Bildgebende Magnetresonanz zur Strukturuntersuchung von Backwaren und Temperaturverteilungsmessung

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Peter Brandt
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1 Bildgebende Magnetresonanz zur Strukturuntersuchung von Backwaren und Temperaturverteilungsmessung M. Regier, TFH Berlin K. Knörzer, Food Science Australia, Werribee, Australien

2 Überblick Motivation Methoden Magnetresonanztomographie Porengrößenverteilungen Temperaturverteilungen Mikrowelleneinsatz und -modellierung Anwendungsbeispiele Porengrößenverteilung in Backwaren und Extrudaten Temperaturverteilung beim Mikrowellenerwärmen Zusammenfassung und Ausblick

3 Motivation Verfahrenstechnische Porengrößenverteilung ist Prozesse (Backen) durch wichtiges Qualitätsmerkmal von Backwaren Temperatur- und/oder Feuchtigkeitsverteilungen bestimmt Aber: Konventionelle Messung dieser Größen meist nur invasiv und präparativ sehr aufwändig Möglicher Ausweg: Magnetresonanztomographie Nicht invasiv Hohe Ortsauflösung Einsetzbar am echten Lebensmittel Modellierung

4 Überblick Motivation Methoden Magnetresonanztomographie Porengrößenverteilungen Temperaturverteilungen Mikrowelleneinsatz und -modellierung Anwendungsbeispiele Porengrößenverteilung in Backwaren und Extrudaten Temperaturverteilung beim Mikrowellenerwärmen Zusammenfassung und Ausblick

5 Magnetresonanztomographie Kernspinresonanztomographie - bekannt aus der Medizin (Magnetresonanz, MRI Röntgen- Computertomographie (CT))

6 NMR/MRI-Ausstattung in der DFG-Forschergruppe 338 (Universität Karlsruhe) ca. 2 m 64 mm

7 Porengrößenverteilungen in Backwaren

8 Porengrößenverteilungen in Backwaren Brötchen 1 Voxel = (0.117 mm) 3 Brot 1 Voxel = (0.156 mm) 3 15 mm 40 mm

9 Oberflächenrekonstruktionen Brötchen 1 Voxel = (0.117 mm) 3 Brot 1 Voxel = (0.156 mm) 3 10 mm 10 mm

10 Porengrößenverteilungen in Backwaren Vorgehensweise: 2-dimensionales Beispiel

11 Vorgehensweise: Digitalisierung

12 Vorgehensweise: Binärbild

13 Vorgehensweise: Thinning Höhe 1:

14 Vorgehensweise: Thinning Höhe 2:

15 Vorgehensweise: Thinning Höhe 3:

16 Vorgehensweise: Suche der Maxima (Porenzentren)

17 Vorgehensweise: Zuweisung der Zellen zu Porenzentren Höhe 3:

18 Vorgehensweise: Zuweisung der Zellen zu Porenzentren Höhe 2:

19 Vorgehensweise: Zuweisung der Zellen zu Porenzentren Höhe 1:

20 Vorgehensweise: Auszählen der zugehörigen Pixel Pore 1:

21 Vorgehensweise: Auszählen der zugehörigen Pixel Pore 2:

22 Vorgehensweise: Häufigkeitsdichteverteilung Größen-Klasseneinteilung Zuweisen von Poren zu Größenklassen Auszählen der Elemente pro Klasse Normieren auf Gesamtporenzahl und Klassenbreite Häufigkeitsdichteverteilung Summenhäufigkeit Häufigkeitsdichte / (1/Pixel) Summenhäufigkeit Fläche / Pixel

23 Überblick Motivation Methoden Magnetresonanztomographie Porengrößenverteilungen Temperaturverteilungen Mikrowelleneinsatz und -modellierung Anwendungsbeispiele Porengrößenverteilung in Backwaren und Extrudaten Temperaturverteilung beim Mikrowellenerwärmen Zusammenfassung und Ausblick

24 MRI-Temperaturmessung B 0 Präzessionsbewegung Larmorfrequenz: ω = γ L B 0 Temperaturbestimmung mittels MRI φ M(t p ) ψ M(t 0 ) M(t>t p ) basiert auf der chemischen Verschiebung der Resonanzfrequenz bei Temperaturänderungen (0.01 ppm / K 2 Hz / K bei B 0 = 4.7 T) gemessene ortsaufgelöste Phasenverschiebung Δϕ(x,y,z) zwischen einer erhitzten Probe und einer Probe bekannter Temperatur liefert Temperaturdifferenz: Δ T = K Δf 2Hz U ind

25 Von der Phasen- zur Temperaturverteilung Phasenbild bei bekannter Temperatur Differenzbild Δf/Hz Phasenbild bei erhöhter Temperaturverteilung Temperatur T/K

26 Überblick Motivation Methoden Magnetresonanztomographie Porengrößenverteilungen Temperaturverteilungen Mikrowelleneinsatz und -modellierung Anwendungsbeispiele Porengrößenverteilung in Backwaren und Extrudaten Temperaturverteilung beim Mikrowellenerwärmen Zusammenfassung und Ausblick

27 Mikrowellen: elektromagnetische Wellen elektromagnetische Wellen mit Frequenzen 300 MHz < f < 300 GHz [Bundesamt für Strahlenschutz, technisch benutzte Frequenzen zur Erwärmung: ca. 900 MHz 2450 MHz

28 Mikrowellen Vor- und Nachteile Vorteil: hohe Erwärmungsraten (bzw. Trocknungsraten) möglich durch Dissipation der elektromagnetischen Energie direkt und nur im Produkt Vermeidung hoher Wärmetransportwiderstände Vermeidung thermischer Trägheit (im Fall von Batch-Prozessen) Nachteil: inhomogene Temperaturverteilungen (Ecken- und Kantenerwärmung, hot und cold spots)

29 Simulation von Mikrowellen-Prozessen vermeidet trial-and-error Motivation: Simulation des gesamten Prozesses der Mikrowellenbehandlung Ausnutzung der Vorteile Minimierung der Nachteile d.h. Auslegung und Optimierung von Mikrowellenprozessen ohne aufwändiges experimentelles trial-and-error -Verfahren

30 Ansatz: Simulation der Mikrowellen-Erwärmung durch Kopplung zweier kommerzieller Software-Pakete Maxwellsche Gleichungen: Materialgleichungen: D r =ρ r r B E= t B=0 r r r r D H= j + t kommerzielle Software-Pakete: QuickWave-3D : FEMLAB : r r D = ε0 ε r E r r B = μ0 μ H r Berechnung elektromagnetischer Felder FDM j = (Finite σ EDifferenzen Methode) Berechnung des Wärmetransports FEM (Finite Elemente Methode) Graphische Benutzeroberfläche (GUI) P programmiert in MATLAB p V,MW r Energiebilanz: T ρc ( λ T ) = t

31 Überblick Motivation Methoden Magnetresonanztomographie Porengrößenverteilungen Temperaturverteilungen Mikrowelleneinsatz und -modellierung Anwendungsbeispiele Porengrößenverteilung in Backwaren und Extrudaten Temperaturverteilung beim Mikrowellenerwärmen Zusammenfassung und Ausblick

32 Porengrößenverteilungen in Backwaren

33 Porengrößenverteilung ermittelbar volume density / mm d-MRI 2d-Scanner pore volume / mm 3

34 Poren in Extrudaten Chito Kellogg s s Pop

35 Porengrößenverteilungen von Extrudaten q 3 / mm Chito Porendurchmesser / mm q 3 / mm -1 Q Kellogg s s Pop Q Porendurchmesser / mm

36 Knusprigkeit Absolute Häufigkeit Chitos Kellogg s s Pops Kraftabfall / N

37 Überblick Motivation Methoden Magnetresonanztomographie Porengrößenverteilungen Temperaturverteilungen Mikrowelleneinsatz und -modellierung Anwendungsbeispiele Porengrößenverteilung in Backwaren und Extrudaten Temperaturverteilung beim Mikrowellenerwärmen Zusammenfassung und Ausblick

38 Verwendete Geometrie in Simulation und Messung Rechteckhohlleiter ca. 2.5 m Mikrowellengenerator Rundhohlleiter Probe Wasserlast Magnet Birdcage simulierter Bereich

39 Gekoppelte Simulation: zeitlicher 3D-Temperaturverlauf MW-Behandlung: t total = 1000 s, t power,on = 50 s, t power,off = 500 s, P MW = 19 W T / K Umgebungsbedingungen: -T ext = 295 K - freie Konvektion

40 MRI-Messung: 3D-Temperaturverteilung als Funktion der Zeit MW-Behandlung: t total = 883 s, t power,on = 50 s, t power,off = 500 s, P MW = 19 W T/K

41 Vergleich: Simulation vs. Messung Temperaturvergleich: identische Orte einer Schnittfläche (λ,c P,ε = f(t)) MW-Erwärmung: P MW = 19 W, t MW on = 50 s t MW off = 500 s

42 MRI 3D-Struktur realer LM und Stoffunterscheidung hier am Beispiel eines Chicken Wings: z / mm y / mm x / mm

43 MRI 3D-Struktur realer LM und Stoffunterscheidung hier am Beispiel eines Chicken Wings

44 Simulation: zeitlicher Temperaturverlauf MW-Behandlung: t total = 1000 s, t power,on = 200 s, t power,off = 800 s, P MW = 25 W T / K

45 Überblick Motivation Methoden Magnetresonanztomographie Porengrößenverteilungen Temperaturverteilungen Mikrowelleneinsatz und -modellierung Anwendungsbeispiele Porengrößenverteilung in Backwaren und Extrudaten Temperaturverteilung beim Mikrowellenerwärmen Zusammenfassung und Ausblick

46 Zusammenfassung und Ausblick Die Magnetresonanztomographie bietet neue Einblicke in verfahrenstechnische Prozesse und Strukturen Temperaturverteilung Porenstruktur und größenverteilung Damit können Zusammenhänge aufgeklärt und einer Modellierung zugeführt werden Dies soll zukünftig zur Optimierung der Prozesse sowie der Produkte genutzt werden

47 ZUSATZ

Implementierung eines ON/OFF-Reglers in die Simulation (am

48 Pasteurisation erfordert Regelung der Simulation bzgl. T max und T min (reine MW-Erwärmung T soll wird nicht erreicht) Implementierung eines ON/OFF-Reglers in die Simulation (am Beispiel des MLM-Zylinders) T 0 = 295 K T max = 343 K T soll = 333 K T Umgebung = 295 K

49 Pasteurisation erfordert Regelung der Simulation bzgl. T max und T min (komb. Verfahren machbar und zeitsparend) Implementierung eines ON/OFF-Reglers in die Simulation (am Beispiel des MLM-Zylinders) T 0 = 295 K T max = 343 K T soll = 333 K T Umgebung = 333 K

50 Geregelte Simulation ermöglicht Optimierung der Temperatur-verteilung bei der Mikrowellenerwärmung Implementierung eines ON/OFF-Reglers in die Simulation (am Beispiel des MLM-Zylinders) T 0 = 295 K T max = 343 K T soll = 333 K T Umgebung = 333 K T / K

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