Auf der ILASS Europe 2025, der 33rd Conference on Liquid Atomization & Spray Systems, die vom 31. August bis 4. September 2025 in Lund, Schweden, stattfand, haben wir eine Studie zur optischen Tropfenmessung an Suspensionstropfen vorgestellt. Die Arbeit konzentriert sich auf die Analyse von Lichtstreusignalen von Milch-Wasser-Tropfen, um die Konzentration der suspendierten Partikel im Inneren der Tropfen zu bestimmen.
Ein Milchspray ist ein gutes Modellsystem für komplexe Suspensionstropfen. Milch enthält kleine Partikel und dispergierte Phasen, die das optische Verhalten jedes Tropfens verändern. Daher eignen sich Milch-Wasser-Mischungen, um zu untersuchen, wie Lichtstreusignale von der Suspensionskonzentration abhängen.
Optische Tropfenmessung im Milchspray
Eine zuverlässige Tropfenmessung ist für viele Sprayprozesse wichtig. Dazu gehören Sprühtrocknung, Lebensmittelproduktion, pharmazeutische Prozesse, Lacksprays und partikelbeladene Flüssigkeiten. In diesen Anwendungen enthalten Tropfen häufig suspendierte Partikel, Emulsionen oder andere innere Strukturen.
Die klassische Tropfenmessung konzentriert sich in der Regel auf Tropfengröße und -geschwindigkeit. Komplexe Tropfen enthalten jedoch mehr Information. Ihr Lichtstreusignal kann auch Informationen über Konzentration, innere Struktur und Materialzusammensetzung tragen.
In dieser Arbeit wurden einzelne Suspensionstropfen mit einem monodispersen Tropfengenerator erzeugt. Eine kontrollierte Tropfenkette ermöglichte die Untersuchung von Tropfen nahezu konstanter Größe. So ließen sich die Lichtstreusignale verschiedener Milchkonzentrationen direkt vergleichen.
Lichtstreuung an Milch-Wasser-Tropfen
Die Studie analysierte die Lichtstreuung eines Kolloidtropfens in einem elliptischen Gauß-Strahl. Die Messung erfolgte im Rückstreubereich unter einem festen Streuwinkel. Ein Photomultiplier und ein Hochgeschwindigkeits-Signalanalysator zeichneten die Signale mit hoher Zeitauflösung auf.
Für die Messungen wurden Milch-Wasser-Mischungen mit Konzentrationen von 0 % bis 100 % verwendet. Bei niedrigen Konzentrationen wurden feine Konzentrationsstufen gewählt, da sich die optischen Eigenschaften in diesem Bereich stark ändern.
Mit der Milchkonzentration ändert sich auch die Form des Lichtstreusignals. Tropfen mit niedriger Konzentration können sich noch teilweise wie transparente Tropfen verhalten. Bei höheren Konzentrationen nimmt die innere Streuung zu, und die auf Brechung beruhenden Signalanteile nehmen ab.
KI und statistische Signalanalyse
Zur Bestimmung der Konzentration der Suspensionstropfen wurden zwei Methoden eingesetzt. Die erste Methode nutzte ein künstliches neuronales Netz. Die zweite Methode nutzte statistische Eigenschaften des Lichtstreusignals.
Für die KI-basierte Methode wurden einzelne Lichtstreusignale aus den Messdaten extrahiert. Das neuronale Netz lernte anschließend den Zusammenhang zwischen Signalform und Milchkonzentration.
Im statistischen Ansatz wurde die Signalform durch einen Formfaktor beschrieben. Dieser Faktor nutzt das Verhältnis zwischen Mittelwert und Standardabweichung des Lichtstreusignals. Die Ergebnisse zeigten einen klaren funktionalen Zusammenhang zwischen Formfaktor und Milchkonzentration.
Ergebnisse für Milchspray und Suspensionstropfen
Die Studie zeigte, dass sich Lichtstreusignale einzelner Tropfen zur Bestimmung der Suspensionskonzentration nutzen lassen. Der KI-Ansatz sagte die Milchkonzentration mit guter Genauigkeit voraus, insbesondere bei niedrigen und mittleren Konzentrationen.
Auch der statistische Ansatz zeigte großes Potenzial. Er benötigt weder Tropfengröße noch Tropfengeschwindigkeit als Eingangsgröße. Daher kann er eine einfache und robuste Tropfenmessung in komplexen Sprays unterstützen.
Diese Ergebnisse sind wichtig für die künftige Milchspray-Analyse, das Monitoring von Suspensionssprays und die Konzentrationsmessung in partikelbeladenen Tropfen.
Relevanz für Sprühtrocknung und Prozessüberwachung
Die Milchspray-Analyse ist für die Sprühtrocknung und die Lebensmittelverfahrenstechnik relevant. Bei der Sprühtrocknung können Tropfenkonzentration, Partikelgehalt und innere Struktur das Trocknungsverhalten und die Qualität des Endpulvers beeinflussen.
Die vorgestellte Methode kann auch weitere Anwendungen unterstützen. Dazu gehören pharmazeutische Sprays, Beschichtungsprozesse, Slurry-Sprays, Emulsionen und andere komplexe Flüssigkeiten.
Durch die Kombination optischer Tropfenmessung mit KI und statistischer Signalanalyse zeigt die Arbeit einen neuen Weg auf, Materialinformationen aus dynamischen Tropfen in einem Spray zu gewinnen.
Literatur
Doan, A. M. A., Schäfer, W., & Chernoray, V. (2025). Analysis of the light scattering of a colloid droplet on a Gaussian beam to determine the suspension concentration. ILASS Europe 2025, 33rd Conference on Liquid Atomization & Spray Systems, Lund, Sweden, 31 August–4 September 2025.
