DECHEMA 2026 in Karlsruhe – Messung komplexer Tropfen und Charakterisierung von Milchsprays

Auf dem Jahrestreffen der DECHEMA/VDI-Fachgruppe Lebensmittelverfahrenstechnik (25.–27. Feb. 2026, Karlsruhe) haben wir ein Poster zur optischen Charakterisierung dynamischer Doppelemulsionstropfen in einem Spray präsentiert. Die Arbeit befasst sich mit der Messung komplexer Tropfen und zeigt, wie TSTOF-basierte Lichtstreusignale Informationen über strukturierte Tropfen, Emulsionen und Sprays liefern können.

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Komplexe Tropfen spielen in der Lebensmitteltechnologie, bei Beschichtungsprozessen, in der Pharmazie und in der Mehrphasenströmungsforschung eine wichtige Rolle. Im Gegensatz zu einfachen Flüssigkeitstropfen können sie innere Tropfen, Partikel oder unterschiedliche flüssige Phasen enthalten. Ihre optischen Signale enthalten daher mehr Informationen als nur Größe und Geschwindigkeit.

Das Poster beschreibt ein Verfahren zur Messung einzelner dynamischer Doppelemulsionstropfen. Der Ansatz nutzt Lichtstreusignale, die mit einem TSTOF-Messgerät aufgezeichnet werden. Diese Signale können physikalische Informationen über die innere Struktur komplexer Tropfen enthalten.

Zum Verständnis dieser Signale werden Simulationen auf Basis von 3D-Raytracing eingesetzt. Ziel ist es, Korrelationen zwischen Lichtstreumustern und charakteristischen Eigenschaften von Doppelemulsionstropfen zu identifizieren. Dabei werden beide Konfigurationen betrachtet: Wassertropfen mit einem inneren Öltropfen und Öltropfen mit einem inneren Wassertropfen.

Dasselbe Konzept ist für die Charakterisierung von Milchsprays relevant, denn Milch ist eine komplexe mehrphasige Flüssigkeit. Sie enthält Wasser, Fetttröpfchen, Proteine und weitere Bestandteile. Wird Milch zu einem Spray zerstäubt, kann jeder Tropfen Informationen über Zusammensetzung, Struktur und Prozessbedingungen tragen.

Optische Messverfahren können helfen, dieses Verhalten zu analysieren. Durch die Auswertung der Lichtstreusignale einzelner Tropfen lassen sich Tropfenfamilien, Materialunterschiede und Veränderungen im Spray untersuchen. Daraus ergeben sich neue Möglichkeiten für das Monitoring lebensmitteltechnischer Sprays und anderer komplexer Flüssigkeiten.

Die TSTOF-Technologie misst zeitaufgelöste Lichtstreusignale einzelner Tropfen. In klassischen Anwendungen lassen sich mit diesem Verfahren Tropfengröße und Tropfengeschwindigkeit bestimmen. Komplexe Tropfen erfordern jedoch eine tiefergehende Analyse.

Aus diesem Grund kann künstliche Intelligenz die Auswertung komplexer Lichtstreusignale unterstützen. In der vorgestellten Arbeit werden Doppelemulsionssprays erzeugt und ihre Signale mithilfe von KI geclustert. Dies hilft, mögliche Tropfenfamilien zu identifizieren, und unterstützt die Analyse komplexer Spraysysteme.

Zur experimentellen Validierung werden mit Klarlack beschichtete Glaskugeln in einem Fallturm eingesetzt. Diese Partikel bilden die Dynamik einzelner Tropfen nach und ermöglichen kontrollierte optische Experimente. In weiteren Untersuchungen werden Doppelemulsionssprays erzeugt und unter Spraybedingungen analysiert.

Diese Kombination aus Simulation, Experiment, TSTOF-Diagnostik und KI-gestütztem Clustering bildet eine solide Grundlage für die Messung komplexer Tropfen. Sie unterstützt zudem künftige Anwendungen in der Charakterisierung von Milchsprays, im Monitoring lebensmitteltechnischer Prozesse, in der Materialanalyse und in der industriellen Spraydiagnostik.

Die Messung komplexer Tropfen kann die analytische Untersuchung und das Monitoring von Mischprozessen unterstützen. Sie kann außerdem zur Charakterisierung von Emulsionen, Suspensionen, Lebensmittelsprays, pharmazeutischen Sprays, Beschichtungsmaterialien und anderen Mehrphasensystemen beitragen.

Für die Charakterisierung von Milchsprays bietet das Verfahren einen Weg zu einem tieferen Verständnis zerstäubter Milchflüssigkeiten. Es kann helfen, Tropfenstruktur, Spraystabilität, Prozessänderungen und materialbedingtes Sprayverhalten zu analysieren.

Der vorgestellte Ansatz zeigt, wie die optische Spraydiagnostik über die reine Tropfengrößenbestimmung hinausgehen kann. Er eröffnet neue Möglichkeiten, die innere Struktur komplexer Tropfen in Echtzeit zu analysieren.

[1] Schaefer, W., Fleck, S., Haas, M., & Jakobs, T. (2025). Optical Measurement Method for Monitoring High-Mass-Concentration Slurry Sprays: An Experimental Study. Photonics, 12(7), 673. https://doi.org/10.3390/photonics12070673

[2] Schaefer, W.; Li, L.; Stegmann, P.; Terada, M. Technical Report on the TSTOF Measurement Method: Technical Basics, Historical Development, and Comparison with Other Laser-Based Measurement Methods. Photonics 2026, 13, 56. https://doi.org/10.3390/photonics12070673

[3] Li, Lingxi, et al. „Simulation of Light Scattering from a Colloidal Droplet Using a Polarized Monte Carlo Method: Application to the Time-Shift Technique.“ Optics Express, vol. 27, no. 25, Dec. 2019, p. 36388, https://doi.org/10.1364/oe.27.036388