Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Physikalische Untersuchungen zur Blasenkeimstabilität und Blasenbildung beim spontanen Überschäumen CO2-haltiger Getränke mittels optischer Methoden und multivariater Modellbildung zur Prädiktion des Gushing-Potentials

Das spontane Überschäumen von karbonisierten Getränken beim Öffnen nicht geschüttelter Flaschen ist ein Phänomen, das als Gushing bezeichnet wird. Im Vordergrund dieses Forschungsvorhabens stehen die Aufklärung und die Bereitstellung eines tiefergehenden Verständnisses der Mechanismen zur Bildung und Stabilisierung von Gasblasen auf mikroskopischer Ebene, welche in finaler Instanz zum Phänomen des unkontrollierten Überschäumens führen. Die Untersuchungen auf mikroskopischer Ebene erfolgen mit einer druckstabilen Messzelle, die mit einem Mikroskop und einer Highspeed-Kamera zur Erfassung der Morphologie und Stabilität von Gasblasen ausgestattet ist. Die Messzelle ist so aufgebaut, dass sowohl eine gezielte Erzeugung von Einzelblasen über eine Mikrokapillare als auch die Simulation der Druckentlastung beim Öffnen einer Flasche durchgeführt werden kann. Der Einfluss von potentiell Gushing verursachenden, reaktiven Stoffgruppen wird durch die gezielte Zugabe (Spiken) von Hydrophobin und LTP1 untersucht. Das Spiken erfolgt zuerst in Wasser und anschließend am Referenzprodukt Bier in allen relevanten Herstellungsstufen. Dadurch können die Veränderungen und Auswirkungen auf die Blasenstabilität und -bildungsdynamik über den gesamten Herstellungsprozess durch die optische Messung erfasst werden. Weiterhin werden aus Getreiden, welche Gushing aufwiesen (Rückstellproben aus Mälzereien), nach einem Standardverfahren Malz, Würze und Bier hergestellt und mit der Messzelle untersucht. Dadurch werden technologisch bedingte Einflüsse in die Untersuchung mit einbezogen. Basierend auf diesen Ergebnissen wird mittels multivariater Datenauswertung untersucht, ob die optische Methode zur Erstellung eines Modells zur Prädiktion von Gushing geeignet ist. Die angestrebten Ergebnisse sind insbesondere für die KMU der Malz-, Hopfen- und Brauindustrie von Interesse, da Gushing als gravierender Qualitätsfehler empfunden wird und sowohl zu Imageverlusten als auch Reklamationen führt.

Ergebniszusammenfassung:

Mit Hilfe des entwickelten Versuchsstandes können Blasen gezielt in einer Flüssigkeit erzeugt werden. Dabei kommen verschiedene Verfahren zum Einsatz, um Blasenparameter aufzunehmen. So kann über die Injektion einer Einzelblase und das Verbleiben dieser an der Kapillare die Oberflächenspannung, die Bond-Zahl sowie der Apexradius gemessen werden. Zudem ermöglicht ein entwickelter Algorithmus die Bestimmung der Aufstiegsgeschwindigkeit von Blasen im Medium. Über entsprechende Funktionen können die Umgebungsbedingungen in der Zelle adjustiert werden. Mit Hilfe verschiedener Sensoren werden diese Umgebungsparameter überwacht. Das Kapillarsystem und die angeschlossene High-Speed-Kamera ermöglichen eine Erfassung der Blasenentstehung, möglicher Koaleszenz und Blasenkeimbildung. Zudem ermöglicht der Einsatz einer alternativen Zellabdeckung (enthält keine Einlässe für Kapillaren) eine praxisnahe Gushingsimulation und Aufnahme der Blasendynamiken. Auch Blasenwolken, wie sie üblicherweise bei Gushing auftreten, können mit dieser Methode erfasst werden. Jedoch ist eine Analyse der einzelnen Blasen einer Blasenwolke aufgrund des hochdynamischen Verhaltens - was in Überlappungen von einzelnen Blasen, geringen Kontrasten und in variierenden Abständen zur Kameraachse resultiert - nicht sinnvoll. Hier bietet sich eine Auswertung der Blasenwolke als Gesamtheit an. In Bezug auf die experimentelle Ergebnisse kann geschlossen werden, dass die Blasengröße sowie -form stark vom Umgebungsdruck abhängt. Daher können die etablierten Theorien der Mikroblasen sowie Blasenkeime als sehr wahrscheinlich für den Ausgang des Gushingphänomens angenommen werden. Die Gushingsimulationen geben ein signifikantes visuelles Bild der Gushingvorgänge wieder. So kann beobachtet werden, dass unmittelbar nach der Spontanentlastung (Öffnen der Flasche) Mikroblasen bis zu einer bestimmten Blasengröße anwachsen. Diese koaleszieren zudem nicht, sondern agglomerieren sich zu großen Blasenwolken.