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Rheologie/Rheometrie

Lecturers

Details

Time and place:

ECTS-Credits: 7,5 einschließlich Praktikum

  • Wed 14:15-15:45, Room 02.019

Fields of study

  • WPF CBI-MA from SEM 1
  • WPF LSE-MA from SEM 1
  • WPF CEN-MA from SEM 1

Prerequisites / Organizational information

Grundwissen in Strömungsmechanik bzw. Thermofluiddynamik der Biotechnologie. Die Lehrveranstaltung wird in Deutsch oder in Englisch durchgeführt.

Content

Rheologie beschäftigt sich mit dem Verformungs- und Fließverhalten von Stoffen. Sie konzentriert sich vor allem auf das Materialverhalten komplexer Materie. Dazu gehören nahezu alle Materialien biologischen Ursprungs wie Zellen, Gewebe, Körperflüssigkeiten, Biopolymere und Proteine aber auch die meisten chemischen Systeme wie allgemein Polymerschmelzen und –lösungen, Suspensionen, Emulsionen, Schäume oder Gele. Bei der Entwicklung ingenieurwissenschaftlicher Lösungen sind diese Kenntnisse bzw. deren messtechnische Erfassung von entscheidender Bedeutung. Dies beinhaltet die Bestimmung rheologischer Eigenschaften neuer Materialien aber auch biologischer Systeme, deren Veränderungen bei Krankheiten bzw. deren medikamentöser Behandlung. Es ist unerlässlich bei der Auslegung verfahrenstechnischer Anlagen (z.B. Druckverlust, Auswahl eines Rührorgans, Pumpen, Belastungsgrenzen von Zellen z.B. bei 3D-Druck oder in Bioreaktoren, etc.), der Prozesskontrolle (z.B. beim Drucken, Beschichten, Lackieren, Sprühen, Extrudieren, Etikettieren) bis hin zu den Qualitätsanforderungen des Produkts (Lebensmitteln, Kosmetika, Wasch- und Reinigungsmitteln, etc.).
In der Lehrveranstaltung Rheologie/Rheometrie werden die Fließ- und Deformationseigenschaften bei konstanten und zeitabhängigen Beanspruchungen behandelt. Neben empirischen Fließgesetzen wird der Einfluss der Mikrostruktur auf das rheologische Verhalten der Stoffe dargestellt. Zudem werden die entsprechenden Messmethoden (rheometrisch, Online-, Inline-Viskosimeter, rheooptisch) und Einflüsse typischer Messfehler, deren Vermeidung bzw. Korrektur vorgestellt.
Übungen ergänzen die Vorlesung. Studenten werden angeleitet, das erhaltene Wissen anzuwenden, rheologische Problemstellungen zu bewerten und Lösungen zu entwickeln. Es besteht die Möglichkeit, sich in einem Praktikum mit unterschiedlichen rheologischen Messsystemen und –methoden vertraut zu machen.

Recommended Literature

- C. W. Macosko: Rheology - Principles, Measurement and Application, Wiley-VCH (1994) - F. A. Morrison: Understanding Rheology, Oxford Univ. Press (2001) - J. F. Steffe: Rheological Methods in Food Process Engineering, Freeman (1996) - T. G. Mezger: Das Rheologie Handbuch, 5th ed., Vincentz (2016) - H. A. Barnes, J. F. Hutton, K. Walters: An Introduction to Rheology, Elsevier (1989) - R. G. Larson: The Structure and Rheology of Complex Fluids, Oxford (1999) - T. F. Tadros: Rheology of Dispersions, Wiley-VCH (2011) - T. A. Witten: Structured fluids, Oxford (2010) - P. Coussot: Rheometry of Pastes, Suspensions, and Granular Materials, Wiley (2005) - M. Pahl, W. Gleißle, H.-M, Laun: Praktische Rheologie der Kunststoffe und Elastomere, 4. Auflage, VDI-Verlag (1995) - D. Weipert, H.-D. Tscheuschner, E. Windhab: Rheologie der Lebensmittel, Behr‘s Verlag (1993) - M. A. Rao: Rheology of fluid and semisolid foods, 3rd ed., Springer (2013) - J. W. Goodwin, R. W. Hughes: Rheology for Chemists, RSC Publishing (2008) - D. Lerche, R. Miller, M. Schäffler: Dispersionseigenschaften, 2D-Rheologie, 3D-Rheologie, Stabilität (2015) - G. G. Fuller: Optical Rheometry of Complex Fluids, Oxford Univ. Press (1995)

ECTS information

Title

Rheology/Rheometry

Credits

5

Content:

Rheology studies material deformation und flow properties. It mainly focusses on material behavior of complex matter. This includes practically all materials of biologic origin like cells, tissue, body fluids, biopolymers and proteins but also most of the chemical systems like, in general, polymer melts and solutions, suspensions, emulsions, foams or gels. This knowledge and the required measurement techniques are of major importance in developing engineering solutions. This includes the determination of rheological properties of new materials but also of biological systems, their changes due to diseases or due to medical treatment. It is indispensable for the proper design of process plants (e.g. pressure loss, stirrer and pump selection, load limits of cells e.g. in 3D printing and bioreactors, etc.), process control (e.g. in printing, coating, varnishing, spraying, extrusion, labeling) as well as for meeting quality standards of the product (food, cosmetics, detergents, etc.).
The course Rheology/Rheometry deals with the primary flow and deformation properties during steady and time dependent stress. Besides empirical constitutive equations, the influence of the microstructure on the rheological behavior is presented. Techniques for measuring the material behavior (rheometrical, online-, inline-viscometers, rheo-optical) and the impact of typical measurement errors, their avoidance or correction are described.
Exercises complete the lecture. Students are instructed to apply their knowledge to rheological problems und to develop appropriate solutions. There exists the possibility to acquaint oneself with rheological measurement devices and methods in a practical course.

Additional information

Expected participants: 20