Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Experimentell validierte ingenieursmäßige Optimierung gekoppelter Impuls-, Energie- und Stofftransportprozesse in Behandlungsanlagen schaumfähiger Lebensmittel (Teilprojekt 6)

Bei der technischen Produktion von Feinchemikalien sowie Lebensmitteln und Getränken kommt es häufig zu einer unerwünschten Schaumbildung, die zu wesentlichen Änderungen von Massen-, Impuls- und Energietransporteffekten sowie zu (bio)chemischen Umsetzungen – bis hin zur vollständigen Behinderung der Prozessierung – führen kann. Betroffen sind Kolonnen und Wäscher in der chemischen Industrie, wie Maische- und Fermentationsbehälter, Rührapparate, Brennblasen und Verstärkerkolonnen in der Lebensmittelproduktion.

Die unerwünschte Schaumbildung verursacht in Rektifikationskolonnen hohe Druckverluste, verringerte Durchsätze und eine reduzierte Trennleistung durch Rückvermischung; die finanziellen Folgen sind insbesondere für KMU groß. Die bisherige Behandlung des Problems erfolgt in der Praxis derzeit nur mittels hoher Sicherheitszuschläge und aufwändiger Trial-and-error-Versuche in Pilotanlagen.

Ziel des PLUS-Vorhabens ist es, aufbauend auf den Ergebnissen des DFG/AiF-Clustervorhabens „Simulation von Proteinschäumen“ in einem multidisziplinären Ansatz physikalisch basierte Maßnahmen zu erarbeiten, die zur Präventation, Inhibition und Zerstörung von Schäumen eingesetzt werden können. Das Gesamtvorhaben besteht aus 3 DFG- und 5 IGF-Teilprojekten.

Ziel von Teilprojekt 6 ist die Optimierung gekoppelter Impuls-, Energie- und Stofftransportprozesse in großskaligen Produktionsanlagen (Destillations-/Rektifikationskolonnen und Verdampfern) bei der Prozessierung schaumfähiger Lebensmittel.

Ergebniszusammenfassung:

Im Projekt wurden Modellansätze zur Simulation der Schaumdynamiken sowohl für die Mikroskala auf der Längeneinheit einzelner Lamellen als auch in der Makroskala entwickelt, die sich über die gesamte Schaumstruktur erstreckt.

In der Makroskala wurde eine Erweiterung des inhomogenen Multiple Size Group Modell im Euler-Euler Ansatz implementiert. Durch die Implementierung einer Morphologiefunktion zur Detektion von Schäumen anhand eines kritischen dispersen Gasvolumenanteils können Schaumeigenschaften wie Permeabilität, Kapillarität, Ostwaldreifung und Blasenkollaps ortsspezifisch in der Berechnungsdomäne aktiviert werden. Während bei der Entstehung und Stabilisierung im Schaum Impulsquellterme aktiviert werden die entgegen der Drainage wirken, wird die Schaumstrukturvergröberung und der Schaumzerfall durch Massentransferterme innerhalb und zwischen den Gaskomponenten modelliert. Die angewandten Modelle konnten durch experimentelle Daten und Literaturdaten validiert werden.

In der Mikroskala wurde die Lattice Boltzmann Methode genutzt, um im Schaum ablaufende Transportmechanismen unterhalb der Auflösungsgrenze des Euler-Euler-Ansatzes abzubilden. Um Mechanismen wie Drainage, Ostwaldreifung, thermische Effekte mit und ohne Phasenübergang, Oberflächenspannungsgradienten durch Temperaturgradienten, Kapillar- und nicht-Newtonsche Effekte zu untersuchen, wurden verschiedene Modellansätze genutzt, da die Vorgänge auf unterschiedlichen Zeitskalen ablaufen. Jedes Teilmodell wurde mit analytischen Lösungen, numerischen Benchmarks-Tests oder experimentellen Daten validiert.

Schlussendlich sind Messungen des Interlamellardrucks und Schaumstabilitätsmessungen für verschiedene Flüssigkeiten durchgeführt und für die anderen Teilprojekte zur Verfügung gestellt worden.

Unter Verwendung des makroskaligen Ansatzes konnten Versuche aus einem Naturumlaufverdampfer abgebildet und eine grobe Abschätzung der Schaumstabilität gegeben werden.