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Zur Verlängerung der Haltbarkeit ist die thermische Behandlung von wasserhaltigen Lebensmitteln obligatorisch. Die kontinuierliche Pasteurisierung oder Sterilisierung partikelbefrachteter viskoser Lebensmittel in aseptischen Prozessen erfolgt meist in Röhren- oder Schabewärmetauschern durch konduktive und konvektive Wärmeübertragung. Charakteristisch für diese Verfahren sind langsame Temperaturausgleichsvorgänge und lange Behandlungszeiten, die zur Erwärmung der thermisch trägsten Stellen des Lebensmittels auf die mikrobiologisch erforderliche Temperatur notwendig sind. Die starke thermische Beanspruchung führt bei hochviskosen oder laminarströmenden Medien wie beispielsweise Fertigsuppen, Fruchtzubereitungen für Joghurt, Babynahrung oder auch Konzentrate für den Getränkesektor oft zu einem beträchtlichen Verlust an geschmacklicher, farblicher, ernährungsphysiologischer und textureller Qualität. Eine schnelle und gleichmässige Erwärmung temperaturempfindlicher Lebensmittel kann daher erhebliche Qualitätsverbesserungen erzielen.
Hochfrequenzerhitzung. Seit einigen Jahren untersucht das Fraunhofer-Institut (IVV) in Freising (DE) ein interessantes Verfahren zur schnellen durchdringenden Erwärmung flüssiger Lebensmittel mit elektrischen Hochfrequenzfeldern von 27,12 MHz (HF-Erhitzung). Die HF-Erhitzung zeichnet sich gegenüber der Erhitzung mit Mikrowellen durch die Fähigkeit aus, Lebensmittel auch in grossen Rohrquerschnitten gleichmässig zu erwärmen. Gegenüber der Ohm`schen Erhitzung, die mit niederfrequenten Strömen arbeitet, verzichtet die HF-Erhitzung auf Elektroden mit direktem galvanischen Kontakt zum Lebensmittel und vermeidet elektrochemische Reaktionen wie zum Beispiel Elektrodenkorrosion oder Ozonbildung im Produkt.
Funktionsprinzip. Die HF-Erhitzung basiert auf der Anregung von elektrischen (Ionen-)Strömen und der Erzeugung Joule`scher Wärme im Lebensmittel durch das angelegte elektrische Feld. Die untersuchte Ausführung des HF-Erhitzers ist ein zylindrisches Erhitzerrohr aus Isolatormaterial. An der Aussenwand des Rohres sind gegenüberliegend zwei Elektroden angebracht, an die eine elektrische Spannung von mehreren Kilovolt und einer Frequenz von 27,12 MHz angelegt wird. Das elektrische HF-Feld zwischen den Elektroden durchsetzt Rohrwand und Lebensmittel quer zur Strömungsrichtung. Die Wechselwirkung des elektrischen HF-Feldes mit dem elektrisch leitfähigen Lebensmittel im Rohrvolumen zwischen den Elektroden führt zur Erwärmung.
Da es sich um ein geschlossenes Rohrsystem handelt, können Betriebe die Anlage zur Hochfrequenzerhitzung einfach in die vorhandene CIP-Reinigung integrieren. Die Wissenschaftler sind bestrebt, das Rohr offen zu halten und verzichten auf Einbauten, damit im Bedarfsfall auch ein Molch die Reinigung des Rohres übernehmen kann. Die verwendeten Rohrmaterialien sind chemisch inert, weshalb sich das Rohrsystem mit allen gängigen Reinigungschemikalien reinigen lässt. Die Experten des IVV erwarten zudem, dass die Reinigung sogar noch einfacher wird, da sie mit weniger Belagsbildung rechnen, als es bei Röhrenwärmetauschern der Fall sein kann.
Experimentelle Ergebnisse. Bei Rohrströmung mit Plug-flow-Charakteristik ist selbst bei sehr hohen Aufheizraten um 5 °C/s eine ideal gleichmässige Produkterwärmung realisierbar. Bei strikt laminarer Rohrströmung, wie es bei hochviskosen Lebensmitteln vorkommen kann, führen die langen Verweilzeiten von nahe der Rohrwand fliessenden Produktanteilen zu einer Temperaturüberhöhung. Diese lässt sich durch Reduzierung der Aufheizraten auf etwa 2 °C/s begrenzen. Weitere Verbesserungen der Temperaturgleichmässigkeit bei der HF-Erwärmung laminar strömender Produkte können durch milde Mischeffekte erzielt werden, wie sie Rohrbögen oder suspendierte Partikel hervorrufen.
Suspendierte Partikel erwärmen sich im HF-Feld gleichmässig und ähnlich schnell wie die umgebende Flüssigkeit. Lange Temperaturausgleichszeiten, die in konventionellen Erhitzern zur ausreichenden Erwärmung der Partikel bis in den Kern notwendig sind, lassen sich dramatisch verkürzen oder entfallen ganz.
Das HF-Erhitzerrohr zeigt ein stabiles und gut regelbares Betriebsverhalten. Die Rohrkonstruktion erweist sich als elektrisch und mechanisch so robust, dass Druck- und Temperaturanforderungen eines Sterilisierprozesses ohne Weiteres erfüllbar sind. HF-Generator und Leistungsregelung basieren auf bewährter Industrietechnik.
Zur Unterstützung der Verfahrensoptimierung und des Anlagen-Scale-ups entwickelten die Forscher des IVV erste fluiddynamische und thermische Modelle des Erhitzerrohrs, die temperaturabhängige rheologische und elektrische Eigenschaften der Lebensmittel berücksichtigen können.
Ausblick. Mit dem HF-Erhitzerrohr ist eine sehr schnelle und schonende Erwärmung flüssiger Lebensmittel umsetzbar. Die Rohrführung ohne strömungsbrechende Einbauten sowie der Verzicht auf turbulente Strömung führen zu einer geringen mechanischen Belastung der Produkte. Diese Art der Erwärmung ist daher für hochviskose Produkte und für flüssige Produkte mit grösseren Partikeln besonders geeignet.
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