Porennetzwerkmodellierung der Gefriertrocknung auf Basis lyomikroskopischer und tomographischer Messungen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Petra Först; Professor Dr.-Ing. Evangelos Tsotsas
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 413284489

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Gefriertrocknung ist ein zur Herstellung und Stabilisierung hochwertiger Produkte üblicherweise notwendiger, jedoch auch langsamer, teurer und energieaufwendiger Prozess, da er bei niedrigen Temperaturen und Drücken stattfindet. Versuche zur Effizienzsteigerung bringen den Prozess schnell in Bereiche, in welchen Produktschädigungen auftreten können. Diese sind durch lokale Erweichung des verbleibenden Feststoffes charakterisiert und werden auch als struktureller Kollaps bezeichnet. Der Kollaps wird durch Effekte bedingt, die auf mikroskopisch kleinen Strukturen des Materials stattfinden. Sie sind experimentell nur mit großem Aufwand zugänglich und mit den für die Gefriertrocknung etablierten mathematischen Modellen nicht erfassbar. Zudem lassen sie sich bisher nicht vorhersagen. Das Projekt hatte daher zum Ziel, erstmalig ein mathematisches Modell für die Gefriertrocknung am Beispiel von Zuckerlösungen zu entwickeln, mit welchem die Phänomene auf der Skala von Einzelporen, d.h. im Mikrometerbereich, erfasst werden können. Dieses Ziel wurde mit Hilfe eines sog. Porennetzwerkmodells (PNM) realisiert. PNMs sind diskrete mathematische Modelle, mit welchen der Stoff- und Wärmeaustausch zwischen den Einzelporen berechnet werden kann. Im Projekt wurde die Porenstruktur des Netzwerkes auf der Grundlage von dreidimensionalen (3D) Bilddaten genau rekonstruiert. Für die Vervollständigung des Modells waren außerdem experimentelle Daten, zum Beispiel über den Temperatur- oder Druckverlauf während des Prozesses, notwendig. Zur Erfassung dieser und weiterer notwendiger Prozessparameter wurden eine Gefriertrocknungszelle und bildgebende Verfahren so weit entwickelt, dass die Sublimation von Wasser nun dreidimensional erfasst und gleichzeitig die Porenstruktur aufgelöst werden können. Mit dem Versuchsaufbau kann der Fortschritt der Trocknung viel genauer quantifiziert werden, was für den Vergleich mit den Modelldaten und die Weiterentwicklung des Modells essentiell ist. Das neue Verfahren aus Bildgebung und Computersimulation kann als Grundlage für zukünftige Modellanpassungen dienen, mit denen die lokalen Ereignisse, welche bei anspruchsvollen Prozessbedingungen, also nahe am Kollaps, zur Schädigung der Porenstruktur führen, vorhersagbar gemacht werden können.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Application of neutron radiography and tomography for the investigation of freeze drying, In: Proceedings of the European Drying Conference (EuroDrying), Torino, Italy, July 10-12, 2019.
  Vorhauer, N.; Först, P.; Hilmer, M.; Mannes, D. & Tsotsas, E.
  
• Characterization of primary lyophilization of frozen bulky solids, In: Proceedings of Partec, Nürnberg, Germany, April 9-11, 2019.
  Först, P.; Vorhauer, N. & Tsotsas, E.
  
• Neutron imaging of freeze drying as a starting point for the development of new mathematical models, MLZ Annual Report, Garching, Germany, 2019.
  Gruber, S.; Vorhauer, N.; Schulz, M.; Hilmer, M.; Peters, J.; Tsotsas, E. & Först, P.
  
• Characterization of Lyophilization of Frozen Bulky Solids. Chemical Engineering & Technology, 43(5), 789-796.
  Foerst, Petra; Gruber, Sebastian; Schulz, Michael; Vorhauer, Nicole & Tsotsas, Evangelos
  
• Development of a Freeze-Drying Stage for In-Situ µ-CT Measurements. Processes, 8(7), 869.
  Hilmer, Mathias; Gruber, Sebastian & Foerst, Petra
  
• Estimation of the local sublimation front velocities from neutron radiography and tomography of particulate matter. Chemical Engineering Science, 211, 115268.
  Gruber, S.; Vorhauer, N.; Schulz, M.; Hilmer, M.; Peters, J.; Tsotsas, E. & Foerst, P.
  
• Freeze-Drying with Structured Sublimation Fronts—Visualization with Neutron Imaging. Processes, 8(9), 1091.
  Vorhauer-Huget, Nicole; Mannes, David; Hilmer, Mathias; Gruber, Sebastian; Strobl, Markus; Tsotsas, Evangelos & Foerst, Petra
  
• Beschreibung der Sublimationsfront in Schüttgütern mittels Neutronenradiographie und - tomographie, Die Pharmazeutische Industrie 2021, 83, 694-704.
  Gruber, S.; Vorhauer-Huget, N.; Schulz, M.; Hilmer, M.; Peters, J.; Tsotsas, E. & Foerst, P.
  
• Determination of 3D pore network structure of freeze-dried maltodextrin. Drying Technology, 40(4), 748-766.
  Thomik, M.; Gruber, S.; Foerst, P.; Tsotsas, E. & Vorhauer-Huget, N.
  
• In situ micro-computed tomography to study microstructure and sublimation front during freeze-drying. Food Structure, 29, 100213.
  Gruber, S.; Vorhauer-Huget, N. & Foerst, P.
  
• Evaluation of methods to represent the structure in tomographic images of freeze-dried porous media. Proceedings of the 22nd International Drying Symposium on Drying Technology -IDS '22. Worcester Polytechnic Institute -Gordon Library.
  Briest, Lucas; Vorhauer, Nicole; Gruber, Sebastian; Petra, Först; Schuchmann, Harald & Tsotsas, Evangelos
  
• Experimental investigations on freeze-drying of particulate matter by using neutron imaging. Proceedings of the 22nd International Drying Symposium on Drying Technology -IDS '22. Worcester Polytechnic Institute -Gordon Library.
  Vorhauer, Nicole; Schulz, Michael; Xu, Xinjing; Hilmer, Mathias; Thomik, Maximilian; Tsotsas, Evangelos; Schuchmann, Harald & Foerst, Petra
  
• Experimental Study of the Impact of Pore Structure on Drying Kinetics and Sublimation Front Patterns. Pharmaceutics, 14(8), 1538.
  Thomik, Maximilian; Gruber, Sebastian; Kaestner, Anders; Foerst, Petra; Tsotsas, Evangelos & Vorhauer-Huget, Nicole
  
• The Influence of Local Microstructure Inhomogeneities on Local Drying Kinetics during Freeze-Drying. Pharmaceutics, 14(10), 2132.
  Gruber, Sebastian; Thomik, Maximilian; Vorhauer-Huget, Nicole; Hans, Lukas; Tsotsas, Evangelos & Foerst, Petra
  
• Use of advanced imaging techniques as a valuable tool to analyze the freeze-drying process in more detail, Interpore, Online, May 31 - June 2, 2022.
  Gruber, S.; Thomik, M.; Vorhauer-Huget, N.; Coppens, F.; Tsotsas, E. & Foerst, P.
  
• A Non-Isothermal Pore Network Model of Primary Freeze Drying. Pharmaceutics, 15(8), 2131.
  Thomik, Maximilian; Faber, Felix; Gruber, Sebastian; Foerst, Petra; Tsotsas, Evangelos & Vorhauer-Huget, Nicole
  
• In-situ analysis of the 3-D microstructure and its impact on the freeze-drying kinetics, In: Proceedings of the European Drying Conference (EuroDrying), Lodz, Polen, July 4-7, 2023.
  Gruber, S.; Thomik, M.; Coppens, F.; Vorhauer-Huget, N.; Tsotsas, E. & Foerst, P.
  
• Pore network simulation of heat and mass Transfer during freeze-drying of porous media, In: Proceedings of the European Drying Conference (EuroDrying), Lodz, Polen, July 4-7, 2023.
  Vorhauer-Huget, N.; Thomik, M.; Gruber, S.; Foerst, P. & Tsotsas, E.
  
• Pore Scale Investigation of Freeze-Drying. Album of Porous Media, 114-114. Springer International Publishing.
  Gruber, Sebastian; Foerst, Petra; Thomik, Maximilian; Tsotsas, Evangelos & Vorhauer-Huget, Nicole
  
• Using 4D-Imaging to describe the impact of the microstructure on sublimation front patterns, Interpore, Edinburgh, Scotland, May 22-25, 2023.
  Gruber, S.; Thomik, M.; Coppens, F.; Vorhauer-Huget, N.; Tsotsas, E. & Foerst, P.