In-situ Bildgebung zur Untersuchung des Konzentrationsverlaufs und der Morphologiebildung von Einzeltropfen bei der konvektiven Trocknung

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Petra Först
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 538902239

In den letzten Jahren wird die Sprühtrocknung verstärkt als Werkzeug eingesetzt, um gezielt Partikel mit definierten Eigenschaften zu erzeugen. Abhängig von der Art der gelösten Stoffe, der Tropfengröße und den Trocknungsbedingungen lassen sich eine Reihe verschiedener Partikelmorphologien erzeugen, welche sowohl den Sprühtrocknungsprozess selbst als auch die resultierenden Pulvereigenschaften beeinflussen. Untersuchungen zur Ausbildung der Partikelmorphologie werden meist am Einzelpartikel in definierten Setups durchgeführt. Die Partikelmorphologie hängt vor allem von der Krustenbildung und den lokalen mechanischen Eigenschaften der Kruste ab. Eine Kruste bildet sich vor allem, wenn sich die gelösten Stoffe aufgrund einer hohen Trocknungsgeschwindigkeit an der Oberfläche akkumulieren (hohe Peclet-Zahl). Sobald sich eine feste Kruste gebildet hat, wird die weitere Schrumpfung des Tropfens gestoppt („locking point“). Für das Verständnis der Ausbildung der Partikelmorphologie ist deshalb die Kenntnis der örtlichen Konzentration der suspendierten Stoffe in der Kruste von Bedeutung, da diese die Partikelmorphologie stark beeinflusst. Es ist deshalb nötig, das Konzentrationsprofil der gelösten Substanzen im Tropfen orts- und zeitaufgelöst zu messen. Es existieren bisher keine Möglichkeiten, das Konzentrationsprofil während der Trocknung mit ausreichender Orts- und Zeitauflösung zu messen, um den Aufbau der Kruste zu untersuchen. In diesem Projekt soll deshalb der zeitliche Aufbau der Kruste zunächst mit Hilfe eines zweidimensionalen Setups untersucht werden. Hier wird der zu trocknende Tropfen zwischen zwei hydrophobe Oberflächen geklemmt und die Trocknung und örtliche Verteilung der Komponenten licht- und fluoreszenzmikroskopisch für verschiedene Trocknungsbedingungen untersucht. Somit kann die Krustenbildung sowohl für binäre als auch ternäre Systeme quantifiziert werden. Bei ternären Systemen können lokale Entmischungen entstehen, die die Krusten- und Morphologiebildung beeinflussen. Im Forschungsprojekt soll zunächst das Setup um eine definierte Umströmung erweitert und für die Trocknung eines Wassertropfens in einem Temperaturbereich von 20 bis 120 °C validiert werden. Im zweiten Arbeitspaket soll die Trocknung von Tropfen mit kolloidal suspendierten Partikeln in einem breiten Temperatur- und Konzentrationsbereich untersucht werden, um die lokale Krustenbildung sowie lokale Entmischungen zu untersuchen. Zudem sollen die mechanischen Eigenschaften der Kruste mittels DMA bestimmt werden. Aufbauend auf die fluoreszenzmikroskopischen Untersuchungen soll ein Bildauswertungsalgorithmus entwickelt werden, um sowohl die Trocknungskinetik als auch die lokale Konzentration der kolloidalen Partikel zu bestimmen. Im letzten Arbeitspaket soll für ausgewählte Versuche aus dem 2D Setup die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf 3D untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen