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Verbesserung von Trocknungsprozessen pflanzlicher Rohstoffe durch prozessinduzierte Verringerung von Stofftransportwiderständen
Projekt
Förderkennzeichen: AiF 17161 N
Laufzeit: 01.01.2011
- 31.12.2014
Fördersumme: 397.500 Euro
Forschungszweck: Angewandte Forschung
Der Wasserentzug ist einer der wichtigsten Stofftransportprozesse in der Lebensmittelindustrie. Hierfür werden verschiedene Verfahren eingesetzt, wobei insbesondere die konventionell weit verbreiteten Trocknungsprozesse mit einem Phasenübergang des Wassers unter Zufuhr thermischer Energie sehr kosten- und zeitintensiv sind. Bei der Trocknung von pflanzlichen Rohstoffen wird der Wasserabtransport durch vorhandene Zell- und Gewebestrukturen erschwert, die eine Stoffübergangs-/Diffusions-, aber auch Wärmedurchgangsbarriere darstellen. Da es sich bei der Trocknung um einen gekoppelten Prozess handelt, wird die Trocknungskinetik vom jeweils langsameren Prozess bestimmt. Ob hierbei die Stoffübergangswiderstände gegenüber den Wärmeübergangswiderständen dominieren, hängt vom Trocknungsverfahren und von der Produktstruktur ab.
Ein Aufschluss der Zellmembranen sowie eine Verbesserung der Diffusionsvorgänge innerhalb des Gewebes, z.B. durch Ultraschall (US) oder Hochspannungsimpulse (HSI), ermöglicht eine leichtere und/oder vollständigere Wasserentfernung. Allerdings war es bislang nicht möglich, die dafür verantwortlichen Mechanismen aufzuklären, da eine entsprechende zerstörungsfreie lokale Online-Messtechnik fehlte. So konnten die im erfahrungsbasierten Trial-and-Error-Verfahren für Einzelfälle gefundenen Prozess- oder Produktverbesserungen nicht zur Ausarbeitung neuer Verfahrenskonzepte oder zu einer gezielten Optimierung genutzt werden.
Grundlage der Permeabilisierung mit Hochspannungsimpulsen (HSI) ist die irreversible Bildung von Poren in biologischen Membranen durch die Anwendung elektrischer Felder. Dadurch wird die limitierende Wirkung der Zellmembran bei Stofftransportprozessen aufgehoben. Der Einfluss von Ultraschall auf Stofftransportprozesse basiert auf der Minimierung interner und externer Widerstände für den Wärme- und Stofftransport (Diffusionsbarrieren bzw. Grenzschichtbildung). Vor allem die als Kavitation bezeichnete und durch den zyklischen Wechseldruck verursachte Implosion von Gasblasen sowie daraus resultierende Mikroströmungen können auch Grenzflächen beeinflussen und so externe Widerstände gegen den Stofftransport im Produkt sowie den Stoffübergang an der Produktoberfläche verringern.
Ziel des Forschungsvorhabens ist es, ein besseres Verständnis zum Einfluss von innovativen Prozessen, wie der Ultraschall- und HSI-Technik, auf die Trocknungsvorgänge in pflanzlichen Lebensmitteln zu erhalten und dieses für die gezielte Prozessentwicklung von neuen Trocknungskonzepten bzw. für eine Verbesserung der Produktqualität zu nutzen. Dabei sollen unter Einsatz der Magnetresonanztomographie die nachgewiesenen Verbesserungen von Trocknungsprozessen bezüglich des zu Grunde liegenden Mechanismus auf der Ebene der Gewebestruktur aufgeklärt sowie durch systematische Untersuchungen von verschiedenen Rohwaren (Apfel, Karotte, Kartoffel) und Trocknungsprozessen (Warmlufttrocknung, Gefriertrocknung, Mikrowellentrocknung) eine Datengrundlage für eine spätere Implementierung in den industriellen Maßstab gegeben werden.
Abschnittsübersicht
Fachgebiete
- Verfahrenstechnik Lebensmittel