OPC 2014 – Messung von Milchsprays für Sprühtrocknungsanwendungen

Auf der OPC 2014 – International Conference on Optical Particle Characterization, die vom 10. bis 14. März 2014 in Tokio, Japan, stattfand, stellten Walter Schäfer und Cameron Tropea den Konferenzbeitrag „The time-shift technique for measurement size of non-transparent spherical particles“ vor.

Der Beitrag zeigt, wie das Time-Shift-Verfahren Tropfen in einem Milchspray messen kann. Dieses Thema ist für die Sprühtrocknung wichtig, da viele Sprühtrocknungsprozesse mit komplexen Flüssigkeiten arbeiten. Diese Flüssigkeiten können Fett, Proteine, Partikel oder andere dispergierte Stoffe enthalten.

https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/9232.toc

Milchspray ist ein gutes Beispiel für die Messung komplexer Tropfen. Milchtropfen sind nicht vollständig transparent. Sie enthalten Fettpartikel und Proteine. Diese inneren Strukturen streuen und absorbieren Licht.

Daher können klassische optische Verfahren für transparente Tropfen an ihre Grenzen stoßen. Das Time-Shift-Verfahren kann dagegen besondere Signalmerkmale nicht transparenter Tropfen analysieren.

Das Time-Shift-Verfahren analysiert das Lichtstreusignal eines einzelnen Tropfens. Der Tropfen durchquert einen geformten Lichtstrahl. Während er sich durch den Strahl bewegt, erzeugt er ein zeitaufgelöstes optisches Signal.

Bei nicht transparenten Tropfen wird das gebrochene Licht schwach. Der Tropfen erzeugt jedoch weiterhin Reflexionsspitzen und einen Signalsockel. Diese Signalanteile enthalten nützliche Informationen über den Tropfen.

So kann das Verfahren die Tropfengröße bestimmen. Darüber hinaus nutzte die Studie einen Time-of-Flight-Aufbau zur Messung der Tropfengeschwindigkeit. Zwei fokussierte Lichtschnitte erzeugten zwei Signale. Aus der Zeitverzögerung zwischen diesen Signalen ergab sich die Tropfengeschwindigkeit.

Im Experiment verwendeten die Autoren ein Milchspray mit 3,5 % Fettgehalt. Eine Flachstrahldüse erzeugte das Spray. Die Düse wurde bei unterschiedlichen Drücken betrieben.

Die Ergebnisse zeigten klare Trends. Ein höherer Düsendruck erzeugte kleinere Tropfen. Zudem erhöhte ein höherer Druck die mittlere Tropfengeschwindigkeit.

Diese Ergebnisse entsprechen dem erwarteten Verhalten bei der Spray-Zerstäubung. Die Studie zeigt damit, dass das Time-Shift-Verfahren komplexe Tropfen unter realen Sprühbedingungen messen kann.

Die Sprühtrocknung beginnt häufig mit Sprays aus komplexen Flüssigkeiten. So ist Milchspray beispielsweise in der Lebensmittelverfahrenstechnik von Bedeutung. Tropfengröße und Tropfengeschwindigkeit beeinflussen Trocknungszeit, Partikelbildung, Pulverqualität und Prozessstabilität.

Aus diesem Grund kann eine zuverlässige Tropfenmessung die Forschung und die Prozessregelung in der Sprühtrocknung unterstützen. Sie kann außerdem dazu beitragen, die Produktqualität zu verbessern und Prozessfehler zu verringern.

Das Verfahren eignet sich auch für andere komplexe Sprays. Beispiele sind Emulsionen, Suspensionen, Lacksprays und pharmazeutische Sprays.

Dieser Beitrag zur OPC 2014 trug dazu bei, die optische Partikelmessung auf nicht transparente und komplexe Tropfen auszuweiten. Er zeigte außerdem, dass das Time-Shift-Verfahren in praktischen Sprayanwendungen funktioniert.

Darüber hinaus bildet die Arbeit eine frühe Grundlage für spätere TSTOF-basierte Systeme wie SpraySpy, SprayQuantAI, ParticleTensorAI und KI-gestützte Spray-Messtechnologien.

Schäfer, W., & Tropea, C. (2014). The time-shift technique for measurement size of non-transparent spherical particles. Proceedings of SPIE, 9232, 92320H. https://doi.org/10.1117/12.2063342