Temperatureinfluss auf das Sorptionsverhalten hygroskopischer Güter

Vortrag von Herrn Fabian Künning, Hochschule Bremerhaven

Inhaltsverzeichnis

	Allgemeine Darstellung
	Messungen – Aufbau und Ablauf
	Ergebnisse
	Fazit und Ausblick

Allgemeine Darstellung

Zu Beginn einige Definitionen:

	Hygroskopie: Erzeugnisse reagieren auf den Feuchtigkeitsgehalt der Luft durch Abgabe oder Aufnahme von Wasserdampf
	Wassergehalt: prozentualer Anteil des Wassers an der Gesamtmasse der Erzeugnisse
	Sorptionsisotherme: Gleichgewichtszuordnung des Wassergehalts und der relativen Luftfeuchtigkeit bei einer konstanten Temperatur

Es folgen einige wichtige Einflussgrößen:

	Relative Feuchte der Umgebungsluft Diese kann z. B. durch Ventilation und Lüftung abgeführt werden.
	Wassergehalt des Erzeugnisses Dieser kann durch Trocknung im Vorfeld reduziert werden, was aber bei vielen Produkten nicht erwünscht ist (z. B. Erdbeeren)
	Temperatur Hier kann durch temperaturgeführte Transporte die Solltemperatur beeinflusst werden.

Anwendungsbeispiel

Dieses Diagramm zeigt eine Sorptionsisotherme für Roggen, sowie den Arbeitspunkt eines theoretischen Transportes:

Der Arbeitspunkt (der schwarze runde Punkt) zeigt die Bedingungen im Container zu Beginn des Transportes an. Er wird durch den Wassergehalt des Gutes und durch die relative Luftfeuchte bestimmt und liegt in diesem Fall oberhalb der Sorptionsisotherme.

Unter der Annahme eines unbelüfteten Laderaumes würde sich dieser Arbeitspunkt parallel zur x-Achse nach rechts verschieben, da die Masse an enthaltenem Wasser im Gut die Wassermasse der Umgebungsluft deutlich übersteigt. Das Gut würde nun Wasser an die Luft abgeben und die rel. Luftfeuchtigkeit erhöhen, bis sich das Feuchtegleichgewicht eingestellt hat und somit die rel. Luftfeuchte nicht mehr verändert wird. Bei Erreichen bzw. Überschreiten der kritischen Grenze der rel. Luftfeuchtigkeit von 75% bis 80%, der sog. Schimmelgrenze, besteht eine erhöhte Gefahr der Schimmelbildung.

Um dies zu vermeiden, können verschiedene Maßnahmen ergriffen werden, z. B. Lüftung oder Trocknung.

Im nächsten Diagramm liegt der Arbeitspunkt unterhalb der Sorptionsisotherme. Hier würde er sich parallel zur x-Achse nach links verschieben. Das Gut nimmt Wasser aus der Luft auf und die rel. Luftfeuchtigkeit verringert sich.

Hier kann u. U. die Gefahr einer Austrocknung des Gutes bestehen. Als Maßnahme kann evtl. durch Ventilation Feuchtigkeit aus der Umgebung zugeführt werden.

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Messungen – Aufbau und Ablauf Zunächst wurden die zu untersuchenden Güter im Klimaschrank auf bestimmte Temperaturen und rel. Feuchten vorklimatisiert. Durch Zwischenwägungen wurde kontrolliert, ob bei den Gütern Gewichtsveränderungen auftraten. Sobald die Masse konstant blieb, konnte von einer ausreichenden Klimatisierung ausgegangen werden.

Im Anschluss der Klimatisierung wurde der Wassergehalt der Prüfmuster unter Einsatz einer Trocknungswaage bestimmt. Dazu wurde die enthaltene Wassermasse der Prüfmuster ermittelt und ins Verhältnis zur jeweiligen Feuchtmasse (Wassermasse + Trockenmasse) gesetzt.

Die Messungen weisen Ungenauigkeiten auf, da im Rahmen einer Voruntersuchung nur 5 Messpunkte ohne statistische Absicherung ausgewertet wurden.

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Ergebnisse

Aus den 5 Messpunkten wurde per Polynominterpolation die Sorptionsisotherme ermittelt, was in der folgenden Abbildung zu sehen ist:

Naturgemäß weisen verschiedene Güter unterschiedliche Hygroskopizitäten (Sorptionsverhalten) auf. Im folgenden Diagramm sind die Sorptionsisotherme für Tonerde, Roggen und Zucker jeweils bei 20°C dargestellt:

Trockenmittel weisen z. B. ein sehr hohes Sorptionsverhalten auf, sie entziehen der Luft viel Feuchtigkeit. Tonerde hat die Eigenschaft eines Trockenmittels. Ihr Wassergehalt ist schon bei einer rel. geringen Luftfeuchte von 40% hoch und steigt mit zunehmender Luftfeuchte steil an.

Anhydride Güter wie z. B. kristalliner Zucker nahmen bis zu einer bestimmten, schon recht hohen rel. Feuchte von über 80% praktisch kein Wasser auf, was an dem horizontalen Verlauf der Sorptionsisotherme nahe der y-Achse erkennbar ist. Bei einer noch höheren rel. Feuchte würde die Kurve irgendwann abrupt stark ansteigen – und zwar bei Erreichen der sog. Fließgrenze.

Im nächsten Diagramm wurde ein Temperaturvergleich vorgenommen. Dazu wurde für ein Gut (gemahlener Roggen) bei zwei unterschiedlichen Temperaturen (20°C und 40°C) die Sorptionsisothermen ermittelt:

Es ist deutlich zu erkennen, dass die Kurve für 20°C höher liegt als die für 40°C.

Für die Transport-Praxis bedeutet dies, dass bei niedrigeren Temperaturen während eines Transportes die Schimmelgrenze von 75% rel. Luftfeuchte im luftdicht verschlossenen Laderaum erst bei einem höheren Wassergehalt des Gutes erreicht wird. Oder anders formuliert: Bei gleichem Wassergehalt des Transportgutes und niedrigerer Temperatur stellt sich im Gleichgewichtszustand eine geringere relative Luftfeuchte ein.

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Fazit und Ausblick

Fazit:

	Das Erzeugnis schafft sich sein eigenes Raumklima im geschlossenen System.
	Die Temperatur beeinflusst die Gleichgewichtsbedingungen.
	Eine Absenkung der Temperatur verschiebt die Kurvenverläufe von Sorptionsisothermen i. d. R. zu höheren Funktionswerten. In einem luftdicht verschlossenen Laderaum begründet dieses im Feuchtegleichgewicht vergleichsweise geringere Werte der relativen Luftfeuchtigkeit.

Ausblick:

	Für viele Stoffe wurden bisher keine Sorptionsisotherme erfasst.
	Es werden ständig neue Verpackungen entwickelt. Deren Hygroskopieverhalten und Einfluss auf das sich einstellende Kryptoklima innerhalb eines unbelüfteten Laderaumes müssen erst untersucht werden.

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