Experimentelle Vergleichsanalyse zur Förderung von LEBENSMITTELSUSPENSIONEN mittels Pumpen anhand unterschiedlicher lebensmittelbasierter Modellsysteme

1. Einleitung

Verbraucher erwarten heute hochwertige Lebensmittel. Daher ist die Lebensmittelindustrie kontinuierlich bestrebt, die stets steigenden Anforderungen an die Qualität ihrer Produkte zu erfüllen. Eine wesentliche Merkmalsgruppe bilden die typische Konsistenz und das optische Erscheinungsbild von Lebensmitteln. Bei flüssigen Lebensmitteln mit stückigen Einlagen, wie beispielsweise Eintöpfen oder Fruchtzubereitungen, ist die Unversehrtheit der Partikel in der flüssigen Phase eines der wichtigsten Qualitätskriterien.
Das Pumpen von Suspensionen ist hierbei ein kritischer Prozessschritt, der die Merkmalseigenschaften der Partikel besonders gefährdet. Nur durch die Auswahl geeigneter Pumpenbauarten kann eine hohe Qualität der Suspension gewährleistet werden. Besondere Beachtung verdienen einerseits die entsprechenden produktberührenden Baugruppen innerhalb der Pumpen und andererseits die Prozessfaktoren. Um herauszufinden, welche Einstellungen, Baugruppen oder Pumpen sich am besten für die jeweiligen Lebensmittelsuspensionen eignen, verlässt sich der Lebensmittelproduzent bisher meist auf seine Erfahrung. Mögliche Verbesserungspotenziale können auf Grund der fehlenden objektiven Untersuchungen nicht ausgeschöpft werden.
Dementsprechend hat das vorgestellte Promotionsvorhaben zum Ziel den qualitätsreduzierenden Einfluss von diversen Pumpen auf unterschiedliche Lebensmittelsuspensionen zu untersuchen. Die wesentlichen Einflussfaktoren der zerstörenden Wirkung des Pumpprozesses auf die Partikel sind zu ermitteln und quantitativ zu bestimmen. Empfehlungen zur Auswahl der Pumpe, Pumpenbaugruppe und Pumpeinstellungen in Bezug auf die umzupumpende Lebensmittelsuspension sollen gegeben werden.
Ein wichtiger Einflussfaktor ist die Textur der Partikel in der Lebensmittelsuspension. Das Testen des Einflusses der Textur in Pumpversuchen ist allerdings problematisch. Die Textureigenschaften als auch Form und Größe der Lebensmittelpartikel sind schwer zu standardisieren. Aus diesem Grund werden die texturrelevanten Eigenschaften der Lebensmittelpartikel beim Pumpen modelliert. Zum Einsatz sollen Gele aus Hydrokolloiden kommen. Die zu entwickelnden Gele müssen die texturrelevanten Eigenschaften der Lebensmittel beim Pumpen in 2
Näherung abbilden. Als zusätzliches Ziel dieser Arbeit ist deshalb die Entwicklung von Modellpartikeln aus Hydrokolloiden zu nennen, welche die gleichen texturrelevanten Eigenschaften beim Pumpen aufweisen wie Lebensmittelpartikel.

2. Stand der Forschung
Im folgenden Abschnitt wird der Pumpprozess von Lebensmittelsuspensionen genauer betrachtet. In Bezug auf die aktuelle Literatur werden die apparatetechnischen und die prozesstechnischen Einflüsse auf die Qualität der Lebensmittelsuspensionen beim Pumpen erläutert. Im Folgenden wird auf die texturrelevanten Eigenschaften von Lebensmittelpartikel beim Pumpen und deren Modellierung eingegangen. Ein kurzer Überblick über geeignete Messverfahren zur Bewertung des schädigenden Einflusses des Pumpens auf die Lebensmittelsuspension wird abschließend gegeben. 

2.1 Pumpen von Lebensmittelsuspensionen
Für die Förderung von Lebensmittelsuspensionen sind die wirtschaftlich bedeutenden Pumpen die Schraubenspindelpumpe, die Exzenterschneckenpumpe, die Kreiselpumpe, die Drehkolbenpumpe und die Sinuspumpe. [Hofmann & Wiese 2012] Die unterschiedlichen Förderprinzipien der Pumpen führen dazu, dass je nach Pumpenbauart und Pumpenbaugruppe unterschiedliche Scherbelastungen auf das zu fördernde Medium ausgeübt werden. Diese können die Qualität der Lebensmittelsuspension reduzieren. [Costigan & Drane 2008].
Der Großteil der Literatur zum Pumpen von Suspensionen untersucht den Einfluss der Feststoffe auf die Abrasion der Bauteile innerhalb der Pumpen [Batalovic 2010; Gandhi & Borse 2004; Graham et al. 2009; Jaberg 2008] Bei diesen Feststoffen handelt es sich meistens um Verschmutzungen, gewollte Beifügungen oder Kristallen in verschiedenster Menge, Größe und Härte, welche die Oberflächen der Pumpe schädigen. [Müller 2008] Des Weiteren nehmen Untersuchungen zur Leistungscharakteristik von Pumpen bei Mehrphasenströmung in der Forschung eine zentrale Rolle ein. [Engin & Gur 2001 & 2003; Grabow 2006] Bei experimenteller Ermittlung werden dabei hauptsächlich Partikel mit einem Durchmesser kleiner 1 cm, wie z. B. Sand oder Silicapartikel eingesetzt, um die Strömung sichtbar zu machen. [Pullum et al. 2007; Walker & Bodkin 2000] Allerdings hat die experimentelle Analyse ihre Bedeutung verloren und wird aus Kosten- und Zeitgründen nur noch selten eingesetzt. Die Pumpen werden jetzt mit Hilfe der numerischen Strömungssimulation (englisch: CFD) optimiert. [Cooper & Hosangadi 2008; Ertürk et al. 2011; Grabow 2006; Oertel & Laurin 1995] Allerdings sind die Ergebnisse nur als Näherung an die Realität zu verstehen und müssen mit realen Pumpversuchen validiert werden. Generell betrachten CFD Analysen die Leistungscharakteristik der Pumpen und gehen von einem in seinen Eigenschaften nicht veränderlichen Medium aus. [Oertel und Laurien 1995] Betrachtungen des Einflusses einer Strömung auf die Unversehrtheit von Partikeln mittels CFD sind in der Literatur nicht beschrieben.
Größere Partikel werden vorwiegend im Abwasserbereich untersucht, wobei hier das Augenmerk auf Förderbarkeit und nicht auf Unversehrtheit der Partikel liegt. [Böhme 2011; Mc Millan et al. 2003; Keays & Meskell 2006] Bei der Wasseraufbereitung in Fischfarmen kann die Zerstörung von kleinen Partikeln (< 100 μm) in der Pumpe nachgewiesen werden. [Sindilariu et al. 2009] In der Lebensmittelindustrie wurde bisher die Förderung von stückigen Einlagen in flüssigem Medium fast ausschließlich im Molkereibereich und bei der Förderung von Kartoffelstücken untersucht [Schmitt et al. 2011; Bernard 2009; Rahardjo & Sastry 1993]. Bei der Förderung von Käsebruch der Emmentaler und Tilsiter Art in Molke wird eine Kreiselpumpe mit Freistromlaufrad mit einer Drehkolbenpumpe mit Bi – Wing – Kolbenform verglichen. Ein Unterschied zwischen den beiden Pumpen konnte nicht festgestellt werden. [Schmitt et al. 2011]
Vergleichbare Untersuchungen zum Förderverhalten von Emulsionen liegen in geringem Umfang vor. Der Schereinfluss einer Exzenterschneckenpumpe und einer Schraubenspindelpumpe wird bei der Förderung von Joghurt getestet. Beide Pumpen schädigen die Struktur des Joghurts, wobei die Exzenterschneckenpumpe die geringere Scherbelastung aufweist. [Senge & Blochwitz 2011] Untersuchungen zur Schädigung von Fettkügelchen bei der Förderung von Rahm sind ebenfalls beschrieben. [Kammerlehner 1980; Wiking et al. 2003]

2.2 Textur der Partikel
2.2.1 Textur der Lebensmittelpartikel
Für die Unversehrtheit von Partikeln nach dem Pumpprozess ist deren Ausgangstextur der entscheidende Faktor. So zeigen festere Käsebruchkörner und festere Kartoffelstücke beim Umpumpen niedrigere Zerkleinerungsraten. [Schmitt et al. 2011; Rahardjo & Sastry 1993] Die Prozesse und Apparate müssen deshalb auf die Textur der Lebensmittel angepasst werden. [Peleg 2006]
Generell wird als Textur die Zusammenfassung der mechanischen, strukturellen und akustischen Eigenschaften verstanden, die Menschen als charakteristische physikalische Eigenschaft wahrnehmen können. [Peleg 2006] Die Texturunterschiede zwischen einzelnen rohen Lebensmitteln sind hierbei enorm. Zusätzlich besteht eine starke Schwankungsbreite in der Textur von rohen Lebensmitteln auf Grund von variierenden Anbaubedingungen, Erntezeitpunkten und Lagerbedingungen. Des Weiteren sind Inhomogenität und anisotropes Verhalten bei Lebensmitteln beschrieben. Durch die moderne Prozesstechnik besteht neben den Texturen der rohen Lebensmittel auch eine große Bandbreite an unterschiedlichen Texturen von verarbeiteten Lebensmitteln. [Bourne 2002]
Bei der Analyse der Pumpprozesse ist hauptsächlich die Zerkleinerung der Partikel interessant. Demnach ist bei der Texturanalyse das Bruchverhalten der Lebensmittel zu charakterisieren. Die Bruchspannung, die Bruchmodule und die Bruchdehnung sind hierbei die entscheidenden Parameter mit denen der Bruch beschrieben werden kann. [Hamann et al. 2006] Zusätzlich kann aus diesen Parametern die Bruchenergie ermittelt werden. [Sahin & Sumno 2006] Texturanalysen bei denen direkt das mechanische Verhalten der Lebensmittel bei Belastung gemessen werden kann, eignen sich am besten zur Ermittlung dieser Parameter. Bei diesen Texturanalysen werden mechanische Spannungen in Abhängigkeit von der Dehnung oder umgekehrt dargestellt. [Lu & Abbott 2004] Es existiert eine Vielzahl von Messmethoden mit denen diese Parameter bestimmt werden können. Die Kompressionsmethode stellt hierbei eine fundamentale Messmethode dar, mit der gezielt in der Probe auftretende Druck- und auch Scherspannungen (wichtigste mechanische Belastungsarten in Pumpen) gemessen werden können. Die ermittelten Messwerte sind ideale Messwerte, da diese unabhängig von der Methode, dem Messinstrument und der Probengeometrie sind. [Peleg 2006] Kompressionsmethoden werden meist anderen fundamentalen Messmethoden vorgezogen, da Zug- oder Torsionsversuche eine spezielle Form der zu messenden Proben voraussetzen. [Bourne 2002; Hamann 2006] In uniaxialen Kompressionsversuchen deformiert eine Messsonde einen Probenzylinder bis dieser bricht. Die Kraft und der Weg werden hierbei aufgezeichnet. [Rao & Quintero 2005] Anschließend sind unter Berücksichtigung der Querkontraktionszahl (Poisson Ratio) die charakteristischen Parameter zu berechnen. [Bourne 2002; Hamann et al. 2006; Steffe 1996].
Die gemessenen Textureigenschaften von Lebensmittel sind von der Geschwindigkeit der mechanischen Belastung abhängig. [Rao & Quintero 2005] In diesem Zusammenhang sind die Geschwindigkeiten der rotierenden Bauteile in den Pumpen zu betrachten. Die üblicherweise auftretenden Geschwindigkeiten in Pumpen sind sehr hoch. [Vetter 2006] Beispielsweise kann eine Umdrehungszahl des Laufrades von 960 U/min in einer standardmäßig eingesetzten Kreiselpumpe eingestellt werden. [Hilge GmbH & Co. KG 2007] Ein zusätzlicher Test bei diesen hohen Geschwindigkeiten ist deshalb erforderlich, um die Resultate aus dem fundamentalen Kompressionstest zu ergänzen. Hierzu können Messverfahren eingesetzt werden, die unter dem Sammelbegriff „Impact Test“ einzuordnen sind. Typische Methoden aus diesem Bereich sind der apparatetechnisch aufwendige pneumatische Test oder einfachere Tests bei denen Wahlweise ein Pendel, ein fester Gegenstand – beschleunigt durch eine Feder – oder Ähnliches auf das Lebensmittel treffen. [Agulheiro Santos & Roseiro 2012; Kwon & Subhash 2010] Eine Charakterisierung der Brucheigenschaften mit dieser Methode ist anhand der Bruchenergie möglich. Je nach eingesetzter Methode muss die Bruchenergie auf unterschiedlichem Weg bestimmt werden. [Agulheiro Santos & Roseiro 2012]

2.2.2 Modellierung der Partikel
Der Einsatz von Modellen in der Erforschung von Pumpen ist bisher auf den Bereich der Verweilzeitbestimmung von Partikeln begrenzt. [Berry 1989; Yang & Schwarzel 1992; Taeymans et al. 1985] Im Gegensatz zu den Partikeln aus den Versuchen zur Bestimmung der Verweilzeit müssen in dieser Studie die zu entwickelnden Modelle die gleichen Brucheigenschaften aufweisen, wie die zu modellierenden Lebensmittel. Die Modellpartikel sollen aus Gelen bestehen, die aus Hydrokolloiden aufgebaut sind.
Hydrokolloide sind eine heterogene Gruppe von langkettigen Polymeren. Chemisch betrachtet sind dies Polysaccharide und Proteine, die viskose Dispersionen oder Gele auszubilden. [Saha & Bhattacharya 2010] Strukturell betrachtet bestehen Gele aus einem kontinuierlichen Netzwerk aus Polymermolekülen. Diese sind von einem Lösungsmittel umgeben und weisen ein Texturverhalten auf, dass einem Festkörper ähnelt. [Da Silva & Rao 2007]
Die Textureigenschaften eines Gels werden durch die Summe der Eigenschaften seiner Komponenten, als auch durch den Herstellungsprozess bestimmt. Je nach Hydrokolloid sind die Texturen der hergestellten Gele von weich, flexibel bis zu hart und spröde beschrieben. [Williams & Philllips 2009] Bei Kombinationen aus zwei Hydrokolloiden ist eine Assoziation zwischen zwei Hydrokolloiden möglich („Complex Gel“). Häufiger ist die Bildung von zwei Phasen. Eine Phase kann hier die kontinuierliche und die andere die disperse Phase darstellen („Filled gel“). Zusätzlich besteht die Möglichkeit, dass beide Phasen parallel als kontinuierliche Phase das Gel durchziehen („Mixed gels“). Texturveränderungen durch eine Kombination aus zwei Polymeren sind zahlreich in der Literatur beschrieben [Aguilera & Lillford 2008; Fowler et al. 2006; Lau et al. 1999; Zasypkin et al. 1997] Auch ein Zusatz von Partikeln zur Optimierung der Textur ist möglich. [Langley & Green 1989] Des Weiteren beeinflussen der pH – Wert, die Temperaturführung und die Scherung bei der Herstellung der Gele, die Konzentration der Polymere und die Ionenkonzentration die Struktur und somit auch die Textur der Gele. [Lundin et al. 2003; Zasypkin et al. 1997]

2.3 Viskosität der Flüssigkeit
Die Viskosität ist die wichtigste Eigenschaft einer Flüssigkeit bei der Betrachtung der Pumpprozesse. [Costigan & Drane 2008] So wird in der Literatur auf den großen Einfluss der Viskosität der Trägerflüssigkeit auf die Verweilzeitprofile und die Strömungsprofile verwiesen. [Steffe 1996] Infolgedessen verändert sich die Leistungscharakteristik der Pumpen je nach Viskosität der flüssigen Phase. Die Anpassung der Pumpe an die jeweilige Viskosität des zu fördernden Mediums ist deshalb ein wichtiges Kriterium in der Auslegung von Pumpen. Im Verhältnis zu Verdrängerpumpen ändert sich die Leistung der Kreiselpumpe stärker bei veränderter Viskosität. [Jaberg 2008; Karassik et al. 2008] Zwangsläufig ergeben sich mit einer Veränderung der Viskosität der flüssigen Phase auch Änderungen im Anteil der unversehrten Partikel bei der Förderung von Suspensionen. Steigt beispielsweise die Viskosität bei der Förderung von Suspensionen mit Sinuspumpen, so ist die Bewegungsfähigkeit der Partikel eingeschränkt. Hierdurch sind produktschädigende Kontakte mit rotierenden Bauteilen in der Pumpe wahrscheinlicher. [Rahardjo & Sastry 1993]
Zum Einstellen der Viskosität werden in zahlreichen Studien Hydrokolloide eingesetzt. Hauptsächlich kommt Carboxymethylcellulose zum Einsatz [Graham 2009; Legrand et al. 2007; Pullum 2007; Rahardjo & Sastry 1993] Vornehmlich hochsubstituierte Carboxymethylcellulose gilt als besonders scherstabil, da es ein viskoses Verhalten nach Bingham aufweist. Die Viskosität ist somit unabhängig von der Scherrate nach Überwindung der Fließgrenze. [Sheldrake 2003] Generell beträgt die Scherrate beim Pumpen je nach Pumpe und Einstellung zwischen 100 und 1000 s-1. [Gehm 2011]

2.4 Weitere relevante Einflussfaktoren
Mit steigender Größe nimmt der Anteil an unversehrten Partikeln in Versuchen mit der Sinuspumpe ab. Der Einfluss unterschiedlicher Formen (Würfel, Zylinder, Kugeln) wirkt sich ebenfalls signifikant auf den Anteil unversehrter Partikel nach dem Pumpen in einer Sinuspumpe aus. [Rahardjo & Sastry 1993] Des Weiteren ist bei der Auswahl einer geeigneten Pumpe für Suspensionen die Größe der Partikel ein wichtiges Kriterium. Die Größe des Pumpenraumes muss hierbei an die Partikelgröße angepasst werden. [Costigan & Drane 2008]
Der Anteil der Partikel in der Flüssigkeit beeinflusst in Abhängigkeit von der Dichte den Druckverlust beim Pumpen. Änderungen der Kennlinien von Pumpe und Anlage sind die Folge. [Grabow 2005; Jaberg 2008] Der Anteil der Partikel in der flüssigen Phase verändert somit die Strömung in der Pumpe. In Tests mit einer Sinuspumpe kann allerdings nicht bestätigt werden, dass der Anteil der Partikel Einfluss auf den Anteil unversehrter Partikel nimmt. [Rahardjo & Sastry 1993]
Neben dem Anteil der Partikel in der flüssigen Phase beeinflusst auch die Dichte der Partikel den Druckverlust und somit auch die Strömung in Pumpen [Grabow 2005; Jaberg 2008] Allerdings sind die Dichteunterschiede bei Lebensmitteln gering. Die Dichte von Lebensmitteln liegt bei den meisten Lebensmitteln im Bereich zwischen 750 und 1250 kg/m³. [Rao & Quintero 2005] In Pumpversuchen mit einer Sinuspumpe wird kein Einfluss der Dichte auf die Unversehrtheit der Partikel gemessen. Allerdings wird nur ein geringer Dichteunterschied (1,0 – 1,15 kg/l) getestet. [Rahardjo & Sastry 1993] Eine Möglichkeit zur Modellierung von Partikeln unterschiedlicher Dichte ist in der Literatur beschrieben. Hierbei werden Kapseln mit unterschiedlichen Materialien gefüllt und die Dichte dadurch eingestellt. [Davies et al. 1998]
In Abhängigkeit vom Volumenstrom werden unterschiedliche Zerkleinerungsraten bei der Förderung von Käsebruch – Molken – Gemischen festgestellt. [Schmitt et al. 2011] Auch die Drehzahl einer Sinuspumpe wirkt sich signifikant auf die Unversehrtheit von Kartoffelstücken beim Pumpen von Kartoffel – Wasser – Suspensionen aus. [Rahardjo & Sastry 1993] Ebenfalls werden bei Fettkügelchen in roher Milch höhere Schädigungen mit steigender Geschwindigkeit in der Rohrleitung gemessen. [Wiking et al. 2003] Eine Steigerung der Drehzahl der rotierenden Bauteile führt somit zu höheren mechanischen Belastungen auf das zu fördernde Medium. Aus diesem Grund sind die Drehzahlen der Pumpen entsprechend auf das zu fördernde Medium einzustellen. [Costigan & Drane 2008]

2.5 Messmethoden
Je nach Pumpeinstellungen, Pumpenbauart und Eigenschaften der Suspension sind unterschiedlich starke Zerkleinerungen der Partikel zu erwarten. Die Bestimmung des Anteils der unversehrten Partikel, als auch die Größenverteilung der Bruchstücke sind Bewertungskriterien, anhand derer die Förderqualität festgestellt werden kann. Die Art der Schädigung der Partikel wird in der Literatur in zahlreichen Veröffentlichungen beschrieben. [McMillan et al. 2003; Rahardjo & Sastry 1993; Schmitt et al. 2011; Sindilariu et al. 2009] Einerseits können die Partikel durch Abrieb geschädigt werden. Abrieb ist definiert als eine unerwünschte Oberflächenveränderung von Partikeln durch Lostrennen von Teilchen infolge mechanischer Ursachen. [Deutsches Institut für Normung e. V.1979] Andererseits entstehen durch Zerkleinerung im Gegensatz zum Abrieb auch gröbere Bruchfragmente. [Bohnet 2004]
Es kommen verschiedene Messmethoden zur Bestimmung der oben genannten Messwerte in Frage, wobei im folgenden Abschnitt nur auf die wichtigsten Methoden eingegangen wird. Die Methoden sind anhand der Kriterien Mess- und Analysenbereich, Genauigkeit, Reproduzierbarkeit und stoffliche Verwertung auf ihre Eignung zur Bestimmung der genannten Messwerte zu prüfen. [Alpine AG 2006]. Die visuelle Einordnung der gepumpten Partikel ist eine Möglichkeit zur Ermittlung des Anteils an unversehrten Partikeln. [Rahardjo & Sastry 1993] Mittels Bildanalyse sind neben der Bestimmung auf Unversehrtheit der Partikel zusätzlich Rückschlüsse auf die Partikelgrößenverteilung und die Form der Bruchstücke möglich. [Chanona – Pérez et al. 2008]
Die Bestimmung von Partikeln kleiner 0,1 mm ist mittels Bildanalyse stark eingeschränkt. Durch Laserbeugungsspektroskopie sind Partikel im Bereich von 0,01 μm bis 2 mm detektierbar. [Alpine AG 2006] Beispielsweise wird die Partikelgrößenverteilung der Exkremente von Forellen in Wasser mittels Laserbeugungsspektroskopie bestimmt, um die Zerkleinerung der Partikel im Pumpprozess zu beschreiben. [Sindilariu et al. 2009] Mittels Sedimentations-verfahren sind ebenfalls Partikelgrößen von 0,01 μm bis 1,0 mm messbar. Zur Bewertung der Förderqualität von Käsebruch – Molken – Gemischen wird etwa der Anteil an Käsestaub (Käsebruchpartikel < 1,0 mm) mittels Fliehkraftsedimentation bestimmt. [Alpine AG 2006; Schmitt et al. 2011]
Zur Bestimmung der Partikelgrößen der Bruchstücke eignen sich neben der Bildanalyse vor allem Trennverfahren. Hierzu sind die Trocken- und die Nasssiebung zu zählen. [Alpine AG 2006] Die Partikel werden bei diesen Methoden in Siebe unterschiedlicher Maschenweiten fraktioniert und ausgewogen. [Stieß 2009] Zur Vermeidung von Abrieb und zur Analyse von adhäsiven Partikeln wird vorwiegend die Nasssiebung eingesetzt. [Deutsches Institut für Normung e. V 1987] So wird beispielsweise der Käsebruch bei der Analyse der Partikelgrößenverteilung von Käsebruch – Molken – Gemischen mit einem speziell entwickelten Nasssiebeverfahren analysiert. [Schmitt et al. 2011]
Des Weiteren besteht eine Vielzahl an Modifikationen dieser Analyseverfahren, die auf ihre jeweilige Aufgabenstellung angepasst sind. [Stieß 2009]

3. Eigene Vorarbeiten
Im Rahmen meiner Master Thesis wurden Pumpversuche an Käsebruch – Molken – Gemischen durchgeführt. Zusätzlich wurden im Rahmen eines Forschungsprojektes in Kooperation mit dem Pumpenhersteller Hilge GmbH & Co. KG einige Vorversuche und Vorarbeiten durchgeführt. Folgende Erkenntnisse konnten aus diesen Arbeiten gewonnen werden: Unterschiedliche Versuchsaufbauten für die Pumpversuche konnten getestet werden. Das Anschließen, Einbauen und Steuern der Pumpen als auch der Pumpenanlage sind bekannt. Ein praktisches Vorwissen über den ungefähren Einfluss einiger zuvor beschriebener Faktoren auf die Unversehrtheit der Partikel ist vorhanden. Beispielsweise verändern unterschiedliche Pumpenbaugruppen und Volumenströme den Anteil der unversehrten Partikel beim Pumpen. Für die Pumpversuche wurden bereits unterschiedliche Formen und Größen von Modellpartikeln hergestellt. Die Partikel waren isotrop, homogen und wiesen eine geringe Variation der Texturwerte auf. Der Einsatz unterschiedlicher Messmethoden zur Bewertung der Fördereigenschaften von Pumpen wurde getestet. Erkenntnisse zum Einsatz der Image Analyse, der Nass-/Trockensiebung, der visuellen Begutachtung, der Fliehkraftsedimentation und der Laserbeugungsspektroskopie liegen vor. Die Textureigenschaften einiger Lebensmittel konnten in Vorversuchen mit der Kompressionsmethode bestimmt werden. Auf der Basis der gemessenen Texturwerte von Lebensmitteln wurden erste Modelle aus Hydrokolloiden entwickelt.

4. Forschungsfragen/Hypothesen
Können die für das Pumpen relevanten Eigenschaften der Lebensmittelsuspensionen mit Modellen abgebildet werden? Wie wirken sich die Textur, die Größe und die Form der Partikel in den Suspensionen auf die Unversehrtheit der Partikel während des Pumpens aus? Beeinflusst der Anteil der Partikel in der flüssigen Phase und die Viskosität der flüssigen Phase den Anteil der unversehrten Partikel beim Pumpen? Wie wirken sich unterschiedliche Pumpenbauarten, Pumpenbaugruppen und Pumpeneinstellungen auf die Unversehrtheit der Partikel der Suspension aus? Welche Pumpe, Pumpenbaugruppe beziehungsweise Pumpeneinstellungen sind für die unterschiedlichen Eigenschaften der Suspensionen zu wählen?

5. Methodische Vorgehensweise
Die Forschungsfragen werden in zwei konsekutiven Schritten bearbeitet. Im ersten Schritt müssen alle Untersuchungsmethoden und die Prozesse zum kontrollierten Einstellen aller zu testenden Parameter für die Pumpenstudie festgelegt werden. Im zweiten Schritt werden die Einflüsse auf die Unversehrtheit der Partikel in Pumpversuchen zunächst qualitativ und anschließend quantitativ bestimmt.
Zu Beginn müssen die beiden Texturmessmethoden (Kompressionstest, „Impact Test“) entwickelt und implementiert werden. Anschließend sind relevante rohe Lebensmittel und verarbeitete Lebensmittel auszuwählen. Die Lebensmittel werden anhand der praktischen Relevanz und der Umsetzbarkeit der Messung ausgewählt. Die ausgewählten Lebensmittel werden mit den beiden Methoden getestet und graphisch in eine dreidimensionale Matrix eingeordnet. Die Matrix ist durch die Messwerte der Bruchspannung, Bruchdehnung (Kompressionstest) und der Bruchenergie („Impact Test“) definiert. Anschließend werden die Lebensmittel anhand der Lage im dreidimensionalen Raum zu fünf Gruppen zusammengefasst.
Stellvertretend für jede Gruppe ist ein Modell mit ähnlichen Textureigenschaften zu entwickeln. Hierbei wird eine Vielzahl unterschiedlichster Hydrokolloide getestet. Durch gezielte Variation der Konzentration des Hydrokolloids, der Herstellungsweise und der Zugabe von funktionellen Substanzen sind die Lebensmittelgruppen zu modellieren. Ferner werden in weiteren Versuchen Kombinationen aus mehreren Hydrokolloiden getestet, um die Textureigenschaften der Modelle noch besser den Lebensmitteltexturen anzunähern.
Des Weiteren sind für die Pumpenstudie die zu testenden Faktoren zu definieren und die entsprechenden Prozesse zu entwickeln. Im Rahmen der Pumpversuche sind Wasser und eine höherviskose Flüssigkeit zu testen. Durch Zugabe eines scherstabilen Hydrokolloids ist die Viskosität entsprechend einzustellen. Zuvor ist die Eignung unterschiedlicher Hydrokolloide (vor allem unterschiedlicher Carboxymethylcellulose) im Rotationsviskosimeter im relevanten Scherbereich zu testen. Ferner ist der Einfluss der Volumenströme in Kombination mit anderen Faktoren zu bestimmen. Hierzu sind die Einstellungen der Umdrehungszahlen der rotierenden Bauteile aller Pumpen und Pumpenbaugruppen (Drehkolbenpumpe mit drei unterschiedlichen Rotoren, Kreiselpumpe mit zwei unterschiedlichen Laufrädern und eventuell weitere Pumpen) im Voraus auch unter Berücksichtigung des Anteils der Partikel (5 % und 15 %) abzustimmen. Die Prozessführung zur Erzielung definierter Formen (kompakt und länglich) und Größen (0,5 cm und 1,5 cm) ist zu implementieren. Es wird erwartet, dass die Dichte keinen signifikanten Einfluss auf die Unversehrtheit der Partikel ausübt. Zusätzlich ist die Prozessführung zur Erzielung unterschiedlicher Dichten sehr komplex. Auf Grund des zu erwarteten hohen Zeitaufwandes werden Dichteunterschiede in dieser Studie nicht durchgeführt.
Im Anschluss sind die Analysenmethoden der Nasssiebung und der Einsatz der Laserbeugungsspektroskopie zu implementieren und zu validieren. Nach Aufstellung des Versuchsprogrammes der Pumpversuche mit einer „Design of Experiment“ – Software sind die Gesamtprozesse nochmals zu überprüfen.
Im zweiten Schritt werden die Pumpversuche anhand des Versuchsprogrammes durchgeführt. Hierbei wird zunächst ein Screeningversuch durchgeführt, weshalb in der Vorbereitung lediglich zwei Stufen für jeden Faktor festgelegt werden (siehe oben). Die Bewertung des Pumpprozesses erfolgt anhand der visuellen Begutachtung und der Betrachtung der ermittelten Partikelgrößenverteilungen. In diesem Abschnitt werden die Faktoren identifiziert, die einen Einfluss auf die Unversehrtheit der Partikel haben.
Im Anschluss daran wird in einer zweiten Versuchsreihe der Einfluss der identifizierten Faktoren quantitativ bestimmt. Dazu sind weitere Abstufungen der Faktoren nötig. Dies bedingt die weitere Entwicklung von Prozessen zur gezielten Einstellung der Faktoren. Anhand der Ergebnisse der zweiten Versuchsreihe werden Korrelationen zwischen den eingestellten Faktoren und den gemessenen Partikelgrößenverteilungen sowie der visuellen Begutachtung durchgeführt. Abschließend werden die gewonnenen Erkenntnisse durch Pumpversuche mit realen Lebensmittelsuspensionen validiert.

6. Zeitplanung
In der folgenden Graphik ist die grundsätzliche Vorgehensweise anhand eines Gantt – Diagrammes zeitlich dargestellt:
Abbildung 1: Zeitliche Einteilung der Promotion anhand eines Gantt - Diagrammes
Meilensteine:
1. April 2013
Die Lebensmitteltexturmatrix wurde erstellt und die Modellpartikel entwickelt. Der Pumpenteststand wurde optimiert und die Prozessführung zur Steuerung der Faktoren ist entwickelt.
2. Dezember 2013
Die Vorbereitungsphase wurde abgeschlossen, so dass das Versuchsdesign und die analytischen Methoden verifiziert sind. Ein Versuchsprogramm wurde erstellt und der Screeningversuch durchgeführt und ausgewertet. Relevante Faktoren wurden analysiert und ein Versuchsprogramm zum Testen dieser Faktoren erstellt.
3. April 2014
Die Durchführungsphase ist beendet. Die Analyse einzelner Faktoren wurde abgeschlossen. Die Ergebnisse beider Versuchsreihen sind ausgewertet.


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verantwortlich : Christian Schmitt (M.Sc.)