AiF N. Energiesparende und schonende Homogenisierung. auf die Textur von Milchprodukten. - Schlussbericht

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1 AiF N Energiesparende und schonende Homogenisierung von Milch und Auswirkungen auf die Textur von Milchprodukten - Schlussbericht

2 Forschungsstelle I: Universität Karlsruhe (TH) Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik Bereich I: Lebensmittelverfahrenstechnik Kaiserstraße 12, Karlsruhe Tel.: Fax: Internet: Projektleiter: Prof. Dr. H. P. Schuchmann/Dipl.-Ing. K. Köhler Forschungsstelle II: Technische Universität München Zentralinstitut für Ernährungs- und Lebensmittelforschung Abt. Technologie, Freising-Weihenstephan Weihenstephaner Berg 1, Freising-Weihenstephan Tel.: Fax: Internet: Projektleiter: Prof. Dr. U. Kulozik Forschungsstelle III: Universität Hohenheim Institut für Lebensmittelwissenschaft und Biotechnologie FG Lebensmittel tierischer Herkunft Garbenstraße 21, Stuttgart Tel.: Fax: Internet: Projektleiter: Prof. Dr. J. Hinrichs Eine Publikation dieses Berichts oder der hierin aufgeführten Daten ist ohne Zustimmung der Projektleitung nicht gestattet. Das Forschungsvorhaben AiF N wurde im Programm zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (via AiF) über den Forschungskreis der Ernährungsindustrie e.v. (FEI) gefördert. (Bewilligungszeitraum: ). Datum des Berichts:

3 Kurzzusammenfassung Im Rahmen des Forschungsprojekts sollte das Potenzial einer neuen Homogenisiertechnik für Milch und Milcherzeugnisse untersucht werden und parallel die Geometrie weiterentwickelt werden. Die Forschungsstelle I zeigte, dass beim Homogenisieren von Milch normale Lochblenden im Vergleich mit Flachventilen wenig Potenzial haben. Mit einer neu, speziell für Milch entwickelten Umlenkblende konnte max. ca. 30 % der Energie eingespart werden. Daher wurde der Fokus der Arbeiten auf ein neu entwickeltes Verfahren zur signifikanten Einsparung von Energie beim Homogenisieren von Milch gelegt. Entwickelt wurde eine Simultane Homogenisier- und Misch-Blende (SHM-Blende). Mit der besten Geometrie (Tförmig ausgebildete Mischzone in 5 mm Abstand zum Düsenaustritt) kann Rahm mit einem Fettanteil bis zu 42 vol.-% ohne signifikante Fettaggregation homogenisiert werden. Im Homogenisierprozess wird dabei gleichzeitig der Fettgehalt der Zielprodukte mit Magermilch eingestellt. Mit dieser neuen Technologie sind im Vergleich zu konventioneller Prozessführung Energieeinsparungen um bis zu 80 % realisierbar. Gleichzeitig werden deutlich verringerte Pumpkapazitäten benötigt, was insbesondere bei Kapazitätserweiterungen bestehender Anlagen oder Neuinvestitionen von Interesse ist. An Forschungsstelle II wurde zunächst die Lochblendentechnik etabliert und anschließend wurden neue Blendengeometrien entwickelt. Im weiteren Projektverlauf wurden die Potenziale und Grenzen der hieraus resultierenden zweistufigen Blendentechnik bezüglich der Homogenisierung von Milcherzeugnissen aufgezeigt und mit einem konventionellen Hochdruckhomogenisator verglichen. Mit der Blendentechnik lassen sich bei Sahne (30 % Fett) aufgrund einer geringeren Fettkugelaggregation bis zu 40 % kleinere Partikelgrößen erzielen. Bei UHT-Kaffeesahne ist für eine hohe Produktqualität eine aseptische Homogenisatorstellung erforderlich und im Vergleich mit der Kombiblende wurde eine höhere Weißkraft der Kaffeesahne erzeugt. Mit der Blendentechnik können sich Qualitätsvorteile bzw. Energieeinsparpotenziale gegenüber dem Hochdruckhomogenisator ergeben. Die höhere Effektivität der Blendentechnik bei Produkten mit hohem Fettgehalt macht sie geeignet für die Teilstromhomogenisierung. Bei den Untersuchungen bezüglich Joghurt zeichnete sich eine verfahrensunabhängige Korrelation der Produkteigenschaften zur Fettkugelgröße ab. Mit abnehmendem Fettkugeldurchmesser erfolgt eine bessere Integration der Fettkugeln in die Joghurtmatrix, die die Gelstruktur festigt und das Serumbindevermögen erhöht. Zudem zeigte die Homogenisierung der Käsereimilch, insbesondere mittels Kombiblende, positive Auswirkungen auf die Textur von Frischkäse. An Forschungsstelle III wurde das Homogenisieren mittels Lochblendentechnik kombiniert mit einer Mikrofiltration (MF) in den Herstellungsprozess von Schnitt- und Weichkäse integriert. Laborversuche ermöglichten den gezielten Transfer in den Pilotmaßstab. Die im Zuge des Homogenisierens veränderten Labgeleigenschaften (verminderte Gelfestigkeit, retardiertes Synäreseverhalten) wurden modelliert und können durch gezielte Anwendung der MF-Konzentrierung gesteuert werden. Die Bruchbearbeitungszeit wurde auf Basis des Modells angepasst, so dass Rohkäse mit vergleichbaren Zusammensetzungen produziert wurden. Es resultierte ein vereinfachter Prozessplan, der neben einer Zeitersparnis die Möglichkeit aufzeigt, Käsereihilfsstoffe einzusparen (Kultur, Lab, Calciumchlorid). Das Homogenisieren führte unter anderem zu einem erhöhten Fettübergang von der Milch in den Käse und damit zu Ausbeutesteigerungen. Die Farbe des Käseteiges war aufgehellt, die Käse verliefen beim Schmelztest nicht und sensorisch wurde keine Ranzigkeit festgestellt. Somit stellt das Homogenisieren nicht nur einen wirtschaftlich attraktiven Prozessschritt dar, sondern beinhaltet ebenso Potenzial zur gezielten Produktentwicklung mit erwünschten funktionellen Eigenschaften. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht. I

4 II Inhaltsverzeichnis Kurzzusammenfassung 1 Einleitung Einführung Stand der Forschung Zielsetzung Universität Karlsruhe (TH) - Lebensmittelverfahrenstechnik TU München / Weihenstephan - Lebensmittelverfahrenstechnik Universität Hohenheim - ILB (Lebensmittel tierischer Herkunft) Erzielte Forschungsergebnisse der Universität Karlsruhe Lebensmittelverfahrenstechnik (LVT) Weiterentwicklung der Blendendüsen zum Hochdruckhomogenisieren von Milch Ziel Material und Methoden Ergebnisse und Diskussion Schlussfolgerungen Kombination der Blenden- mit Mikromischer-Technologie zur Emulgatorzugabe vor und während des Emulgierens und zur Verhinderung von Fettkugelaggregation nach dem Aufbruch (SHM- Technologie) Ziel Vorversuche zum Zumischen von Magermilch Material und Methoden Ergebnisse und Diskussion Schlussfolgerungen Ausblick Erzielte Forschungsergebnisse der TU München/Weihenstephan - Lebensmittelverfahrenstechnik Etablierung und Weiterentwicklung der Lochblendentechnik zur Homogenisierung von Milch und Milchprodukten Ziel Material und Methoden Ergebnisse und Diskussion Schlussfolgerungen Vergleich der Blendentechnik mit der konventionellen Homogenisierung von Milch und Milchprodukten unterschiedlichen Fettgehaltes Ziel Material und Methoden Ergebnisse und Diskussion Schlussfolgerungen... 64

5 III 4 Erzielte Forschungsergebnisse der Universität Hohenheim - ILB Untersuchungen der Labgeleigenschaften und der Synärese Ziel Material und Methoden Ergebnisse und Diskussion Schlussfolgerungen Herstellung von Käse aus homogenisierter Milch mit Technologieanpassung Ziel Material und Methoden Ergebnisse und Diskussion Schlussfolgerungen Wirtschaftliche Verwertbarkeit und Bedeutung für kleine und mittlere Unternehmen SHM-Technologie Blendentechnik Milch, Sahne und Joghurt Blendentechnik und Mikrofiltration Käse Zusammenfassung Literaturverzeichnis...101

6 1 1 Einleitung 1.1 Einführung In der Bundesrepublik werden jährlich ca. 3 Mio. t fermentierte Milchprodukte und Desserts auf Milchbasis (inklusive Speiseeis) hergestellt. Praktisch alle diese Produkte werden mittels Hochdruckhomogenisatoren zur Verhinderung der Aufrahmung und Verbesserung der Textur homogenisiert. Weiterhin werden sämtliche Kaffeesahneprodukte, Kaffeeliköre oder Milchkaffeegetränke hochdruckhomogenisiert. Teilweise werden diese Produkte zum Erzielen einer besonders engen Fetttropfenverteilung zweifach homogenisiert, um die Produkte während der langen bakteriologischen Haltbarkeitszeiten auch physikalisch stabil zu erhalten. Dieses Vorgehen verursacht erhebliche Investitionen und Energiekosten. Bei Sauermilchprodukten wäre eine zweifache Homogenisierung ebenso wünschenswert, aufgrund der hohen Kosten wird darauf bisher aber verzichtet. Käsereimilch wird nahezu ausschließlich für die Herstellung von Blauschimmelkäse und Feta homogenisiert. Wegen unerwünschter sensorischer Effekte sowie technologischer Nachteile wie geringere Gelfestigkeit wird bei vielen Käsesorten auf eine Homogenisierung verzichtet, obwohl es auch nachweislich technologische Vorteile wie eine verkürzte Gerinnungszeit sowie eine bessere Einbindung von Fett in den Käsebruch gibt (KAMMERLEHNER, 2003). Beim Homogenisieren von Milch mittels Hochdruckhomogenisatoren werden in der Regel in Reihe geschaltete Flachventile eingesetzt. Um einen ausreichenden Homogenisiergrad zu erreichen, sind Homogenisierdrücke von 150 bis 200 bar erforderlich (KESSLER, 2002). Derartig hohe Drücke lassen sich nur mit aufwändigen Kolbenpumpen erreichen, die neben hohen Investitionskosten auch erhebliche Kosten für die (vorbeugende) Wartung verursachen. Am Institut für Lebensmittelverfahrenstechnik der Universität Karlsruhe (TH) wurde im Rahmen des abgeschlossenen AiF-Forschungsvorhabens Nr N (2000) eine neuartige Homogenisierdüse entwickelt, die ein schonendes Homogenisieren von Milch gestattet. Die neu entwickelte Düse besteht aus zweistufigen Lochblenden und ermöglicht die Homogenisierung von Milch bei Homogenisierdrücken unter 100 bar. Der mittlere Fetttropfendurchmesser (Sauterdurchmesser x 3,2 ) der Milch liegt bei Verwendung dieser Düse und eines Homogenisierdruckes von 30 bar bereits unter 1 µm. Die besondere Wirksamkeit der Lochblende ist darauf zurückzuführen, dass die Fettkugeln in einer Dehnströmung, wie sie in der Blende vorliegt, wesentlich effizienter deformiert und zerkleinert werden können als in der Scherströmung oder in turbulenter Strömung. Neben der schonenden Homogenisierung wird mit der neu entwickelten Blende eine engere Fetttropfengrößenverteilung erreicht als beim konventionellen Hochdruckhomogenisieren. Daraus können sich vorteilhafte Konsequenzen für die technologischen Eigenschaften der neu erzeugten Emulsionen ergeben. 1.2 Stand der Forschung In Hochdruckhomogenisatoren können die Tropfen durch verschiedene Mechanismen deformiert und aufgebrochen werden. Welcher Mechanismus für die Tropfenzerkleinerung wirksam ist, wird maßgeblich von der Geometrie der verwendeten Düse beeinflusst. Die Tropfenzerkleinerung kann nur stattfinden, wenn die angreifenden Spannungen und die Deformationszeit jeweils einen kritischen Wert überschreiten. Die in der Dispergierzone eingetragene Energiedichte bestimmt die Größe der Tropfen (KARBSTEIN, 1994). Im Falle einer Blendenbohrung werden die

7 Tropfen vor der Blende in einer laminaren Dehnströmung deformiert. Die laminare Dehnströmung ist dabei teilweise von einer laminaren Scherströmung überlagert. Insbesondere für höhere Viskositätsverhältnisse von disperser zu kontinuierlicher Phase ist die Dehnströmung besonders vorteilhaft, um feine Tropfen bei möglichst geringem Energieeintrag herstellen zu können (GRACE, 1982; BENTLEY und LEAL, 1986; WALSTRA und SMULDERS, 1989; STANG, 1998; KAUFMANN, 2002). Die länglich deformierten Tropfen werden dann in oder unmittelbar hinter der Bohrung aufgebrochen (TESCH, 2002). Die Ursache dafür können einerseits die Störungen der Strömung am Umschlagpunkt zwischen laminarer und turbulenter Strömung sein (KOLB et al., 2001; BUDDE et al., 2001), andererseits können die Störungen auch als Folge von Kavitationserscheinungen auftreten (FREUDIG et al., 2003; TESCH et al., 2003). Sowohl die Turbulenzintensität als auch das Kavitationsverhalten hinter der Blende lassen sich durch konstruktive Maßnahmen beeinflussen. Im abgeschlossenen AiF-Forschungsvorhaben Nr N wurde gezeigt, dass eine zweite Blende das Druckniveau hinter der ersten Blende so verändern kann, dass die erzielbare Tropfengröße bei konstanter Gesamtenergiedichte ein Minimum durchläuft. Auf der Basis dieses Ergebnisses wurde eine zweistufige Blende entwickelt, die bei einem Gesamtdruckverlust unterhalb von 50 bar gute Homogenisierergebnisse liefert und damit eine schonende Behandlung von Milch erlaubt. Im Gegensatz zu Milch mit einem Dispersphasenanteil (Fettgehalt) von ca. 3,5 % oder weniger ist das Homogenisieren von Rahm mit hohem Fettgehalt problematisch, wie frühere Untersuchungen gezeigt haben (Schlussbericht AiF-FV Nr N). Neben der bei höheren Dispersphasenanteilen vermehrt auftretenden Tropfenkoaleszenz können beim Homogenisieren von Rahm durch Proteinbrücken stabilisierte Cluster entstehen. Nähern sich zwei neu gebildete Tropfen, deren Grenzfläche noch nicht ausreichend durch Adsorption von Proteinen gegen Koaleszenz stabilisiert wurde, fließen die Tropfen wieder zu einem größeren zusammen. Ist jedoch die Grenzfläche eines Tropfens bereits mit Caseinmicellen belegt, können diese Caseinmicellen zusätzlich an der Phasengrenzfläche des anderen Tropfens adsorbieren (OGDEN et al., 1976; DARLING und BRIKETT, 1987). Um auch Rahm mit hohem Fettgehalt zufriedenstellend homogenisieren zu können, ist eine verbesserte Homogenisierdüse erforderlich. Von KESSLER (2002) wird die Hochdruckhomogenisation als Stand der Technik bei Milch und Milchprodukten sowie Sahne- und Sahneerzeugnissen präsentiert. Bei der Produktgruppe Käse ist die Homogenisation jedoch lediglich bei Blauschimmelkäse und in manchen Fällen bei Fetakäse eingeführt. Bei anderen Käsen wird die Gefahr von Fehlgeschmack durch Freisetzung von Lipase aus der nativen und danach neu geformten Fettkugelmembran als zu groß eingeschätzt (KESSLER, 2002). KAMMERLEHNER (2003) beschreibt, dass sich beim Homogenisieren von Käsereimilch die Gerinnungszeit geringfügig verkürzt und die Gallerten verhältnismäßig weich sind. Mit zunehmendem Homogenisierdruck verstärken sich diese Symptome. Zu bedenken ist ferner, dass es für das erfolgreiche Herstellen von Käse zunächst notwendig ist, eine stabile Gallerte zu erzeugen, die geschnitten werden kann. Anschließend muss aus den so geformten Käsebruchkörnern ein großer Anteil an Molke ausfließen (Synärese), um später im Endprodukt die gewünschte Endtrockenmasse der Käsesorte zu erreichen. Je nach Käsesorte wird durch Pressen der Molkenablauf weiter fortgeführt. 2

8 Eindringwiderstand F [ 10 N ] w 3 Käsereimilch, die speziell für das Herstellen von Käse zum Aufbacken bestimmt ist, wird ebenfalls homogenisiert. In diesem Fall wird durch die verbesserte Emulsionsstabilität das Ausölen beim Erhitzen verhindert, wie Erfahrungen aus der Praxis zeigen. Vielfach wurden früher Versuche zur Homogenisierung von Käsereimilch bei Temperaturen deutlich unterhalb der Pasteurisierbedingungen durchgeführt; und es kam damit zu einer Aktivierung von Lipasen, was zu Aromafehlern beim Endprodukt führte. Werden die Lipasen inaktiviert, so weisen die Käse keinerlei sensorische Defekte auf. So wurde von BASSIROU (1996) Käse, Typ Camembert und Typ Edamer, aus Milchpulver, Wasser und Butterfett unter Anwendung der Hochdruckhomogenisation bei 70 C hergestellt, die sensorisch einwandfrei waren. Nach PODUVAL und MISTRY (1999) wird durch das Homogenisieren von Rahm beim Herstellen von Mozzarella-Käse der Gehalt an freiem Öl reduziert, das Schmelzverhalten dadurch aber nicht beeinflusst. Vorausgesetzt, dass optimale Homogenisiertemperaturen eingesetzt werden, ist es deshalb nicht unwahrscheinlich, dass das neue, schonende Homogenisierverfahren für Milchprodukte allgemein und vorteilhaft sogar für Käsereimilch eingesetzt werden kann. Bei Sauermilcherzeugnissen wurde von PLOCK et al. (1992) gezeigt, dass eine Mehrfachhomogenisierung zusätzlich zur Verringerung des mittleren Fetttropfendurchmessers durch die engere Größenverteilung (vereinheitlichtere Fettkugelgrößen) zu einer signifikant höheren Festigkeit der Sahnejoghurtgallerte führt. Durch die Abnahme des Anteils an großen Fettkugeln wird die Einbaufähigkeit der Gesamtfettphase in die Matrix deutlich verbessert. Von PLOCK et al. (1992) wird eine zweifache Homogenisation bei 10 MPa strukturell als sehr viel effektiver bewertet als eine einfache Homogenisierung bei 20 MPa. Abb. 1.1: Festigkeit von Joghurtgallerten in Abhängigkeit vom mittleren Fettkugeldurchmesser (PLOCK et al., 1992) Abb. 1.1 stellt einen Zusammenhang zwischen Gelfestigkeit und Partikelgröße der Fettkugeln dar. Es zeigt sich ein linearer Zusammenhang. Entlang der Linie wirken sich unterschiedliche Homogenisierverfahren so aus, dass sich die Fettkugelzerkleinerung vorteilhaft auf die Joghurtgallerte auswirkt. Die Position des Homogenisators vor bzw. nach dem Erhitzen (septisch/aseptisch) hat auf dieses Ergebnis kaum einen Einfluss x 6x 2x 30 MPa 2x Joghurt, 10 % Fett 4 % Protein Erhitzung: 95 C/80 s, (Den. = 90%) Homog.: ϑ H = 70 C 30 MPa MPa 10 MPa 300 Aseptisch Septisch Geänderte Homogenisierdrücke Aseptisch Septisch Anzahl Homogenisatordurchtritte (p 1 = 20 MPa) Mittlerer Fettkugeldurchmesser d 50,3 [ µ m ]

9 4 1.3 Zielsetzung Gemeinsames Forschungsziel ist es, die Potenziale und Grenzen der neuartigen Homogenisiertechnik für verschiedene Milchprodukte aufzuzeigen und geeignete Prozessparameter zu erarbeiten, um die schnelle Umsetzung in die Praxis voranzutreiben Universität Karlsruhe (TH) - Lebensmittelverfahrenstechnik Das Potential der am Institut für Lebensmittelverfahrenstechnik für Öl-in-Wasser- Modellemulsionen im Rahmen von früheren AiF-Forschungsvorhaben entwickelten Homogenisierblenden sollte für das Stoffsystem Milch evaluiert werden. Im Vordergrund standen hierbei drei Zielsetzungen: Zum einen soll versucht werden, bei vergleichbaren Drücken signifikant andere Verteilungen der Fettkugelgrößen in Milch einzustellen. Dies sollte bei den Teilprojektpartnern in Hohenheim und Weihenstephan genutzt werden, um den Einfluss einer veränderten Fetttropfengrößenverteilung auf die Eigenschaften von Folgeprodukten zu untersuchen. Zweites Ziel war es, über Nutzen von Stabilisierungszonen das Homogenisieren von Milch mit höheren Fettgehalten (Ziel deutlich oberhalb der heute möglichen 17 Vol%) zu ermöglichen. Dies ist bislang nicht möglich da es bei erhöhten Fettgehalten zur zur Aggregation und/oder Koaleszenz der neu gebildeten Tropfen kommt. Dieses Problem kann zurzeit auch durch eine Druckanpassung nicht gelöst werden. In der Stabilisierungszone sollen Kollisionen der Tropfen durch hydrodynamische Effekte verhindert werden, bis die neuen Grenzflächen ausreichend stabilisiert sind. Verschiedene Maßnahmen sollen geprüft werden: Einfluss konstruktiver Maßnahmen: Blendengeometrie und Form der Stabilisierungszone (Basis: Simulation der Strömungsverhältnisse im Bereich vor, in und hinter den Blenden mit Computational Fluid Dynamics CFD) Einfluss der Prozessparameter Druck, Temperatur und Volumenströme der Phasen Zudosierung von milcheigenen Proteinen als zusätzliche Emulgatoren (gestellt von Teilprojektpartnern) Diese beiden Teilprojekte sollen das eigentliche Ziel einer signifikanten Reduktion des Energieeinsatzes beim Homogenisieren des Massenproduktes Milch ermöglichen TU München / Weihenstephan - Lebensmittelverfahrenstechnik Für Sauermilchprodukte wird erwartet, dass sich aufgrund der engeren Größenverteilung der Fettkügelchen viskosere Säuregelstrukturen ergeben. Damit könnte Trockenmasse eingespart werden und die Textur verbessert werden. Die Effektivität einer vereinheitlichten Fettkugelgrößenverteilung wurde bei stichfestem Sahnejoghurt bereits gezeigt. Es ist festzustellen, ob dies auch bei gerührten Strukturen gilt. Dies ist allerdings anzunehmen, denn Sauermilchgallerten werden nicht mikroskopisch zerteilt, sondern nur makroskopisch. Aus den Gallerten entsteht eine Gallertensuspension (KLOSTERMEYER, 1999).

10 5 Durch das Homogenisieren von Milch- und Molkenproteinkonzentraten mit Fettanteil werden neue Produktstrukturen bei Frischkäse ermöglicht. Beispielsweise können Ausgangsprodukte für eine Vielzahl von Frischkäseprodukten daraus resultieren. Wie Untersuchungen von SCHKODA et al. (2001) aufzeigen, ist neben dem Einsatz von Membrantrennverfahren bei Rahmfrischkäse das Homogenisieren der Käsereimilch von besonderer Bedeutung für die spätere Strukturausbildung. Durch den Einsatz der neuen Homogenisiertechnik und der damit verbundenen engeren Fettkugelgrößenverteilung ist zu erwarten, dass mindestens ähnlich gute oder bessere Ergebnisse erzielt werden. Da es sich bei Milch- und Molkenkonzentraten um höher viskose Produkte handelt, ist die klassische Hochdruckhomogenisation limitiert. Hier werden Vorteile durch die Blendentechnik bezüglich Energieeinsparung, Textureigenschaften und Serumbindung gesehen. Für Kaffeesahne ist vorstellbar, dass das gleiche Qualitätsergebnis (enges Verteilungsspektrum für eine besonders lange Lager-, Hitze- und Kaffeestabilität), welches sich bisher nur bei zweimaligem Homogenisieren erzielen ließ (GEYER, 1987), nun mit einem einmaligen Homogenisierschritt erreicht werden kann. Damit wäre gegeben: Energieeinsparung (niedrigere Betriebskosten durch geringere Stromabnahme) Bessere physikalische Stabilität während der Lagerung (ESL für Kaffeesahne) Höhere Stabilität gegenüber Flocken in heißem Kaffee Universität Hohenheim ILB (Lebensmittel tierischer Herkunft) Auch beim Einsatz der neuen Blendentechnik ist aus Sicht der Käsereitechnologie eine weichere Labgallerte sowie eine behinderte Entmolkung zu erwarten. In diesem Fall ist nur durch eine Anpassung des Prozesses ein insgesamt positives Ergebnis realisierbar. Daher gilt es, die Tauglichkeit von schonend homogenisierter und mikrofiltrierter Milch zu prüfen. Durch Konzentrieren könnte der Tendenz in Richtung zu weicher Gallerte entgegengewirkt werden, um das Schneiden zu ermöglichen. Darüber hinaus gilt es jedoch auch, die sich anschließende Synärese der Bruchkörner zu untersuchen. Mit diesen systematischen Untersuchungen ist schließlich die Grundlage für die Prozessentwicklung für verschiedene Käsesorten gelegt. Für Käse werden folgende Qualitäts- und Kostenvorteile erwartet: bessere Einbindung der Fettkugeln in die Caseinmatrix reduzierte Fettverluste in die Molke Einbindung der Fettkugeln über die neue Fettkugelmembran (Casein) in die Matrix des über das Labenzym koagulierte Casein reduzierte Dicklegungszeit (wie bei Homogenisierung mittels Hochdruckhomogenisatoren) Schmelzen mit geringen Ausölungserscheinungen

11 6 2 Erzielte Forschungsergebnisse der Universität Karlsruhe Lebensmittelverfahrenstechnik (LVT) 2.1 Weiterentwicklung der Blendendüsen zum Hochdruckhomogenisieren von Milch Ziel Das Ziel dieses Teilprojektes (AP I und AP III) bestand darin, die für Modellsysteme aus Rapsöl, Wasser und einem niedermolekularen Emulgator im Rahmen von vorangegangenen AiF-Forschungsvorhaben (AiF-FV N und N) entwickelte Blendentechnologie auf das Stoffsystem Milch anzupassen, wobei insbesondere die Homogenisation bei hohen Fettanteilen im Mittelpunkt des Interesses lag. Das Stoffsystem Milch ist durch bei der Homogenisation vorliegenden geschmolzenen, hoch viskosen Milchfetttropfen mit dicken Membranen aus mehreren Schichten an grenzflächenaktiven Materialien gekennzeichnet. Dies erschwert eine Zerkleinerung. Auch nach der Zerkleinerung zeigen die milcheigenen grenzflächenaktiven Moleküle (verschiedene Proteine wie Caseine, β-lactoglobuline und α-lactalbumine) ein langsames Stabilisierungsverhalten, so dass es gerade bei hohen Fettanteilen zu hohen Koaleszenz- und Aggregationsraten von aufgebrochenen Fetttropfen kommt Material und Methoden Strömungssimulation Numerische Strömungssimulationsrechnungen werden heute verstärkt zur Apparateund Prozessoptimierung genutzt, da sie es ermöglich, messtechnisch nur schwer zugängliche lokale Strömungsverhältnisse ermitteln zu können. Damit können experimentell erhaltene Ergebnisse interpretiert werden und Geometrien von Strömungsmaschinen in relativ kurzer Zeit zielführend optimiert werden. Die entsprechenden Programme, wie z. B. Fluent (Fa. Ansys), basieren auf der Diskretisierung physikalischer Modelle zur Stoff-, Wärme- und Impulsübertragung in einem Rechengitter. Da bei diesem Ansatz das Fluidvolumen in extrem kleine Volumina zerlegt wird und diese einzeln berechnet werden, wird diese Methode auch als Finite Volumen-Methode (FVM) bezeichnet. Um einige spezielle physikalische Phänomene, wie z. B. die Wandreibung, berücksichtigen zu können, werden weitere Modelle eingeführt. Diese werden mit Hilfe von Algorithmen näherungsweise berechnet, da die genaue mathematische Lösung nur in Einzelfällen errechnet werden kann (PASCHEDAG, 2004). Im Rahmen dieser Arbeit wurde mit Hilfe des Softwareprogrammes Gambit (Fa. Ansys) eine Mischstrecke entworfen und mit dem Softwareprogramm Fluent bei verschiedenen Homogenisierdrücken einphasig simuliert. Die Turbulenz der Strömung konnte durch Einsatz des RNG-k-ε-Modell berücksichtigt werden (Fluent, 2005). Standard- und Umlenkblenden Im Rahmen des AiF-Forschungsvorhabens Nr N Entwicklung einer verbesserten Düse zum Hochdruckhomogenisieren und -emulgieren wurde von der Arbeitsgruppe Karlsruhe eine einfache Homogenisierblende mit gerader Strömungsführung ( Standard blenden mit kreisrunden oder schlitzförmigen Öffnungen) entwickelt, mit der bei vergleichsweise geringen Drücken (unter 100 bar) in ausgewählten Emulsionssystemen kleinere mittlere Tropfendurchmesser und

12 7 engere Fetttropfengrößenverteilungen als mit konventionellen Homogenisierdüsen hergestellt werden können. Ein weiteres Forschungsvorhaben (AiF-FV N) befasste sich einerseits mit der Weiterentwicklung dieser einfachen Blende sowie mit der Übertragung dieser Homogenisiertechnik vom Labor- auf den industriellen Maßstab. Hierbei wurde u. a. eine Gegenstrahlblende (Blende mit zwei oder mehreren aufeinander gerichteten Flüssigkeitsstrahlen) entwickelt und der Einfluss der Winkel, unter der die Strahlen im Nachblendenraum aufeinander prallen, auf das Zerkleinerungsergebnis aufgezeigt. Erste Ergebnisse zu Projektbeginn zeigten, dass die in den beiden vorangegangenen Projekten entwickelte Blendentechnologie unter Nutzung einfacher Standard oder optimierter Gegenstrahlblenden nicht problemlos vom Modellsystem Pflanzenöl/Wasser auf das System Milch übertragen werden kann. Weiterführende Untersuchungen zeigten, dass hierfür die spezifische Struktur der Fettkugelmembran der Milchfetttropfen verantwortlich ist. Diese erschwert eine Deformation und den Aufbruch der Milchfetttropfen. Gerade die Deformation ist aber eine wichtige Voraussetzung, um das Potenzial von einfachen Standard oder Gegenstrahlblenden nutzen zu können. Die sich vor dem Blendeneinlauf bildende dreidimensionale Dehnströmung kann daher die Milchfetttropfen nicht im gleichen Maße deformieren wie Tropfen eines einfachen Triglycerids. Dies macht sich insbesondere in zweistufiger Fahrweise bemerkbar. Weitere Kombinationen aus der bekannten Schlitz- und Gegenstrahlblendentechnik (s. Ergebnisse der Arbeitsgruppe Weihenstephan) zeigten zwar ein Verbesserungspotential, insbesondere im Hinblick auf die Breite der Tropfengrößenverteilung, führten aber nicht zu Milchprodukten mit signifikant anderen Verteilungen der Fetttropfen. Abb. 2.1: Schematische Darstellung der neuen Umlenkblende. In der Abbildung sind die Bereiche mit erhöhter turbulenter Energie mit hellen Farben visualisiert, in denen höchstwahrscheinlich der Tropfenaufbruch stattfindet.

13 8 Aus diesem Grund wurde für das Stoffsystem Milch eine neue Homogenisierblende entwickelt, die es ermöglicht, auch Tropfen, die aufgrund ihrer Grenzflächenstruktur schwer zu verformen sind, aufzubrechen. Entscheidend ist hierfür, die Strömungsstörung, wie sie beispielsweise beim Umschlag von laminarer in turbulente Strömung auftritt, sehr früh einzuführen. Strömungssimulationsrechnungen (Computational Fluid Dynamics CFD, hier auf Basis von Fluent ) zeigten, dass es eine Umlenkung der Strömung bereits im Homogenisierventil ermöglicht, Trägheitskräfte gezielt auszunutzen (s. Abb. 2.1). Die Umlenkung der Strömung bewirkt, dass sich sowohl in der Blende als auch in deren Auslaufbereich eine höhere Turbulenzintensität als im Falle der geraden Strömungsführung ausbildet. Scale-up Auslegung, Optimierung und Scale-up von einfachen Standardblenden waren Gegenstand des vorangegangenen AiF-Projektes N. Die Ergebnisse dienten im Rahmen dieses Projektes als Basis für die Maßstabsvergrößerung der für Milch benötigten Umlenkblenden, die im Rahmen dieses Projektes eingesetzt wurden. Bedingt durch die kleinen Abmessungen des Blendenkanals können mit einer Einzelblende (Homogenisierblende mit einer Öffnung) nur Volumenströme von ca. 10 l/h erreicht werden. Zur Maßstabsvergrößerung kann nicht auf die einfache Form der geometrischen Öffnung des Blendenkanals (Scale-up) zurückgegriffen werden, da dabei die lokalen Strömungsverhältnisse ungünstig beeinflusst werden. Möglich ist aber ein Numbering-up (Erhöhen der Anzahl der Blendenöffnungen bei gleich bleibender Geometrie), wobei konstruktive Randbedingungen eingehalten werden müssen (s. AIF-Endbericht Nr N). Im Wesentlichen kommt es dabei darauf an, Wechselwirkungen zwischen den auslaufenden Flüssigkeitsstrahlen zu vermeiden. Die in Abb. 2.2 dargestellte kreisförmige Anordnung der Blendenöffnungen ermöglicht es, die in AIF-Bericht Nr N für gerade Blendengeometrien ermittelten Mindestabstände einzuhalten und trotzdem viele Öffnungen auf geringem Raum anzubringen. Abb. 2.2: Scale-up der Umlenkblende durch Numbering-up: Prinzipielle Anordnung.

14 Ergebnisse und Diskussion Umlenkblende für Milch Im Vergleich zu einer kommerziellen Flachdüse mit konischem Ventilsitz und Standardblenden mit gerader Strömungsführung (alle Düsen in zweistufiger Fahrweise) konnte mit der neuen Umlenkblende auch für das Stoffsystem Milch bessere Homogenisierergebnisse erreicht werden. Aufgetragen sind sowohl der mittlere Tropfendurchmesser x 1,2 (Sauterdurchmesser, Maß für mittleren Tropfendurchmesser) als auch das 90 % Quantil der Volumendichteverteilung x 90,3 als Maß für die größten Tropfen im Kollektiv (siehe Abb. 2.3). Der x 90,3 Wert ist ein Maß für die bei ineffizienter Zerkleinerung häufig auftretenden großen Tropfen, die für Instabilitäten des Produktes verantwortlich sind. Er ist damit für die Stabilität des Produktes von entscheidender Bedeutung. Der Span ((d 90,3 d 10,3 ) / d 50,3 ) ist hingegen ein Maß für die Breite der Tropfengrößenverteilung. Man sieht, dass einfache Lochblenden mit gerader Strömungsführung Homogenisierergebnisse für Milch zeigen, die mit denen konventioneller Flachdüsen der neuesten Generation vergleichbar sind. Der Einsatz von Strömungsumlenkenden Blenden birgt dagegen ein Verbesserungspotential, sowohl beim mittleren als auch bei den größten Fettpartikeln im Kollektiv. Vergleichbare Fettpartikeldurchmesser werden bei einem um ca. 33 % reduziertem Druck erhalten (beispielsweise 100 statt 150 bar). Bei gleichem Druck (beispielsweise 150 bar) erhält man mit einer Umlenkblende einen mittleren Tropfendurchmesser von 500 nm statt 750 nm für kommerzielle Flachventile. Abb. 2.3: Vergleich der Homogenisierergebnisse von Milch bei Einsatz verschiedener Homogenisierdüsen. Alle Düsen wurden zweistufig bzw. im Gegendruckoptimum gefahren. (Th Flachdüse = 0,2, Th Lochblende = 0,1, Th Umlenkblende = 0,1, Thomazahl Th = p 2 /p gesamt )

15 10 Vergleich der Umlenkblende mit am Markt neu erhältlichen Produkten Um die Effizienz der Milchfettzerkleinerung in der Umlenkblende beurteilen zu können, wurden die Homogenisierergebnisse nicht nur mit den kommerziell heute eingesetzten Flachventilen verglichen, sondern auch mit am Markt neu erhältlichen Gegenstrahlventilen (hier: Microfluidizer, bislang nicht industriell für Milch und Milchprodukte einsetzt). Die Ergebnisse zeigen, dass mit einer Umlenkblende für Milch zwar bessere Ergebnisse als mit einem kommerziellen Flachventil erreicht werden konnten, deutlich bessere Homogenisierergebnisse aber mit der Microfluidizer - Geometrie im Gegendruckoptimum erzielt werden (Abb. 2.4). Abb. 2.4: Vergleich der Homogenisierergebnisse bei Einsatz verschiedener Homogenisierdüsen. Alle Düsen wurden zweistufig bzw. im Gegendruckoptimum gefahren (Microfluidizer mit der Z- und der Y-Blende in Reihe). Maßstabsvergrößerung bei Einsatz der Umlenkblende Durch ein Numbering-up einer einzelnen Umlenkblende (mehrfache Umlenkung) konnte der Volumenstrom annähernd linear mit der Blendenanzahl vergrößert werden. Allerdings konnten die Ergebnisse einer einzelnen Umlenkblende nur reproduziert werden, wenn der Gegendruck erhöht wird (Abb. 2.5). Als ideale Thoma- Zahl (Th = p 2 /p gesamt ) wurde Th = 0,15 ermittelt. Dies deutet darauf hin, dass sich die Strömungsverhältnisse im Auslauf der einzelnen Blendenöffnungen verändert haben. Erst bei einem erhöhten Gegendruck können unerwünschte Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Auslaufstrahlen unterdrückt werden. CFD-Strömungssimulationsrechnungen müssten Aufschluss auf angepasste geometrische Anordnungen beim Numbering-up und Anlegen geringerer Gegendrücke geben. Dies wurde allerdings in Rücksprache mit dem Projektbegleitenden Ausschuss nicht durchgeführt, da ein höheres Energieeinsparpotential im zeitparallel neu entwickelten Homogenisier- & Mischblenden zum Homogenisieren von Rahm mit sehr hohen Fettanteilen gesehen wurde.

16 11 Tropfendurchmesser x 90,3 [µm] 2,2 2,1 2 1,9 1,8 1,7 1,6 Milch: Fettgehalt ϕ = mind. 3,8% ϑ = 65 C ohne SDS-Zugabe p gesamt = 100 bar 1 Umlenkblende 1, Gegendruck p [bar] 8 Umlenkblenden Abb. 2.5: Vergleich der Homogenisierergebnisse der Umlenkblende mit denen der upgescalten Umlenkblende (Numbering-up) von Milch bei Variation des Gegendruckes Schlussfolgerungen Im ersten Projektabschnitt wurde von der Arbeitsgruppe Karlsruhe die auf der Blendentechnologie basierende Homogenisiereinheit hinsichtlich ihrer Zerkleinerungseffizienz und ihren Stabilisierungseigenschaften für schwer deformierbare Tropfen wie die Milchfettkugeln weiterentwickelt. Entscheidend hierfür war eine signifikante Veränderung der Strömungsführung in der eigentlichen Homogenisierblende. Die Strömungsumlenkung verbessert den Tropfenaufbruch insbesondere durch zusätzlich wirkende Trägheitskräfte. Für Milch mit einem Dispersphasenanteil von 3,5 % liefert die hierbei entwickelte Umlenkblende bessere Homogenisierergebnisse als konventionelle Flachdüsen oder Standardblenden mit geraden Löchern. Mögliche Einsparungen an Homogenisierdrücken liegen bei ca. 30 % bei gleich bleibender Produktqualität. Alternativ können mit der neu entwickelten Umlenkblende für Milch bei gleichen Homogenisierdrücken um ca. 30 % geringere mittlere Fettkugeldurchmesser als mit einer einfachen geraden Lochblende oder einer kommerziellen Flachdüse der so genannten zweiten Generation hergestellt werden. Beim Einsatz des kommerziell erhältlichen, für Milch und Milchprodukte bislang noch nicht eingesetzten Microfluidizers ergeben sich hingegen deutlich höhere Energieeinsparpotentiale bzw. signifikant andere Verteilungen der Fettkugeln im Produkt. Eine Maßstabsvergrößerung der neu entwickelten Blendengeometrien ist durch Numbering-up möglich. Kritisch ist dabei die Auslegung der Mehrfach- Homogenisierblende. Durch Wechselwirkungen der austretenden Strahlen können sich die Homogenisierergebnisse verschlechtern. Es konnte gezeigt werden, dass negative Wechselwirkungen durch Einhalten von Mindestabständen zwischen den Blendenöffnungen und Erhöhen des Gegendrucks auf eine Thoma-Zahl von Th = 0,15 vermieden werden können.

17 Für die geplanten Untersuchungen zum Einfluss der Tropfengrößenverteilung der Milch auf die Endprodukteigenschaften müssen deutliche Unterschiede im Mittelwert oder in der Breite der Tropfengrößenverteilung eingestellt werden, um messbare Effekte zu bekommen. Daher wurde mit den Mitgliedern des projektbegleitenden Ausschuss gemeinsam beschlossen, für diese (bei den Kooperationspartnern angesiedelten) Versuche die Microfluidizer -Geometrie einzusetzen und in der Arbeitsgruppe Karlsruhe keine weiteren Optimierungen an der Umlenkblende vorzunehmen. Die in Karlsruhe frei werdende Arbeitskapazität sollte nach Rücksprache mit den Ausschussmitgliedern statt dessen für die mehr Erfolg versprechende Weiterentwicklung der neuen Misch-Homogenisierblende zum Teilstromhomogenisieren von Milch bei hohen Fettgehalten eingesetzt werden. 12

18 Kombination der Blenden- mit Mikromischer-Technologie zur Emulgatorzugabe vor und während des Emulgierens und zur Verhinderung von Fettkugelaggregation nach dem Aufbruch (SHM-Technologie) Ziel Ziel dieses Teilprojektes war es, den Einfluss der Zugabe eines Emulgators vor, während und nach der Homogenisierung auf das Homogenisierergebnis zu untersuchen und die Fettkugelaggregation nach deren Aufbruch zu verhindern. Als Emulgatoren wurden sowohl aus Sicht der Tropfenstabilisierung ideale, d. h. schnelle und Aggregation verhindernde Emulgatoren als auch milcheigene Emulgatoren eingesetzt. Als Prozessparameter wurden sowohl die Temperatur der Phasen, der Homogenisierdruck, der Gegendruck und die Geometrie der Blenden variiert Vorversuche zum Zumischen von Magermilch In Vorversuchen konnte gezeigt werden, dass beim Homogenisieren von Rahm mit einem Fettanteil von 32 % mit steigendem Druck die Tropfengröße deutlich zunimmt (siehe Abb. 2.6 und Teilbericht der Arbeitsgruppe Weihenstephan). Dieses Phänomen wird auch Überemulgieren genannt und ist mit zunehmender Koaleszenz und der Bildung von Aggregaten aus neuen Fetttropfen zu begründen. Dies tritt insbesondere bei Milchprodukten mit hohen Fettanteilen auf, da v. a. Caseine aufgrund ihrer Struktur an mehreren Fettkugeln gleichzeitig adsorbieren können und so verbindende Elemente aufbauen. Wenn jedoch, wie in Abb. 2.7 dargestellt, direkt nach dem Tropfenaufbruch große Mengen an Magermilch hinzugefügt werden, steht einerseits nach der Zerkleinerung ausreichend Emulgator zur Belegung der neu geschaffenen Grenzfläche zur Verfügung, um die Tropfen zu stabilisieren. Andererseits wird die Koaleszenz- und Aggregationsrate reduziert, da durch die Verdünnung die Abstände zwischen den Fettkugeln deutlich vergrößert werden. Beides führt im Endprodukt zu deutlich kleineren Tropfengrößen und engeren Verteilungen. Insbesondere die für die Produktqualität kritischen großen Tropfen (Maß: x 90,3 -Wert) werden auf diese Weise deutlich reduziert. Das Elegante an dieser Methode ist, dass milcheigene Inhaltstoffe für diesen stabilisierenden Effekt genutzt werden können, und gleichzeitig sowohl der Anteil an unter Hochdruck zu behandelnder Phase reduziert und das sowieso benötigte Einstellen des Fettgehalts erreicht werden kann. Bei dieser Prozessführung werden trotz Fettanteile > 30 % im Rahm Homogenisierergebnisse erhalten, die denen einer Homogenisierung von Milch bei geringen Fettabteilen (3,5 %) im Vollstrom entsprechen. Würde die Magermilch dagegen erst deutlich hinter der eigentlichen Zerkleinerungszone (d. h. wie in vielen heute kommerziell eingesetzten Prozesslinien nach dem Hochdruckhomogenisator) zugemischt werden, so könnte man diesen stabilisierenden Effekt nicht nutzen, da in diesem Fall Aggregation und Koaleszenz im Moment der Magermilchzugabe bereits abgeschlossen sind. Zur Realisierung der direkten Zumischung von Magermilch in die Zerkleinerungszone wurde zunächst ein kommerziell erhältlicher Mikromischer des Forschungszentrums Karlsruhe eingesetzt (Abb. 2.7). Mikromischer haben im Vergleich zu konventionellen Mischern die Vorteile, dass sie kurze Verweilzeiten, gute Oberflächen-zu-Volumen- Verhältnisse und kurze Diffusionswege haben, was beim Emulgieren zu kleineren Tropfen und einer engeren Verteilung führt (EHLERS, 2003). Die Fetttropfen der Rahmphase werden bei einem Mikromischer, ähnlich wie in einer Blende, beim Durchtritt und Verlassen der sehr engen Schlitze des Mikromischers zerkleinert, wenn auch nicht so effizient wie in einer Homogenisierdüse.

19 14 Abb. 2.6: Vergleich der Anteile an großen Tropfen x 90,3 und der Verteilungsbreite (Span) nach dem Homogenisieren von Rahm mit und ohne Zumischung von Magermilch direkt in die Zerkleinerungszone. Abb. 2.7: Mikromischer des Forschungszentrums Karlsruhe, eingesetzt für die Vorversuche zum Teilstromhomogenisieren von Milch. Da diese Ergebnisse trotz der für eine Tropfenzerkleinerung suboptimalen Geometrie des Mikromischers erfolgversprechend waren, wurde basierend auf einer Kombination von Blenden- und Mikromischertechnik ein kombiniertes Homogenisierund Mischsystem konstruiert, das für das Teilstromhomogenisieren von Milch eine verbesserte Tropfenzerkleinerung und Stabilisierung erwarten lässt.

20 Material und Methoden Auslegung der Mischstrecke und konstruktive Herstellung der kombinierten Homogenisier- und Mischblenden Am Institut für Mikroverfahrenstechnik des Forschungszentrums Karlsruhe wurde eine Fertigungstechnik entwickelt, Metall im Submillimeterbereich zu strukturieren. Mit dieser Technik ist es möglich, eine Homogenisierblende mit einem Mikromischer zu kombinieren. Diese neue Technologie eröffnet neue Möglichkeiten zum Teilstromemulgieren. Ein Kooperationsvertrag mit dieser Arbeitsgruppe ermöglicht der Arbeitsgruppe Karlsruhe den Zugang zu dieser spezifisch benötigten Technik. In der Zwischenzeit wurde diese Zusammenarbeit im Rahmen der Exzellenzinitiative und des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) - Gründungsvertrages weiter vereinfacht. Als Homogenisierblende wurde im ersten Schritt aus konstruktiven Gründen zunächst eine einfache Standardgeometrie mit gerader Strömungsführung eingesetzt. Dies ermöglicht auch gute Vergleichsmöglichkeiten mit Homogenisierergebnissen ohne Einsatz simultaner Mikromischer, da hier deutlich mehr Versuchsergebnisse vorliegen. Blenden anderer Geometrien (wie Umlenkblenden), die prinzipiell bessere Homogenisierergebnisse liefern, können zukünftig ebenfalls mit Mikromischern kombiniert werden. Versuchsanlage Abb. 2.8: Aufbau der Versuchsanlage (Standort: IMVT, FZK des KIT).

21 16 Aufbau Abb. 2.8 zeigt die Versuchsanlage. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass sechs Membrankolbenpumpen auf einer Antriebswelle betrieben werden, wodurch mit jeweils drei Membrankolbenpumpen für einen Mischstrom ein weitgehend konstanter Mischstrom erreicht wird. Genereller Aufbau der Simultanen Homogenisier- und Mischblenden (SHM-Blenden) Für den ersten Prototyp der Simultanen Homogenisier- und Mischblende (SHM- Blende) wurde eine Kombination aus einem T-förmigen Mikromischer und einer Homogenisierblende gewählt. Die T-förmige diese eine hohe lokale Turbulenz und damit schnelle Vermischung ermöglicht (HORN, 2001). Abb. 2.9 zeigt sowohl die eigentliche Homogenisierblende als auch deren Auslaufgebiet, das gleichzeitig die Mischzone darstellt. Abb. 2.9: Prinzipieller Aufbau der SHM-Blende. Basierend auf Ergebnissen von Strömungssimulationsrechnungen konnte die Mischgeometrie derart verbessert werden, dass der Großteil der aus der Blende austretenden Flüssigkeit zentral in die Mischstrahlen eintritt und nicht seitlich an eine der Wände gedrückt wird. In Voruntersuchungen konnte weiterhin gezeigt werden, dass im Auslaufbereich der eingesetzten Blende nach ca. 1 mm die turbulente kinetische Energiefreisetzung ein Maximum erreicht. Da in diesem Bereich der höchsten turbulenten kinetischen Energiefreisetzung die höchste Mikroturbulenz und daher die größten Zerkleinerungseffekte zu erwarten sind, wurde die Zumischung in dieses Gebiet gelegt. Weiterhin wurde eine Mischstrecke mit dem Abstand l = 0 mm konzipiert, um eine möglichst schnelle Vermischung zu bekommen. Mischstrecken mit Abständen zwischen l = 3 mm und l = 7 mm ermöglichten dagegen das Einmischen von Magermilch an Orten, an denen die Turbulenz im Auslauf der einfachen Lochblende fast abgeklungen ist. Mit Variation des Zugabeortes wird somit nicht nur der Zugabezeitpunkt der Zumischung von Magermilch und die Güte der Vermischung verändert, sondern auch die zerkleinerungswirksame Strömung im Nachblendenraum beeinflusst.

22 17 Es wurde ein Mischungsverhältnis von 1:10 bei einem Druckverhältnis von 10:1 angestrebt, um Rahm mit Fettgehalten entsprechend prozesstypischer Separatorenausgänge direkt im Homogenisierstrom einsetzen zu können, ohne weitere Mischschritte zu benötigen. Das Flächenverhältnis von Blendenausgang zu Zumischungsausgang wurde durch Simulationsrechnungen optimiert und lag bei dem Durchsatz der Laboranlage bei 0,0125 / 0,125 mm². Mit den Komponenten Rahm (32 % Fett) und Magermilch (0,3 % Fett) konnte auf diese Art und Weise eine Milch mit einem Fettanteil von ca. 3,5 % in einem einzigen Prozessschritt hergestellt werden, ohne auf die energetischen Vorteile des Teilstromhomogenisierens verzichten zu müssen. Die Entspannung des Volumenstroms des Rahms V & 1 erfolgte mit Drücken zwischen 50 und 300 bar über die Homogenisierblende. Der Volumenstrom V & 2 der Magermilch verteilte sich auf zwei gegenüber liegende Zumischstellen und benötigte Zumischdrücke im Bereich von 5 30 bar. Strömungssimulation Das Ziel der Simulationsrechnungen zur Auslegung der Mischstrecke bestand darin, die Strömungsverhältnisse vorherzusagen und somit schon vor Konstruktion der unterschiedlichen Geometrien Aussagen über deren Homogenisier- und Mischgüte treffen zu können. Dementsprechend kann man sich in der Konstruktion und experimentellen Phase auf wenige Erfolg versprechende Geometrien beschränken. Die Strömungssimulation ermöglicht die Abschätzung der Intensität und Verteilung der turbulenten kinetischen Energiefreisetzung im kritischen Bereich nach dem Blendenausgang. In diesen Gebieten mit erhöhter Turbulenz werden die Fetttropfen aufgebrochen. Hier müssen die milcheigenen Emulgatoren (in Form von Magermilch) gezielt zugegeben werden. Eine hohe Mikroturbulenz ermöglicht es, die Ströme schnellstmöglich intensiv zu vermischen. Um die Qualität der Vermischung für unterschiedliche Verweilzeiten qualitativ beurteilen zu können, wurde eine spezifische Auswerteformel entwickelt. Mischgüte Um die Durchmischung im Mischbereich zu charakterisieren, wurde das Path-Line- Verfahren verwendet. Mit diesem Verfahren werden über die Zeit unterschiedliche Stromlinien verfolgt und die Geschwindigkeit ν und die Konzentration x an der Stelle der Stromlinie ermittelt. Mit diesen Werten wurde die Varianz über alle Fließlinien im Verhältnis zum erwarteten Mischungsgleichgewicht betrachtet und mit einem Geschwindigkeitsfaktor gewichtet, der wegen der inhomogenen Verteilung des Volumenstroms pro Gitterzelle am Blendenausgang eingeführt wurde. Mit der Gewichtung soll berücksichtigt werden, dass am Rand der Blende die Fließgeschwindigkeit und somit auch der Massenstrom deutlich geringer ist. Diese Randbereiche haben dementsprechend auf die Durchmischung eine geringere Auswirkung und werden bei der Varianz nur schwach berücksichtigt. Dieses Vorgehen ist allerdings nur gerechtfertigt, wenn am Blendenausgang die Flächen der Zellen gleich groß sind. Dies wurde bei Anlegen des Netzes für die Simulationsrechnungen berücksichtigt.

23 18 n 2 i [( x i x ) * ] 1 v& i (3.1) σ = n * ( n 1 ) v& x i : Konzentration des Emulgators in Zelle i; x : theoretische Konzentration des Emulgators am Ende der Mischstrecke; v& i : Volumenstrom in Zelle i bezogen auf die Fläche der Zelle; v& i : Mittelwert der einzelnen Volumenströme; n : Anzahl von Zellen Bestimmung der Größenverteilung der Fettkugeln Die Größenverteilung der Fettkugeln wurde mit einem LS 230 (Messprinzip: Laserbeugung mit PIDS-Technologie) der Firma Beckman Coulter bestimmt. Dazu müssen die Produkte mit Wasser verdünnt werden. Beim Verdünnen mit Wasser können Aggregate aus Fettkugeln nicht aufgelöst werden. Um zwischen Primärgrößen der eigentlichen Fettkugeln und Aggregaten unterscheiden zu können, wurde deswegen zusätzlich mit SDS-Lösung (Natriumdodecylsulfat) verdünnt. Bei SDS-Zugabe werden Fettkugelaggregate aufgelöst Ergebnisse und Diskussion Auslegung der SHM-Blende Geometrische Auslegung der SHM-Blende zum Teilstromhomogenisieren von Milch Um die Vorgänge in der SHM-Blende besser verstehen zu können, wurden die Mischstrecken für Zumischorte zwischen l = 0 und 7 mm Abstand simuliert. Dargestellt sind hier nur die Ergebnisse für l = 0, 1 und 3 mm Abstand (s. Abb. 2.10). Abb. 2.10: Darstellung der turbulenten kinetischen Energie κ in SHM-Blenden mit Zugabeort für Magermilch in einem Abstand von l = 0, 1 und 3 mm nach dem Blendenausgang. Bei den drei dargestellten SHM-Blenden hat der Zugabeort der Magermilch einen signifikanten Einfluss auf die Strömung im Bereich hinter der Blende. Die Verteilung und Intensität der spezifischen turbulenten kinetischen Energie κ ist deutlich verschieden.

24 19 Bei der SHM-Blende mit Zugabeort direkt an der Blendenöffnung (Abstand l = 0 mm, s. Abb oben rechts) kommt es relativ spät zu einer sehr hohen turbulenten kinetischen Energiefreisetzung, die sich auf einen engen Bereich in der Mitte der Strömung im Blendenausgang konzentriert. Bei der 1 mm-shm-blende (Zugabeort der Magermilch im Abstand l = 1 mm nach Blendenausgang, s. Abb links) kommt es durch die Zumischung hingegen zu einer Zweiteilung der Verteilung der turbulenten kinetischen Energiefreisetzung. Ein erstes Maximum der turbulenten kinetischen Energiefreisetzung findet man kurz vor der Zumischung der Magermilch, ein zweites Maximum liegt ca. 1 mm hinter dem Zugabeort. In beiden Maxima sind die freigesetzten Energiespitzen aber geringer und v. a. im Auslaufbereich auf einen weiteren Strömungsbereich verteilt. Bei der 3 mm-shm-blende (Zugabeort der Magermilch im Abstand l = 3 mm nach Blendenausgang, s. Abb unten rechts) kommt es durch die späte Zumischung zu einer Aufstauchung des Strömungsgebiets. Vor diesem durch die Zugabestrahlen induzierten Stauchpunkt liegt das Gebiet mit maximaler turbulenter kinetischer Energiefreisetzung. Die maximale Intensität liegt zwischen den Spitzenwerten der 0 mm- und der 1 mm-shm-blende und ist im Vergleich über den größten Raum verteilt (gesamte Breite des Stroms). Bei allen Mischstrecken bildet sich im Auslaufbereich der SHM-Blende in Höhe der Zumischung ein Stauchpunkt aus, was auf das Verwenden einer T-förmigen Geometrie des Mikromischerbauteils zurückzuführen ist. Dieser Stauchpunkt hat eine vergleichbare Wirkung wie das Anlegen eines Gegendrucks. Bei größeren Abständen wird der Stauchpunkt weiter nach hinten gelegt und der Effekt der Strömungsstauchung geht langsam verloren (hier nicht dargestellt). Mischgüte Aus Abb ist ersichtlich, dass eine vollständige Vermischung bei den dargestellten Mischstrecken im Bereich von Mikrosekunden erreicht wird. Diese Erkenntnis ist wichtig, um abschätzen zu können, wie schnell bzw. langsam der Emulgator sein muss, um die neu gebildeten Tropfen rechtzeitig zu stabilisieren. Nach ca. 100 µs ist die Vermischung fast vollständig abgeschlossen. Entscheidend für die Stabilisierung von neu gebildeten Fettkugeln ist nur noch die Zeit, die die Emulgatormoleküle zum Adsorbieren an den Grenzflächen benötigen. Als Maß für die Mischgüte wurde die Varianz σ der Konzentrationsverteilung herangezogen, die gemäß Gleichung 3.1 ermittelt wurde: Je geringer die Varianz σ ist, desto besser ist die Mischgüte. Eine ideale Vermischung resultiert in einer Varianz σ = 0. Wie in Abb dargestellt, fällt die Varianz σ der Konzentrationsverteilung bei der SHM-Blende mit direkter Zugabe der Magermilch am Blendenausgang (Distanz l = 0 mm) am steilsten ab. Hieraus lässt sich schließen, dass bei der SHM-Blende mit l = 0 mm die mit dem Magermilchstrom seitlich zugeführten Emulgatormoleküle am schnellsten eingemischt werden.

25 20 Abb. 2.11: Verlauf der Varianz in den Mischstrecken aus Abb Variiert wurde der Abstand l zwischen Blendenausgang und Zugabeort der Magermilch. Bei der SHM-Blende mit l = 1 mm Distanz zwischen Zumischung der Magermilch und Blendenausgang läuft die Vermischung um ca. 10 µs verzögert ab, die Kurve verläuft jedoch fast parallel zur SHM-Blende mit l = 0 mm. Nach ca. 150 µs werden fast gleiche Mischgüten erreicht. Weiterhin konnte durch die Simulation gezeigt werden, dass die Durchmischung bei der Mischstrecke innerhalb von 7 mm nach der Blende größtenteils abgeschlossen ist. Vor und hinter den seitlichen Zumischungen bilden sich Rückströmungen aus, die zu Rückmischung führen. Außerdem ist aus der Simulation (s. Abb. 2.10) ersichtlich, dass durch das Zusammentreffen der Flüssigkeitsstrahlen aus den Zumischungen die turbulente kinetische Strömung stark eingeschnürt wird. Diese Einschnürung der turbulenten kinetischen Energie führt zu einer Aufteilung in zwei Bereiche, womit ein Maximum der turbulenten kinetischen Energiefreisetzung vor und das zweite hinter der Zumischung liegt. Bei der SHM-Blende mit l = 3 mm Distanz zwischen Zumischung der Magermilch und Blendenausgang fällt die Varianz in den ersten 20 µs nach Blendenausgang zunächst ab, stagniert dann aber nahezu bis ca. t = 60 µs. Dies resultiert aus dem Stauchpunkt und den Rückströmungen, die durch die spätere Zugabe der Magermilch induziert werden (s. Abb unten rechts). Nach dem Zugabeort der Magermilch fällt die Varianz weiter ab, erreicht jedoch nicht die Endwerte der SHM- Blenden mit l = 0 und 1 mm Distanz. Der Grund hierfür ist bei einer zeitlich aufgelösten Beobachtung der Strömungssimulationsergebnisse zu erkennen (hier nicht darstellbar). Durch den induzierten Stauchpunkt bilden sich Rückströmungen neben dem aus der Blende austretenden Strahl aus. In der betrachteten Zeitspanne von 150 ms können die Grenzwerte der Varianz nicht erreicht werden, da eine gewisse Fraktion des Volumens im Rückströmungsgebiet verbleibt.

26 Einfluss auf das Homogenisierergebnis Einfluss des Zugabeortes der Magermilch auf das Homogenisierergebnis Der Ort der Zumischung hat, wie die Strömungssimulationen zeigten, einen erheblichen Einfluss auf die Intensität und Verteilung der turbulenten kinetischen Energiefreisetzung und die Mischgüte. Diese beiden Faktoren sind wiederum entscheidend für den Tropfen- und Aggregataufbruch bzw. das Verhindern einer Aggregatausbildung (und somit für das Zerkleinerungsergebnis der SHM-Blende). Im Fall der Milchhomogenisation ist das Ausbilden von Aggregaten zerkleinerter Fettkügelchen eine besondere Problematik. Daher ist zu vermuten, dass ein Strömungsverlauf, wie er sich aus der 3 mm-shm-blende ergibt, besonders vorteilhaft ist, da er sich insbesondere zum Desaggregieren bzw. Verhindern einer Aggregatbildung eignen sollte. Eine hohe Mischgüte stellt sich zwar etwas langsamer ein, liegt aber mit wenigen 10 bis 100 µs zeitlich noch nah genug am Ort des Fetttropfenaufbruchs, um rechtzeitig stabilisierendes Membranmaterial nachzuliefern. Abb zeigt die maximalen Partikeldurchmesser als x 90,3 -Werte der Volumenverteilung nach dem Homogenisieren von Milch mit SHM-Blenden unterschiedlicher Zugabeorte für Magermilch (l = 0 bis 7 mm). Zum Vergleich wurden die Ergebnisse, die man beim Homogenisieren von Vollmilch im Vollstrom (100 % des Volumens über die Homogenisierblende geführt) ohne Gegendruck erhält, mit aufgenommen. Tropfendurchmesser x 90,3 [µm] Distanz l: 0 mm Distanz l: 3 mm Distanz l: 5 mm Distanz l: 7 mm Vollstromhomogenisierung Teilstromhomogenisierung Rahm ϕ = 32 vol-% Magemilch ϕ = 0.3 vol-% Mischungsverhältniss Rahm / Magermilch = 1/8 Druckverhältniss Rahm / Magermilch = 10/1 Vollstromhomogensierung Fettgehalt ϕ = 3.5 vol-% Gemessen ohne SDS Homogenisierdruck p [bar] Abb. 2.12: Homogenisierergebnisse (maximale Partikeldurchmesser x 90,3 des volumengewichteten Kollektivs) in Abhängigkeit vom Homogenisierdruck für unterschiedliche Distanzen zwischen Blendenausgang und Zugabeort der Magermilch bei Einsatz von SHM-Blenden. Es wurde festgestellt, dass sich beim Teilstromhomogenisieren von Rahm (32 % Fett) mit SHM-Blenden die Homogenisierergebnisse im untersuchten Bereich mit steigendem Abstand der Zugabestelle bis zu einer Distanz l = 5 mm verbessern. Strömungssimulationsrechnungen zeigten, dass die Strömung im Auslauf aus dem Blendenkanal und die Zerkleinerung immer weniger gestört wird, je größer die Distanz zwischen Blendenausgang und Zumischung ist. Gleichzeitig bewirkt der ab

27 22 einer Distanz von l = 1 mm entstehende Stauchpunkt einen Gegendruck, der sich positiv auf das Zerkleinerungsergebnis auswirkt. Beides bewirkt eine Verbesserung der Homogenisierergebnisse mit zunehmendem Abstand. Ab einer Distanz von l = 5 mm wird das Homogenisierergebnis schlechter, was darauf zurückzuführen ist, dass die Zumischung zu spät erfolgt und die Mischgüte abnimmt. In diesem Fall werden die Grenzflächen nicht schnell genug stabilisiert, wodurch sich sowohl Aggregate bilden können, als auch Koaleszenz auftreten kann. Der optimale Zugabeort liegt damit für den betrachteten Volumenstrom (5 15 L/h) und Druckbereich (p = bar) bei l = 5 mm. Für andere Prozessparameter werden sich die Strömungsverhältnisse im Blendenauslauf ändern. Entsprechend muss der optimale Zugabeort mittels CFD-Rechnungen und Experimenten neu bestimmt werden. Einfluss des Gegendrucks auf das Homogenisierergebnis Durch Anlegen eines Gegendrucks kann eine Verbesserung des Homogenisierergebnisses von Flachventilen und Blenden erreicht werden (KESSLER, 2002, FREUDIG et al., 2003; Abschlußberichte AiF12405 N und AiF13731 N). In Abb sind die Homogenisierergebnisse für das Vollstromhomogenisieren mit einer einfachen Blende und das SHM-Verfahren dargestellt. Der Gegendruck bzw. die Thomazahl wurde durch Einsatz eines Nadelventils aufgebracht. Abb. 2.13: Vergleich der Homogenisierergebnisse der Vollstromhomogenisierung von Milch mit einem Fettgehalt von 3,5 Vol.-% (einfache Lochblende) mit der Teilstromhomogenisierung von Sahne mit einem Fettanteil von 32 Vol.-% bei Variation des Gegendrucks. Wenn kein Gegendruck angelegt wird ( Th = p2. Stufe p1. Stufe = 0) (KESSLER, 2002) liefert das SHM-Teilstromhomogenisieren bessere Ergebnisse als eine einfache Lochblende trotz 10-fach erhöhten Fettanteil. Dieses ist nicht nur auf das Verdünnen und gleichzeitige Zuführen von grenzflächenaktivem Material zurückzuführen, sondern auch darauf, dass sich durch die zwei Zumischstrahlen ein Stauchpunkt

28 23 aufbaut, der einen Gegendruck auf die Blende ausübt und zerkleinernd auf evtl. gebildete Aggregate wirken kann. Durch Anlegen bzw. Erhöhen eines Gegendrucks (nachgeschaltetes Nadelventil) verbessert sich das Homogenisierergebnis bei beiden Homogenisierverfahren. Deutlicher fällt dies beim Vollstromhomogenisieren aus, da hier zum einen noch gar kein Gegendruck vorlag und zum anderen, da der in der Magermilchzuführung aufgebrachte Gegendruck nicht vollständig in den Zerkleinerungsraum hinter der Homogenisierdüse überführt werden kann. Zur Optimierung sollten alternative Verfahren zum Anlegen eines Gegendrucks beim Teilstrom-SHM-Verfahren evaluiert werden Variation der SHM-Blende Alternative Geometrie der SHM-Blende: Druckfrei Magermilch einziehende Düse Energetisch günstiger als eine T-förmige Ausführung der SHM-Blende ist eine Düse, bei der die Zumischströme so angeordnet sind, dass sie druckfrei (und damit ohne zweite Pumpe) eingezogen werden können. Hierzu kann man den Effekt nutzen, dass direkt im Auslass aus der Homogenisierblende durch die extreme Beschleunigung des Flüssigkeitsstrahles ein Unterdruck entsteht, der die Magermilch mit einzieht. Eine entsprechende Düsengeometrie wurde mit CFD-Strömungssimulationsrechnungen ausgelegt und gebaut (siehe Abb. 2.14). Abb. 2.14: Selbst einziehende SHM-Blendengeometrie. Da das Volumen aus dem Bereich direkt hinter der Blende gezogen wird, entsteht allerdings nahezu kein Stauchpunkt. Der fehlende Stauchpunkt sollte sich eher negativ auf die Zerkleinerung von Fetttropfen auswirken, da kein Gegendruck aufgebaut wird. Die selbst einziehende SHM-Blende kann damit zwar im reinen Saugbetrieb und damit energetisch günstiger betrieben werden, jedoch ist das Mischungsverhältnis vom Homogenisierdruck abhängig und somit nicht frei variierbar (rein saugende Betriebsweise). Das Mischungsverhältnis lag bei niedrigen Homogenisierdrücken um die p = 50 bar bei Rahm / Magermilch = 1 / 10, und stieg mit zunehmendem Druck bis auf 1 / 4 an.

29 24 Für konstante oder vorgegebene Mischungsverhältnisse bei Variation des Homogenisierdrucks musste eine Pumpe auf der Magermilchseite eingesetzt werden (Volumenverhältnisgeregelte Betriebsweise). Abb. 2.15: Vergleich der Homogenisierergebnisse der T-förmigen mit der selbst einziehenden SHM-Blendengeometrie. Obwohl es auch mit der selbst einziehenden SHM-Blende möglich ist, Fetttropfen bei höheren Konzentrationen in der Rahmphase gegen Koaleszenz und Aggregation zu stabilisieren, ist sie in beiden Betriebsweisen insgesamt deutlich schlechter als die T- förmige SHM-Geometrie. Der reine Saugbetrieb ( ) zeigt die schlechtesten Ergebnisse, was vermutlich auf die geringere Verdünnung und den geringsten Gegendruck zurückzuführen ist. Gezieltes Aufbringen von Gegendruck auf die Homogenisiereinheit der SHM-Blende: selbst einziehende SHM-Blende in Doppelblendenbauweise Um gleichzeitig die positive Wirkung eines durch eine zweite Homogenisierstufe aufgebrachten Gegendrucks, und die positive Wirkung des direkten Zumischens von Magermilch nutzen zu können, wurde eine SHM-Blende konstruiert, bei der die einfache Homogenisierblende für die Rahmphase durch eine Doppelblende ersetzt wurde. So wurde ein gezielter Gegendruck auf die eigentliche Homogenisierblende aufgebracht, gleichzeitig aber der Effekt der zeitnahen Zumischung von milcheigenen Proteinen und gleichzeitige Verdünnung genutzt.

30 25 Abb. 2.16: Selbst einziehende SHM-Blende in Doppelblendenbauweise. Durch die Doppelblendenbauweise auf der Homogenisierseite können bessere Ergebnisse erreicht werden als mit der einfachen selbst einziehenden SHM-Blende (siehe Abb. 2.17). Diese ist mit dem gezielt aufgebrachten Gegendruck auf die eigentliche Homogenisierblende zu begründen. Jedoch können keine besseren Homogenisierergebnisse erreicht werden als bei der T-förmigen SHM-Blende mit einem Abstand von 5 mm. Daher wurde für die weiteren Untersuchungen nur noch mit der T-förmigen Bauweise der SHM-Blende gearbeitet. Abb. 2.17: Homogenisierergebnis der selbst einziehenden SHM-Blende in Doppelblendenbauweise verglichen mit einer einfachen selbst einziehenden SHM-Blende und einer T-förmigen SHM-Blende (Zumischort der Magermilch (MM) bei l = 5 mm).