineering. As a result, we developed a dopamine production strain capable of producing dopamine at concentrations of 69.03 ± 1.2 mg/L which equals 34.34 ± 0.59 mg/gbiomass. Compared to state-of-the-art in vivo dopamine production, our approach improved performance by 2.6 and 6.6-fold, respectively.Conclusion. In essence, a highly efficient dopamine production strain was developed by implementing the knowledge driven DBTL cycle involving upstream in vitro investigation. The fine-tuning of the dopamine pathway by high-throughput RBS engineering clearly demonstrated the impact of GC content in the Shine-Dalgarno sequence on the RBS strength.
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