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Impressum
Gestaltung der Eigenschaften expandierter stärkebasierter Produkte mittels Hochgeschwindigkeitsextrusion auf der Grundlage einer neuronumerischen Prozessführungsstrategie
Projekt
Förderkennzeichen: AiF 332 ZN
Laufzeit: 01.01.2009
- 31.12.2012
Fördersumme: 892.850 Euro
Forschungszweck: Angewandte Forschung
Die Kochextrusion expandierter (poröser) stärkebasierter
Produkte in der Lebens-, Futtermittelund
Verpackungsindustrie birgt Potenziale durch
reduzierte Prozesskosten, hohe Hygienestandards
und konsumentenorientierte Produkte von
hohem ‚Convenience’-Grad. Der jährliche Umsatz
mit diesen Produkten ist daher stark steigend.
Trotz intensiver Forschungsarbeiten seit
den 70er Jahren beruht die Entwicklung der
Produkte aber immer noch hauptsächlich auf
empirischem Wissen und den Erfahrungen der
Mitarbeiter. Prozessbedingte Produktveränderungen,
wie Textur, Knackigkeit oder Rehydratationsvermögen,
die insbesondere durch das Expansionsverhalten
der Produkte beeinflusst
werden, lassen sich im Wesentlichen nur experimentell
bestimmen. Dadurch werden in der
Entwicklungsphase Ressourcen gebunden. Kritisch
ist insbesondere der Einsatz neuer, unbekannter
Rohstoffe (z. B. ernährungsphysiologisch
wertvoller Mehle/Grieße mit hohen Faseranteilen
und der Einsatz thermomechanisch labiler
Inhaltsstoffe, wie sekundärer Pflanzenstoffe)
oder das Arbeiten in bislang nicht genutzten
Prozessparameterfenstern, wie sie die Hochgeschwindigkeitsextrusion,
eine innovative, in
der Kunststoffverarbeitung bereits genutzte
Technologie bietet. Stabile Produktionsprozesse
werden bei solch neuen Randbedingungen nur
mit hohem materiellem und zeitlichem Aufwand
erreicht. Fehlendes grundsätzliches Prozessverständnis,
die Unzugänglichkeit vieler wichtiger
Prozessgrößen, die – im Gegensatz zu in der
chemischen Industrie eingesetzten Kunststoffen
– deutlich höhere mechanische Sensitivität der
Biopolymermoleküle (insbesondere des Amylo-
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pektins) und ein hoher Grad an Wechselwirkungen
zwischen Rohstoff-, Maschinen- und Prozessparametern
erlaubten es bis heute nicht, intelligente
Prozessführungsstrategien zu implementieren
und diese für zielgerichtete Produktentwicklungen
oder eine Erweiterung des nutzbaren
Prozessparameterfensters einzusetzen.
Selbst für konventionelle Extrusionsprozesse ist
daher eine gezielte Prozessauslegung für gewünschte
Produkteigenschaften schwierig. Eine
Extrapolation hin in bislang unbekannte Prozessparameterbereiche
ist heute unmöglich. Daher
stoßen Apparatebau und Lebensmittelwirtschaft
auf hohe Schwierigkeiten bei der Einführung innovativer
Extrusionstechnologien aus der Kunststoff-
in die Lebensmittelverarbeitung. Die in der
chemischen Industrie seit über 10 Jahren eingeführten
Hochgeschwindigkeitsextruder arbeiten
mit Drehzahlen bis 1.800 min-1 statt der heute
üblichen max. 400 - 650 min-1, wobei sowohl
das spezifische Drehmoment als auch das freie
Schneckenvolumen vergrößert wurden. Dies ermöglicht
bei nahezu gleichen Investitionskosten
eine Durchsatzerhöhung auf das bis zu Vierfache
und damit eine Produktivitätssteigerung und Betriebskostenreduktion.
In der Lebensmittelindustrie
wird v. a. ein Verlust an Produktqualität
durch eine erhöhte mechanische Beanspruchung
der Produkte befürchtet, wobei keinerlei belastungsfähige
Daten vorliegen. Die benötigten
aufwändigen Versuche zur Analysen der Auswirkung
der neuen Prozessparameter auf das
Expansionsverhalten stärkebasierter extrudierter
Produkte, deren molekulare Zusammensetzung
und wichtige konsumentenrelevante Eigenschaften,
haben multinationale Lebensmittelkonzerne
gerade begonnen. Kleinere und mittlere Unternehmen
(KmU) können den hierfür benötigten
Forschungsaufwand nicht leisten. Um Zugang zu
dieser neuen Technologie, und damit zu Kostenvorteilen
und Produktinnovationen bekommen zu
können, benötigen kmU aber nicht nur Daten
über Prozess- und Produktverhalten, sondern
auch Unterstützung bei der Ausarbeitung einer
zielgerichteten Regelungsstrategie zur Prozessführung
und Produktentwicklung.
Die geplanten Arbeiten sollen damit die Basis für
die Einführung der innovativen Extrusionstechnologie
aus der Kunststoff- in die Lebensmittelbranche
legen. Hierzu sollen disziplinübergreifende
neuartige methodische Forschungsansätze
genutzt werden: die mehrstufige online-
Rheometrie zur Ermittlung des viskoelastischen
Stoffverhaltens als Basis zur besseren Beschreibung
der Expansion und hybride wissensbasierte
neuronumerische Prozessmanagementverfahren
als Basis für die Modellierung, Diagnose und
Prognose von Prozess- und Produktverhalten unter
diesen neuen Randbedingungen. Diese Methoden
liefern nicht nur Daten zur Mehrung des
Wissens im Bereich der expandierenden Extrusion
und erhöhen damit das Prozessverständnis,
sondern reduzieren auch den Aufwand in der
Prozess- und Produktentwicklung wesentlich
und ermöglichen eine stabile kostensparende
Prozessführung, was gerade kmU bei der Einführung
dieser Technologie unterstützen wird und
ihnen einen erheblichen Wettbewerbsvorteil in
einem globalisierten Markt sichern kann.
Daneben werden durch diese Arbeiten die stark
von kmU geprägten Branchen der Informationstechnologien
und rheologischen Messtechniken
dabei unterstützt, Zugang zu dem neuen, bislang
fast unerschlossenen Markt der Extruderhersteller
bzw. der Extrusionstechnik-Anwender v. a. in
der Lebensmittelindustrie zu bekommen, so dass
dieses disziplinübergreifende Projekt auch einen
branchenübergreifenden Nutzen verspricht.
Ziel des Forschungsvorhabens ist in eine experimentelle,
aus Produktsicht modellhafte Beschreibung
der Auswirkung technisch neu zugänglicher
Extrusionsparameter (Hochgeschwindigkeitsextrusion,
Drehzahlen bis zu
1.800 min-1) auf die Expansion kochextrudierter
stärkebasierter Produkte und ausgewählter,
durch die Expansion bedingter, konsumentenrelevanter
Produkteigenschaften. Die dabei betriebene
Sammlung von Informationen zum Produkt
und Prozess dient zugleich der Realisierung des
zweiten Ziels des Vorhabens, nämlich der Erarbeitung
einer selbstlernenden, intelligenten Prozessführungsstrategie,
die es ermöglichen soll,
Hochgeschwindigkeitsextrusionsprozesse kosteneffizient
auszulegen und stabil zu führen sowie
Produkte auch aus neuen Rohstoffen zielgerichtet
zu entwickeln.
Abschnittsübersicht
Fachgebiete
- Verfahrenstechnik Lebensmittel
Ausführende Einrichtung
Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik Teilinstitut I: Lebensmittelverfahrenstechnik (LVT)
