Prozessoptimierung der mikrowellenunterstützten Gefriertrocknung durch Frequenzanpassung in Echtzeit

Die konventionelle Gefriertrocknung (KGT) ist ein etablierter und produktschonender Prozess in der Verfahrenstechnik. Kritisch sind jedoch die langen Trocknungszeiten, die sich im Bereich von Stunden bis Tagen bewegen. Der Einsatz von Mikrowellen in der mikrowellenunterstützten Gefriertrocknung (MGT) ist ein Ansatz zur Prozessintensivierung. Aufgrund der selektiven Dissipation elektromagnetischer Energie in nicht getrockneten Bereichen des Trockenguts, kann der Wärmetransportwiderstand der isolierenden Produktmatrix umgangen werden.
Der Einsatz von Mikrowellen in der MGT ist allerdings mit den Herausforderungen der Plasmabildung, eines inhomogenen Leistungseintrags und teils niedriger Energieeffizienz verbunden. Letzteres spielt vor allem gegen Ende des Trocknungsprozesses eine Rolle. Der Einsatz so genannter Solid State-Mikrowellengeneratoren (SMG) ermöglicht eine gezielte Steuerung der Phasenverschiebung, Frequenz und Leistung des elektromagnetischen Felds. Über die Aufzeichnung ausgesandter und reflektierter Leistungen ermöglichen SMG außerdem die gezielte Anpassung des Mikrowellenfeldes in Echtzeit auf Basis von Messgrößen. In elektromagnetischen Simulationen konnte bereits die Erhöhung der Energieeffizienz und Erwärmungshomogenität über eine Frequenzmodulation in der MGT gezeigt werden [1]. ... mehrAllerdings wurden Experimente zur qualitativen Validierung bislang nur für den ersten Abschnitt der Primärtrocknung durchgeführt. Es liegen noch keine experimentellen Resultate vor, welche die Simulationsergebnisse über den gesamten Trocknungsverlauf bestätigen.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Auswirkung frequenzbasierter Steuerungskonzepte auf die vollständig durchgeführte MGT untersucht. Die Versuche wurden an einer Anlage im Labormaßstab mit Tylosegel als Modellprodukt durchgeführt. In ausgewählten Steuerungskonzepten wurden selektiv besonders energieeffiziente Frequenzen angesteuert, die als resonante Frequenzen bezeichnet werden. Da sich die resonanten Frequenzen in Abhängigkeit des Trocknungsfortschritts im Frequenzbereich 2,4 – 2,5 GHz verschieben, wurde ein Algorithmus zur Anpassung der applizierten Frequenzen in Echtzeit auf Basis der gemessenen Energieeffizienz entwickelt und verwendet. Durch die Ansteuerung resonanter Frequenzen konnte die Energieeffizienz in der MGT deutlich erhöht und die Trocknungszeit verkürzt werden. Dies bestätigt qualitativ die Tendenzen aus den bereits durchgeführten elektromagnetischen Simulationen. Im Vergleich mit den Ergebnissen der KGT zeigten sich verkürzte Trocknungszeiten bei vergleichbarer Produktqualität. Somit konnte die Konkurrenzfähigkeit der MGT im Vergleich mit der KGT nachgewiesen werden.
Literatur: [1] Sickert, T., Kalinke, I., Christoph, J., Gaukel, V., (2023) Microwave-Assisted Freeze-Drying with Frequency-Based Control Concepts via Solid-State Generators. A Simulative and Experimental Study. [Manuscript submitted for publication].