Porennetzwerkmodellierung der Gefriertrocknung auf Basis lyomikroskopischer und tomographischer Messungen

Projektpartner

• TUM, SVT Prof. Dr.-Ing Petra Först
• OVGU Magdeburg, Lehrstuhl für thermische Verfahrenstechnik, Prof. Dr.-Ing. Evangelos Tsotsas und Dr.-Ing. Nicole Vorhauer

Gefriertrocknung ist ein zur Herstellung hochwertiger Produkte notwendiger und üblicher, jedoch auch langsamer und teurer Prozess. Versuche zur Effizienzsteigerung bringen den Prozess schnell in Bereiche, bei denen das Feststoffgerüst des Produktes erweichen und kollabieren kann. Solche schädigenden Ereignisse sind immer lokal und können daher durch Kontinuumsmodelle, die auch sonst in ihrer Aussagekraft eingeschränkt sind, grundsätzlich nicht erfasst werden. Daher soll im Projekt zum ersten Mal ein die Mikroskala direkt abbildendes Porennetzwerkmodell für die Gefriertrocknung entwickelt werden. Das Porennetzwerk wird dreidimensional und irregulär sein. Es wird die lokale, porenskalige Variation des Wärme- und Stofftransports sowie der Struktur und der Eigenschaften des zu trocknenden Körpers berücksichtigen, bei beidseitiger Kopplung zwischen Wärmetransport und Trocknung. Experimente des Gefrierens und anschließenden Gefriertrocknens von wässrigen Zuckerlösungen im Lyomikroskop werden die Modellentwicklung leiten. Dabei ist das Gefrieren sehr wichtig, weil es, von der Kühlrate abhängig, jenes Feststoffgerüst um Eiskristalle unterschiedlicher Größe und Form erzeugt, das anschließend getrocknet werden soll. Die Morphologie des eingefrorenen bzw. getrockneten Körpers wird aus dreidimensionalen Daten der Röntgentomographie ausgewertet und dient zur realitätsnahen Generierung des Porennetzwerkes. Das Porennetzwerkmodell wird mit Hilfe von Gefriertrocknungsexperimenten sowohl abseits wie auch im Bereich des strukturellen Kollapses abschließend parametriert und validiert.