Hochfrequenz-Durchlauferhitzer

Die durchdringende Erwärmung mit hochfrequenten elektrischen Feldern von 27,12 MHz (HF-Erhitzung) ist eine innovative Technik, um hochviskose Flüssigkeiten mit Partikeln sehr schnell zu erwärmen und gleichzeitig die mechanische Belastung der Produkte bei der Erwärmung zu senken. Die HF-Erhitzung bietet das Potential zu signifikanten Qualitätsverbesserungen bei pasteurisierten oder sterilisierten Lebensmitteln.

Das Forschungsvorhaben soll wissenschaftlich-technische Grundlagen erarbeiten, die eine Beurteilung der Vorteile der HF-Erhitzung für ein konkretes Lebensmittel auf der Basis einer elektrischen und rheologischen Charakterisierung schon vor der Durchführung von Applikationsversuchen erlauben. Lebensmittelhersteller sollen damit in die Lage versetzt werden, die technischen, wirtschaftlichen und qualitätsverbessernden Möglichkeiten der HF-Erhitzung und die Eignung ihrer Produkte für die innovative Technik schon auf Basis von physikalischen Produkteigenschaften ohne aufwendige Applikationsversuche einzuschätzen.

Wissenschaftliches Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die komplexen fluid-mechanischen und thermischen Vorgänge im HF-Durchlauferhitzer bei der Erwärmung unterschiedlicher Produkte zu beschreiben und zu modellieren. Daraus sollen für verschiedene, praxisrelevante Lebensmittel die Beziehungen zwischen physikalischen Produkteigenschaften und Erwärmungsverhalten im HF-Erhitzer abgeleitet und numerisch modelliert werden. Diese Modelle dienen als Werkzeug, um die Eignung unterschiedlicher Lebensmittel für die HF-Erhitzung zu prognostizieren, die Grenzparameter für einen stabilen Betrieb des Erhitzers mit gutem Erwärmungsergebnis zu bestimmen und um wesentliche Dimensionen des Erhitzers auszulegen.

Zum Nachweis der hygienischen Prozesssicherheit und des Qualitätserhalts sollen schließlich Keimzahlbestimmungen und Qualitätsbeurteilungen an HF-erhitzten Lebensmitteln vorgenommen werden und es soll durch Vergleich mit konventionell erwärmten Produkten der mögliche Qualitätsgewinn durch die HF-Erhitzung beschrieben werden.

Erste Ergebnisse

Verschiedene industrielle und Modell-Lebensmittel, wie Fruchtzubereitungen, Babybrei, Zucker/Stärke-Lösungen wurden hinsichtlich ihrer elektrischer und rheologischer Eigenschaften bei unterschiedlichen Temperaturen charakterisiert. Alle untersuchten Produkte wiesen hohe Viskosität und nicht-newtonsches Fliessverhalten auf. Unter industriellen Betriebsbedingungen eines HF-Erhitzerrohres lassen die betrachteten Lebensmittel laminares Strömungsverhalten erwarten. Deshalb wurde die Untersuchung des Erhitzungsprozesses auf das laminare Strömungsregime eingeschränkt.

Die gemessenen Produkte weisen elektrische Leitfähigkeiten in einem weiten Bereich auf und haben vor allem starke positive Temperaturkoeffizienten der Leitfähigkeit. Dies kann bei sehr schnellem Aufheizen im HF-Feld zu Instabilitäten des Aufheizvorganges führen.

In mehreren Erhitzungsversuchen wurden Temperaturprofile im Rohrquerschnitt am Ende des Erhitzungsrohres gemessen. Obwohl das elektrische HF-Feld die Wärme gleichmäßig im Produktvolumen erzeugt, führen die unterschiedlichen Verweilzeiten der laminaren Strömung zu ausgeprägten Temperaturprofilen mit hohen Temperaturen an der Rohrwand und niedrigen Temperaturen in der Rohrmitte. Die Form der Temperaturprofile und die Unterschiede zwischen den Extremtemperaturen an der Rohrwand und in der Rohrmitte hängen vom Strömungsprofil, der Aufheizrate und der Wärmeleitfähigkeit des Lebensmittels ab. In Experimenten wurden Aufheizraten bis zu 5 °C/s erzielt; dies entspricht einer Aufheizzeit von 16 s um ein Produkt von 40 °C auf eine mittlere Endtemperatur von 120 °C zu erwärmen. Die Gleichförmigkeit der Erwärmung ist allerdings noch unbefriedigend und muss verbessert werden.

Das Aufheizverhalten von suspendierten Partikeln im HF-Feld wurde sowohl experimentell als auch in Modellrechnungen untersucht. Von Interesse sind hierbei Erwärmungsunterschiede von Partikel und Fluid, die durch Differenzen der elektrischen Leitfähigkeit ausgelöst werden. In den untersuchten Lebensmittelsystemen sind Unterschiede bis zum Faktor 3 zwischen elektrischer Leitfähigkeit von Partikel und Flüssigkeit zu erwarten. Unter diesen Randbedingungen erwärmt sich ein Partikel mit geringerer elektrischer Leitfähigkeit etwa 5 % bis 10 % langsamer als die Flüssigkeit; ein Partikel mit höherer elektrischer Leitfähigkeit erwärmt sich dagegen bis zu 90 % schneller als die Flüssigkeit. Dies bedeutet, dass Partikel mit höherer elektrischer Leitfähigkeit die gewünschte Prozess-Endtemperatur erheblich schneller erreichen können als die umgebende Flüssigkeit.

Um den HF-Erhitzungsprozess numerisch zu modellieren, wurde ein Modell der stationären, laminaren Rohrströmung mit nicht-newtonschen Flüssigkeiten entwickelt. Vergleiche mit Messungen der Geschwindigkeitsprofile im HF-Erhitzerrohr zeigten eine ausgezeichnete Übereinstimmung. Das Strömungsmodell bildet die Basis für ein kürzlich entwickeltes thermisches Modell, das die Leistungsaufnahme aus dem elektrischen Feld und thermische Ausgleichvorgänge durch Wärmeleitung berücksichtigt. Das Modell, das gegenwärtig experimentell validiert wird, soll als Werkzeug zur Prozessoptimierung und zum Scale-up eingesetzt werden.