Neutronen zeigen Details des Trocknungsprozesses der Gefriertrocknung

Haltbar und frisch

„Die Gefriertrocknung ist ein Verfahren, das vor allem in der Pharmazie und Lebensmittelbranche zum Einsatz kommt“, erklärt Sebastian Gruber, Erstautor der Studie und Doktorand der Lebensmitteltechnologie an der TUM.

Bei der Gefriertrocknung werden wasserhaltige Objekte eingefroren und in einer Vakuumkammer platziert. Bei Unterdruck wird dann Wärme zugeführt, woraufhin das gefrorene Wasser sublimiert, also direkt von seinem festen in den gasförmigen Zustand übergeht. Zurück bleibt die entwässerte, unveränderte Struktur des Materials.

Aus diesem Grund sehen gefriergetrocknete Himbeeren aus wie frisch vom Strauch. Doch es kommt nicht nur auf die Optik an: Nahrungsmittel behalten ihren Geschmack und Medikamente werden haltbar gemacht, ohne ihre Wirksamkeit zu verlieren.

In der Literatur existieren theoretische Modelle über den Gefriertrocknungsprozess. „Bisher hat aber noch nie jemand experimentell überprüft, nach welchem Muster das Eis in Partikeln tatsächlich sublimiert“, betont Sebastian Gruber. Genau dieser Sublimationsfront, also dem Bereich, in dem das Eis verdampft, gilt daher das Interesse der Forschenden.

Die Neutronen-Radiographie-Anlage ANTARES an der Garchinger Forschungs-Neutronenquelle bietet die idealen Voraussetzungen für das Experiment. Denn Neutronen machen Wasser sehr gut sichtbar. „ANTARES eignet sich außerdem besonders gut, Proben bei niedrigem Druck und tiefen Temperaturen, zu untersuchen", erklärt der Instrumentwissenschaftler Dr. Michael Schulz von der TUM.

Mit der Neutronenradio- und -tomographie und den daraus entstandenen 2D- und 3D-Bildern zeigen die Wissenschaftler, dass das Eis in den Partikeln ihrer Zuckerprobe sowohl radial sublimiert, als auch planar vom Boden in Richtung Schüttungsmitte.

„Unser Ziel ist, die Forschung beim Gefriertrocknungsverfahren weiter voranzutreiben, um in Zukunft bessere Prozessbedingungen zu schaffen“, erklärt Sebastian Gruber die Motivation der Forschung. „Denn sind Partikelgröße, Druck oder Temperatur beim Sublimationsprozess nicht optimal aufeinander abgestimmt, kann es zu einem strukturellem Kollaps und damit zu Qualitäts- oder Wirkstoffverlust kommen.“

Aktuell wirkt die Industrie diesen unerwünschten Phänomenen mit langsameren Trocknungsprozessen entgegen. Das nun experimentell bestätigte Verhalten der Sublimationsfront könnte daher dazu beitragen, diesen Zeitaufwand zu minimieren und damit Energie und Kosten sparen.