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 2.1.4 Gründe inhomogener Erwärmung im Mikrowellenfeld 16 2.1.5 Simulation von Mikrowellenprozessen 19 2.2 Wichtige (physikalische) Eigenschaften von Lebensmitteln 22 2.2.1 Dielektrische Eigenschaften 22 2.2.2 Wasseraktivität und Sorptionsisotherme 22 2.2.3 Wärmetransporteigenschaften 23 2.2.4 Stofftransporteigenschaften 23 2.2.5 Mischungsgleichungen 25 2.3 Messung der Temperaturverteilungen in Körpern im Mikrowellenfeld 26 2.3.1 Thermoelemente 26 2.3.2 Faseroptische Sensoren 27 2.3.3 Modellsubstanzen 28 2.3.4 Infrarotthermographie 29 2.3.5 Mikrowellenradiometrie 31 2.3.6 Flüssigkristallfolien 32 2.3.7 Thermopapier 34 2.3.8 Bildgebende Magnetische Resonanz zur Messung dreidimensionaler Temperaturverteilungen 35 2.4 Bildgebende Magnetische Resonanz 36 2.4.1 Geschichte der magnetischen Kemspinresonanz 36 2.4.2 Theoretische Grundlagen zur magnetischen Kernspinresonanz 37 2.4.3 Magnetresonanzmessung 41 2.4.4 Temperaturmessung mittels MRI 43 2.5 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 3.1.2 Herstellung 50 3.2 Bestimmung der Eigenschaften des Modelllebensmittels 51 3.2.1 Bestimmung dielektrischer Eigenschaften im Mikrowellenfrequenzbereich 51 3.2.2 Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit 51 3.2.3 Bestimmung der Wärmekapazität 53 3.2.4 Bestimmung der Selbstdiffusionskoeffizienten 54 3.2.5 Bestimmung von Tortuosität und Porenradius 55 3.2.6 Bestimmung der Viskosität der flüssigen Phase 55 3.2.7 Messung der Wasseraktivität (Sorptionsisotherme) 56 3.2.8 Bestimmung der Dichte der flüssigen und festen Phase 57 3.2.9 Bestimmung der Siedetemperatur der flüssigen Phase 57 3.2.10 Bestimmung der mikrobiellen Stabilität 57 3.3 Simulation von Mikrowellenprozessen 58 3.3.1 Das Software-Paket QuickWave-3D 58 3.3.2 Das Software-Paket FEMLAB 61 3.3.3 Das Interface SIMCOW zur Kopplung von QuickWave-3D und FEMLAB 64 3.3.4 Das Programm SIMULATION ANALYSIS"zur Auswertung der Simulationen 65 3.3.5 Das Programm MWPAST zur Regelung der simulierten Mikrowellenerwärmung 68 3.4 Magnetresonanzmessungen 71 3.4.1 Der MRI-Tomograph 71 3.4.2 Messparameter 73 3.5 Chemical Shift"der Wasserprotonenresonanz in feuchten Lebensmitteln..74 3.6 Iniine-Beobachtung der dreidimensionalen Temperaturverteilung während der Mikrowellenerwärmung 75 3.6.1 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.80 3.8 Validierung der simulierten Mikrowellenerwärmung 81 3.8.1 Validierung der Simulationen in einzelnen Punkten 81 3.8.2 Validierung der Simulationen in Schnittflächen 82 4 Ergebnisse 85 4.1 Die Eigenschaften des Modelllebensmittels 85 4.1.1 Dielektrische Eigenschaften 85 4.1.2 Wärmekapazität 88 4.1.3 Viskosität der flüssigen Phase 91 4.1.4 Tortuosität und Porenradius 92 4.1.5 Wasseraktivität und Sorptionsisotherme 93 4.1.6 Diffusionskoeffizienten 94 4.1.7 Dichte der flüssigen und festen Phase 96 4.1.8 Siedetemperatur 97 4.1.9 Mikrowelle Stabilität 98 4.2 Validierung der MRI-Temperaturmessung 99 4.2.1 Chemical Shift"der Wasserprotonenresonanz in feuchten Lebensmitteln 99 4.2.2 Vergleich: MRI-Temperaturmessung vs. Infrarotthermographie 100 4.2.3 Vergleich: MRI-Temperaturmessung vs. Faseroptischer Sensor 103 4.3 Simulation der Mikrowellenerwärmung 104 4.3.1 Dreidimensionale Darstellungen von Temperaturverteilungen 105 4.3.2 Temperaturverläufe in einzelnen Punkten 107 4.3.3 Simulation der Mikrowellenerwärmung beliebig geformter Lebensmittel 110 4.4 MRI-gestützte inline-beobachtung der Mikrowellenerwärmung 112 4.4.1 Dreidimensionale Darstellungen von Temperaturverteilungen 112 4.4.2 Temperaturverläufe in einzelnen Punkten 114 4.4.3 Die Erwärmung einer Tortellini 118 4.5 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 4.6 Die geregelte Simulation zur Mikrowellenpasteurisation 128 5 Zusammenfassung 6 Zukunftstrends 6.1 Optimierungsprobleme 6.2 Mikrowellentrocknung 133 137 137 138 6.3 Mikrowellenpasteurisation bzw. -Sterilisation 139 Literaturverzeichnis - A Anhang 141 153 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 158 154 157 15 7 15 8 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
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