wobei p der Schalldruck, u die Schallschnelle,
ρ die Dichte und c die Ultraschallgeschwindigkeit
ist. Sobald verschiedene Medien M1
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gramme sind deshalb für die meisten Anwendungsfälle
deutlich überdimensioniert.
Eine Überprüfung des Reinigungserfolgs
und insbesondere die erfolgreiche Entfernung
der Fouling-Ablagerungen kann bisher
allein durch das Öffnen der Anlagen nach
Ende des Reinigungsprogramms und anschließender
visueller Kontrolle überprüft
werden. Somit bleiben bisher die bestehenden
Qualitätsprobleme, Sicherheitsrisiken
sowie die hohen Kosten durch Produktionsunterbrechungen
und überdimensionierte
Reinigungsprogramme bestehen.
Ansätze zur
Fouling-Überwachung
in Sprühtrocknern
Bisher kann die Fouling-Entstehung nur
indirekt vorhergesagt werden, indem Prozessparameter
wie die Temperaturdifferenz
zwischen Zu- und Abluft oder absolute
und relative Luftfeuchte überwacht werden.
Visuelle Inspektionsmethoden, welche
auf Kameraaufnahmen basieren, wurden
ebenfalls getestet. Solche Verfahren sind
jedoch kaum automatisierbar, da sie invasiv
sind und von dem individuellen Eindruck eines
Bedieners abhängen. Weitere bekannte
Möglichkeiten Fouling zu detektieren sind
die Messung der elektrischen Impedanz,
Wärmedurchgangskoeffizient, -kapazität,
Wägung vor und nach der Produktion und
Ermittlung der Massenzunahme durch die
Fouling-Ablagerungen sowie Messen des
elektrischen und thermischen Widerstandes.
Obwohl intensiv beforscht, haben sich
diese Methoden nicht in die industrielle
Praxis umsetzen lassen. Als Gründe sind
mangelnde Empfindlichkeit und Flexibilität,
die Invasivität der Methoden oder schlicht
die Kosten aufzuführen.
Ultraschall als
alternativer Ansatz zur
Fouling-Detektion
Als Ultraschall bezeichnet man mechanische
Wellen mit Frequenzen oberhalb von
etwa 20 kHz. Im Gegensatz zu den zuvor
genannten Methoden, kann die Ultraschallmesstechnik
nicht-destruktiv und nichtinvasiv
genutzt werden. Basierend auf den
langjährigen Erfahrungen des Lehrstuhls
für Brau- und Getränketechnologie in der
Anwendung von Ultraschall im Lebensmittelbereich,
wurde ein neues, ultraschallbasiertes
Messsystem entwickelt und zur
Überwachung der Fouling-Entstehung am
Sprühtrockner des Fraunhofer IVV eingesetzt,
siehe Abbildung 1.
Das grundlegende Messsystem besteht
aus einem Mikrocontroller zur Signalanregung
und aufzeichnung, einem Computer
und Ultraschallwandlern. Die Ultraschallwandler
wurden in spezielle Messaufbauten
aus Edelstahl integriert, welche am
Sprühtrockenturm adaptiert wurden, siehe
Abbildung 2. Um eine Referenzmessung
der Fouling-Ausbildung umsetzten, hatten
die Messaufbauten spezielle „Probestopfen“,
welche während des Prozesses entnommen
und im Labor analysiert werden
konnten. Als Referenzmessung für die
Bestimmung der Dicke der Fouling-Schicht
wurden rasterelektronenmikroskopische
(REM) Aufnahmen durch Bildverarbeitungsmethoden
ausgewertet, siehe Abbildung 3.
Dabei wurden u.a. die minimale und die maximale
Höhe der Schicht ermittelt.
Zudem wurden weitere Analysen, bspw.
die Trockensubstanzbestimmung, die Bestimmung
des Mineralstoffgehaltes, die
Proteinbestimmung, die Bestimmung der
Proteinlöslichkeit, die Dynamische Differenzialkalorimetrie
(DSC), die Farbwertbestimmung
und die Partikelgrößenbestimmung
durchgeführt, um die Fouling-Schicht chemisch
physikalisch zu charakterisieren.
Das Prinzip, auf dem die Fouling-Überwachung
mittels Ultraschall beruht, ist die
Änderung der akustischen Impedanz Z, die
abhängig von den Eigenschaften der Fouling
Schicht ist:
Abbildung 2: a) Schematische Darstellung des ultraschallbasierten Messaufbaus,
b) Adaption des Messaufbaus an den Sprühtrockner
Abbildung 3: a) Fouling-Entstehung auf dem Messaufbau an der produktberührenden
Seite, b) Aufnahme der Fouling-Schicht mit Rasterelektronenmikroskopie