Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Lebensmitteltechnologische Potentiale der innovativen, ressourcen- und produktschonenden Gashydrattechnologie am Beispiel der Konzentrierung von ausgewählten Säften

 

Die Trocknung bzw. das Entfernen von Wasser stellt in der Lebensmittelherstellung eine zentrale Grundoperation dar, die hinsichtlich des Erhalts der Qualität und der Menge der zu behandelnden Produkte hohe Anforderungen stellt und für die ressourcen- und produktschonende Verfahren zum Einsatz kommen müssen. Der Wasserentzug mittels Gashydrattechnologie ist ein in der Lebensmittelindustrie bislang nicht etabliertes Verfahren. Diese Technologie könnte sich als alternatives Verfahren zur Entwässerung und zur schonenden Gewinnung werthaltiger Stoffe eignen und gleichzeitig zu verminderten Energiekosten führen. Derzeit ist aber unklar, ob die Produktqualität dadurch beeinflusst wird.

Ziel des Vorhabens ist es, am Beispiel von Fruchtsäften (Apfel-, Orange- und Sanddornsaft) zu untersuchen, ob sich die Gashydrattechnologie zur Konzentrierung von flüssigen Lebensmitteln eignet. Dabei soll CO2 als Arbeitsmedium eingesetzt werden und eine Prozessbewertung und -optimierung hinsichtlich der Effizienz des Material- und Energieeinsatzes unter besonderer Berücksichtigung der Produktqualität und des Scale-ups erfolgen. Dies geschieht systematisch im Vergleich zu etablierten Verfahren und unter besonderer Berücksichtigung von Prozessvariationen, welche mithilfe einer globalen und lokalen Modellierung abgebildet werden sollen. Dazu wird im Rahmen des Vorhabens außerdem quantifiziert, wie sich unterschiedliche Prozessbedingungen auf die Produktqualität auswirken und welche Prozessierungsansätze auch auf größere Maßstäbe übertragen werden können und damit für den industriellen Einsatz geeignet sind. Hierdurch schafft das Vorhaben belastungsfähige Grundlagen für das Design gashydratbasierter Verfahren und Produkte mit besonderer Eignung für einen Einsatz in KMU.

Ergebniszusammenfassung:

Zur Untersuchung der Konzentrierbarkeit von Fruchtsäften mittels Gashydraten wurden von den Industriepartnern bereitgestellter Orangen-, Apfel- und Sanddornsaft analysiert. Neben Farbmessungen und Partikelgrößenverteilungen folgende Parameter bestimmt: Apfelsäure, Polphenolgehalt, °Brix, TEAC/Trolox Äquivalent, pH-Wert, Gesamttrockensubstanz, Trübung, titrierbare Säuren, relative Dichte, aw-Wert, Farbe und der Gesamtcarotinoidgehalt. Des Weiteren wurden thermodynamische Untersuchungen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass bei zunehmender Konzentrierung der Lösungen ein höherer Druck/niedrigere Temperatur erforderlich ist, um die Hydratphase zu bilden/zu erhalten. Die Bildungsenthalpien zeigten, dass außer CO2 keine weiteren Stoffe in die Hydratstruktur eingebaut werden. CFD Berechnungen wurden sowohl in einem statischen System als auch in einem Rührkessel unter Verwendung eines Stofftransportmodells zwischen CO2 und Wasser, einer Korrelation für die Henry-Konstante, den Kompressibilitätsfaktor und einem kinetischen Modell des Hydratwachstums, durchgeführt. Zur globalen Modellierung des Prozesses wurden Petrinetze verwendet. In Absprache mit dem PbA wurde aufgrund noch fehlender finaler Information zur Saftkonzentrierung der Hydrat-Entsalzungsprozess als Referenzprozess verwendet. Die Konstruktive Realisierung und prozesstechnische Untersuchung zur Hydraterzeugung und Phasentrennung wurde in einer Blasensäule, einem Rührkessel und einem Sprühsystem durchgeführt. Ein Betriebspunkt von 37,5 bar, eine Hydratbildungsdauer von 2h und ein Füllstand von etwa 35% zu optimalem Hydratwachstum führen. Es konnten erfolgreich Säfte auf 45°Bx bzw. Zuckerlösungen auf 60°Bx, konzentriert werden. Hydrat-Saft-Trennung konnte durch pelletieren des gebildeten Hydrates erreicht werden. Der Energiebedarf kann durch die Konzentrierung mittels Gashydraten bis zu 66% gegenüber der Gefrierkonzentrierung und bis zu 58% gegenüber der Verdampfung reduziert werden.