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Wärmeübergang und Ejecting bei der Stranggusskühlung von NE-Metallen mit Kokillen

Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT

Title: Wärmeübergang und Ejecting bei der Stranggusskühlung von NE-Metallen mit Kokillen Author(s): Ryll, Stephan Abstract: In dieser Arbeit wurde die Kühlung heißer bewegter Bleche mit Wasser aus einer feststehenden Modell-Kokille untersucht. Hierfür wurden experimentelle Untersuchungen mit verschiedenen NE-Metallblechen, wie AA6082, AA5083, Nickel, Nicrofer und Kupfer B14 durchgeführt. Während des Abkühlprozesses wurden die Oberflächentemperaturen der Bleche auf der Messseite mit einer hochauflösenden Infrarotkamera gemessen. Die Bleche wurden bis zu 800 °C aufgeheizt und im Anschluss daran mit Wasser aus einer Modell-Kokille mit elf fluchtend angeordneten Vollstrahlen gekühlt. Während der Kühlung führten die Bleche eine Vertikalbewegung hinsichtlich der Kokille aus. Bei den Untersuchungen wurde die Strahlgeschwindigkeit (zwischen 1 m/s und 4 m/s), der Strahlwinkel (zwischen 15° und 60°), die Anzahl der Strahlen (5 und 11), die Blechgeschwindigkeit (zwischen 3,3 mm/s und 120 mm/s), die Blechdicke (3 und 5 mm), die Oberflächenrauheit der Blechprobe, die Wassertemperatur (zwischen 18 °C und 60 °C), die Wasserqualität (deionisiertes Wasser, Leitungswasser und Mix aus Leitungswasser + Borax), die Pulsations - Frequenz (zwischen 0,05 und 3 Hz) und die Anfangstemperatur des Bleches (zwischen 800 °C und 300 °C) variiert. Ausgehend von den aufgezeichneten Infrarotdaten wurden für den quasistationären Zustand diverse Abkühlkurven erstellt. Zur Bestimmung der Blechoberflächentemperatur sowie der Wärmestromdichte auf der Strahlseite wurde ein 2D-inverses Wärmeleitmodell verwendet. Der Mechanismus des Wärmeübergangs während des Kühlprozesses wurde detailliert beschrieben. Der Anstieg der mittleren Wassertemperatur nach dem Blechkontakt wurde berechnet. Ein wesentliches Ergebnis der experimentellen Untersuchungen ist der konkrete Nachweis des Einflusses technischer Parameter wie Strahlgeschwindigkeit, Blechgeschwindigkeit, Anfangstemperatur, Metallart etc. auf den plötzlichen Filmabriss (Ejecting) während der Kühlung. Die Strahlen müssen mit einer Geschwindigkeit von mindestens 1,2 m/s austreten, um den Strang benetzten zu können. Die Strahlen vereinigen sich schnell zu einem dünnen Wasserfilm, der den Strang benetzend herabfließt. Bei Austrittsgeschwindigkeiten aus der Kokille höher als 2 m/s wird ein Teil des Wassers reflektiert und trägt nicht zur Benetzung der Oberfläche des Strangs bei. Eine Erhöhung der Wassermenge erhöht somit unwesentlich den Wärmeübergang. Der dünne, etwa 0,5 mm dicke, benetzende Wasserfilm erwärmt sich sehr stark während des Abfließens auf der Oberfläche. Es werden mittlere Temperaturen bis zu 80 °C erreicht. Im Kontaktbereich zwischen Film und Oberfläche bilden sich Dampfblasen. Die Blasenentwicklung wird bei bestimmten Prozessparametern so stark, dass der Wasserfilm von der Oberfläche fortgeschleudert wird, was als Ejecting bezeichnet wird. Die Zweiphasenströmung aus Dampf und flüssigem Wasser während der Blasenverdampfung kann physikalisch noch nicht vollständig beschrieben werden. Daher können noch keine quantitativen Kriterien für das Auftreten des Ejectings angegeben werden. Der Wasserfilm beschleunigt während des Abfließens auf Grund der Schwerkraft. Daher nimmt der Wärmeübergang mit dem Abstand zur Kokille zu. Der Einfluss der verschiedenen Parameter auf den Wärmeübergang wurde ausführlich beschrieben und die zugehörigen lokalen Profile der Wärmestromdichten angegeben. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit stehen Kennwerte zur Verfügung, die für die Auslegung und Optimierung von Kühl- bzw. Abschreckanlagen geeignet sind. Die Möglichkeiten eines Transfers in die Industrie sind gegeben. Insgesamt wurde das Verständnis der während der Abkühlung (eines vertikal bewegten Metallblechs) mit einer Kokille ablaufenden Vorgänge durch die ermittelten Forschungsergebnisse verbessert.; In this study, the cooling of hot moving plates with water from a fixed model mold was investigated. For this purpose, experimental investigations were carried out with various non-ferrous metal plates, such as aluminium aloys like AA6082 and AA5083, nickel, nicrofer and copper B14. During the cooling process, the surface temperatures of the sheets were measured on the measuring side with a high-resolution infrared camera. The plates were heated up to 800 °C and then cooled with water from a model mold with eleven full jets arranged in a horizontal row. During cooling, the plates moved vertically with respect to the mold. In the studies, various parameters were adjusted, including jet velocity (ranging from 1 to 4 m/s), jet angle (between 15° and 60°), number of jets (5 and 11), plate velocity (from 3.3 mm/s to 120 mm/s) and plate thickness (either 3 mm or 5 mm). Other variables included surface roughness of the plate, water temperature (ranging from 18 °C to 60 °C), water quality (using deionised water, tap water or a tap water and borax mixture), pulsation frequency (from 0.05 to 3 Hz) and initial plate temperature (between 800 °C and 300 °C). For analysis purpose, various cooling curves were created for the quasi-stationary state based on the recorded infrared data. Additionally, a 2D inverse heat conduction model was used to determine the plate surface temperature and the heat flux density on the quench side. The mechanism of heat transfer during the cooling process was described in detail. Moreover, the rise in average water temperature following contact with the hot plate was calculated. A major finding of the experimental investigations is the concrete proof of the influence of technical parameters such as jet velocity, plate velocity, initial temperature, metal type etc. on sudden film breakage (ejecting) during cooling. The jets must exit at a speed of at least 1.2 m/s to wet the ingot. The jets rapidly merges into a thin film of water that runs down the ingot, covering the targated surface. However, when the mold exit velocity exceeds 2 m/s, a portion of the water is deflected and fails to contribute to surface coverage. As a result, increasing the water volume does not significantly enhance heat transfer. The water film, around 0.5 mm thick, heats up considerably as it moves over the ingot, reaching average temperatures of up to 80 °C. Vapor bubbles develop at the interface between the film and the hot surface. Under certain process conditions, bubble formation becomes so intense that the water film is displaced from the surface, an phenomenon known as ‘ejecting‘. The complex two-phase flow involving steam and liquid water during nucleate boiling remains inadequately described by current physical models, making it impossible to define quantitative criteria for the onset of ejecting. As the film flows downward, gravity causes it to accelerate, which in turn increases heat transfer with distance from the mold. The effects of various parameters on heat transfer have been thoroughly analyzed and the corresponding local heat flux profiles have been documented. The results of this study provide characteristic values that are suitable for the design and optimization of cooling and quenching systems. The potential for industrial application is presented. Overall, the understanding of the processes taking place during cooling (of a vertically moving metal plate) with a mold has been improved by the research results obtained.

Pore network modeling and neutron imaging-based analysis of transport in fibrous porous transport layers for PEM electrolyzers

Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT

Title: Pore network modeling and neutron imaging-based analysis of transport in fibrous porous transport layers for PEM electrolyzers Author(s): Altaf, Haashir Abstract: Green hydrogen holds great potential as a clean fuel and efficient energy storage solution, enabling the integration of renewable energy sources. Hydrogen produced by polymer electrolyte membrane water electrolyzers (PEMWEs) offers advantages in purity, safety, and dynamic operation. However, issues related to performance, durability, and cost must be addressed for PEMWEs to become a viable and cost-effective alternative. The key advantage of PEMWEs is their ability to operate at high current densities (> 2.0 A∙cm⁻²), but mass transport resistances at these densities can reduce performance. This is partly due to the counter-current flow of oxygen and water through the porous transport layer (PTL) at the anode. It is anticipated that, at high current densities, the oxygen produced blocks water pathways to the catalyst layer (CL), hence impeding the reaction rate. To mitigate this problem, various studies propose strategies based on PTL properties such as pore size, porosity, and thickness, yet a structured overview quantifying the limits of transport regimes as a function of current density and structural properties is still lacking. Moreover, most existing research focuses on low-porosity PTLs (< 50 %), and high-porosity commercial PTLs, which could be suitable for high current density operations, have been rarely investigated. This data scarcity makes it difficult to parametrize continuum models (CMs) for assessing structural impacts of different PTLs on performance as well. Existing models used to study or extract transport parameters are either computationally expensive or lack realistic structural representation. In this context, pore network models (PNMs) provide a more efficient approach for studying capillary-dominated invasion in PTLs, representing porous structures as networks of pores and throats. PNMs offer insights into the pore-scale behavior and transport parameters, and can be used for parametric studies. However, they rely on high-resolution imaging when extracted pore networks (PNs) are used, with micro-computed X-ray tomography (micro-CT) commonly employed. Without imaging resources, idealized PNs with representative pore size distributions (PSDs) can be used to reduce computational cost. Each approach has its advantages and limitations, making the choice dependent on the specific application. For instance, idealized PNs may be sufficient for comparing the impact of different PSDs, but extracted PNs are more accurate for modeling drainage patterns. In this work, high-porosity commercial fiber-PTLs (~ 75 %) are investigated using extracted PNs, while idealized PNs are employed to study the impact of different pore/throat size distributions. With the help of extracted PNs, parameters such as permeability and capillary pressure curves are extracted for three PTLs and compared to existing correlations from literature. For absolute permeability, it is shown that the Tomadakis and Sotirchos model (TSM) and the Jackson and James model (JJM) should effectively estimate the permeability of PTLs with larger fiber diameters. The relative permeability and saturation profiles show that a graded PTL, with smaller fibers at the CL side and larger ones toward the water inlet, is the best candidate for PEMWE, as it provides a good balance between liquid and gas permeability. Additionally, the capillary pressure curves from extracted PNs are compared to the Leverett equation (LE) and Brooks-Corey equation (BCE). It is observed that the literature correlations can only partially represent the PNM-derived curves and are not recommended for high-porosity PTLs. Using Voronoi networks (VNs) and a simplified conduction-based model, the thermal conductivity of the PTLs is also estimated and fitted to Hot Disk experimental data. The resulting values are compared to several structural models from literature as well, none of which agree with the Hot Disk experimental results. Moreover, with the help of idealized PNs, the impact of microstructure on the drainage through the PTL is highlighted. Various PTLs from literature and arbitrary gradients are analyzed in detail. Consistent with extracted PN results, thicker PTLs show lower relative liquid permeabilities due to enhanced lateral invasion. The permeability values from simulations matched theoretical trends but differed from literature values (non-intrinsic in nature unlike PNM permeability). The simulations with pore/throat size gradients revealed that invasion behavior strongly depends on gradient direction and design. It is shown that a PTL with a gradient, increasing from the CL side towards the water inlet, can enhance oxygen removal while maintaining efficient water transport. In addition to PNM, neutron imaging experiments using both non-electrochemical and electrochemical cells were conducted to compare different PTLs. The tomographies from the non-electrochemical experiments reveal water scarcity issues even in high-porosity PTLs. The non-electrochemical radiographies show that bubble release patterns are largely governed by PTL structure and/or pressure distribution in the channel and are independent of current density. However, the saturation profiles within the PTL could not be observed. Electrochemical experiments revealed that the PTL saturation is independent of the current density indeed but the inlet water flow rate has an impact on the saturation within a PTL, indicating a shift toward flow-driven behavior. These findings suggest that the PNM assumptions are only valid for certain flow conditions. The experimental results prompt a reconsideration of certain PNM assumptions, while also highlighting areas for further model refinement. It is perceived that the liquid-gas transport occurs simultaneously around a constant structure-dependent saturation which is unaffected by current density. This is considered in PNM too, where PTL structure controls the drainage pattern alone and the simulations predict residual liquid saturations (maximum possible). However, the electrochemical experiments highlight the impact of increased inlet flow rate. Based on this, it is recommended that the PNM simulations should include imbibition and be coupled with a CM to incorporate the dynamics of fluid transport in PEMWE. In general, comparing different particle-PTLs with fiber-PTLs or PTLs with a micro-porous layer (MPL) will be of great interest in future. Additionally, PTL characterization should encompass the effects of mechanical, topographical, and electrical properties too.; Grüner Wasserstoff besitzt großes Potenzial als sauberer Energieträger und effiziente Energiespeicherlösung und kann die Integration erneuerbarer Energiequellen entscheidend unterstützen. Wasserstoff, der mittels Polymerelektrolytmembran-Wasserelektrolyseuren (engl. polymer electrolyte membrane water electrolyzers, PEMWEs) erzeugt wird, bietet Vorteile hinsichtlich Reinheit, Sicherheit und dynamischer Betriebsfähigkeit. Damit PEMWEs jedoch zu einer wirtschaftlich tragfähigen Alternative werden, müssen Herausforderungen in Bezug auf ihre Leistungsfähigkeit, Langlebigkeit und Kosten überwunden werden. Ein wesentlicher Vorteil von PEMWEs liegt in ihrer Fähigkeit, bei hohen Stromdichten (> 2 A·cm⁻²) zu arbeiten. Allerdings können Massentransport- widerstände bei diesen Stromdichten die Leistung erheblich beeinträchtigen. Ursache hierfür ist unter anderem der Gegenstrom von Sauerstoff und Wasser durch die poröse Transportschicht (engl. porous transport layer, PTL) an der Anode. Es wird angenommen, dass der bei hohen Stromdichten erzeugte Sauerstoff die Wasserwege zur Katalysatorschicht (engl. catalyst layer, CL) blockiert und dadurch die Reaktionsrate reduziert. Zahlreiche Studien schlagen verschiedene Strategien zur Verbesserung vor, wobei der Fokus auf PTL-Eigenschaften wie Porengröße, Porosität und Dicke liegt. Ein klarer Konsens über den Einfluss der Struktur auf den Stofftransport besteht jedoch bislang nicht. Zudem konzentrieren sich die meisten bisherigen Untersuchungen auf PTLs mit geringer Porosität (< 50 %), während hochporöse, kommerzielle PTLs, die sich möglicherweise besser für den Betrieb bei hoher Stromdichte eignen, bislang kaum erforscht wurden. Diese Datenlücke erschwert die Parametrisierung von Kontinuumsmodellen (engl. continuum models, CM), die zur Bewertung struktureller Auswirkungen auf die Leistung dienen. Bestehende Modelle sind entweder sehr rechenintensiv oder vereinfachen die Struktur stark. In diesem Kontext bieten Porennetzwerkmodelle (engl. pore network models, PNM) einen effizienteren Ansatz zur Untersuchung kapillardominierter Strömungen in PTLs, indem sie poröse Strukturen als Netzwerke aus Poren und Halsverbindungen abbilden. Sie liefern Einblicke in das Verhalten auf Porenebene und die Transportparameter und ermöglichen parametrische Studien. Dabei werden entweder aus hochaufgelösten Bilddaten (z. B. Röntgentomographie) extrahierte Porennetze (engl. pore networks, PN) verwendet oder idealisierte Netzwerke mit repräsentativen Porengrößenverteilungen zur Reduktion des Rechenaufwands eingesetzt. Beide Ansätze haben spezifische Vor- und Nachteile, deren Eignung vom jeweiligen Anwendungsfall abhängt: ein idealisiertes PNM genügt etwa für den Vergleich von Porengrößenverteilungen, während extrahierte Netzwerke eine präzisere Modellierung von Entwässerungsmustern (engl. drainage) ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit werden kommerzielle Faser-PTLs mit hoher Porosität (~ 75 %) mithilfe extrahierter PN untersucht. Parallel dazu werden idealisierte PN verwendet, um den Einfluss verschiedener Poren- und Halsgrößenverteilungen zu analysieren. Auf Basis der extrahierten Netzwerke werden Permeabilität und Kapillardruckkurven für drei PTLs ermittelt und mit Literaturkorrelationen verglichen. Dabei zeigt sich, dass die Modelle von Tomadakis und Sotirchos sowie Jackson und James nur bei PTLs mit größeren Faserdurchmessern zuverlässig die absolute Permeabilität vorhersagen. Die relativen Permeabilitäts- und Sättigungsprofile deuten darauf hin, dass eine abgestufte PTL (mit kleineren Fasern auf der CL-Seite und größeren in Richtung Wassereinlass) die beste Option für PEMWEs darstellt, da sie ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Flüssigkeits- und Gaspermeabilität bietet. Darüber hinaus zeigen Vergleiche der Kapillardruckkurven mit der Leverett-Gleichung und der Brooks-Corey-Gleichung, dass diese Korrelationen die mit PNM berechneten Kurven nur unzureichend abbilden und für hochporöse PTLs nicht empfohlen werden. Unter Verwendung von Voronoi-Netzwerken (engl. Voronoi networks, VN) und eines vereinfachten, leitungsbasierten Modells wird der Einfluss der Flüssigkeitssättigung auf die Wärmeleitfähigkeit der PTL eingeschätzt und an experimentelle Daten der Hot-Disk-Methode angepasst. Die daraus resultierenden Werte werden mit diversen Strukturmodellen aus der Literatur verglichen, von denen keins mit den Ergebnissen der Hot Disk Experimente übereinstimmt. Darüber hinaus veranschaulichen idealisierte PN den Einfluss der Mikrostruktur auf die Entwässerung. Verschiedene in der Literatur beschriebene PTLs sowie frei definierte Gradienten wurden im Detail analysiert. Im Einklang mit den Ergebnissen aus PNM-Simulationen zeigen dickere PTLs aufgrund verstärkter lateraler Invasion eine geringere relative Flüssigkeitspermeabilität. Die aus den Simulationen abgeleiteten Permeabilitätswerte folgen zwar den theoretisch erwarteten Trends, weichen jedoch von Literaturwerten ab, da letztere im Gegensatz zur PNM-basierten Permeabilität nicht intrinsischer Natur sind. Simulationen mit Poren-/Halsgrößengradienten zeigen, dass das Invasionsverhalten stark von Richtung und Gestaltung des Gradienten abhängt. Es wird gezeigt, dass ein PTL-Gradient, der von der Katalysatorschicht (CL) in Richtung Wassereinlass zunimmt, den Sauerstoffabtransport verbessern kann, während der Wassertransport weiterhin effizient bleibt. Neben den PNM-Simulationen wurden auch Neutronenbildgebungs-Experimente mit elektrochemischen und nicht-elektrochemischen Zellen durchgeführt, um verschiedene PTLs zu vergleichen. Die Tomographien der nicht-elektrochemischen Experimente verdeutlichen, dass selbst in hochporösen PTLs Wassermangel auftreten kann. Die Radiographien zeigen, dass die Phasenverteilung innerhalb der PTLs weitgehend von der PTL-Struktur und/oder Druckverteilung im Kanal abhängt und unabhängig von den Stromdichten ist. Die Sättigungsprofile innerhalb der PTL konnten jedoch nicht beobachtet werden. Die elektrochemischen Experimente zeigten, dass die Sättigung der PTL tatsächlich unabhängig von der Stromdichte ist, jedoch beeinflusst die Wasserdurchflussrate am Einlass die Sättigung innerhalb der PTL, was auf ein strömungsgetriebenes Verhalten hinweist. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Annahmen des PNM nur unter bestimmten Strömungsbedingungen gültig sind. Die experimentellen Ergebnisse weisen auf die Notwendigkeit hin, zentrale Annahmen der PNM-Modelle zu überprüfen und liefern Impulse für deren Weiterentwicklung. So wird angenommen, dass Flüssigkeits- und Gastransport gleichzeitig um eine konstante, strukturabhängige Sättigung erfolgen, unabhängig von der Stromdichte. In den PNMs zeigt sich auch, dass die PTL-Struktur allein das Entwässerungsmuster bestimmt und die Simulationen (maximal mögliche) Restflüssigkeitssättigungen vorhersagen. Die elektrochemischen Experimente heben den Einfluss von erhöhten Einflussraten hervor. Daraus ergibt sich die Empfehlung, zukünftige PNM-Simulationen um Imbibition zu erweitern und sie mit Kontinuumsmodellen zu koppeln, um die Dynamik des Flüssigkeitstransports in PEMWEs umfassend abzubilden. Generell erscheint der Vergleich von Partikel-PTLs mit Faser-PTLs oder PTLs mit mikroporöser Schicht (engl. micro-porous layer, MPL) vielversprechend. Zukünftige PTL-Charakterisierungen sollten über den Stofftransport hinaus auch mechanische, topografische und elektrische Eigenschaften berücksichtigen.

Nonlinear frequency response method for process identification and forced periodic operation analysis : application on proton exchange membrane water electrolysis

Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT

Title: Nonlinear frequency response method for process identification and forced periodic operation analysis : application on proton exchange membrane water electrolysis Author(s): Miličić, Tamara Abstract: The much-needed defossilization of various economic sectors relies heavily on the large scale adoption of green hydrogen as a versatile energy vector for transportation, power generation, and the chemical industry. Currently, the most promising technology for sustainable hydrogen production is water electrolysis. Specifically, proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE) is in focus due to its favorable dynamics, modular design, high purity of produced hydrogen, and capability of pressurized operation. Ensuring the safe and efficient operation of PEMWE systems requires advanced online methods for performance monitoring and diagnosis. In this context, the nonlinear frequency response (NFR) method is developed and applied as a comprehensive framework for process diagnosis and analysis of forced periodic operation. The NFR method characterizes system nonlinearities by evaluating frequency response functions (FRFs), typically up to second order. In this work, both the first-order FRF (the linear part of the response, equivalent to electrochemical impedance spectroscopy, EIS) and the symmetrical and asymmetrical second-order FRFs (approximations of the nonlinear part of the response) were analyzed. The symmetrical second-order FRF is derived from the second harmonic, while the asymmetrical second-order FRF expresses the deviation in the output average value under forced periodic operation relative to the steady-state behavior. The FRFs are determined both theoretically and experimentally, with current density as the sinusoidally modulated input and voltage as the output response. The analytical forms of the theoretical FRFs have been derived, starting from the dynamic model of PEMWE and by following a well-established procedure. A simple model accounting for charge balances and ohmic resistance was developed for this purpose. The analysis revealed that while anode and cathode kinetics contributed separately to all FRFs, ohmic resistance influenced only the first-order FRF. Determining the experimental FRFs required developing and refining the measurement protocol. In addition to the actual FRF measurements, the protocol included an amplitude screening procedure to determine appropriate input amplitudes and a state-of-health analysis using cyclic voltammetry and polarization curve measurements. The determined theoretical and experimental FRFs were used to assess the applicability of the NFR method for PEMWE analysis. By fitting the theoretical first- and symmetrical second-order FRFs to experimental data across different current densities using maximum likelihood estimation, detailed attribution of voltage loss was achieved. At low current densities (<100mAcm-²), anode overpotential dominated voltage losses. Ohmic resistance was confirmed to scale linearly with current density, as its influence on the nonlinear response (symmetrical second-order FRF) was not observed. Cathode overpotential became increasingly significant in the moderate current density range (100mAcm-²-1Acm-²), with anode and cathode resistances becoming comparable in magnitude as the current density increased further. Finally, compared to the traditionally used EIS method (first order FRF), the symmetrical second-order FRF (analyzed in the NFR method) was found to be more sensitive to the model parameters. Thus, it holds potential to improve system identifiability. In addition to system identification, the NFR method was employed to assess the effect of forced periodic operation, involving deliberate periodic modulation of an input variable. Due to power electronics, the current supplied to the electrolyzer has a superimposed current ripple. Therefore, PEMWEs are inevitably operated in a forced periodic regime. The so-called asymmetrical second-order FRFs have been used for the evaluation of the PEMWE performance under these conditions. The negative values of the asymmetrical second-order FRF for voltage indicated that voltage decreased under forced periodic conditions compared to the steady state. The observed decrease in voltage was due to the nonlinear kinetics of the electrochemical half-reactions. On the other hand, power consumption increased independently of the model parameters and operating conditions, due to both kinetic and ohmic processes. The observed increase in power consumption could be mitigated by lowering the modulation amplitude, raising the frequency, and reducing electrolyzer resistances. Unlike conventional methods, the NFR approach enabled rapid yet accurate evaluation of forced periodic operation. The NFR method was further applied to investigate mass transport losses of PEMWE. The literature suggests that mass transport losses arise from slow two-phase transport of oxygen and water in the porous transport layer (PTL). Thus, the simple model was further developed to account for this, assuming that mass transport overpotential arose from a partially inactive anode catalyst layer due to its coverage by gas. Because of its greater complexity, the model obtained was termed a complex model. This model was parametrized using literature data and parameters from the simple model. Furthermore, its FRFs were obtained using an automated approach, a computer-aided NFR tool. On the other hand, experimental FRFs were measured at different current densities and inlet water flow rates on two PEMWE cells differing in the PTL porosity. Mass transport contributions were identified at low frequencies (approximately 100mHz) in the FRFs spectra. More pronounced features for lower porosity PTL were observed experimentally, indicating higher mass transport resistance of this PTL. However, the model showed a minimal influence of PTL porosity on performance. To gain further insights into two-phase transport in PEMWE and validate the complex model used in NFR analysis, operando in-plane neutron imaging was performed. This analysis showed that electrolyzer saturation is sensitive to current density, inlet water flow rate, and PTL structure. While a change in current density resulted in significant changes only in the amount of water in the anode channel, the flow rate also had a pronounced effect on PTL saturation. Nevertheless, varying flow rates produced negligible changes in electrochemical performance. The most pronounced effect was observed for PTL porosity. PTL was found to play a crucial role, as it determined the pathways for water to the catalyst layer and membrane. Strong indications were present that pathways of water and oxygen through PTL remained stable once established. However, the preconditioning procedure and test sequence influenced the establishment of these pathways. Nevertheless, the PTL structure had a decisive effect on the humidity of the catalyst-coated membrane, with higher porosity allowing higher humidity and resulting in lower voltage losses. The most pronounced was the decrease in ohmic resistance. Furthermore, mass transport features at high currents (>1Acm-²) were partly masked in the FRFs by low-frequency inductance caused by large waste heat generation. They therefore could not be determined precisely from electrochemical measurements. Model development to include two phase transport in the catalyst layer and membrane, as well as heat transport, is necessary for detailed analysis of PEMWE performance at high current densities. To summarize, this thesis provides a detailed procedure for applying the NFR method to analyze electrochemical systems, including both performance identification (diagnosis) and evaluation of the effects of forced periodic operation. PEMWE was chosen as the system under investigation due to its prominent role in the economy’s defossilization. The findings shed light on key performance losses, including anode, cathode, ohmic, and mass transport losses. Additionally, insights into the causes of power increase when the electrolyzer is operated in a forced periodic regime were obtained. The NFR method was thus demonstrated as a powerful and versatile tool for both fundamental understanding and practical optimization of the system. However, some open questions remain, such as PEMWE voltage losses at high current densities (where significant waste heat is generated) and the long-term impact of forced periodic operation on PEMWE degradation.; Die dringend notwendige Defossilisierung verschiedener Wirtschaftssektoren beruht in hohem Maße auf der großflächigen Einführung von grünem Wasserstoff als vielseitigem Energieträger, der im Transportwesen, in der Stromerzeugung und in der chemischen Industrie einsetzbar ist. Gegenwärtig gilt die Wasserelektrolyse als die vielversprechendste Technologie zur nachhaltigen Wasserstoffproduktion. Insbesondere die Polymerelektrolytmembran Wasserelektrolyse (PEMWE) steht im Fokus, da sie durch eine günstige Dynamik, eine modulare Bauweise, die hohe Reinheit des erzeugten Wasserstoffs sowie die Möglichkeit des Druckbetriebs überzeugt. Die sichere und effiziente Betriebsführung von PEMWE-Systemen erfordert fortschrittliche Online-Methoden zur Leistungsüberwachung und Diagnose. In diesem Zusammenhang wird die Methode der nichtlinearen Frequenzantwort (NFR) entwickelt und als umfassendes Rahmenwerk für die Prozessdiagnose sowie die Analyse des erzwungen periodischen Betriebs angewendet. Die NFR-Methode charakterisiert Systemnichtlinearitäten durch die Bestimmung von Frequenzgangfunktionen (FRFs), typischerweise bis zur zweiten Ordnung. In dieser Arbeit wurden sowohl die Frequenzgangfunktion erster Ordnung (der lineare Anteil der Antwort, äquivalent zur elektrochemischen Impedanzspektroskopie, EIS) als auch die symmetrischen und asymmetrischen FRFs zweiter Ordnung (Approximationen des nichtlinearen Anteils der Antwort) analysiert. Die symmetrische FRF zweiter Ordnung wird aus der zweiten Harmonischen abgeleitet, während die asymmetrische FRF zweiter Ordnung die Abweichung des Ausgangsmittelwertes im erzwungen periodischen Betrieb gegenüber dem stationären Verhalten beschreibt. Die FRFs wurden sowohl theoretisch als auch experimentell bestimmt, wobei die Stromdichte als sinusförmig modulierte Eingangsgröße und die Spannung als Ausgangsantwort dienten. Die analytischen Formen der theoretischen FRFs wurden ausgehend vom dynamischen Modell der PEMWE unter Anwendung eines etablierten Verfahrens hergeleitet. Für diesen Zweck wurde ein einfaches Modell entwickelt, das Ladungsbilanzen und ohmschen Widerstand berücksichtigt. Die Analyse zeigte, dass sowohl die Anoden- als auch die Kathodenkinetik separat zu allen FRFs beitrugen, während der ohmsche Widerstand ausschließlich die FRF erster Ordnung beeinflusste. Die Bestimmung der experimentellen FRFs erforderte die Entwicklung und Verfeinerung des Messprotokolls. Neben den eigentlichen Messungen der FRFs umfasste das Protokoll eine Amplitudenscreening-Prozedur zur Bestimmung geeigneter Eingangsamplituden sowie eine Zustandsanalyse mittels zyklischer Voltammetrie und Polarisationskurven. Die ermittelten theoretischen und experimentellen FRFs dienten der Untersuchung der Anwendbarkeit der NFR-Methode zur Analyse von PEMWE. Durch die Anpassung der theoretischen Frequenzgangfunktionen erster und symmetrischer zweiter Ordnung an experimentelle Daten bei unterschiedlichen Stromdichten mittels Maximum-Likelihood-Schätzung konnte eine detaillierte Zuordnung der Spannungsverluste erreicht werden. Bei niedrigen Stromdichten (<100mAcm-²) dominierten die Anodenüberspannungen die Spannungsverluste. Der ohmsche Widerstand erwies sich als linear mit der Stromdichte skalierend, da sich sein Einfluss auf die nichtlineare Antwort (symmetrische FRF zweiter Ordnung) nicht beobachtet ließ. Die Kathodenüberspannung gewann im mittleren Stromdichtebereich (100mAcm-²-1Acm-²) zunehmend an Bedeutung, wobei Anoden- und Kathodenwiderstände bei weiter steigender Stromdichte vergleichbar wurden. Schließlich erwies sich die symmetrische FRF zweiter Ordnung (analysiert in der NFR-Methode) im Vergleich zur herkömmlich verwendeten EIS-Methode (FRF erster Ordnung) als gegenüber Modellparametern sensibler. Damit hat sie Potenzial zur Verbesserung der Systemidentifizierbarkeit. Neben der Systemidentifikation wurde die NFR-Methode zur Bewertung des Effekts des erzwungenen periodischen Betriebs eingesetzt, bei der eine gezielte periodische Modulation einer Eingangsgröße erfolgt. Aufgrund der Leistungselektronik weist der dem Elektrolyseur zugeführte Strom unvermeidlich eine überlagerte Stromwelligkeit auf. Daher arbeiten PEMWEs zwangsläufig in einem erzwungenen periodischen Regime. Für die Bewertung der Leistung unter diesen Bedingungen wurden die sogenannten asymmetrischen FRFs zweiter Ordnung herangezogen. Die negativen Werte dieser FRF für die Spannung zeigten, dass sie im erzwungenen periodischen Betrieb gegenüber dem stationären Zustand abnimmt. Die Ursache für diese Spannungsabnahme waren die nichtlinearen Kinetiken der elektrochemischen Halbreaktionen. Andererseits stieg der Energieverbrauch unabhängig von den Modellparametern und den Betriebsbedingungen infolge kinetischer und ohmscher Prozesse an. Dieser Anstieg konnte durch Verringerung der Modulationsamplitude, Erhöhung der Frequenz und Reduktion der Elektrolyseurwiderstände abgemildert werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden ermöglichte der NFR-Ansatz eine schnelle und dennoch präzise Bewertung des erzwungen periodischen Betriebs. Die NFR-Methode wurde weiterhin zur Untersuchung von Stofftransportverlusten in PEMWE angewendet. Die Literatur legt nahe, dass diese Verluste auf den langsamen Zweiphasentransport von Sauerstoff und Wasser in der porösen Transportschicht (PTL) zurückzuführen sind. Daher wurde das einfache Modell erweitert, indem angenommen wurde, dass die Stofftransportüberspannung aus einer teilweise inaktiven Anodenkatalysatorschicht entsteht, die durch eine Gasüberdeckung beeinträchtigt wird. Aufgrund der höheren Komplexität wurde dieses Modell als komplexes Modell bezeichnet. Es wurde anhand von Literaturdaten und Parametern des einfachen Modells parametrisiert. Seine FRFs wurden mit einem automatisierten, computergestützten NFR-Werkzeug bestimmt. Parallel dazu wurden experimentelle FRFs bei unterschiedlichen Stromdichten und Wasserzuflussraten an zwei PEMWE-Zellen mit unterschiedlicher PTL-Porosität gemessen. Stofftransportbeiträge zeigten sich bei niedrigen Frequenzen (ca. 100mHz) in den Spektren der FRFs. Experimentell traten bei geringerer PTL-Porosität ausgeprägtere Merkmale auf, was auf einen höheren Stofftransportwiderstand dieser Schicht hinweist. Im Modell zeigte sich hingegen ein minimaler Einfluss der Porosität auf die Leistung. Zur weiteren Untersuchung des Zweiphasentransports in PEMWE und zur Validierung des komplexen Modells wurde eine operando In-Plane-Neutronenbildgebung durchgeführt. Diese Analyse zeigte, dass die Sättigung des Elektrolyseurs sensitiv auf Stromdichte, Wasserzuflussrate und PTL-Struktur reagierte. Während sich die Änderung der Stromdichte hauptsächlich auf die Wassermenge im Anodenkanal auswirkte, beeinflusste die Zuflussrate die Sättigung der PTL deutlich. Dennoch führten unterschiedliche Zuflussraten zu vernachlässigbaren Änderungen der elektrochemischen Leistung. Den größten Effekt hatte die Porosität der PTL. Diese erwies sich als entscheidend, da sie die Transportwege des Wassers zur Katalysatorschicht und zur Membran bestimmt. Starke Hinweise deuten darauf hin, dass sich etablierte Transportwege für Wasser und Sauerstoff in der PTL stabilisieren. Allerdings beeinflussten Vorkonditionierung und Testabfolge die Ausbildung dieser Wege. Darüber hinaus hatte die Struktur der PTL einen maßgeblichen Einfluss auf die Befeuchtung der katalysatorbeschichteten Membran: Eine höhere Porosität ermöglichte eine bessere Befeuchtung und führte zu geringeren Spannungsverlusten, insbesondere zu einer Reduktion des ohmschen Widerstands. Darüber hinaus wurden Stofftransporteigenschaften bei hohen Strömen (>1Acm-²) teilweise durch niederfrequente Induktanz infolge hoher Abwärme überlagert, sodass sie nicht eindeutig aus elektrochemischen Messungen bestimmt werden konnten. Eine Modellentwicklung, die den Zweiphasentransport in Katalysatorschicht und Membran sowie den Wärmetransport berücksichtigt, ist für eine detaillierte Analyse der PEMWE-Leistung bei hohen Stromdichten notwendig. Zusammenfassend bietet diese Arbeit ein detailliertes Verfahren zur Anwendung der NFR-Methode zur Analyse elektrochemischer Systeme, einschließlich der Leistungsidentifikation (Diagnose) und der Bewertung des Einflusses des erzwungenen periodischen Betriebs. PEMWE wurde als zu untersuchendes System gewählt, da es eine zentrale Rolle bei der Defossilisierung der Wirtschaft spielt. Die Ergebnisse geben Aufschluss über wesentliche Leistungsverluste, darunter Anoden-, Kathoden-, ohmsche und Stofftransportverluste. Darüber hinaus wurden Erkenntnisse über die Ursachen des erhöhten Energieverbrauchs im erzwungen periodischen Betrieb gewonnen. Die NFR-Methode konnte somit als leistungsfähiges und vielseitiges Werkzeug für das grundlegende Verständnis und die praktische Optimierung des Systems demonstriert werden. Dennoch bleiben offene Fragen wie die Spannungsverluste bei hohen Stromdichten (bei erheblicher Abwärmeentwicklung) und die langfristigen Auswirkungen des erzwungenen periodischen Betriebs auf die Degradation von PEMWE.

Bioprocess intensification of cell-free enzymatic cascades for the synthesis of CDP-glycerol, CMP-Neu5AC, GDP-fucose and LNFP III

Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT

Title: Bioprocess intensification of cell-free enzymatic cascades for the synthesis of CDP-glycerol, CMP-Neu5AC, GDP-fucose and LNFP III Author(s): Alcalá Orozco, Edgar Alberto Abstract: Sugars represent one of the most prevalent and significant classes of chemicals on our planet. They can be found as conjugated glycans within various proteins and other macromolecules essential to biology, which has facilitated technologies like the development of glycoconjugate vaccines targeting bacterial pathogens. They also serve as essential sources of energy and nutrition in various forms within our food, spanning from glucose to Human Milk Oligosaccharides (HMOs). Notably, in infant nutrition, the incorporation of HMOs, alongside human-like protein and fat sources, represents a pivotal advancement in developing healthier alternatives to cow milk-based infant formulas. HMOs are synthesised in nature from nucleotide sugars, including uridine diphosphate glucose (UDP-Glc), uridine diphosphate galactose (UDP-gal), guanosine diphosphate fucose (GDP-fucose), and cytidine monophosphate N-acetyl neuraminic acid (CMP-Neu5Ac), making it important to develop processes to produce them. Since the discovery and isolation of Leloir-glycosyltransferases in the 1950s, carbohydrate scientists worldwide have been working on using these enzymes for synthesising many oligosaccharides under mild conditions. These enzymes transfer a sugar moiety from a donor (nucleotide sugar) to an acceptor molecule with high specificity. Enzymatic methods can be performed at room temperature and have the potential to achieve perfect stereoselectivity. In contrast, the chemical synthesis of oligosaccharides is challenging, requires several reaction steps, and often results in low stereospecificity. However, two key challenges remain for the widespread application of Leloir-glycosyltransferases: the availability of enzymes and the accessibility of nucleotide sugars. This work addresses the latter and takes steps toward the economically viable sourcing of nucleotide sugars. To this end, nucleotide sugars were produced in One-Pot Multi-Enzyme (OPME) cell-free enzymatic cascades, which were improved in a series of process intensification steps, such as the co-expression of enzymes and the optimisation of reaction parameters. This work presents the synthesis of cytidine diphosphate glycerol (CDP-glycerol), CMP-Neu5Ac, and GDP-fucose, with a final chapter dedicated to a use-case scenario that extends the GDP-fucose enzymatic cascade to produce the HMO Lacto-N-fucopentaose III (LNFP III). The first target molecule, CDP-glycerol, is the nucleotide-activated form of glycerol that has recently been utilised in the development of novel glycoconjugate vaccines, particularly those that include synthetic teichoic acid fragments. A new enzymatic cascade capable of synthesising CDP-glycerol was developed. After optimisation using a Design of Experiments (DoE) approach, it achieved a substrate conversion yield of 89 % and a product titer of 31.2 mM at a 200 µl scale. The second target molecule, CMP-Neu5Ac, is an acidic nucleotide sugar that can act as a substrate in the enzymatic synthesis of HMOs and the in vitro glycoengineering of therapeutic proteins. After completing the process intensification steps for enzyme co-expression and DoE optimisation, the reaction could be scaled to produce 6.2 g of product with a 98 % substrate conversion yield. The third target molecule was GDP-fucose, one of the costliest nucleotide sugars available and among the most interesting to produce at large scales. The process intensification steps of kinetic modelling, enzyme co-expression, DoE optimisation, and scaling to gram-scale production were completed. Using the optimised method, a total of 1.76 g could be produced with a 97.8 % substrate conversion yield in a one-pot batch reaction. Finally, the GDP-fucose producing enzymatic cascade was extended to an enzymatic cascade for the synthesis of LNFP III. The HMO could be synthesised to a product titer of 6.8 mM in a 200 µL scale, showcasing the potential of nucleotide sugar synthesis cascades to be used modularly in producing HMOs. This study closes the gap between academic research and commercial application by utilising a variety of process intensification and reaction engineering methodologies aimed at improving established, yet underdeveloped, enzymatic cascades for the synthesis of nucleotide sugars.; Zucker sind eine der am weitesten verbreiteten und wichtigsten Klassen von Chemikalien auf unserem Planeten. Sie sind als konjugierte Glykane in verschiedenen Proteinen und anderen Makromolekülen zu finden, die für die Biologie wichtig sind, was die Entwicklung von Glykokonjugat-Impfstoffen gegen bakterielle Krankheitserreger erleichtert hat. Sie dienen auch als wesentliche Energie- und Nährstoffquellen in verschiedenen Formen in unserer Ernährung, von Glukose bis hin zu humanen Milcholigosacchariden (HMOs). Insbesondere in der Säuglingsernährung stellen HMOs neben menschenähnlichen Protein- und Fettquellen einen entscheidenden Fortschritt bei der Entwicklung gesünderer Alternativen zu Säuglingsnahrung auf Kuhmilchbasis dar. HMOs werden in der Natur aus Nukleotidzuckern wie Uridindiphosphat-Glukose (UDP-Glc), Uridindiphosphat-Galaktose (UDP-Gal), Guanosindiphosphat-Fukose (GDP-Fukose) und Cytidinmonophosphat-N-Acetyl-Neuraminsäure (CMP-Neu5Ac) synthetisiert, weshalb es wichtig ist, Verfahren zu ihrer Herstellung zu entwickeln. Seit der Entdeckung und Isolierung der Leloir-Glykosyltransferasen in den 1950er Jahren haben Forscher weltweit daran gearbeitet, diese Enzyme für die Synthese zahlreicher Oligosaccharide unter milden Bedingungen einzusetzen. Diese Enzyme übertragen mit hoher Spezifität ein Zuckermolekül von einem Donor (Nukleotidzucker) auf ein Akzeptormolekül. Enzymatische Methoden können bei Raumtemperatur durchgeführt werden und können eine perfekte Stereoselektivität erreichen. Im Gegensatz dazu ist die chemische Synthese von Oligosacchariden schwierig, erfordert mehrere Reaktionsschritte und führt häufig zu einer geringen Stereospezifität. Für die breite Anwendung von Leloir-Glykosyltransferasen gibt es jedoch noch zwei zentrale Herausforderungen: die Verfügbarkeit der Enzyme und die Verfügbarkeit der Nukleotidzucker. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit letzterem und unternimmt Schritte in Richtung einer wirtschaftlich tragfähigen Beschaffung von Nukleotidzuckern. Zu diesem Zweck wurden Nukleotidzucker in zellfreien One-Pot-Multi-Enzyme (OPME)-Enzymkaskaden hergestellt, die durch verschiedene Prozessintensivierungsschritten, wie die Koexpression von Enzymen und die Optimierung der Reaktionsparameter, verbessert wurden. In dieser Arbeit wird die Synthese von Cytidindiphosphatglyzerin (CDP-Glyzerin), CMP-Neu5Ac und GDP-fucose vorgestellt, wobei das letzte Kapitel einem Anwendungsszenario gewidmet ist, das die GDP-fucose-Enzymkaskade zur Herstellung der HMO Lakto-N-Fucopentaose III (LNFP III) erweitert. Das erste Zielmolekül, CDP-Glyzerin, ist die nukleotidaktivierte Form von Glyzerin, die in jüngster Zeit bei der Entwicklung neuartiger Glykokonjugat-Impfstoffe, insbesondere solcher, die synthetische Teichonsäurefragmente enthalten, eingesetzt wurde. Für die Synthese von CDP-Glyzerin wurde eine neue enzymatische Kaskade zur Synthese von CDP-Glyzerin. Nach der Optimierung durch einen DoE-Ansatz (Design of Experiments) wurde eine Substratumwandlungsausbeute von 89 % und ein Produkttiter von 31,2 mM im 200-µl-Maßstab erreicht. Das zweite Zielmolekül, CMP-Neu5Ac, ist ein saurer Nukleotidzucker, der als Substrat für die enzymatische Synthese von HMOs und dem In-vitro-Glycoengineering von therapeutischen Proteinen dienen kann. Nach Abschluss der Prozessintensivierungsschritte zur Enzymkoexpression und die DoE-Optimierung konnte die Reaktion so skaliert werden, dass 6,2 g Produkt mit einer Substratumwandlungsausbeute von 98 % erhalten wurden. Das dritte Zielmolekül war GDP-fucose, einer der teuersten verfügbaren Nukleotidzucker und einer der interessantesten für die Herstellung in großem Maßstab. Die Prozessintensivierungsschritte der kinetischen Modellierung, der Koexpression des Enzyms, der DoE-Optimierung und der Skalierung auf die Produktion im Gramm-Maßstab wurden abgeschlossen. Mit der optimierten Methode konnten insgesamt 1,76 g mit einer Substratumwandlungsausbeute von 97,8 % in einer One-Pot-Batch-Reaktion hergestellt werden. Schließlich wurde die GDP-fucose produzierende Enzymkaskade um die Synthese von LNFP III erweitert. Das HMO konnte in einem Maßstab von 200 µL bis zu einem Produkttiter von 6,8 mM synthetisiert werden, was das Potenzial von Nukleotidzuckersynthesekaskaden für den modularen Einsatz bei der Herstellung von HMOs verdeutlicht. Diese Arbeit schließt die Lücke zwischen akademischer Forschung und kommerzieller Anwendung, indem sie eine Reihe von Methoden zur Prozessintensivierung und Reaktionstechnik eingesetzt werden, um etablierte, aber unterentwickelte enzymatische Kaskaden für die Synthese von Nukleotidzuckern zu verbessern.