Lebensmittelverfahrenstechnik Master at Karlsruher Institut für Technologie

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Was sind die Grundlagen für Strömungen realer Fluide?

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Grundlagen des Stofftransports? Wo kommen solche Prozesse in LM-Herstellung vor?

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Was ist die Bedeutung des aw-Werts für Mikroorganismen?
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Messung der Sorptionsisotherme?

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Typische Wasseraktivitäten einiger Lebensmittel?

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Allgemeines zur Trocknung von LM? Wie lassen sich verschiedene “Produkttypen“ beschreiben? Generelle Modellvorstellung für Lebensmittel?

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Was sind die Kriterien zur Auswahl von Apparaten zur Trocknung von Lebensmitteln?
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Welche Arten der Führung der Gasphase relativ zum Gut gibt es bei der Trocknung? Beispiele?

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Wie lassen sich unterschiedliche Trocknungsweisen kategorisieren?

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Übersicht: Sprühtrockner?

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Wofür ist Sprühtrocknung besonders gut geeignet? Was sind Vorteile und Nachteile der Technik?
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Was ist Wirbelschichtsprühgranulation?

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Lebensmittelverfahrenstechnik Master

Was sind die Grundlagen für Strömungen realer Fluide?
- zwischen mit verschiedenen Geschwindigkeiten bewegten Fluidteilchen, sowie zwischen Fluidteilchen und Wänden treten durch Reibung hervorgerufene Widerstandskräfte auf.
- innere Reibung: ???
- äußere Reibung: ???

- weiterhin vernachlässigt werden Kompressibilität und die Wärmeausdehnung 

Lebensmittelverfahrenstechnik Master

Grundlagen des Stofftransports? Wo kommen solche Prozesse in LM-Herstellung vor?
Stofftransportprozesse kommen bei fast allen Verarbeitungsschritten in LM vor, zb:

Direkter Phasenkontakt:
- Einsalzen (Käse, Schinken)
- Wasserentfernung zur Trocknung durch Verdampfen/Verdunsten oder sublimieren von Feststoffen (Milchpulver, Gewürze, Tabak, Früchte, Gefriertrocknung, ...)
- Extraktion: selektives Herauslösen von Komponenten aus flüssigem/festen Stoffgemisch (zb. Zuckerextraktion aus Rübenschnitzeln; Öl-, Margarineherstellung; natürliche Farb- und Aromastoffe)
Kristallisation: Übergang eines Stoffes von gelöst zu fest (zb Herstellen von Zucker, Salz, Feinchemikalien (Vitaminen, Aminosäuren))
- Adsorption: selektive Bindung von Dämpfen, Gasen an die Oberfläche von Separatoren, selektives Anlagerung grenzflächenaktiver Stoffe an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeiten (zb Entfärben v. Pfl. Ölen, Wasseraufbereitung, Herstellung von W/O oder O/W Emulsionen)
-Absorption: selektive Bindung von Dämpfen, Gasen in Flüssigkeit, Aufnahme im Volumen (zb Karbonisieren von Getränken (Limonaden, Bier, Mineralwasser))
Destillation: einstufige Verdampfung von Flüssigkeitsgemischen und Kondensation des Dampfes (zb Herstellung von Spiritus, Spirituosen, Ätherischen Ölen)
- Rektifikation: mehrstufige Verdampfung von Flüssigkeitsgemischen und Kondensation des Dampfes (zb Herstellung von Spiritus, Spirituosen, ätherischen Ölen)

mit Trennschicht:
- Membrantrennverfahren: selektiver Stoffübergang einer flüssigen/gasförmigen Komponente über semipermeable Membran (zb Meerwasserentsalzung, Entalkoholisierung v Bier, Konzentrieren von Käsemolke, Zuckerlösungen, Obst und Gemüsesäften)

Unerwünschte Stofftransportprozesse:
- Aromaverluste bei der Verarbeitung
- Auslaugung von Inhaltsstoffen (zb Blanchieren)
- Diffusion von O2 + CO2 durch Packstoffe
-

Unterschieden wird:
1. Stofftransport durch Konvektion
2. Stofftransport durch Diffusion
3. Stofftransport durch Phasenwechsel

Lebensmittelverfahrenstechnik Master

Was ist die Bedeutung des aw-Werts für Mikroorganismen?
- MOs werden bei geringem aw-Wert nicht inaktiviert, aber können zur Vermehrung notwendige Substrate nicht aufnehmen
- aw beeinflusst alle Wachstumsphasen (lag-, log-, stationäre, Absterbephase)

Grenzwerte für Wachstum:
Bakterien: aw = 0,92 ... 0,86
Xerophile Pilze: aw = 0,7 ... 0,65
Osmophile Hefen aw = 0,80 ... 0,65
Xeromyces bisporus: aw = 0,605 (abs. Grenze)

Optimale aw ca 0,98-0,99

-> zum haltbar machen aw absenken!

- Trocknen/verdampfen
- Zugabe wasserlöslicher, mögl. niedermolekularer Substanzen

Achtung: größte Hitzeresistenz vieler MO: aw = 0,2 ... 0,3 (zb sterilisieren von Apparaten/Verpackungsmaterial 


Lebensmittelverfahrenstechnik Master

Messung der Sorptionsisotherme?
- geht nur im Gleichgewicht zwischen LM und Umgebung
- langwierige Messung

Im GG:
θ(L) = θ(LM) = const.
p(w, LM) = p (w, Luft) = const.
p(w)0(θ)=const.
Mit φ = 100 p(w, Luft)/p(w)0
-> φ messen! -> meist wird φ eingestellt über eine gesättigte Salzlösung für Kalibrierung
-> aw = φ/100

WG = X(GG) Gleichgewichtsfeuchte des Gutes [kgH2O/kgTS] wird gravimetrisch oder über Karl-Fischer-Titration bestimmt


Lebensmittelverfahrenstechnik Master

Typische Wasseraktivitäten einiger Lebensmittel?
0,99 - Getränke (Milch, Saft), Frischgemüse, -obst, -fleisch, Quark
0,98  - Weichkäse
0,95-0,97  - Würste, Hartkäse
0,86 - 0,92 Rohwurst (Salami), Rohschinken
0,8-0,9 Marmelade, Kuchen, Brot, Mehl, Reis, Ketchup
0,7-0,8 - hochkonzentrierte Marmelade, Getreide, Marzipan, Trockenobst
0,6-0,7 Honig, Rosinen, Nüsse, Müsli
0,5 - Gewürze, Teigwaren
0,4 - Eipulver
0,3 - Kekse
0,2 - Milchpulver

Lebensmittelverfahrenstechnik Master

Allgemeines zur Trocknung von LM? Wie lassen sich verschiedene “Produkttypen“ beschreiben? Generelle Modellvorstellung für Lebensmittel?
- sehr unterschiedliche Ausgangspunkte 

+ Produkte mit intakten Zellverbänden:
Wassertransport durch Gefäßsysteme und Membranen
Strukturerhalt: niedrige Trocknungstemperaturen

+ Pastenförmige Produkte (gelähnliche Strukturen):
Hohe Viskosität: interne Zirkulation vernachlässigbar

+ flüssige Produkte mit gelöster oder suspendierter TS:
Geringe Viskosität: interne Zirkulation -> interner Stofftransport
Deutlich höhere Trocknungstemperaturen möglich

-> Modellvorstellung poröser Körper

Lebensmittelverfahrenstechnik Master

Was sind die Kriterien zur Auswahl von Apparaten zur Trocknung von Lebensmitteln?
- Menge an Trocknungsgut? -> Trocknerleistung 
- Zahl der Produktwechsel? -> Reinigung, Wartung, Betriebskosten
- Energieausnutzung , Wirkungsgrad (ca. 10% der Energiekosten in der LM-Industrie sind Trocknungskosten)
- Eigenschaften des Gutes vor, während u. nach der Trocknung?
+ Konsistenz: körnig, pastös, flüssig
+ Temperaturempfindlichkeit: Proteine, Vitamine, Farbe, Aroma
+ Produktvolumen: zb bei Früchten (Zellerhaltung)
+ Wiederbefeuchtung: zb Milchpulver, Instantprodukte, ...

Lebensmittelverfahrenstechnik Master

Welche Arten der Führung der Gasphase relativ zum Gut gibt es bei der Trocknung? Beispiele?
Bei ruhendem Gut:
- parallel zur Gutsoberfläche
- Durchströmung von Schüttung

Bei bewegtem Gut:
- Gleichstrom
- Gegenstrom
- Kreuzstrom

Zb. Bandtrockner, Sprühtrockner

Lebensmittelverfahrenstechnik Master

Wie lassen sich unterschiedliche Trocknungsweisen kategorisieren?
Unterscheidungsmerkmal: Trocknertyp

Betriebsweise: absatzweise (Batch) - kontinuierlich

Art der Wärmezufuhr: Kontakt (Wärmeleitung) - Konvektion - Strahlung - Hochfrequenz - Mikrowellen

Trocknungsmedium: Luft - Rauchgas - überhitzter Dampf

Druck im Trocknungsraum: Normaldruck - Vakuum - Hochvakuum

Führung der Gasphase: natürlicher Umlauf - Zwangsumlauf - mit/ohne Abluftrückführung 

Konstruktion: Kammer-, Trommel-, Tunnel-, Band-, Rieselschacht-, Horden-, Zerstäubungs- oder Wirbelschichttrockner, Gefriertrocknung

Führung von Gut und Gasphase: Gleichstrom - Gegenstrom - Kreuzstrom

Lebensmittelverfahrenstechnik Master

Übersicht: Sprühtrockner?
Einsatz: Trocknung flüssiger Produkte, zb Milch, Eigelb, Gelatine, Albumin

Prinzip: Trockenraum d=2-5m, Höhe 10-20m, flüssiges Produkt wird am Kopf des Apparates durch Düsen oder rotierende Scheiben in den Trocknungsraum fein zerstäubt; typischer Durchsatz 200...1000l Produkt/h
Achtung: Gefahr der Staubexplosion!

Betriebsweise: kontinuierlich, (Batch)

Wärmezufuhr: Konvektion, Luftgeschwindigkeit 0,1..0,4 m/s

Luftzufuhr: Gegenstrom/Gleichstrom

Betriebsdruck: Normaldruck

Trocknungsleistung: 5...10 kgH2O/(hm^3Apparatevolumen)

Beispiel: Milch: erzeugte Tropfen d=10...200 μm -> T(End) < 40...50°C Restfeuchte ca 7%, 
Luft: T(ein) ~ 150...200°C, T(aus) ~ 70°C Gleichstrom

Lebensmittelverfahrenstechnik Master

Wofür ist Sprühtrocknung besonders gut geeignet? Was sind Vorteile und Nachteile der Technik?
Besonders gut für Massengüter
Zb Milch-, Molken-, Joghurtpulver, Stärke, Maltodextrine, Babynahrung, Tee-, Kaffeeextrakt, Kaffee/Cerealien-Mischungen, Eigelb, Gelatine

Vorteile:
- einfach zu beherrschende Technik
- kostengünstig
- relativ gute Aromaerhaltung auch bei kleinen Endfeuchten, steuerbar
- in Kombination mit Agglomeration/blow back gute Instanteigenschaften erzielbar

Probleme:
PGV (Partikelgrößenverteilung)
- Auslegung muss nach den größten Teilchen geschehen
- kleine Partikel “mehr als trocken“ -> Brandgefahr
-> Abscheidegrenze Zyklon -> blow back

Lebensmittelverfahrenstechnik Master

Was ist Wirbelschichtsprühgranulation?
Wirbelschichtsprühgranulation: Spezialverfahren zur Herstellung von Granulaten mit definierter Struktur aus Flüssigkeiten (Lösung, Suspension, Schmelze)

-> anwendungstechnische Vorteile (Produktdesign):
- definierte Partikelgrößenverteilung
- geringer Staubanteil
- frei fließend
- sphärische Gestalt
- abriebfest
- reduzierte Verbackungsneigung
- steuerbare Redispergierbarkeit
- steuerbare Freisetzungseigenschaften (Controlled Release)
- ...

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