Berichte aus der Verfahrenstechnik. Kai Knoerzer. Simulation von Mikrowellenprozessen und Validierung mittels bildgebender magnetischer Resonanz

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Claus Weiß
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1 Berichte aus der Verfahrenstechnik Kai Knoerzer Simulation von Mikrowellenprozessen und Validierung mittels bildgebender magnetischer Resonanz Shaker Verlag Aachen 2006

Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung, 1 2 Grundlagen und Stand des Wissens 5 2.1 Mikrowellen 5 2.1.1 Elektromagnetische Wellen 5 2.1.2 Dielektrische Eigenschaften und Absorptionsmechanismen 8 2.1.3 Messung dielektrischer Eigenschaften 13 2.

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung, 1 2 Grundlagen und Stand des Wissens Mikrowellen Elektromagnetische Wellen Dielektrische Eigenschaften und Absorptionsmechanismen Messung dielektrischer Eigenschaften Gründe inhomogener Erwärmung im Mikrowellenfeld Simulation von Mikrowellenprozessen Wichtige (physikalische) Eigenschaften von Lebensmitteln Dielektrische Eigenschaften Wasseraktivität und Sorptionsisotherme Wärmetransporteigenschaften Stofftransporteigenschaften Mischungsgleichungen Messung der Temperaturverteilungen in Körpern im Mikrowellenfeld Thermoelemente Faseroptische Sensoren Modellsubstanzen Infrarotthermographie Mikrowellenradiometrie Flüssigkristallfolien Thermopapier Bildgebende Magnetische Resonanz zur Messung dreidimensionaler Temperaturverteilungen Bildgebende Magnetische Resonanz Geschichte der magnetischen Kemspinresonanz Theoretische Grundlagen zur magnetischen Kernspinresonanz Magnetresonanzmessung Temperaturmessung mittels MRI Verfahren zur numerischen Lösung partieller Differentialgleichungen 45

2.5.1 Finite Differenzen Methode (FDM) 45 2.5.2 Finite Elemente Methode (FEM) 47 3 Material und Methoden 49 3.1 Modell-Lebensmittel: Karlsruher Mikrowellenprüfmasse" 49 3.1.1 Motivation und Rezeptur 49 3.

3 2.5.1 Finite Differenzen Methode (FDM) Finite Elemente Methode (FEM) 47 3 Material und Methoden Modell-Lebensmittel: Karlsruher Mikrowellenprüfmasse" Motivation und Rezeptur Herstellung Bestimmung der Eigenschaften des Modelllebensmittels Bestimmung dielektrischer Eigenschaften im Mikrowellenfrequenzbereich Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit Bestimmung der Wärmekapazität Bestimmung der Selbstdiffusionskoeffizienten Bestimmung von Tortuosität und Porenradius Bestimmung der Viskosität der flüssigen Phase Messung der Wasseraktivität (Sorptionsisotherme) Bestimmung der Dichte der flüssigen und festen Phase Bestimmung der Siedetemperatur der flüssigen Phase Bestimmung der mikrobiellen Stabilität Simulation von Mikrowellenprozessen Das Software-Paket QuickWave-3D Das Software-Paket FEMLAB Das Interface SIMCOW zur Kopplung von QuickWave-3D und FEMLAB Das Programm SIMULATION ANALYSIS"zur Auswertung der Simulationen Das Programm MWPAST zur Regelung der simulierten Mikrowellenerwärmung Magnetresonanzmessungen Der MRI-Tomograph Messparameter Chemical Shift"der Wasserprotonenresonanz in feuchten Lebensmitteln Iniine-Beobachtung der dreidimensionalen Temperaturverteilung während der Mikrowellenerwärmung Die Anlage zur Einkopplung von Mikrowellen in den MRI-Tomographen 75 II

3.6.2 Das Programm MRI-TANALYSIS' zur Auswerfung der MRI- Experimente 78 3.7 Validierung der MRi-Temperaturmessmethode 78 3.7.1 Validierung der Methode mittels Infrarotthermographie 78 3.7.2 Validierung der Methode mittels faseroptischer Temperaturmessung.

4 3.6.2 Das Programm MRI-TANALYSIS' zur Auswerfung der MRI- Experimente Validierung der MRi-Temperaturmessmethode Validierung der Methode mittels Infrarotthermographie Validierung der Methode mittels faseroptischer Temperaturmessung Validierung der simulierten Mikrowellenerwärmung Validierung der Simulationen in einzelnen Punkten Validierung der Simulationen in Schnittflächen 82 4 Ergebnisse Die Eigenschaften des Modelllebensmittels Dielektrische Eigenschaften Wärmekapazität Viskosität der flüssigen Phase Tortuosität und Porenradius Wasseraktivität und Sorptionsisotherme Diffusionskoeffizienten Dichte der flüssigen und festen Phase Siedetemperatur Mikrowelle Stabilität Validierung der MRI-Temperaturmessung Chemical Shift"der Wasserprotonenresonanz in feuchten Lebensmitteln Vergleich: MRI-Temperaturmessung vs. Infrarotthermographie Vergleich: MRI-Temperaturmessung vs. Faseroptischer Sensor Simulation der Mikrowellenerwärmung Dreidimensionale Darstellungen von Temperaturverteilungen Temperaturverläufe in einzelnen Punkten Simulation der Mikrowellenerwärmung beliebig geformter Lebensmittel MRI-gestützte inline-beobachtung der Mikrowellenerwärmung Dreidimensionale Darstellungen von Temperaturverteilungen Temperaturverläufe in einzelnen Punkten Die Erwärmung einer Tortellini Validierung der ungeregelten Simulation der Mikrowellenerwärmung 121

4.5.1 Qualitativer Vergleich Simulation vs. Messung 121 4.5.2 Quantitativer Vergleich Simulation vs. Messung 125 4.

5 4.5.1 Qualitativer Vergleich Simulation vs. Messung Quantitativer Vergleich Simulation vs. Messung Die geregelte Simulation zur Mikrowellenpasteurisation Zusammenfassung 6 Zukunftstrends 6.1 Optimierungsprobleme 6.2 Mikrowellentrocknung Mikrowellenpasteurisation bzw. -Sterilisation 139 Literaturverzeichnis - A Anhang A.1 Quellcodes der verwendeten UDO-Skripte 153 A.1.1 Zylindrische Probe A.1.2 Kugelförmige Probe 154 A.1.3 Einlesen von MATLAB -Matrizen 154 A.2 Das Programm SIMCON 154 A.2.1 Graphische Benutzeroberfläche 155 A.2.2 Umformen des FEMLAB -Modells 155 A.2.3 Starten von QuickWave-3D 155 A.2.4 Umformen der QuickWave-3D -Matrizen 156 A.2.5 Übergabe der Verlustleistung an FEMLAB 156 A.3 Das Programm SIMULATION ANALYSIS 156 A.3.1 Graphische Benutzeroberfläche 156 A.3.2 simul_t_mw A.3.3 simul_t_mw_slw 15 7 A.3.4 simul t_movie A.3.5 simul_t_pointer A.3.6 simul_t_homogeneity und simul_t_homogeneity_movie A.4 Das Programm MWPAST 159 A.5 MRI-Pulssequenz zur Messung von Temperaturen 160 A.6 Automatisierung der MRI-Messungen 161 A.7 Das Programm MRI-TAnalysis 161 A.7.1 Graphische Benutzeroberfläche 1 61 IV

6 A.7.2 nmrj_mw 162 A.7.3 nmrj_mw_slw 162 A.7.4 nmm_movie 162 A.7.5 nmr_tsd_pointer 162 A.7.6 nmr_t_homogeneity und nmr_t_homogeneity_movie 162 A.8 Das Programm zum Vergleich von MRI- und IR-Thermographie 163 A.9 Das Programm SIMULATION-MRI-VAUDATION 163 A.9.1 Graphische Benutzeroberfläche 163 A.9.2 nmr_simul_mw_tempvgl_single_p.m 164 A.9.3 nmr_simul_mw_tempvgl_times.m 164 A.10 Lebenslauf 165

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