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Untersuchungen zur Integration der Simultanen Homogenisier- und Misch- (SHM-) Technologie in konventionelle Homogenisationsprozesse mit Flachventilen zur Verarbeitung von Milchprodukten

Projekt

Ernährung und Verbraucherschutz

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Ernährung und Verbraucherschutz


Förderkennzeichen: AiF 16303 N
Laufzeit: 01.01.2010 - 31.12.2013
Fördersumme: 242.750 Euro
Forschungszweck: Angewandte Forschung

Hochdruckhomogenisiersysteme sind in technischen Prozessen weit verbreitet. Deutschlandweit werden sie zur Produktion von jährlich ca. 12 Mio. t Milchprodukten eingesetzt, wobei die Durchsätze bei bis zu einigen 10.000 l/h und die Drücke um 200 bar liegen. Durch das Homogenisieren können Produkteigenschaften wie Farbe, Konsistenz oder Geschmack verbessert und eine höhere Langzeitstabilität erreicht werden. Investitions- und Prozesskosten entstehen durch die zu homogenisierenden Produktmengen, die die Größe der Pumpen und die auf hohe Drücke zu verdichtende Volumenströme bestimmen, sowie durch Verschleißteile (z.B. Kolbenpackung und Flachventile). Insbesondere bei partikelhaltigen Produkten (wie Schokodrinks oder -desserts) sind die Standzeiten signifikant reduziert (z.B. 100 statt 700 h bei reiner Milch für die Kolbenpackungen). Beim Homogenisieren von Milch müssen selbst bei angepasster Materialwahl alle 2.000 bis 10.000 Betriebsstunden die Homogenisierventile gewechselt werden. Energieeinsparpotential bietet das Verfahren der Teilstromhomogenisierung. Allerdings ist dies heute auf einen Fettanteil von max. ca. 17 Vol.-% in der zu homogenisierenden Rahmphase begrenzt. Höhere Fettgehalte führen aufgrund von Koaleszenz und v.a. Aggregatbildung der Fettkugeln zu signifikant verschlechterten Produktqualitäten. Wünschenswert wäre eine Homogenisation bei im Prozess anfallenden Fettgehalten (32-42 % ab Separator). Im IGF-Projekt AiF 14073 N wurde ein Grundtyp einer simultanen Homogenisier- und Mischblende (SHM-Blende) entwickelt, mit dem im Labormaßstab Rahm bei Fettanteilen von bis auf 42 Vol.-% ohne Qualitätsverlust homogenisiert werden kann. Dies ermöglicht Energieeinsparungen um 65 bis zu 83% verglichen mit den konventionellen, heute eingesetzten Teilstrom- bzw. Vollstrom-Homogenisationsprozessen. Auch ist eine kostengünstige Kapazitätssteigerung bestehender Anlagen um den Faktor 3–13 vorstellbar. Daneben bietet diese Prozessführung die Chance, Partikeln (beispielsweise Kakao) homogen zu dispergieren, ohne über die Kolbenpackung oder das Ventil selber fahren zu müssen. Auch dies sollte zu einer deutlichen Verlängerung der Standzeit und damit verbunden zu deutlich reduzierten Investitions-, Umrüstungs-, Instandhaltungs- und Reinigungskosten führen. Auch eine Erhöhung der Rahmtemperatur zur Verbesserung der Zerkleinerungseffizienz und damit der Energieausnutzung beim Homogenisieren ist erst bei hohen Fettgehalten der Rahmphase ohne kritische Proteinschädigung umsetzbar, was die SHM- Technologie erstmalig ermöglicht. Bevor dieses wirtschaftlich interessante Potential in der milchverarbeitenden Industrie umgesetzt werden kann, müssen allerdings noch offene wissenschaftlich-technische Problemstellungen bearbeitet werden. Im Vordergrund stehen hierbei geometrische Randbedingungen, die bei der Zumischung von Magermilch direkt in die Zone der Tropfenzerkleinerung von Flachventilen eingehalten werden müssen, und wie sich veränderte Drücke oder Volumenströme auf diese auswirken. Hierzu sollen erste 'SHM-Flachventile' konstruiert, gebaut, in existierende Hochdruckhomogenisatoren integriert und experimentell untersucht werden. Wissenschaftlich hinterfragt werden muss zudem der Einfluss getrennt geregelter Temperaturführungen beider Stoffströme auf die Produktqualität, insbesondere die Möglichkeit einer Temperaturerhöhung der Rahmphase. Da Produkte mit abrasiven Partikeln bei der Hochdruckhomogenisation einen wichtigen Kostenfaktor darstellen, soll geprüft werden, wie gut Partikel wie Kakao in den neuen SHM-Flachventilen dispergiert werden können. Fragen der Integration von SHM-Flachventilen in bestehende Prozesslinien, v.a. in die Wärmebehandlung der Milchprodukte sind ebenfalls zu klären. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, grundlegende Erkenntnisse für die Anwendung der SHM-Idee in Flachventilen als Zerkleinerungseinheiten aufzubauen, so dass das Potential dieser Technologie für einen Einsatz in der milchverarbeitenden Industrie beurteilt werden kann und die wissenschaftliche Basis für eine zielgerichtete, auf die jeweilige Produktanwendung angepasste Auslegung geschaffen wird.

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