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Mechanische Beanspruchung als Vorbehandlungsschritt zur Separation EPS-produzierender bakterieller Starterkulturen: Einfluss auf Effizienz und Skalierbarkeit des Zentrifugationsschrittes
Projekt
Förderkennzeichen: AiF 18605 BG
Laufzeit: 01.01.2015
- 31.12.2017
Fördersumme: 279.590 Euro
Forschungszweck: Angewandte Forschung
Bei der Herstellung von Backwaren, Sauerkraut, Rohwürsten und fermentierten Milchprodukten sind Milchsäurebakterien von essentieller Bedeutung. Die großtechnische Produktion von kommerziellen Starterkulturen erfolgt bei definierter Temperatur, Nährmedienzusammensetzung und pH-Wert. An die Fermentation schließt sich ein Separationsschritt mittels Zentrifugation an, der zur Ernte der Zellen aus dem umgebenden Medium dient. Im industriellen Maßstab finden dazu üblicherweise Tellerseparatoren Verwendung. In weiterer Folge werden die so gewonnenen Bakterienkonzentrate nach Zugabe von Additiven gefrostet bzw. gefriergetrocknet, um Distributionsfähigkeit und eine Langzeitstabilität zu gewährleisten.
Als Starterkulturen werden eine Vielzahl hochspezialisierter Bakterienstämme mit unterschiedlichen Eigenschaften und Applikationsmöglichkeiten produziert und kontinuierlich weiterentwickelt. Dies erfordert eine flexible und individuelle Anpassung der Prozessparameter im Zuge der Herstellung. Hinsichtlich des Separationsschrittes existiert dazu großes Optimierungspotential, da maßgebliche produktbezogene Einflussfaktoren bisher kaum untersucht sind. Wünschenswert von Seiten der Industrie sind deshalb vor allem Skalierungsmodelle, mit denen bei neuentwickelten Kulturen durch Versuche im Labor- und Technikumsmaßstab die industriellen Prozesse a priori ausgelegt werden können. Verbunden wäre dies mit erheblichen betriebswirtschaftlichen Vorteilen. Zwar existieren Skalierungsmodelle der Zentrifugation wie das Sigma-Modell von AMBLER, diese liefern allerdings nur für anorganische partikuläre Systeme zufriedenstellende Ergebnisse. Im Fall biologischer Partikelsysteme ist die Aufgabenstellung hingegen weitaus komplexer.
In Voruntersuchungen der Forschungsstellen wurden die von vielen Milchsäurebakterien gebildeten Exopolysaccharide (EPS) als ein wesentlicher Punkt der Problemstellung identifiziert. Bei der Lebensmittelherstellung spielen Starterkulturen, die in der Lage sind EPS zu bilden, eine wichtige Rolle. Bei Milchprodukten können sie beispielsweise maßgeblich verantwortlich für die Textur und das Mundgefühl sein. In ihrer Eigenschaft als natürliche Stabilisatoren und Verdickungsmittel werden auch Anwendungen im Pharmabereich gesehen. Durch die viskositätssteigernde Wirkung der EPS wird bei der Kulturenherstellung allerdings die Abtrennung der Zellen vom umgebenden Medium behindert.
Zur Verbesserung der Separierbarkeit EPS-bildender Kulturen werden die fermentierten Substrate im industriellen Maßstab vor der Zentrifugation homogenisiert. Einige Kulturen zeigen nach dieser Scherbeanspruchung eine deutliche Verbesserung des Sedimentations- und Kompressionsverhaltens. Der aktuelle Stand ist jedoch sowohl aus wirtschaftlicher als auch aus wissenschaftlicher Sicht wenig zufriedenstellend, da die Maßnahmen unsystematisch und nicht auf die Kulturen abgestimmt erfolgen.
Ziel des Forschungsvorhabens ist es, den Einfluss der EPS-Produktion von Milchsäurebakterienstämmen auf den Separationsschritt aufzuklären und mittels der Erweiterung bestehender Skalierungsmodelle eine Maßstabsübertragung des Separationsschrittes von Laborversuchen auf den industriellen Prozess zu ermöglichen.
Abschnittsübersicht
Fachgebiete
- Verfahrenstechnik Lebensmittel
