Entwicklung eines Steuerungskonzeptes für die energieeffiziente und homogene mikrowellenunterstützte Gefriertrocknung von Lebensmitteln

Die Gefriertrocknung ist ein etabliertes produktschonendes Trocknungsverfahren im Bereich der Lebensmittel- und Pharmaindustrie. Trotz der hohen Produktqualität kann die Gefriertrocknung aufgrund des hohen Kosten- und Zeitaufwands bislang nur mit sehr hochwertigen Trockengütern wirtschaftlich betrieben werden. Daher liegt ein großes Potential in der Prozessintensivierung, bspw. über die Verkürzung der Trocknungszeit. Ein Ansatz zur Kostensenkung durch eine Prozessbeschleunigung stellt der Einsatz von Mikrowellen zur Einbringung der Sublimationsenthalpie dar. Dabei werden durch die direkte Umwandlung elektromagnetischer Energie in Wärme im Inneren des Trockenguts die Wärmetransportwiderstände der isolierenden Produktmatrix umgangen.

Herausforderungen für den Einsatz der Mikrowellen in der Gefriertrocknung sind der inhärent inhomogene Energieeintrag in das Trockengut und eine potentiell geringe Energieeffizienz. Ein Lösungsansatz ist die flexible Modulation der Frequenz und Leistung des Mikrowellenfelds über den Trocknungsverlauf. Ermöglicht wird dieses Konzept durch den Einsatz einer neuen Generation halbleiterbasierter Mikrowellengeneratoren, sogenannter Solid State-Generatoren. ... mehrDiese können über eine elektrische Ansteuerung die Parameter des Mikrowellenfelds im Zeitraum von Mikrosekunden variieren.

Für den Fall der Mikrowellenerwärmung konnte über Steuerungskonzepte unter Verwendung der Solid State-Generatoren bereits eine homogenere Erwärmung im Vergleich mit festen Frequenzen nachgewiesen werden [1, 2]. Allerdings handelt es sich bei der Gefriertrocknung um einen thermodynamisch komplexen Prozess, bei dem das Produkt vom gefrorenen in den getrockneten Zustand übergeht. Daher ist bislang ungeklärt, wie das Mikrowellenfeld gesteuert werden muss, um in Abstimmung mit dem Gefriertrocknungsprozess eine schnelle Trocknung zu realisieren, bei der gleichzeitig die Qualitätsansprüche an das Trockengut weiterhin eingehalten werden.

Zur Klärung dieser Fragestellung werden elektromagnetische Simulationen über die kommerzielle Software CST Microwave Studio® durchgeführt, um die frequenzabhängige Erwärmungshomogenität und Energieeffizienz über den Trocknungsverlauf zu charakterisieren. Auf Basis der Ergebnisse werden beispielhafte Steuerungskonzepte für die mikrowellenunterstützte Gefriertrocknung ausgewählt. Die Anwendbarkeit der Steuerungskonzepte wird anhand eines Modellprodukts experimentell untersucht. Die Ergebnisse aus der Anwendung der Steuerungskonzepte werden in Bezug auf Strukturerhalt, Energieeffizienz sowie Trocknungsdauer und -homogenität im Vergleich zum Betrieb bei konstanten Frequenzen eingeordnet. Bei der Anwendung der Steuerungskonzepte ist eine hohe Energieeffizienz und homogene Trocknung durch einen gleichmäßigen Energieeintrag in das Trockengut zu erwarten.

Literatur
[1] S. Taghian Dinani, E. Feldmann, U. Kulozik, Food and Bioproducts Processing 2021, 127, 328 – 337. DOI: 10.1016/j.fbp.2021.03.018.
[2] D. Neumaier, S. Sanseverino, G. Link, J. Jelonnek, in Proceedings 17th International Conference on Microwave and High Frequency Heating, Universitat Politècnica de València. Valencia 2019 - 2019.