Großtechnische Herstellung von · PDF fileaufmerksamkeitsstarke Verpackungen / Marketing ÆInnovative höherpreisige Produkte und Steigerung des Absatzes Quelle: H.Burchardi et. al.,

Großtechnische Herstellung von Joghurtprodukten

Carola SchlumbohmRWTH Aachen, 16.09.2005

Motivation

Verfahrenstechnische Handhabung eines Naturproduktes

Analogien zu den Dispersionen der Brennstoffzelle

Wirtschaftlichkeit der Milchproduktion innerhalb der erweiterten EU

Wirtschaftliche Bedeutung des Joghurts

16,814,8

12,2 13,1

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

1991 1996 2001 2004Jahr

Jogh

urtk

onsu

m [k

g/K

opf]

2.816.000 t Milchfrischerzeugnisse (2004)

steigende wirtschaftliche Bedeutung des JoghurtsQuelle: Milchindustrieverband (http://www.milch-markt.de)

Gliederung des Vortrags

Was ist Joghurt?

Von der Milch zum Joghurt

Herstellung von Joghurt

Fermentationsprozeß

Struktur im Joghurt

Wirtschaftliche Aspekte

Zusammenfassung

Ausblick

Was ist Joghurt ?Joghurt = Milch + Milchsäure und Bakterien

3,4 - 4,24,6 - 4,7Laktose

0,241 - 0,3160,251 - 0,335Vitamine(A, E, B2)

77 - 8587 – 90Wasser

> 0,80,119 – 0,1380,126 – 0,196

0,750,120 - 0,1260,155 - 0,164

Milchsalze:KalziumKalium

0,7 - 0,98-Milchsäure

3 - 3,61,5 - 4,0Fett

3,6 - 4,53,2 - 3,4Protein

Joghurt[wt%]

Milch [wt%]

Quelle: agroscop:Sieber,R.; et. al., Lebensmittel Hygenie, 87, 743-754, 1996

Was ist Joghurt ?Milchsäurebakterien

einzellige Mikroorganismenhemmen das Wachstum schädigender Bakterienartensynthetisieren protektive Substanzen natürliches Vorkommen in der Muttermilch

Milchsäure natürliches Konservierungsmittel Milchsäure ist ein natürliches Stoffwechselprodukt (Blut, Muskel)


Was ist Joghurt?




Struktur im Joghurt


Zusammenfassung

Ausblick

Von der Milch zum JoghurtRohmilch

Vorwärmen

Separieren

RahmMagermilch Standardmilch

HocherhitzenHocherhitzen HomogenisierenPasteurisieren

Konzentrieren HocherhitzenKonzentrieren

HomogenisierenHocherhitzen

Joghurtmilch

Fett: 0,1% Fett: 10-47%Fett: 0,1% Fett: 1,5-4,1%

Von der Milch zum JoghurtRohmilch

Vorwärmen

Separieren

RahmMagermilch Standardmilch

HocherhitzenHocherhitzen HomogenisierenPasteurisieren

Konzentrieren HocherhitzenKonzentrieren

HomogenisierenHocherhitzen

Joghurtmilch

Fett: 0,1% Fett: 10-47%Fett: 0,1% Fett: 1,5-4,1%


Was ist Joghurt?




Struktur im Joghurt


Zusammenfassung

Ausblick

Herstellung von JoghurtJoghurtmilch

Konzentrieren

Homogenisieren

Erhitzen Stichfester JoghurtGerührter Joghurt

Kulturenzusatz

Fermentieren

Fermentieren

Abfüllen

Kühlen

Fruchtzusatz

Abfüllen

Kühlen

Frucht

JoghurtFruchtzusatz

Herstellung von Joghurt - stichfest

Vorlagertank Vorlaufgefäß Vorwärmer Verdampfer Homogenisator

Milch

Milchpulverzusatz oder

Verdampfer

Kulturentanks Bruttanks Kühler Heißhalter Erhitzer

Tank mit Früchten Kühler Zwischentank Mischer

Brutkammer Tank mit Kulturen Tank mit Früchten

Tank mit AromenAbfüllung

Kaltlagerung

Milch

Konzentrieren

Homogenisieren

Erhitzen

Kulturenzusatz

Abfüllen

Kühlen

Fruchtzusatz

Fermentieren

Herstellung von Joghurt - gerührtMilch

Konzentrieren

Homogenisieren

Erhitzen

Fermentieren

Abfüllen

Kühlen

Fruchtzusatz


Milch


Verdampfer



Brutkammer Tank mit Kulturen Tank mit Früchten

Tank mit AromenAbfüllung

Kaltlagerung


Was ist Joghurt?




Struktur im Joghurt


Zusammenfassung

Ausblick


Fermentation als Wertschöpfungsprozeß

FermentationUmsetzung von biologischen Rohstoffen mit Bakterienkulturen oderEnzymen

Milch Milchsäurebakterien

Joghurt


Fermentieren

Milch

Konzentrieren

Homogenisieren

Erhitzen

Abfüllen

Kühlen

Fruchtzusatz


Milch


Verdampfer



Brutkammer Tank mit Kulturen Tank mit Sirup Tank mit AromenAbfüllung

Kaltlagerung


Typische Kulturen: Homofermenter (Lactobacillus) und Heterofermenter (Bifidobakterien)

„milder“ Joghurt Milchsäure < 0,8%

StarterkulturenEinsatz

BifidobakterienLactobacillusacidophilus

Bakterien-stämme

Milchsäure, Essigsäure, Aromastoffe

MilchsäureProdukte

Laktose, Glukose, Galaktose, Fruktose

Laktose, GlukoseSubstrate

HetereofermenterHomofermenter

Quelle: L. De Vuyst, Food technol. biotechnol. 38 (2) 105-112 (2000)


Permease

Laktose

Glukose Galaktose

Milchsäure

Milchsäure-Transport

Laktose in der Milch

Zellmembran

Cytoplasma

Zellmembran

Milchsäure in der Milch

O

OH

H

H

HO

H

H

OHHO

OH

O

H

H

HO

H

H

OHHOH

OH

Laktose

O

OH

H

H

HO

H

H

OHHOH

OH

Galaktose

O

H

HO

H

HO

H

H

OHHOH

OH

Glukose

+

D(-) - Milchsäure L(+) - Milchsäure

HC

CH3

COOH

OH CH

CH3

COOH

OH

Prozeß der Fermentation

I

II

III IV

Zeit

Bakt

erie

nanz

ahl

I: AnlaufphaseII: WachstumsphaseIII: ÜbergangsphaseIV: Stationäre Phase

A

Laktose

+ Cn C + 4 R

Bakterien + Milchsäure

Reaktionskinetischer Ansatz:

rCk CA

. CC.

CA CMCM: Monod-Konstantek: Geschwindigkeitskonstante rC: Reaktionsgeschwindigkeit

mol/l*s

Reaktionsgleichung für Homofermenter:

Prozeß der FermentationDurchführung einer exemplarischen Modellierung

A

Laktose

+ Cn C + R


1) Aufstellung der Reaktionsgleichung

Annahme: n=1

2) Änderung der Produktkonzentration aus den Elementarreaktionen

A C Z+k1

k2

Z C +k3

R ][3][ ZkdtCd

⋅=

][3][2][][1][ ZkZkCAkdtZd

⋅−⋅−⋅⋅=

3) Anwendung des Quasistationaritätsprinzips

Konstante Konzentration des Zwischenprodukt Z 0][≈

dtZd

Quelle: Levenspiel, 1999

Prozeß der Fermentation4) Einsetzen und Auflösen liefert Konzentration vom Zwischenprodukt Z

32][1]0[][1

][kkAk

CAkZ

++⋅⋅

= mit ][]0[][ ZCC −=dtCd

dtCd ][]0[

=bzw.

5) Berechnung der Reaktionsgeschwindigkeit

mit MACAk

dtCd

+⋅⋅

=][

]0[][3][132

kkkM +

=][3][ ZkdtCd

⋅=

6) Fall: Substratkonzentration A im Überschuß [A] >> M

]0[3]0[ CkdtCd

⋅= mit C0(t=0)=C_Start



0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000Zeit [sek]

Zelle

nkon

zent

ratio

n [m

ol/l]

_

Messung

Produkthemmung

Anlaufphase

Quelle: Amoroso, M.J.; et. al., 1998

Prozeß der Fermentation7) Aufstellung einer Fit-Funktion mit der Monod-Kinetik bei Substratüber-

schuß und Produkthemmung mit dem Exponenten n

[R] Milchsäure[C] Bakterien

n

RRCk

dtCd

−⋅⋅=

max][][1]0[]0[

8) Anlaufphase der Mikroorganismen berücksichtigt

−⋅

−⋅⋅=

−Anlaufttn

eRRCk

dtCd _1

max][][1]0[]0[



0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000Zeit [sek]

Zelle

nkon

zent

ratio

n [m

ol/l]

_

Messung

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000Zeit [sek]

Zelle

nkon

zent

ratio

n [m

ol/l]

_

Messung

Produkthemmung n=1

Produkthemmung n=0,9

Produkthemmung n=1und Anlaufphase

Modell ist geeignet das Wachstum der Bakterien S.thermophilus und L. bulgarius zu beschreiben Ansatz für Optimierungen


Was ist Joghurt?




Struktur im Joghurt


Zusammenfassung

Ausblick

Strukturausbildung im Joghurt

0,00,20,40,60,81,01,21,4

0 10000 20000 30000Zeit [sek]

Kon

zent

ratio

n [g

/l] Bakterien [C]Milchsäure [R]

4

4,5

5

5,5

6

6,5

0 10000 20000 30000Zeit [sek]

pH-W

ert

A

Laktose

+ CC + R


Milchsäureentwicklung führt zu: Strukturveränderungen RheologieProteindegradation


4

4,5

5

5,5

6

6,5

0 5000 10000 15000 20000

Zeit [sek]

pH-W

ert

III

III

IV

V

VI

Quelle: Amoroso, M.J.; et. al., 1998


Kaseinmizelle (d: 100-300nm)

Kasein-Submizelle (d:10-20nm)Hydrophobe Hülle aus β-Kasein

Calcium-Phosphate

Kasein-Submizelle mit hydrophilemκ-Kasein-Ring Glykoprotein

C COOHH3N

H

RAminosäure

Emulgatorwirkung und damit stabilisierende Wirkung des Glykoproteins


4

4,5

5

5,5

6

6,5

0 5000 10000 15000 20000

Zeit [sek]

pH-W

ert

III

III

IV

V

VI

I

II

III

Ca++

Ca++

Ca++

Ca++

Ca++Ca++

Ca++

Ca++

IV

Ca++ Ca++

Ca++

Ca++Ca++

Ca++

Ca++

VCa++

Ca++ Ca++

Ca++

Ca++

Ca++

Ca++

VI

Degradation der Caseine führt zur Strukturausbildung des Joghurts


Fermentieren

Milch

Konzentrieren

Homogenisieren

Erhitzen

Abfüllen

Kühlen

Fruchtzusatz


Milch


Verdampfer




Kaltlagerung

Strukturveränderungen bei Transport & Abfüllung

Kühlen

Fermentieren

Milch

Konzentrieren

Homogenisieren

Erhitzen

Abfüllen

Fruchtzusatz


Milch


Verdampfer




Kaltlagerung

Strukturveränderungen bei Transport & Abfüllung

0,630,620,540,480,590

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Tank Pumpe vorKühler

nachKühler

Abfüllung

Flie

ßgre

nze

[Pa]

, K

onsi

sten

z [m

Pas^

n], F

ließi

ndex

[-]

FließgrenzeK Konsistenzn Fließindex

0τ

10

−⋅+= nK γττ &

Herschel-Bulkley-Modell

Tank Pumpe vorKühler

nachKühler

Abfüllung

Quelle: B.Senge et. al., DMZ Deutsche Molkereizeitung, 124 (2003)


Was ist Joghurt?




Struktur im Joghurt


Zusammenfassung

Ausblick

Wirtschaftliche Aspekte1) Fermentation und Kühlung im Tank2) Fermentation im Tank mit nachgeschaltetem Wärmetauscher

1) Fermentation und Kühlung im Tank von 40°C auf 10°C mit Eiswasser

a) Kleiner Tank ca. 3000 kg; D=1,6m; H=1,5mKühlzeit ca. 3 Std.

b) Großer Tank ca. 10000 kg; D=2,5m; H=2mKühlzeit ca. 6 Std.

T(Joghurt)=40°CT(Joghurt, Ausgang)=10°CT(Eiswasser)=0°C (konst.)cp (Joghurt)=1800 J/(kg*K)k≈150 W/m2K

t_Kühlzeitm c⋅A k⋅

lnT_Joghurt T_Kw−

T_Aus T_Kw−

⋅13600

⋅:=

Nachsäuerung des Joghurts bei großen Behältern

Quelle: Kessler, Milchtechnologie, 1996; VDI-Wärmeatlas: Wärmeübertragung Rührkessel

Wirtschaftliche Aspekte 1) Fermentation und Kühlung im Tank2) Fermentation im Tank mit nachgeschaltetem Wärmetauscher

2) Fermentation im Tank mit nachgeschaltetem Wärmetauscher

a) Kleiner Tank ca. 3000 kg; D=1,6m; H=1,5mSoll: Kühlzeit 1 Std.Wärmetauscherfläche: ca. 30 m2

b) Großer Tank ca. 10000 kg; D=2,5m; H=2mSoll: Kühlzeit 1 Std.Wärmetauscherfläche: ca. 97 m2

Platten- oder Rohrbündelwärmetauschern für kurze Kühlzeitenreduziert Betriebskosten bei vergleichbaren Investitionskosten

Zukunftsperspektiven

bereits heute kaum wirtschaftliche Milchproduktion in DeutschlandEU-Erweiterung führt zu sinkenden MilchpreisenAblösung der Interventionspreise durch Flächenprämien in der EU

kaum Chancen einen höheren Preis am Markt durchzusetzen

Status heute:

Konzentration (Kostenführerschaft)Produktinnovationen (Alleinstellungsmerkmal) Nischenstrategie (Bio-produkte)

Strategien für die Zukunft:

Quelle: Weindlmaier, Lohmann Informationen, 3/2004

Kostenentwicklung Milch

Tendenz zur Konzentration hat bei den Bauern bereits eingesetzt

Produktinnovation

150

45

105

Joghurt mit Frucht (3,5%)

350 – 390 55Verkaufspreis [ct/kg]

245 - 2856Gewinn / Zwischenhandel [ct/kg]

49

Milch (3,5% Fett)

105Kosten für Molkerei [ct/kg]

Probiotischer Joghurt

Preise

Verwendung spezifischer Rohstoffe (Biomilch)Einsatz spezieller Reifungskulturen (L.casei,...)spezielle Fertigungsprozesse präbiotische Joghurts (Oligosaccharid-Zusatz,...)aufmerksamkeitsstarke Verpackungen / Marketing

Innovative höherpreisige Produkte und Steigerung des AbsatzesQuelle: H.Burchardi et. al., 2003; Weindlmaier, 2004


Was ist Joghurt?




Struktur im Joghurt


Zusammenfassung

Ausblick

ZusammenfassungJoghurt enthält zusätzlich zur Milch Bakterien und Milchsäure

Joghurt ist ein Fermentationsprodukt der Milch

verschiedene Joghurtprodukte lassen sich mit einer Produktionslinie herstellen

Bakterienwachstum ist über eine Monod Kinetik für mikorobiologische Fermentationen modellierbar

ein erweitertes Modell nach Monod zeigt gute Übereinstimmung mit Meßdaten einer S.thermophilus und L. bulgarius Mischkultur

kontrollierte pH-Einstellung führt über die Eiweißdegradation zur definierten Strukturausbildung im Joghurt

Transport und Abfüllung des Joghurts vermindern die Struktur unddamit die vom Kunden gewünschte Produktqualität

Ausblick

Zukunftsperspektiven für die Milchproduktion und -verarbeitung in Deutschland liegen in der:

1) Produktionnovationen in hochwertigen Marktsegmenten, da der Kunde hier bereit ist einen entsprechenden höheren Preis zu zahlen

2) Konzentration der Milcherzeugung beim Bauern und der anschließenden Milchverarbeitung in den Molkereien zur Realisierung eines Kostensenkungs-potentials

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Documents

Großtechnische Herstellung von · PDF fileaufmerksamkeitsstarke Verpackungen / Marketing ÆInnovative höherpreisige Produkte und Steigerung des Absatzes Quelle: H.Burchardi et. al.,