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Verfahrenstechnik: Ausgabe 11/2015, 03.11.2015

Rieselfähige Flüssigkeiten

Hochdruckverfahren können aus Flüssigkeiten, Pasten sowie fett- und wachsartigen Substanzen, mikrofeines Pulver herstellen, das sich leicht mischen lässt und intensive Geschmackserlebnisse erzeugt.

Autor: Redaktion

Bilder: Fraunhofer-Institut UMSICHT Sicherheits- und Energietechnik

Mischen von verschiedenen Zutaten ist ein Standardprozess bei der Herstellung von Lebensmitteln. Doch was einfach klingt, kann durchaus zu einer Herausforderung werden. Nämlich dann, wenn beispielsweise kleine Mengen leicht flüchtiger Stoffe oder schwer mischbare Zutaten wie etwa Honig oder Schokolade, Bestandteil der Rezeptur sind. Ein innovatives Verfahren kann hier Abhilfe schaffen. Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Umwelt, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT forschen in Kooperation mit Experten der Universität in Maribor am PGSS-Verfahren (Particles from Gas Saturated Solutions). Mit diesem lassen sich flüssige und bei Raumtemperatur feste Fettstoffe – wie zum Beispiel Butter, Fette wie Kakaobutter und Palmfett oder Sojalecithin – in mikrofeine Pulver verwandeln, die sich leicht mit anderen Zutaten mischen lassen.

Know-how.

Das PGSS-Verfahren arbeitet mit «Hochdruck». Dabei schmelzen die Experten zunächst das Edukt, zum Beispiel Schokolade, und verdichten dieses mithilfe einer Hochdruckpumpe. In einem statischen Mischer vermischen sie das Edukt mit überkritischem CO2 und entspannen die Emulsion über eine Sprühtrocknungsdüse im Sprühturm. Dabei bilden sich feine Tröpfchen, die sich durch den Joule-Thomson-Effekt abkühlen und zu feinen Partikeln werden. Dabei sind die Wissenschaftler in der Lage, die Form des Pulvers durch Einstellung verschiedener Parameter zu verändern.

«Die Pulverpartikel können Kugeln, poröse Kugeln, poröse Partikel oder Mikroschaum-partikel sein. Je nach Form sind die Partikel in der Lage, mehr oder weniger Flüssigkeit aufzunehmen und als Trägerstoff für eine Flüssigkeit zu dienen», erklärt Sebastian Pörschke vom Fraunhofer-Institut. Aus dem Zusammenspiel von Druck, Temperatur und LMV ergibt sich, welche Eigenschaften die Partikel haben. Mit der spezifischen Gasmenge können die Forscher erkennen, welcher Druck und welche Temperatur nötig ist, um Kugeln oder Mikroschaum- partikel zu erzeugen.

Aus zwei mach eins.

Das PGSS-Verfahren ist nicht nur auf ein Edukt begrenzt, sondern funktioniert auch mit zwei Substanzen. Der Anfang ist wieder das Aufschmelzen. Dieses Mal jedoch von zwei Edukten, beispielsweise Alkohol und Schokolade. Zwei Hochdruckpumpen verdichten beide Edukte, die wieder mit überkritischem CO2 in einem statischen Mischer verdichtet werden. Eine Sprühtrocknungsdüse entspannt die Mischung, wobei es wieder zu Tröpfchenbildung und Abkühlung des Pulvers kommt. Den Abschluss bildet das Abscheiden des Feinstaubs, was im Zyklon passiert. Die auf diese Weise entstandenen Partikel bestehen in diesem Beispiel aus Schokolade, in denen Alkohol als kleine Tröpfchen fein verteilt ist. «Diese Partikel sind deutlich kleiner als normales Pulver. Konsumenten spüren es sofort, wenn sie das Schokoladenpulver in den Munde nehmen. Jeder einzelne Partikel schmilzt extrem schnell und setzt dann den Alkohol frei. Das schmeckt deutlich intensiver als bei einer herkömmlichen Schokoladenpraline», so der Wissenschaftler.

Ungeahnte Möglichkeiten.

Dass sich das Verfahren nicht nur auf Schokolade und Alkohol begrenzt, liegt auf der Hand. Damit lassen sich sehr viel mehr Kombinationen herstellen, wie zum Beispiel mit Aromen, Zucker und Süssstoffen. Es ist sogar realisierbar, verschiedene Aromen zu unterschiedlichen Zeitpunkten zu aktivieren. So könnte ein Kaugummi die ersten 5 Minuten nach Kirsche schmecken und dann in einen Orangengeschmack wechseln. «Solche Anwendungen sind zwar für die Industrie noch nicht erprobt, aber in Versuchsreihen haben wir schon mit einem Kaugummiproduzenten daran gearbeitet», sagt der Fachmann.

Rieselfähige Flüssigkeiten und Pasten.

Eine etwas andere Methode ist in der Lage, aus Flüssigkeiten Pulver zu machen. Das CPF-Verfahren (Concentrated Powder Form) ist dem PGSS-Verfahren sehr ähnlich und basiert ebenfalls auf Hochdruck. In einem druckfesten Stahlgefäss befindet sich eine Flüssigkeit, die mit Gas versetzt und an der Sprühdüse schnell entspannt wird. Dadurch zerreisst die Flüssigkeit in feine Tröpfchen. Diesem Sprühstrahl aus Gas und Flüssigkeit setzen die Wissenschaftler einen Trägerstoff zu. Aus Tröpfchen und Trägerstoff entsteht letztlich das Pulver mit ungewöhnlich hoher Flüssigkeitsbeladung. «Mit diesem Hochdrucksprühverfahren können wir auf trockene, rieselfähige Pulver Flüssigkeiten aufziehen. Das Pulver besteht dann beispielsweise aus 70 bis 80 Gewichtsprozent aus einer Flüssigkeit und ist trotzdem rieselfähig. Auf diese Weise können wir zum Beispiel Honig auf Mehl aufbringen. Dieses Mehl ist rieselfähig und muss nur noch mit Mehl gemischt werden. Damit schaffen wir eine viel bessere Mischbarkeit als wenn wir flüssigen Honig mit Mehl mischen müssen», so Pörschke.

Lagerfähige Aromaextrakte.

Das CPF-Verfahren lässt sich nutzen, um Extrakte gleichmässig auf einen Trägerstoff aufzubringen. So zum Beispiel natürliche Farb- und Aromastoffe. In Verbindung mit Sauerstoff gehen Farbe als auch Aroma schnell verloren. Beispielsweise enthalten erntefrische Paprika Carotinoide, die eine intensive, rote Farbe aufweisen. Während der Lagerung werden Carotinoide durch Oxidation schnell abgebaut, wodurch eine deutliche Aufhellung eintritt. Zum Schutz der Farbstoffe stellen Produzenten einen Extrakt her. Besonders gute Extrakte lassen sich mit Kohlendioxid als Extraktionsmittel erzeugen. Durch Hochdruckextraktion können Produzenten aus einem Kilogramm Paprika rund 100 g Extrakt gewinnen. Im Vergleich zum Ausgangsextrakt weist der durch Hochdruck gewonnene Extrakt günstigere Eigenschaften auf. Er ist keimarm und haltbarer, da durch die Extraktion mit CO2 der vorhandene Sauerstoff verdrängt wurde.

Mit dem CPF-Verfahren können Experten auch sicht- und schmeckbare Produkteigenschaften massschneidern. Durch die Verwendung unterschiedlicher Trägerstoffe lassen sich die Pulver besser in flüssigen oder fetthaltigen Medien freisetzen. Diese Technik findet seit Kurzem Anwendung in der Lebensmitteltechnik und stösst auch in anderen Industriezweigen auf grosses Interesse.

Auch wenn – mit Ausnahme des CPF-Verfahrens – die Methoden bisher nicht im industriellen Massstab, sondern in Versuchsanlagen mit Prototypen im Einsatz sind, so ist das Potenzial klar erkennbar. Unternehmen haben jedoch die Chance, künftige Anwendungen zu erproben und sich dann eine Anlage zu bauen.


Weitere Informationen:
UMSICHT Fraunhofer-Institut für Umwelt-,
Sicherheits- und Energietechnik
sebastian.poerschke@umsicht.fraunhofer.de
Ruhr Universität Bochum, www.vtp.rub.de
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen
www.fau.de




PGSS-Anlage am Fraunhofer-Institut UMSICHT in Oberhausen


Mit dem PGSS-Verfahren lassen sich massgeschneiderte Partikel herstellen. Die Kugelform entsteht bei hohen Temperaturen


Bei moderaten Temperaturen lassen sich poröse Partikel formen, die eine grössere Oberfläche haben und dadurch in der Lage sind, mehr Flüssigkeit aufzunehmen


Anlage 1: PGSS-Verfahrensprinzip: Aufschmelzen des Edukts, Verdichtung des Edukts mit Hilfe einer Hochdruckpumpe, Vermischung des Edukts mit überkritischem CO2 im statischen Mischer, Entspannung der Emulsion im Sprühturm, Tröpfchenbildung durch rasch entweichendes Fluid, Abkühlung der Tröpfchen durch Joule-Thomson-Effekt:
Partikelbildung, Abscheidung des Pulvers im Sprühturm und Zyklon


Anlage 2: Das PGSS-Verfahren funktioniert auch mit zwei Edukten. Diese Methode eignet sich zum Verkapseln von Flüssigkeiten – beispielsweise Alkohol und Schokoladenpulver – zur Herstellung von Pralinen