Trocknung in der industriellen Produktion

Bei der Produktion, Aufbereitung oder Verarbeitung von Feststoffen stellt die Trocknung meist einen wesentlichen Prozessschritt dar. Dabei benötigt sie in vielen Fällen einen großen Anteil der im Produktionsprozess verbrauchten Energie sowie der benötigen Zeit und des Raumvolumens.

Dies ist nachteilig, da die Trocknung oftmals nur ein notwendiger, nicht aber wertschöpfender Teilprozess ist. Sie dient beispielsweise der Konservierung des Trocknungsgutes (Haltbarkeit, Stabilität von Lebensmitteln, Schlämmen, etc.) oder der Gewichtsreduzierung (Abfälle, Baustoffe, Schlämme, etc.). Gegebenenfalls muss das enthaltene Wasser auch zur Vorbereitung des nächsten Verarbeitungsschrittes entfernt werden (Automobilindustrie, Kunststoffe, Textilindustrie, Lebensmittel, etc.).

Bei der Trocknung wird einem feuchten Feststoff durch Verdampfen Feuchtigkeit entzogen. Dafür muss dem Gut Energie zugeführt werden.

Dieser Energieeintrag kann erfolgen durch

• Konvektion – mithilfe eines Trägergases, z. B. Heißluft, überhitzter Dampf oder ein Inertgas
• Konduktion – über heiße Kontaktflächen
• Strahlung – Mikrowellen, Infrarot, Solarwärme

Neben der Wärmeübertragung spielt bei der Trocknung auch die Stoffübertragung eine wesentliche Rolle. Üblicherweise werden bei industriellen Trocknungsprozessen unterschiedliche Effekte und Verfahren gezielt kombiniert, um für ein spezielles Produkt ein besonders geeignetes Trocknungsergebnis zu erhalten.

Die Qualität des einzelnen Produktes mit seinem individuellen Trocknungsverhalten steht dabei immer im Vordergrund und daran muss sich der Prozess orientieren. Essenziell für ein erfolgreiches Trocknungsergebnis ist das Einbeziehen sekundärer verfahrenstechnischer Prozesse wie die Vor- und Nachbehandlung des Produktes, die Fördertechnik und die Strömungsführung.

Das Verfahren zur Trocknung mit überhitztem Dampf haben wir in einer Vielzahl von Projekten mit der Industrie für verschiedenste Anwendungen erprobt.

Mineralische Rohstoffe

• Bei der Trocknung eines schüttgutförmigen Rohstoffs wurde eine Zeitersparnis von 30 Prozent im Vergleich zu bestehenden Heißlufttrocknern erreicht. Dies bedeutet wiederum eine Reduzierung der Trockenraumgröße um ein Drittel oder einen entsprechend höheren Durchsatz.

Trocknung von Baumaterialien

• Bei ersten Versuchsreihen mit einem kontinuierlichen Technikumstrockner war es möglich, die Trockenzeit von 4 bis 6 Stunden auf unter 3 Stunden zu reduzieren. Dies entspricht einer Zeitersparnis von 25 bis 50 Prozent.

Lebensmittel

• Im Bereich der Lebensmitteltrocknung wurden ebenfalls erhebliche Zeiteinsparungen erreicht. Bei Apfelchips wurde die Trockenzeit von 8 Stunden ohne Qualitätsverluste um 90 Prozent auf 50 Minuten verringert. Auch bei Lebensmittelrohstoffen auf Kartoffelbasis verringerte sich die Trocknungszeit um mehr als 90 Prozent (von 7 Stunden auf 30 Minuten).

DryCheck – Elektrisches Impedanz-basiertes System zur Überwachung der Trocknungsvorgänge von Wurstwaren

• Das Projekt wird KMUs ein praktisches, multisensorisch-basiertes Tool zur Erleichterung der Überwachung und Kontrolle der Qualität von trockenen, fermentierten Würsten während der Trocknung bieten.
• mehr Info

Futtermittel

• Bei diversen Futtermitteln konnte die Trocknungszeit von 35 auf 10 Minuten verringert werden. Dabei wurde die Dampftrocknung sogar bei einer um 10 °C geringeren Temperatur als die Heißlufttrocknung durchgeführt. Durch die geringeren Wärmeverluste verringert sich auch der Energieverbrauch.

Hygienisierung

• Anhand systematischer Versuche konnten wir zeigen, dass sich die Dampftrocknung auch zur Hygienisierung von Lebensmitteln eignet. Die Keimbelastung künstlich kontaminierter Champignons und Paprikas mit Zellen von E. coli und Bacillus-Endosporen konnte um 7 Logarithmusstufen reduziert werden.

Überhitzter Dampf zur Trocknung dagegen bietet hervorragende Möglichkeiten, um den Trocknungsprozess im Hinblick auf Trockenzeit, Energieverbrauch und weitere Parameter wesentlich effizienter zu gestalten. Das Fraunhofer IGB stellt industriellen Anwendern einen Prozess bereit, bei dem die Produkte in einer reinen Dampfatmosphäre bei Atmosphärendruck getrocknet werden. Mit mehreren Anlagen im Labor- und Technikumsmaßstab können für Kunden Forschungs- und Entwicklungsaufgaben zu potenziellen Produkten wie Baustoffe, Futtermittel, Lebensmittel oder organische Dünger erbracht werden.

Für die Forschung, Entwicklung und Prozessapplikation im Auftrag industrieller Kunden verfügt das Fraunhofer IGB über stationäre und mobile Labor- und Technikumsanlagen. Dies umfasst auch die Ausstattung zur analytischen Bewertung sowie leistungsfähige Software-Tools zur Simulation und Konstruktion für den Bau von Prototypen.

Unsere FuE-Dienstleistungen im Überblick:

• Wissenschaftliche Beurteilung, Beratung, Untersuchungen zu Aufgaben der Trocknung und des Wärmeübergangs
• Entwicklung eines nach den individuellen Bedürfnissen des Kunden applizierten Anlagenkonzepts
• Prozessauslegung durch ein interdisziplinäres Team aus den Bereichen Verfahrenstechnik, Maschinenbau, Chemie, Mikrobiologie und Elektrotechnik
• Technikumsanlagen für Vorversuche
• Produktbezogene Beurteilung der Trocknung durch umfangreiches Analytikangebot
• Konstruktive Spezifizierung des Prozesses und der Anlagenkomponenten, u. a. mit der integrierten Kombination aus 3-D-CAD-Konstruktion und numerischer Simulation von Strömungen, Wärmeübertragung etc. mit neuester Software
• Begleitung unserer Kunden von den ersten Voruntersuchungen bis zur Inbetriebnahme einer Anlage.

Für die Realisierung der entwickelten Anlagenkonzepte arbeiten wir mit einem Netzwerk qualifizierter Firmen des Maschinen- und Anlagenbaus zusammen.

Kontinuierlicher Bandtrockner

Zur Demonstration der Trocknungstechnik mit überhitztem Dampf bei Atmosphärendruck verfügt das Fraunhofer IGB über teilweise mobile Anlagen im Labor- und Technikumsmaßstab.

Bandtrockner (Technikum)

Technische Daten:

• Verdampfungsleistung: 50 kg/h bei einer Arbeitstemperatur von bis zu 250 °C
• Produkttransport: Gliederband ist Standard, andere Bänder können kundenspezifisch bestückt werden
• Konstruktion: nach den Standards der Lebensmittelindustrie mit der Möglichkeit von CIP

Das System ist nach oben geschlossen, jedoch nach unten atmosphärisch offen. Überschüssiger Dampf kann aufgrund der höheren Dichte in den unteren Teil absinken, dadurch wird gleichzeitig das Nachströmen der Umgebungsluft verhindert. Durch eine gezielte Abscheidung des überschüssigen Dampfs wird die Phasengrenzschicht zwischen überhitztem Dampf und Luft kontrolliert. Das Produkt durchläuft vier Kammern bzw. Zonen, in denen die Prozessparameter wie die Trocknungstemperatur und die Strömungsgeschwindigkeit einzeln eingestellt werden können. Die Erfassung und selektive Kondensation volatiler Stoffe ist möglich.

Konti-Trockner (Labor)

Technische Daten:

• Verdampfungsleistung: 1,5 kg/h bei einer Arbeitstemperatur von bis zu 250 °C
• Produkttransport: semi-kontinuierlich in Probegefäßen, geeignet für Schütt- und kleine Stückgüter
• Konstruktion: semi-mobil

Die selektive Einstellung aller relevanten Prozessparameter und die Erfassung und selektive Kondensation volatiler Stoffe ist möglich.

Batch-Trockner (mobil)

Technische Daten:

• Verdampfungsleistung: 7 kg/h bei einer Arbeitstemperatur von bis zu 160 °C
• Produkttransport: Batch, geeignet für Schütt- und Stückgüter
• Konstruktion: mobile Anlage für Vorversuche vor Ort

Die Anlage dient der prinzipiellen Qualifizierung des Prozesses, insbesondere bei Produkten, welche zeitkritisch direkt im Prozessschritt getrocknet werden müssen.