Verfahrenstechniker befassen sich im Rahmen ihrer Forschung intensiv mit Fragen der Energieeffizienz
Um industrielle Herstellungs- und Stoffumwandlungsprozesse für die zukünftigen Herausforderungen der Energiewende fit zu machen, befassen sich Magdeburger Verfahrenstechniker an der OVGU unter anderem intensiv mit Fragen der Energieeffizienz von Prozessen.
An der Fakultät für Verfahrenstechnik wird hierfür erforscht, wie Produkte energieeffizienter, das heißt mit geringerem Zeit- und Energieaufwand hergestellt werden können, ohne dabei die Qualität der Produkte zu beeinträchtigen. Hierfür werden modernste Mess- und Analysemethoden angewendet und weiterentwickelt.
Unter anderem mit dem Forschungspartner an der TU München (TUM) werden derzeit in einem DFG-Projekt die mikroskopisch kleinen Prozesse und Phänomene während der Lyophilisation untersucht.
Lyophilisation ist ein verfahrenstechnischer Prozess, der zum Ziel hat, die in Produkten enthaltene Feuchtigkeit durch Sublimation zu entfernen. Hierfür werden die Produkte zunächst eingefroren, um dann das Wasser bei Unterdruck zu sublimieren, das heißt aus dem festen (Eis) in den gasförmigen (Wasserdampf) Zustand zu überführen. Lyophilisation wird deshalb auch als Vakuumgefriertrocknung bezeichnet. Es ist eines der schonendsten Trocknungsverfahren, das häufig in der pharmazeutischen Industrie und der Lebensmittelindustrie für qualitativ hochwertige (und meist teure) Produkte eingesetzt wird. Hierzu gehören sowohl Proteine und Mikroorganismen, als auch Früchte, Gemüse, Fleisch, Fisch, Gewürze, Kaffee, Getränke, Milch etc. mit einem stetig wachsenden Marktanteil.
Da dieses Verfahren bei Temperaturen und Drücken unterhalb des Tripelpunktes von Wasser stattfindet, bietet es, im Gegensatz zu allen anderen existierenden Trocknungsverfahren, viele Vorteile. Zum Beispiel wird die Wasseraktivität von Mikroorganismen während des Prozesses herabgesetzt. Der Denaturierung von Proteinen wird durch die Anwendung geringer Temperaturen vorgebeugt. Außerdem wird die Struktur der Produkte bei der Trocknung nicht verändert so sehen zum Beispiel die gefriergetrockneten Beeren im Müsli besonders frisch und lecker aus. Nachteil der Vakuumgefriertrocknung sind die langen Trocknungszeiten und der geringe Produktdurchsatz sowie die vergleichsweise hohen Energiekosten.
Daher untersuchen die Magdeburger Forscher gemeinsam mit den Kollegen in München, wie der Prozess schneller werden kann, um die zukünftig einzuhaltenden Ziele der Energieeffizienz und CO2-Reduktion zu erfüllen. Für die Untersuchungen werden weltweit zum ersten Mal im Bereich Lyophilisation Porennetzwerkmodelle zum Einsatz kommen, in deren Entwicklung die Forschergruppe an der OVGU führend ist. Diese Modelle erlauben eine realistische Abbildung der realen Strukturen und werden somit zum ersten Mal Einblick in mikroskopisch kleine Phänomene geben, welche bei der Lyophilisation bisher mit anderen Methoden noch nicht untersucht werden konnten. Gemeinsam mit Kollegen von der TU München und weiteren Forschergruppen an der Forschungs-Neutronenquelle FRM II der TUM in Garching und am Paul-Scherer-Institut (ETH)/Schweiz konnten bereits mit Hilfe von Neutronenstrahlung Phänomene aufgedeckt werden, die bisher in solchen Prozessen zwar vermutet, aber noch nicht nachgewiesen werden konnten.
Die Arbeiten an der OVGU und der TUM sind somit wegweisend für das zukünftige Prozessverständnis und für die Verbesserung der Lyophilisation im Sinne ökologischer Nachhaltigkeit und der Energiewende bei mindestens gleichbleibender Qualität der Produkte.
Lyophilisation eines gefrorenen Partikels (Größe 70 µm) mit deutlichen Rissen an der Oberfläche (Quelle: TUM).
Forscher der OVGU und der TUM und der OVGU mit einem Lyophilisationsexperiment an der Forschungs-Neutronenquelle FRM II (Quelle: Heinz Maier-Leibnitz Zentrum, Garching).