I

Lebensmittel- undBioverfahrenstechnik

Molkereitechnologie

H.G. Kessler

Vierte überarbeitete und erweiterte Auflagemit 883 Abbildungen

und 109 Tabellen

ISBN 3-9802378-4-2

Verlag A. Kessler • D-80687 München

II

Professor Dr.-Ing. Heinz-Gerhard Kessler

Ordinarius für Lebensmittelverfahrenstechnik und Molkereitechnologieder Technischen Universität München

Leiter des Instituts für Milchwissenschaft und Lebensmittelverfahrenstechnik

Direktor des Instituts für LebensmittelverfahrenstechnikForschungszentrum für Milch und Lebensmittel WeihenstephanTechnische Universität München

D-85350 Freising-Weihenstephan

Alle Rechte dieses urheberrechtlich geschützten Werkes, insbesondere das der Übersetzung in fremdeSprachen, bleiben vorbehalten. Es ist ohne ausdrückliche Genehmigung des Verlages nicht gestattet,dieses Buch oder Teile daraus in irgendeiner Form zu vervielfältigen.

Printed in Germany 1996

ISBN 3-9802378-4-2

kessler - lebensmittel- und bioverfahrenstechnik - molkereitechnologie

D-85350 Freising-Weihenstephan

Verlag A.Kessler, Agnes-Bernauer-Str. 174, D-80687 München

III

Aus dem Vorwort zur ersten deutschen Auflage

Das vorliegende Buch wendet sich gleichermaßen an die in der Praxis und in der Ausbildung stehendenLebensmitteltechnologen. Es werden Verfahrensingenieure, Konstrukteure, Chemiker, Bakteriologen,Hygieniker und Betriebswirtschaftler, die mit der Verarbeitung von Lebensmitteln und mit der Planunglebensmittelverarbeitender Anlagen zu tun haben, angesprochen. Mit der Erstellung des Buches wurde nichtnur das Ziel verfolgt, den neuesten technischen und wissenschaftlichen Stand des Fachgebietes aufzuzeigen,vielmehr sollte für den Praktiker eine echte Arbeitsunterlage und darüber hinaus für den Studierenden einLehrbuch geschaffen werden.

Stark betont werden die verfahrenstechnischen Grundvorgänge in ihrer Wechselwirkung mit dem behandeltenLebensmittel. Dem Verfahrensingenieur dient diese Betrachtungsweise für eine dem Substrat angepaßteProzeßsteuerung und dem Konstrukteur für eine geeignete Gestaltung der Apparate und Anlagen.

Besonderer Wert wurde auf ein gutes Verständnis der verfahrenstechnischen Grundlagen im Hinblick aufden mehr chemisch, biologisch und betriebswirtschaftlich ausgebildeten Lebensmitteltechnologen gelegt.Auf längere mathematisch-physikalische Ableitungen wurde, falls sie nicht unmittelbar dem Verständnisdienten, verzichtet. Dafür vermittelt eine Vielzahl praxisbezogener Anwendungsbeispiele die Handhabungder Gesetzmäßigkeiten. Auch sind für den praktischen Gebrauch sehr viele, wichtige Stoffdaten mitgeteilt,mit Hilfe dieser Berechnungen durchgeführt werden können.

Entsprechend der Bedeutung der Milchwirtschaft in der gesamten Lebensmittelindustrie ist das Buch zwarschwerpunktmäßig auf die Molkereitechnologie abgestimmt. Jedoch werden in dem überwiegenden Teil diefür die gesamte Lebensmittelverfahrenstechnik wichtigen Grundlagen behandelt. So sind z.B. bei denKonservierungsverfahren wie Trocknen, Erhitzen und Gefrieren auch Lebensmittel wie Fleisch, Obst, Gemüse,Extrakte u.a. einbezogen. Auch wurden im Hinblick auf Umwelt und Gesetzgebung ebenfalls für die gesamteLebensmitteltechnologie bedeutungsvolle Themen wie Trinkwasser, Abwasseraufbereitung, Reinigung undDesinfektion aufgenommen.

Ein besonderes Augenmerk wurde bei der Erstellung des Buches auf eine exakte Beschreibung derfundamentalen Verfahrensvorgänge gelegt. Damit sollte die Grundlage für eine möglichst lang anhaltendeAktualität trotz schnellen technischen Fortschritts geschaffen werden.

München - Weihenstephan, 1976 Heinz-Gerhard Kessler

Vorwort zur vierten Auflage

Nach meiner ingenieurwissenschaftlichen Ausbildung an der TH Darmstadt, vor allem bei Otto Krischer inder thermischen Verfahrenstechnik, wurde mir in der vieljährigen Industrietätigkeit im verfahrenstechnischenApparate- und Anlagenbau bei der Krauss-Maffei AG in München klar, daß zwischen den erarbeitetenwissenschaftlichen Grundlagen und der praktischen Nutzanwendung oft große Lücken bestehen. Der Transferdes Grundlagenwissens erfordert für beides Verständnis und in der Regel einen großen Zeitaufwand. Letzterenin Grenzen zu halten, erinnert mich an einen Spruch von Aristoteles (Nikomachische Ethik 1094 b 24), denmein hochgeschätzter Lehrer Otto Krischer als Leitspruch an den Anfang seines weltberühmten Buches“Die wissenschaftlichen Grundlagen der Trocknungstechnik” stellte:

“Der geschulte Mann erstrebt in jedem Fachgebiet keine größere Genauig-keit, als das Wesen des Gegenstandes (vernünftigerweise) zuläßt.”

Schon bei den vorausgegangenen Auflagen hat sich bestätigt, daß mit dem Buch ein Lehr- und Arbeitsbuchauch für den Technologietransfer sowie für einen breiten interdisziplinären Gebrauch geschaffen wurde.Konsequent wurde daher schon die dritte Auflage ausgebaut, wobei diese vor allem durch reaktionskinetischeProzeßbeschreibungen, Grenzflächenprobleme, biologische Prozesse sowie durch dem biotechnologischenHauptprozeß vorausgehende (Upstream processing) und nachgeschaltete Prozesse (Downstream processing)erweitert wurde. Hierin ist auch der gegenüber den vorausgegangenen Auflagen geänderte Titel durch denZusatz “Bioverfahrenstechnik” im Zusammenhang mit Lebensmitteln und dem Schwerpunkt Milch begründet.

IV

Für die vorliegende vierte Auflage wurde der Text und die Gestaltung der Abbildungen aller Kapitel gründlichüberarbeitet, anwendungsorientiert ausgebaut und auf den neuesten Stand gebracht. Beispielhaft seien folgendeErgänzungen genannt:

• Von Beginn an bildete das Kapitel 6 “Erhitzen und Auswirkungen” einen Schwerpunkt. Wegen derpraktischen Relevanz fand abermals eine Umarbeitung und deutliche Erweiterung statt, die den neuenNamen “Wärmebehandlung und Effekte - Sterilprozeßtechnik - Proteindenaturierung und - strukturierung”rechtfertigt. Die wesentlichsten Ergänzungen beziehen sich auf: Spezielle Einflüsse auf dieInaktivierungskinetik wie Konzentration bestimmter Inhaltsstoffe, Milieubedingungen, rel. Luftfeuchte,Dichtungsmaterialien, Fette - Molkenproteindenaturierung und Effekte durch Proteinkonzentration, Kasein/Molkenproteinverhältnisse, Kalzium- und Laktosegehalt - Erhitzungs - und milieubedingteWechselwirkungen zwischen Milchproteinen und Fettkugeln, Aufbau von Gelstrukturen, Stabilisierungs-und Destabilisierungseffekte.

• Vollkommen neu gestaltet wurde das frühere Kaptiel 13 “Strahlenbehandlung”, das den neuen Namen“Alternative Methoden zur Haltbarmachung” erhielt. Neben der Zusammenfassung der neuestenErkenntnisse werden jetzt zusätzlich die ohmsche oder konduktive Erwärmung, die Mikrowellenerwärmungsowie die Ultrahochdruck-Inaktivierung und -denaturierung behandelt und deren Anwendungsgrenzenaufgezeigt.

• Abermals erheblich erweitert wurde die Sahne- und Butterungstechnologie (Kapitel 15) um kritischeScherraten für die mechanische Stabilität von Fettkugeln, technologische Einflüsse auf dasSahneaufschlagverhalten, Butterölherstellung und Cholesterinreduktion im Milchfett.

• In noch stärkerem Maße wurde Kapitel 17 ergänzt, was sich auch im neuen Namen ausdrückt. Zusätzlichsind in vorliegender Auflage berücksichtigt: Gallertenstrukturbeeinflussung durchMolkenproteindenaturierung und Homogenisieren; Koagulationsverhalten und Gelstrukturen durchDirektsäuerung mit Einflüssen durch Technologie und Produktzusammensetzung; Schereinwirkung aufGallertenstruktur; GDL-induzierte Gele; Joghurtaromakonzentrat.

• Auf den neuesten Stand wurde die “Speiseeisherstellung - Eiskristallgrößen” gebracht und umEiskristallbildung und -wachstum beim Eiskremfreezen und -lagern erweitert.

• Komplett neugestaltet wurde die “Bioverfahrenstechnik und Molkeverarbeitungsprozesse”, wobeiinsbesondere Enzymreaktionen und mikrobiologisches Wachstum in ihren kinetischen Beschreibungenund Anwendungen Berücksichtigung fanden.

• Wegen seiner Bedeutung fand Kapitel 21 “Ansatzbildung - Reinigung - Desinfizieren - Werkstoffprobleme- Haften und Freispülen” wieder eine deutliche Erweiterung: Bei der Ansatzbildung werden zusätzlichKonzentrations- und Zusammensetzungseinflüsse, beim Reinigen die Einflüsse vonReinigungsmittelkonzentration und Komplexbildnern und beim Freispülen das Ausschieben hochviskoserProdukte mit Modellierung behandelt.

• Schließlich wurde im Kapitel 23 die Sammlung von Stoffwerten und Zahlentafeln abermals ausgedehnt.

Durch eine weitere Verbesserung des Layout - angenehm zu lesender Text, klare Darstellung der Gleichungenund Abbildungen - mußte die Seitenzahl nicht in dem Umfange erhöht werden, wie es dem neuHinzugekommenen entspricht. Die Gesamtzahl der numerierten Abbildungen gibt jedoch einen Hinweis aufdie tatsächliche Erweiterung in der Entwicklung der vier Auflagen:

Erste Auflage (1976) 355 AbbildungenZweite Auflage (1981) 459 AbbildungenDritte Auflage (1988) 688 AbbildungenVierte Auflage (1996) 883 Abbildungen

Viele Ergebnisse der institutseigenen Forschungstätigkeit haben ihren Niederschlag auch wieder in dieserNeuauflage gefunden. Hierzu möchte ich ganz besonders meinen ehemaligen Doktoranden G. Helming, J.Nassauer, C. Gernedel, F.P. Horak, W. Walenta, Angelika Fink, R. Fink, W.U. Hege, J. Fiedler, U. Kulozik,F. Dannenberg, I.C. de Carvalho Junior, H. Eibel, Sabine Geyer, R. Behringer, H.J. Beyer, J. Pfeifer, CarmenSchwab, K. Welchner, J. Schraml, H.D. Obermeyer, J. Plock, J. Hinrichs, B. Hammelehle, Regula Kennel,C. Trgo danken, aus deren wissenschaftlichen Arbeiten wesentliche Beiträge in dieses Buch einflosssen.Weiterer Dank gilt den Doktoranden und technischen Angestellten des Instituts, vor allem den Mitarbeiterinnenund Mitarbeitern H.W. Bäurle, H. Besner, Claudia Boheim, Rosemarie Eberhard, M. Huß, M. Kersten, M.Koxholt, J. Meier, J. Moosbauer, Barbara Pfeiffer, Claudia Piepenstock, Silke Pietschmann, Britta Rademacher,

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Susanne Schindler, P. Schkoda, Regina Schreiber, T. Spiegel, Annemarie Steffl, J. Wilde und den vielennamentlich Nichtgenannten, darunter die mehr als 300 Diplomanden, die durch ihre Arbeiten am Institutwesentlichen Anteil am Zustandekommen der Forschungsergebnisse und an der Computer unterstütztenGestaltung der Abbildungen hatten.

Last, but not least bin ich in tiefer Dankbarkeit meiner Familie verbunden, meiner Tochter Nicole für dieGestaltung und teilweise nicht einfachen Schreibarbeiten mit den moderen PC-Techniken, meinem SohnUlrich für die Organisation der Buchgestaltung, den Einsatz neuester Programme und Drucktechniken sowiefür die Ergebnisse seiner Doktorarbeit, die ebenfalls in die Neuauflage einflossen, und für seine aktivefachliche Mitarbeit und schließlich meiner lieben Frau Annemarie, die dieser Neuauflage wieder einmal vielGeduld und Verständnis entgegenbrachte.

München - Weihenstephan, 1996 Heinz-Gerhard Kessler

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Lebensmittel- und Bioverfahrenstechnik - MolkereitechnologieH.G. Kessler - Vierte Auflage - 1996

1 Strömungstechnische Grundlagen (16 Seiten, 24 Abb., 5 Tabellen) [14→18→25→24]*)

2 Wärmetechnische Grundlagen (24 S., 28 A., 2 T.) [26→27→29→28]

3 Zentrifugieren - Separieren - Zyklonabscheidung (15 S., 17 A.) [14→14→15→17]

4 Membrantrennverfahren (47 S., 77 A., 9 T.) [26→46→71→77]

5 Homogenisieren - Emulgieren - Rahm- und Fettkugelstabilität (24 S., 42 A., 1 T.)[8→14→33→42]

6 Wärmebehandlung und Effekte - Sterilprozeßtechnik - Proteindenaturierung und -strukturierung (90 S., 147 A., 9 T.) [36→65→95→147]

7 Verdampfen - Brüdenkompression - Wärmedurchgangsbeeinflussung (28 S., 44 A., 3T.)[17→23→44→44]

8 Klima - Zustandsänderungen feuchter Luft (10 S., 13 A.) [13→13→13→13]

9 Trockenprodukte - Sorptionsisothermen - Haltbarkeit (10 S., 13 A., 1 T.) [13→14→13→13]

10 Trocknen - Instantisieren (38 S., 51 A., 5 T.) [51→52→51→51]

11 Kühlen - Gefrieren - Gefrierkonzentrieren (21 S., 20 A., 6 T.) [17→17→22→20]

12 Destillieren - Extrahieren - Hochdruckextraktion (14 S., 25 A.) [19→19→19→25]

13 Alternative Methoden zur Haltbarmachung (28 S., 38 A., 7 T.) [3→3→4→38]

14 Verpacken - Abfüllen (22 S., 22 A., 5 T.) [18→18→22→22]

15 Sahne- und Butterungstechnologie (36 S., 41 A., 1 T.) [5→8→37→41]

16 Käsetechnologie - Milcheiweißprodukte (31 S., 32 A., 4 T.) [15→13→32→32]

17 Sauermilchprodukte - Gelstrukturen - Milcherzeugnisse und Hydrokolloidanwendung (35S., 52 A., 1 T.) [3→16→22→52]

18 Speiseeisherstellung - Eiskristallgrößen (11 S., 16 A., 1 T.) [8→8→8→16]

19 Bioverfahrenstechnik und Molkeverarbeitungsprozesse (38 S., 35 A., 14 T.) [0→5→18→35]

20 Tanks - Pumpen - Mischen - Rühren - Zerkleinern ( 19 S., 37 A. 1 T.) [26→29→34→37]

21 Ansatzbildung - Reinigen - Desinfizieren - Werkstoffprobleme - Haften und Freispülen (53S., 73 A., 1 T.) [11→23→54→73]

22 Wasser - Abwasseraufbereitung (15 S., 12 A., 6 T.) [6→6→10→12]

23 Stoffwerte - Zahlentafeln (24 S., 24 A., 28 T.) [6→8→17→24]

*) Die Entwicklung des Buches und insbesondere der einzelnen Fachkapitel läßt sich sehr gut anhand der Zahl derAbbildungen in den vier Auflagen verfolgen. Diese Betrachtungsweise korreliert auch recht gut mit der technischenEntwicklung in der Industrie. In eckigen Klammern stehen bei jedem Kapitel die Abbildungszahlen in derReihenfolge der Erscheinungsjahre der vier Auflagen: 1976→1981→1988→1996.

VII

InhaltsverzeichnisInhalt in Stichworten................................................................................................... XXFormelzeichen, Symbole und deren Bedeutung .................................................. XXIIIEinleitung ............................................................................................................. XXVIII

1 Strömungstechnische Grundlagen ................................................... 11.1 Kontinuitätsgleichung ...............................................................................................11.2 Bewegungsgleichung .................................................................................................11.3 Ausfließgeschwindigkeit - Impuls ............................................................................21.4 Durchströmung von Leitungssytemen ....................................................................21.4.1 Strömungsprofile, laminar und turbulent .................................................................31.4.2 Reynoldszahl - gleichwertiger Durchmesser ...........................................................31.4.3 Viskosität - Schubspannung .....................................................................................41.4.4 Druckabfall in Leitungssystemen.............................................................................61.4.5 Geschwindigkeitsverteilung im durchströmten Rohr...............................................81.5 Der Massenstrom für verschiedene Bewegungsarten ............................................81.5.1 Laminare Strömung..................................................................................................91.5.2 Turbulente Strömung ................................................................................................91.5.3 Molekularströmung nach Knudsen ..........................................................................91.5.4 Diffusion ................................................................................................................101.6 Stoffbewegung durch Haufwerke und porige Güter mit homogener Porosität 101.7 Verweilzeitverhalten - Heißhaltezeiten ..................................................................12

2 Wärmetechnische Grundlagen ....................................................... 172.1 Allgemeine Begriffe .................................................................................................172.2 Ausdehnung durch Wärme.....................................................................................182.2.1 Ausdehnung fester und flüssiger Stoffe .................................................................182.2.2 Ausdehnung der Gase ............................................................................................192.3 Bilanzen zur Bestimmung des Mischungszustandes ............................................192.4 Wärmeübertragung ................................................................................................202.4.1 Wärmestrahlung .....................................................................................................202.4.2 Wärmeleitung .........................................................................................................212.4.3 Konvektive Wärmeübertragung - Wärmeübergang ................................................222.4.4 Wärmedurchgang ...................................................................................................232.5 Dimensionslose Kenngrößen ..................................................................................232.6 Gebrauchsformeln für den Wärmeübergang .......................................................252.7 Wärmeaustausch .....................................................................................................272.7.1 Mittlere logarithmische Temperaturdifferenz ........................................................272.7.2 Thermischer Wirkungsgrad des Wärmeaustausches ..............................................282.8 Auskühlen und Aufheizen eines jederzeit temperaturausgeglichenen Körpers 282.9 Instationäre Wärmebewegungsvorgänge in homogenen, nicht

bewegten Stoffen .....................................................................................................302.9.1 Temperaturverlauf in der Wärmeeindringzone ......................................................30

VIII

2.9.2 Temperaturfelder für Platte, Zylinder und Kugel ...................................................302.9.3 Wärmeeindringung bei kurzfristigem Kontakt ......................................................382.10 Zustandsänderungen und Kreis-prozeß..............................................................39

3 Zentrifugieren - Separieren - Zyklonabscheidung ....................... 413.1 Anwendung des Separierens in der Milchwirtschaft ...........................................413.2 Die Teilchengeschwindigkeit im Schwerefeld .......................................................413.3 Fettkugeldurchmesserverteilung in der Milch .....................................................423.4 Die Teilchengeschwindigkeit im Zentrifugalfeld ..................................................423.5 Festigkeit der Zentrifugentrommel .......................................................................433.6 Zentrifugalseparator mit Tellereinsätzen..............................................................443.6.1 Aufbau und Wirkungsweise ...................................................................................443.6.2 Abscheidung und Massendurchfluß .......................................................................463.6.3 Antriebsenergie ......................................................................................................473.6.4 Beeinflussung des Fettgehaltes ..............................................................................483.6.5 Entrahmen und Fettgehaltseinstellung ...................................................................493.6.6 Reinigen der Milch.................................................................................................513.6.7 Quarkseparator .......................................................................................................523.6.8 Stabilisieren der Trinkmilch ...................................................................................533.7 Zentrifugenbauarten und Anwendungsverfahren ...............................................533.8 Zyklone - Abscheidung aus der Gasphase ............................................................54

4 Membrantrennverfahren ................................................................ 564.1 Membranen und allgemeine Einordnung in die Trenntechnik ...........................564.2 Filtergleichung und Widerstände ..........................................................................584.3 Ultrafiltration - Verfahrenstechnische Einflußgrößen .........................................604.3.1 Der Flux einer Wasser-Eiweiß-Suspension im durchströmten Röhren- und

Ringspaltsystem .....................................................................................................604.3.2 Einflüsse auf den Widerstand der Ablagerungsschicht ..........................................634.3.3 Einflüsse auf die Dicke der Ablagerungsschicht ....................................................644.3.4 UF von Magermilch, Vollmilch und Molke ...........................................................674.3.5 Einfluß der niedermolekularen Milchinhaltsstoffe ................................................684.4 Rheologische Eigenschaften von UF-Mager- und Vollmilchkonzentraten .........694.4.1 Einfluß der Trockenmasse ......................................................................................694.4.2 Einfluß der Molkenproteindenaturierung...............................................................714.4.3 Zusammenhang Ostwald-Faktor und Flüssigkeitsindex ........................................714.5 Ultrafiltration in der Lebensmitteltechnologie .....................................................724.5.1 Allgemeine Anwendungsgebiete ............................................................................724.5.2 Ultrafiltration in der Molkerei ................................................................................734.6 Mikrofiltration .........................................................................................................784.7 Umkehrosmose (RO) ...............................................................................................794.7.1 Der osmotische Druck ............................................................................................794.7.2 Stoffbewegungen durch die RO-Membran, Lösungs-Diffusions-Modell ..............814.7.3 Stoffaustausch an RO-Membranen - Konzentrationsüberhöhung ..........................834.7.4 Einfluß einer Ablagerungsschicht auf der Membran bei der Umkehrosmose .......83

IX

4.7.5 Durchgang niedermolekularer, gelöster Stoffe ......................................................864.7.6 Einfluß von gezielt aufgebrachten Deckschichten auf die Rückhaltung von

Inhaltsstoffen ..........................................................................................................874.8 Der Einsatz der Umkehrosmose .............................................................................894.9 Nanofiltration ..........................................................................................................914.10 Pervaporation ........................................................................................................924.11 Technische Ausführungen .....................................................................................934.12 Entmineralisieren durch Elektrodialyse .............................................................954.13 Entmineralisieren durch Ionenaustausch ...........................................................974.14 Dekontaminierung radioaktiv belasteter Milch durch Ionenaustausch und

durch Elektrodialyse .............................................................................................984.14.1 Radionuklide in Milch und Milchbestandteilen ...................................................984.14.2 Dekontamination durch Elektrodialyse ................................................................994.14.3 Dekontamination durch Ionenaustausch ............................................................101

5 Emulgieren - Homogenisieren - Rahm- und Fettkugelstabilität 1035.1 Emulgieren - Emulsionstypen - Emulatoren ......................................................1035.2 Herstellung von Emulsionen ................................................................................1045.3 Homogenisieren von Milch und Milchprodukten ..............................................1065.3.1 Anwendung ..........................................................................................................1065.3.2 Definition mittlerer Fettkugeldurchmesser - Erfordernisse .................................1075.3.3 Wirkungsweise der Fettkugelzerkleinerung .........................................................1085.4 Homogenisieren - Technische Durchführung, Leistungsbedarf und

Einflüsse auf das Homogenisierergebnis .............................................................1105.5 Homogenisieren von Rahm mit verschiedenem Fettgehalt ...............................1135.5.1 Einfluß des Homogenisierdruckes auf Fettkugeldurchmesser und

Rahmviskosität .....................................................................................................1135.5.2 Konzentrationseinfluß ..........................................................................................1155.5.3 Gegendruckfunktion bzw. Druckverhältnisse p

2/p

1.............................................................................. 116

5.5.4 Temperatureinfluß ................................................................................................1165.5.5 Einflüsse des Homogenisierdruckes p

1 bei einstufiger Homogenisation,

bei zweistufiger Homogenisation mit optimalem Druckverhältnis p2/p

1

sowie bei optimierter Temperatur ........................................................................1185.6 Homogenisation - Fettkugelmembran und Produkteigenschaften ...................1205.6.1 Fettkugelmembran ...............................................................................................1205.6.2 Veränderung der FKM durch Erhitzen .................................................................1215.6.3 Veränderung der FKM durch Homogenisieren ....................................................1215.6.4 Veränderung der Sekundärfettkugelmembran durch Erhitzen und Lagern .........1225.7 Bedeutung des Homogenisierens bei der Herstellung fetthaltiger

Sauermilchprodukte..............................................................................................1245.8 Allgemeine Einflüsse des Homogenisierens ........................................................125

6 Wärmebehandlung und Effekte - Sterilprozeßtechnik -Proteindenaturierung und -strukturierung ................................ 1276.1 Zweck der Wärmebehandlung - Mikroorganismen und ihr Verhalten

gegenüber äußeren Einflüssen .............................................................................127

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6.1.1 Zweck der Wärmebehandlung .............................................................................1276.1.2 Mikroorganismen .................................................................................................1276.1.3 Äußere Einflüsse auf das Verhalten von Mikroorganismen .................................1296.2 Reaktionskinetische Betrachtungen thermisch bedingter Veränderungen .....1316.2.1 Reaktionskinetik ...................................................................................................1326.2.2 Abtötung von Mikroorganismen - Zeiteinfluß .....................................................1346.2.3 Einfluß der Temperatur auf den Reaktionsablauf ................................................1366.2.4 D- und z-Werte psychrophiler Bakterien und derer Enzyme ...............................1386.3 Hitzeinaktivierung von Mikroorganismen - Thermisieren, Pasteurisieren,

Sterilisieren ............................................................................................................1396.3.1 Pasteurisieren .......................................................................................................1396.3.2 Thermisieren ........................................................................................................1426.3.3 Sterilisieren ..........................................................................................................1436.4 Spezielle Einflüsse auf die Hitzeinaktivierung von Mikroorganismen ...........1456.4.1 Das Absterbeverhalten von Bazillus - Sporen in Milch und Milchkonzentraten .1456.4.2 Das Absterbeverhalten von Mikroorganismen bei veränderter Wasseraktivität ...1476.4.2.1 Allgemeine Einflüsse der Wasseraktivität und des Milieus ............................................ 1476.4.2.2 Einfluß der Sorption von Sporen an verschiedenen Werkstoffen und der relativen

Luftfeuchte auf die Resistenz ......................................................................................... 1496.4.2.3 Hitzeresistenz von Sporen unter Dichtungen ................................................................. 1516.4.2.4 Einfluß von Öl auf die Hitzeresistenz von Sporen ......................................................... 1536.5 Chemische Veränderungen - Reaktionskinetische Beschreibung .....................1546.5.1 Bestimmung der Reaktionsordnung - Anwendungsgebiete .................................1546.5.2 Thiaminabbau.......................................................................................................1566.5.3 Lysin-Blockierung ................................................................................................1596.5.4 Farbänderung........................................................................................................1606.5.5 Bildung von Hydroxymethylfurfural (HMF) .......................................................1616.5.6 Molkenproteindenaturierung ................................................................................1626.5.7 Einfluß der Proteinkonzentration und des Kasein/Molkenprotein-

Verhältnisses auf die Molkenproteindenaturierung..............................................1676.5.7.1 Der Effekt der Molkenproteinkonzentration .................................................................. 1676.5.7.2 Der Effekt des Kasein/Molkenprotein-Verhältnisses ...................................................... 1686.6 Beurteilung der Erhitzung unter Berücksichtigung des Aufheizens und

Abkühlens ..............................................................................................................1696.6.1 Einfluß des Aufheiz- und Abkühlvorgangs auf die Konzentrationsänderung ......1696.6.2 Letalitätskurve - Letalitätswerte ...........................................................................1716.6.3 Festlegung eines UHT-Arbeitsgebietes ................................................................1726.6.4 Normierung der Erhitzungseffekte für vorgegebene Grenzwerte ........................1746.6.5 Quantifizierung der Pasteurisiereffekte für objektive Vergleiche ........................1766.7 Veränderungen in Milch und Sahne beim Erhitzen und Lagern .....................1786.7.1 Erhitzungseinflüsse auf Milch .............................................................................1786.7.2 Lagerungseinflüsse auf Milch ..............................................................................1816.7.3 Erhitzungs- und Lagerungseinflüsse auf Sahne ...................................................1836.8 Erhitzungs- und milieubedingte Wechselwirkungen zwischen

Milchproteinen und Fettkugeln ...........................................................................187

XI

6.8.1 Zusammenfassung wichtiger Ergebnisse zu Wechselwirkungen undKonsequenzen ......................................................................................................188

6.8.2 Thermisch induzierte Gelstrukturen und Aggregate von Molkenproteinen .........1906.8.3 Einfluß des Kasein/Molkenproteinverhältnisses und der

Kalziumkonzentration auf strukturelle Veränderungen........................................1956.8.4 Einfluß der Laktose auf die Gelbildung ...............................................................1976.9 Erhitzungsapparate, Erhitzungsverfahren und Anlagenschaltungen ..............2006.9.1 Erhitzer .................................................................................................................2006.9.2 Schaltungen für Pasteure ......................................................................................2046.9.3 UHT-Verfahren - Direkterhitzung mit Dampf - Wasseraufbereitung

zur Dampfherstellung ...........................................................................................2076.9.4 UHT-Verfahren - indirekte Erhitzung ..................................................................2096.10 Sterilisieren in der Verpackung..........................................................................2116.10.1 Temperaturverlauf in der Verpackung ................................................................2116.10.2 Druckverlauf in der Verpackung ........................................................................2126.10.3 Diskontinuierliche Autoklaven ...........................................................................2136.10.4 Kontinuierlich arbeitende Sterilisatoren .............................................................215

7 Verdampfen - Brüdenkompression - Wärmedurchgangs-beeinflussung.................................................................................. 2177.1 Anwendung und Zweck der Verdampfung .........................................................2177.2 Verdampferbauarten.............................................................................................2187.3 Einflüsse auf den Wärmedurchgang und die Siedetemperatur ........................2247.4 Eindampfanlagen, Brüdenkompression und Energiebedarf .............................2307.4.1 Ein- und Mehrstufenanordnung ...........................................................................2317.4.2 Thermische Brüdenverdichtung ...........................................................................2327.4.3 Mechanische Brüdenverdichtung .........................................................................2357.5 Brüdenkondensation und Vakuumerzeugung ....................................................2387.6 Betrachtungen über Ansatzbildung an der Verdampferheizfläche

hinsichtlich des Wärmedurchgangs .....................................................................2397.7 Technologische Vor- und Nachbehandlung konzentrierter Milchprodukte ....243

8 Klima - Zustandsänderungen feuchter Luft ............................... 2458.1 Anforderungen an spezielle Luftzustände in der

Lebensmittelverfahrenstechnik............................................................................2458.2 Kennzeichnung des Luftzustandes ......................................................................2458.2.1 Luftfeuchte ...........................................................................................................2458.2.2 Luftenthalpie ........................................................................................................2468.3 Enthalpie/Feuchtigkeitsdiagramm für Luft ........................................................2478.4 Zustandsänderungen .............................................................................................2478.4.1 Erwärmen der feuchten Luft ................................................................................2478.4.2 Abkühlen feuchter Luft und Luftentfeuchtung - Taupunkt ..................................2508.4.3 Mischen zweier Luftmengen ................................................................................2508.4.4 Luftbefeuchtung ...................................................................................................251

XII

8.4.5 Änderungen des Luftzustandes an einer feuchten Oberfläche -Kühlgrenztemperatur ...........................................................................................252

8.5 Klimatisieren bei unterschiedlichem Außenluftzustand ....................................2539 Trockenprodukte - Sorptionsisothermen - Haltbarkeit ............. 255

9.1 Wasserbindungsvorgänge und Dampfdruckabsenkung ....................................2559.2 Hygroskopisches Verhalten der Trockenprodukte .............................................2579.2.1 Die Sorptionsisotherme ........................................................................................2579.2.2 Desorption - Adsorption - Hysterese ....................................................................2579.2.3 Bindungsenthalpie ................................................................................................2589.3 Sorptionsisothermen verschiedener Trockenprodukte ......................................2599.3.1 Gewinnung der Sorptionsisothermen ...................................................................2599.3.2 Sorptionsisothermen.............................................................................................2609.4 Feuchteempfindlichkeit im hygroskopischen Bereich ........................................2629.4.1 Wachstum der Mikroorganismen und aW-Werte von Lebensmitteln ..................2629.4.2 Enzymaktivität .....................................................................................................2639.4.3 Chemische Veränderungen ...................................................................................2639.4.4 Physikalische Veränderungen ...............................................................................264

10 Trocknen - Instantisieren ............................................................ 26510.1 Anwendung in der Milchwirtschaft ...................................................................26510.2 Physikalische Grundlagen der Trocknung ........................................................26510.2.1 Verdampfen und Verdunsten ...............................................................................26510.2.2 Der Trocknungsvorgang .....................................................................................26610.3 Trocknungsverfahren ..........................................................................................26910.3.1 Strahlungs- und dielektrische Trocknung ..........................................................26910.3.2 Die Zerstäubungstrocknung ...............................................................................26910.3.2.1 Aufbau einer Zerstäubungs-trocknungsanlage .............................................................. 27010.3.2.2 Dimensionierung eines Zerstäubungstrockners - Energiebedarf - Energieein-

sparmaßnahmen - Reduktion der Staubverluste ............................................................ 27110.3.2.3 Die Luftführung - Brand- bzw. Explosionsgefahr ........................................................ 27510.3.2.4 Trockenproduktaustrag .................................................................................................. 27710.3.2.5 Die Zerstäubung ............................................................................................................ 27810.3.2.6 Die Zerstäubungstrocknung von Milchprodukten ......................................................... 28010.3.3 Die Walzentrocknung .........................................................................................28310.3.3.1 Prinzip und Betriebskenngrößen ................................................................................... 28410.3.3.2 Walzentrocknerbauarten ................................................................................................ 28510.3.3.3 Trocknungsverhalten ..................................................................................................... 28610.3.3.4 Besondere Walzentrocknungsverfahren ........................................................................ 28710.3.4 Die Wirbelschichttrocknung ..............................................................................28710.3.4.1 Prinzip der Wirbelschichttechnik .................................................................................. 28810.3.4.2 Wirbelschichttrocknerbauarten ...................................................................................... 28910.3.4.3 Trocknungs- und Kühlzeiten in der Wirbelschicht ........................................................ 29010.3.5 Die Gefriertrocknung .........................................................................................29010.3.5.1 Wesen und Bedeutung der Gefriertrocknung ................................................................ 29010.3.5.2 Wärme- und Stoffaustausch .......................................................................................... 29110.3.5.3 Die Trocknungszeit und Maßnahmen zur Verkürzung .................................................. 293

XIII

10.3.5.4 Durchführung des Verfahrens und Trocknerbauarten .................................................... 29510.4 Agglomerieren - Instantisieren ..........................................................................29810.4.1 Probleme der Rekonstitution ..............................................................................29810.4.2 Möglichkeiten des Agglomerierens ...................................................................29910.5 Der Einfluß des Trocknens auf die Produkte....................................................30010.5.1 Das Verhalten bei der Rekonstitution .................................................................30110.5.2 Beeinflussung der Einzelbestandteile ................................................................30110.5.3 Dichte des Trockenproduktes .............................................................................302

11 Kühlen - Gefrieren - Gefrierkonzentrieren ............................... 30311.1 Kühlen, Lagerverhalten und Haltbarkeit verschiedener Lebensmittel .........30311.2 Einflußgrößen auf den Gefrierpunkt der Milch ..............................................30811.2.1 Einflüsse der Milchgewinnung ..........................................................................30811.2.2 Milchinhaltsstoffe und ihr Einfluß auf den Gefrierpunkt ..................................30811.2.3 Einfluß des Wassers auf den Gefrierpunkt der Milch ........................................30911.2.4 Technologische Einflüsse auf den Gefrierpunkt der Milch ...............................31011.2.5 Die Messung des Gefrierpunktes bei der Umkehrosmose und der

Ultrafiltration .....................................................................................................31011.3 Gefrieren der Lebensmittel ................................................................................31111.4 Gefrierkonzentrieren ..........................................................................................31311.5 Berechnung der Gefrierzeiten ............................................................................31611.6 Kühl- und Gefrierverfahren ...............................................................................31811.7 Verhalten der Produkte beim Gefrieren und Tiefkühlen ................................320

12 Destillieren - Extrahieren - Hochdruckextraktion ................... 32412.1 Destillieren, Rektifizieren ...................................................................................32512.1.1 Verhalten der Gemische .....................................................................................32512.1.2 Die Gleichgewichtskurve ...................................................................................32512.1.3 Kolonne mit Verstärkungssäule ..........................................................................32612.1.4 Kolonne mit Abtriebssäule .................................................................................32712.1.5 Kolonne mit Verstärkungs- und Abtriebssäule ...................................................32712.1.6 Kolonne mit Verstärkungssäule, Abtriebssäule und Seitenabzug ......................32712.1.7 Gemische mit besonderem Verhalten .................................................................32812.1.8 Ausbildung des Austausches in der Trennsäule und Anlagenbeispiel ...............32812.2 Extrahieren ..........................................................................................................32912.2.1 Dreiecksdiagramm und Anwendungsgebiete .....................................................32912.2.2 Gegenstromextraktion ........................................................................................33112.2.3 Der Diffusionseinfluß beim Extrahieren ............................................................33312.2.4 Der Stoffübergangseinfluß beim Extrahieren ....................................................33412.3 Hochdruckextraktion ..........................................................................................334

13 Alternative Methoden zur Haltbarmachung ............................. 33813.1 Strahlenbehandlung ............................................................................................33813.1.1 Strahlenarten ......................................................................................................33813.1.2 Wirkung und Anwendung der Strahlen ..............................................................33913.1.2.1 Ultraviolette Strahlen .................................................................................................... 339

XIV

13.1.2.2 Elektronen- und Gammastrahlen ................................................................................... 34013.2 Ohmsche oder konduktive Erhitzung ...............................................................34613.2.1 Grundlagen der ohmschen Erhitzung.................................................................34613.2.2 Durchführung der konduktiven Erwärmung ......................................................34613.2.3 Elektrische Leitfähigkeit von Nahrungsmitteln .................................................34713.2.4 Konduktives Aufheizverhalten von Nahrungsmitteln ........................................35013.3 Mikrowellenerwärmung .....................................................................................35213.4 Ultra-Hochdruckbehandlung .............................................................................35413.4.1 Effekte auf Lebensmittel ....................................................................................35413.4.2 Einfluß hoher hydrostatischer Drücke auf das Schmelzverhalten sowie

Temperatur- und Volumenänderungen ...............................................................35613.4.3 Hochdruckinaktivierung .....................................................................................35813.4.4 Durchführung des Hochdruckprozesses ............................................................364

14 Verpacken - Abfüllen ................................................................... 36614.1 Mindestanforderungen an Verpackungswerkstoffe .........................................36614.1.1 Verpackung von Milch und Sauermilcherzeugnissen ........................................36614.1.2 Käseverpackung .................................................................................................36614.1.3 Butterverpackung ...............................................................................................36614.1.4 Verpacken eingedickter Milchprodukte .............................................................36614.1.5 Verpackung trockener Milchprodukte ................................................................36714.2 Verpackungswerkstoffe - Eigenschaft, Gasdurchlässigkeit und Anwendung 36714.2.1 Eigenschaften der Verpackungswerkstoffe ........................................................36714.2.2 Dampf- und Gasdurchlässigkeit .........................................................................36914.2.3 Verpackungswerkstoffe für Milch und Sauermilcherzeugnisse .........................37014.2.4 Verpackungswerkstoffe für Käse .......................................................................37214.2.5 Verpackungswerkstoff für Butter .......................................................................37214.2.6 Verpackungswerkstoffe für eingedickte Milchprodukte ....................................37314.3 Abfüllen und Dosieren ........................................................................................37314.3.1 Dosieren und Abfüllen von Flüssigkeiten und pastösen Gütern ........................37314.3.2 Dosieren und Abfüllen rieselfähiger Trockengüter ............................................37514.4 Verpackungsverfahren ........................................................................................37614.4.1 Volleinschlag mit Verpackungs-folien ................................................................37614.4.2 Einschweißung in Verpackungs-folien ...............................................................37614.4.3 Becherverpackung ..............................................................................................37814.4.4 Kartonagen- und Schlauchbeutelverpackung ....................................................37914.4.5 Verpackung in Flaschen aus Glas und Kunststoff ..............................................38114.4.6 Verpacken in Dosen und Tuben .........................................................................38214.4.7 Verpackung in Faltschachteln, Beuteln und Säcken ..........................................38414.5 Packstoffentkeimung sowie Gefahren möglicher Rekontaminationen ..........384

15 Sahne- und Butterungstechnologie ............................................ 38815.1 Sahnetechnologie .................................................................................................38815.2 Einflüsse auf die Destabilisierung der Milchfettkugelmembran ....................38915.2.1 Freifettgehalte als Maß für die mechanische Schädigung von Fettkugeln ........389

XV

15.2.2 Die mechanische Stabilität von Fettkugeln in Abhängigkeit vomRahmfettgehalt und kristallinen Fettanteil .........................................................391

15.3 Das Aufschlagverhalten von Sahne ....................................................................39615.4 Kaffeesahne und Flockungsstabilität ................................................................40315.4.1 Einflüsse auf den Säuregehalt des Kaffeegetränkes...........................................40315.4.2 Einflüsse der Kaffeesahne-Technologie auf das Ausflocken in heißem Kaffee 40615.5 Butterungstechnologie ........................................................................................40815.5.1 Verfahrensstufen zur Butterherstellung ..............................................................40915.5.2 Rahmbehandlung für die Butterung ...................................................................41015.5.3 Buttern ................................................................................................................41315.5.4 Die Butterungsverfahren ....................................................................................41615.6 Butterschmalz und Spezialbuttererzeugnisse ...................................................42015.6.1 Butterschmalz- bzw. Butterölgewinnung ...........................................................42015.6.2 Spezialbuttererzeugnisse ....................................................................................42015.7 Cholesterinreduktion im Milchfett ....................................................................421

16 Käsetechnologie - Milcheiweißprodukte ................................... 42416.1 Einteilung der Käse .............................................................................................42416.2 Die Technologie der Käseherstellung ................................................................42616.2.1 Auswahl der Milch .............................................................................................42616.2.2 Thermische Milchbehandlung ...........................................................................42816.2.3 Einstellung des Fettgehaltes ...............................................................................42816.2.4 Kulturzugabe und Reifung der Milch ................................................................42916.2.5 Laben und Dicklegen der Milch ........................................................................42916.2.6 Bruchbereitung ...................................................................................................43316.2.7 Abfüllen und Formen des Bruches.....................................................................43416.2.8 Wenden und Pressen ..........................................................................................43516.2.9 Salzen der Käse ..................................................................................................43616.2.10 Reifung und Nachbehandlung ..........................................................................44216.3 Spezielle Käsesorten ............................................................................................44416.3.1 Frischkäse - Speisequark ....................................................................................44416.3.2 Schichtkäse.........................................................................................................44516.3.3 Cottage Cheese ...................................................................................................44516.3.4 Mascarpone ........................................................................................................44516.3.5 Sauermilchkäse ..................................................................................................44616.3.6 Salzlake-Käse, Feta ............................................................................................44616.3.7 Kochkäse ............................................................................................................44716.3.8 Schmelzkäse .......................................................................................................44716.4 Kontinuierliche Käsebruchherstellung .............................................................44816.5 Kaseinherstellung - Milcheiweißprodukte - Extrusionstechnik .....................45016.5.1 Kasein - Säure- und Labkasein - Kopräzipitate .................................................45016.5.2 Kaseinate ............................................................................................................45016.5.3 Extrusionstechnik ...............................................................................................452

XVI

17 Sauermilchprodukte - Gelstrukturen - Milcherzeugnisse undHydrokolloidanwendung.............................................................. 45517.1 Die Herstellung fermentierter Milchprodukte .................................................45517.1.1 Ausgangsmilch und Fettgehalteinstellung .........................................................45517.1.2 Erhöhung der Trockenmasse ..............................................................................45617.1.3 Kulturzugabe, Bebrüten und verschiedene Sauermilcherzeugnisse ..................45817.1.4 Kühlung der bebrüteten Milch ...........................................................................46217.1.5 Zusätze ...............................................................................................................46417.2 Einflüsse auf die Stabilität und Sensorik von stichfestem Joghurt ................46517.3 Haltbarkeitsverlängerung ..................................................................................46917.4 Gelstrukturen durch Direktsäuerung ...............................................................47017.4.1 Direktsäuerung und Koagulationsverhalten der Kaseine ...................................47117.4.2 Direktsäuerung und Gelfestigkeit ......................................................................47217.4.3 Gelbildungsbedingungen auf Produktstrukturen ...............................................47317.4.4 Einfluß der Produktzusammensetzung und -vorbehandlung auf

Geleigenschaften ................................................................................................47417.4.5 Direktgesäuerte Milchprodukte mit Schereinwirkung .......................................47617.4.6 Säuerung und Gelbildung durch den Einsatz von Glucono-d-Lacton (GDL) ...47917.4.7 Herstellung von Joghurtaromakonzentrat für direktgesäuerte Milchprodukte ..48117.5 Hydrokolloide, ihre Wirkungsweise und Einsatz für Milchprodukte ............48217.5.1 Hydrokolloide - Wirkungsweise ........................................................................48217.5.2 Hydrokolloide im Einsatz für milchwirtschaftliche Produkte ...........................48417.6 Farbänderungen fruchthaltiger Sauermilcherzeugnisse .................................487

18 Speiseeisherstellung - Eiskristallgrößen .................................... 49018.1 Speiseeissorten - Inhaltsstoffe - Struktur ..........................................................49018.1.1 Sorten und Inhaltsstoffe .....................................................................................49018.1.2 Die technologischen Funktionen der wichtigsten Speiseeisinhaltsstoffe ..........49018.1.3 Struktureller Aufbau von Speiseeis ....................................................................49218.2 Die Technologie der Speiseeisherstellung ..........................................................49318.2.1 Bereiten der gefrierfertigen Mischung ...............................................................49318.2.2 Teilgefrieren im Freezer .....................................................................................49418.2.3 Nachgefrieren mit Härten ..................................................................................49518.3 Eiskristallbildung und Eiskristallwachstum in Eiskrem .................................496

19 Bioverfahrenstechnik und Molkeverarbeitungsprozesse ......... 50119.1 Kinetik biologischen Wachstums .......................................................................50119.1.1 Substratzusammensetzung .................................................................................50119.1.2 Wachstumsgeschwindigkeit von Mikroorganismen und Ausbeute ....................50219.1.3 Diskontinuierlicher Wachstums-prozeß (batch-system) ....................................50319.1.3.1 Lag - Phase ................................................................................................................... 50319.1.3.2 Exponentielle Phase ...................................................................................................... 50319.1.3.3 Enstehung von Produkten, Produktbildungsgeschwindigkeit ....................................... 50419.1.3.4 Übergangs- und stationäre Phase .................................................................................. 50419.1.3.5 Stationäre Phase ............................................................................................................ 50619.1.4 Kontinuierlicher Wachstumsprozeß im Rührkesselreaktor ................................506

XVII

19.2 Enzym-Kinetik ....................................................................................................50619.2.1 Michaelis-Menten-Kinetik und Grundbegriffe ..................................................50619.2.2 Einfluß der Verteilung der Enzyme im Substrat ................................................50919.2.3 Einfluß von pH-Wert und Temperatur auf die Reaktionsgeschwindigkeit ........50919.2.4 Hemmung der Enzymreaktion ...........................................................................51019.2.5 Stoffaustausch bei immobilisierten Enzymen ....................................................51119.3 Aerobe Bioprozesse - Sauerstoffversorgung .....................................................51319.3.1 Löslichkeit von Sauerstoff .................................................................................51319.3.2 Sauerstofftransferrate .........................................................................................51419.3.3 Respirationskoeffizient .......................................................................................51519.3.4 Wärmeerzeugung während der Fermentation ....................................................51519.4 Starterkulturen und Enzyme .............................................................................51619.4.1 Kulturarten, Herstellung und Phagenprobleme..................................................51719.4.2 Anwendungsgebiete für Starterkulturen ............................................................51819.4.3 Anwendungsgebiete für Enzyme .......................................................................52119.5 Bioreaktoren ........................................................................................................52219.6 Probleme und Aufgaben der Molkenverarbeitung ...........................................52519.7 Anaerobe Molkeverarbeitung ............................................................................52819.7.1 Vergärung zu Methan .........................................................................................52819.7.2 Vergärung zu Milchsäure (Laktat) .....................................................................52819.7.3 Alkoholische Vergärung .....................................................................................53019.8 Aerobe Molkeverarbeitung - Herstellung von Einzellereiweiß -

Verhefung von Molke ..........................................................................................53219.9 Hydrolyse der Laktose ........................................................................................53419.10 Hitze-Säure-Fällung der Molkenproteine .......................................................53519.11 Milchzuckergewinnung .....................................................................................53619.12 Brauner Molkenkäse .........................................................................................538

20 Tanks - Pumpen - Mischen - Rühren - Zerkleinern .................. 53920.1 Tanks in der Milchindustrie ...............................................................................53920.1.1 Ausführung und Ausrüstung von Tanks .............................................................53920.1.2 Tankarten ............................................................................................................54020.2 Pumpen in der Milchindustrie ...........................................................................54220.2.1 Pumpen nach dem Verdrängerprinzip ................................................................54220.2.2 Kreiselpumpen ...................................................................................................54520.2.3 Kavitation ...........................................................................................................54720.3 Rühren und Mischen ...........................................................................................54820.3.1 Zweck des Rührens und Mischens .....................................................................54820.3.2 Bestimmung der Mischgüte ...............................................................................54920.3.3 Bauarten von Rührern und Mischern .................................................................55020.3.4 Strömungsformen, Leistungsbedarf und Wärmeübergang ................................55320.3.5 Herstellung von Milchaustauschern durch Dosieren und Mischen ...................55420.4 Zerkleinern ..........................................................................................................556

XVIII

21 Ansatzbildung - Reinigen - Desinfizieren - Werkstoffprobleme -Haften und Freispülen.................................................................. 55821.1 Produktansatzbildung .........................................................................................55821.1.1 Ansatzwiderstand und Wachstum .......................................................................56021.1.2 Ansatzbildung von Salzen - Kristallisation - ......................................................56121.1.2.1 Salzansatzbildung im Fallstromverdampfer .................................................................. 56321.1.2.2 Salzansatzbildung im Erhitzer ....................................................................................... 56421.1.3 Ansatzbildung von Eiweiß -Chemische Reaktion - ............................................56521.1.3.1 Eiweißansatzbildung an heißen Oberflächen - Einfluß des Denaturierungsgrades....... 56621.1.3.2 Reaktionskinetische Darstellung ................................................................................... 56921.1.3.3 Einfluß des Ausgangs-pH-Wertes .................................................................................. 57021.1.3.4 Einfluß der Anlagenbetriebszeit .................................................................................... 57121.1.4 Ansatzbildung von Molkenkonzentraten ...........................................................57121.2 Reinigen - Desinfizieren ......................................................................................57421.2.1 Probleme des Reinigens, der Reinigungsverfahren und der Verschmutzungen .57421.2.2 Reinigungs- und Desinfektionsmittel .................................................................57621.2.2.1 Alkalische Reinigungsmittel ......................................................................................... 57621.2.2.2 Säurelösungen ............................................................................................................... 57721.2.2.3 Oberflächenaktive Substanzen, Tenside ........................................................................ 57721.2.2.4 Desinfizierende Mittel und Maßnahmen zur Desinfektion bzw. Sterilisation .............. 57721.2.2.5 Dampf- und Heißwassersterilisation ............................................................................. 57821.3 Korrosion - Werkstoffe - korrosionshemmende Maßnahmen ........................57921.4 Reinigungsverfahren ...........................................................................................58321.4.1 Ablagerungen bei der Milchverarbeitung ..........................................................58321.4.2 Auswahl der Reinigungsverfahren .....................................................................58421.4.3 Spezielle Reinigungsverfahren in der Milchindustrie ........................................58721.4.3.1 Kannen-, Tank- und Behälterreinigung ........................................................................ 58721.4.3.2 Erhitzerreinigung und Wirkung speziell zusammengesetzter Reinigungsmittel .......... 58821.4.3.3 Flaschenreinigung ......................................................................................................... 59221.4.3.4 Verdampferreinigung ..................................................................................................... 59221.4.3.5 Trocknerreinigung ......................................................................................................... 59421.4.3.6 Reinigung von Membranen (UF, MF, NF, ED, RO) ...................................................... 59421.5 Ausschieben, Aus- und Freispülverhalten niedrig- sowie hochviskoser

Produkte aus Rohrleitungen ..............................................................................59521.5.1 Vorgänge und Stofftransportmechanismen ........................................................59521.5.2 Ausschieben hochviskoser Produkte und Modellierung der Vorgänge ..............59621.5.3 Freispülen von Rohroberflächen ........................................................................60121.5.4 Freispülen von Oberflächen ...............................................................................60421.6 Produkthaftung - Haftkräfte - Resthaftmengen ..............................................606

22 Wasser - Abwasseraufbereitung ................................................. 61122.1 Anforderungen an die Wasserqualität ...............................................................61122.2 Abwasserverschmutzung - Kennwerte .............................................................61222.3 Abwasser - Reinigungsverfahren .......................................................................61522.3.1 Tropfkörperverfahren .........................................................................................61622.3.2 Belebungsverfahren ............................................................................................618

XIX

22.3.3 Schwachbelastete Belebungsverfahren mit Schlammstabilisierung -Einbeckenanlagen - Abwasserteich ....................................................................619

22.3.4 Moderne Belebtschlammverfahren ....................................................................62022.3.5 Anaerobe Reinigung - Faulverfahren .................................................................622

23 Stoffwerte - Zahlentafeln ............................................................ 62623.1 Internationales Einheitensystem (SI-System; Système International

d’Unités) Umrechnungen - Wichtige physikalische Konstanten.....................62623.2 Wasserdampf - Tabellenwerte und Enthalpie/Entropie-Diagramm ...............63023.3 Spez. Wärme, Dichte und Wärmeleitzahl von Feststoffen und Flüssigkeiten63223.4 Stoffwerte für einige Flüssigkeiten und Gase bei 1 bar.

Brennwerte einiger Stoffe ...................................................................................63423.5 Bestandteile und Zusammensetzung von Milch - Eigenschaften ....................63523.6 Viskosität und Dichte von Milchprodukten ......................................................63823.7 Spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, Enthalpie, Oberflächen-

spannung und physiologische Brennwerte von Milch, Rahm undLebensmittelbestandteile ....................................................................................642

23.8 Ermittlung von Gesamtmasse, Massenanteile, Gesamtstoffmenge undMolanteil zusammengesetzter Güter .................................................................646

23.9 Löslichkeit von Gasen in Flüssigkeiten .............................................................64623.10 Dampf-Flüssigkeitsgleichgewichte, Dampfdruckkurve von Lösungs-

und Kältemitteln, Löslichkeitskurven einiger Salze .....................................64723.11 Auspumpzeit - Evakuierungsdauer ................................................................64823.12 Umrechnungsbeziehung für den Wassergehalt .............................................64823.13 Relative Atommassen einiger Elemente und Zusammensetzung von Luft .649

Literaturverzeichnis ......................................................................... 650Index .................................................................................................. 665

XX

Inhalt in Stichworten

Lebensmittel- und Bioverfahrenstechnik - MolkereitechnologieH.G. Kessler - Vierte Auflage - 1996

1 Strömungstechnische GrundlagenBewegungs- und Kontinuitätsgleichung - Impuls - Durchströmen von Leitungssystemen - Viskosität - Newtonschesund Nicht Newtonsches Verhalten - Strömungswiderstände - Wandschubspannung - Stoffbewegungen: Laminar,turbulent, molekular, diffusiv durch Leitungen, Haufwerke und Porensysteme - Verweilzeitverhalten und -verteilungin Leitungssystemen - Heißhaltezeiten.

2 Wärmetechnische GrundlagenWärmedehnung - Wärmestrahlung, -leitung, -konvektion, -durchgang - Dimensionslose Kenngrößen -Gebrauchsformeln für den Wärmeübergang - Wärmeaustausch - Temperaturverläufe beim Heizen und Kühlen -Instationäre Temperaturfelder - Wärmeeindringung bei kurzfristigem Kontakt - Zustandsänderungen undKreisprozeß

3 Zentrifugieren - Separieren - ZyklonabscheidungZentrifugaleffekte - Teilchengeschwindigkeit - Resultierende Kräfte - Aufbau und Bauarten von Tellerseparatoren-Antriebsleistung - Beeinflussung des Fettgehaltes - Anwendungsgebiete - Zentrifugenbauarten -Zyklonabscheidung.

4 Membrantren3nverfahrenMembranen und Werkstoffe - Filtration und Filtergleichung - Diafiltration - Permeation und Ablagerungsschicht-Ultrafiltration und Umkehrosmose in der Lebensmittelindustrie - UF-Käsetechnologie - RheologischcEigenschaften von UF-Mager- und Vollmilchkonzentraten in Abhängigkeit von Konzentration, Temperatur,Eiweißdenaturierung - Eiweißstandardisierung - Mikrofiltration - Deckschichten und Retention von Inhaltsstoffen- Nanofiltration - Pervaporation - Umkehrosmose, Osmotischer Druck - Lösungsdiffusion - lonenbeweglichkeit -lonenaustausch und Elektrodialyse - Dekontaminierung radioaktiv belasteter Milch.

5 Emulgieren - Homogenisieren - Rahm- und FettkugelstabilitätEigenschaften und Typen von Emulsionen - Herstellen von Emulsionen - Emulgiersysteme- Homogenisieren vonMilch und Rahm - Definition mittlerer Teilchendurchmesser - Homogenisiereffekte - Düsenbauarten -Leistungsbedarf - Fettgehalt-, Temperatur-, Homogenisierdruck-, Mehrstufen- und Druckverhältniseinflüsse -Produkteigenschaften wie Viskosität, Fettkugeldurchmesser, Traubenbildung, Aufrahmung, Serumabscheidung,Lagerstabilität - Zusammenwirken von Homogenisieren und Erhitzen -Verhalten der Sekundärfettkugelmembran- Homogenisieren im UHT-Prozeß - Homogenisieren und Sauermilchprodukte - spezielle Einflüsse.

6 Wärmebehandlung und Effekte - Sterilprozeßtechnik - Proteindenaturierung und -strukturierungMikroorganismen und Enzyme - Wichtige Bakterien der Milchwirtschaft - Zweck der Wärmebehandlung -Abtötungs- und Inaktivierungsverhalten - Erhitzungsverfahren - Thermisieren - Pasteurisieren - Sterilisieren -UHT-Erhitzen - Erhitzerbauarten - Platten- und Röhrenapparate - Autoklaven - Anlagenschaltungen -Wärmerückgewinn - Druck- und Temperaturverlauf in der Verpackung - Reaktionskinetik thermisch bedingterVeränderungen - Bakteriologische Effekte - Spezielle Einflüsse auf die Inaktivierungskinetik wie Konzentrationbestimmter Inhaltsstoffe, Wasseraktivität, relative Luftfeuchte, Milieubedingungen, Dichtungsmaterialien, Fett,Öl - Chemische Effekte, wie Thiaminabbau, Lysin-Blockierung, Farbänderungen, HMF-Bildung,Molkenproteindenaturierung und Effekte durch Proteinkonzentration, Kasein-Molkenproteinverhältnisse, Kalzium-, Laktosegehalt - Ermittlung der Erhitzungseffekte eines Prozesses mit Heizen, Halten, Kühlen -Letalitätswerte -Prozeß- und Produktqualitätsoptimierung - Veränderungen von Milch und Sahne beim Erhitzen und Lagern -Erhitzungs- und milieubedingte Wechselwirkungen zwischen Milchproteinen und Fettkugeln - Aufbau vonGelstrukturen - Stabilisierungs- und Destabilisierungseffekte.

7 Verdampfen - Brüdenkompression - WärmedurchgangsbeeinflussungVerdampferbauarten - Wärmeübergang beim Kondensieren - Wärmeübergang beim Verdampfen - Siedetemperatur- Eindampfanlagen, Mehrstufenschaltungen, Energiebedarf - Thermische Brüdenkompression - MechanischeBrüdenkompression - Moderne Konzeptionen mit Verdichtungsventilatoren - Brüdenkondensation undVakuumerzeugung - Ansatzbildung an Verdampferheizflächen und Maßnahmen zur Reduktion -

XXI

Wärmedurchgangsbeeinflussung - Abhängigkeit von pH-Wert, Temperatur, Heizflächenbelastung, Rohrlänge,Produktkonzentration, Zeit - Herstellung konzentrierter Milch.

8 Klima - Zustandsänderungen feuchter LuftLuftzustände in der Lebensmittelverarbeitung - Kennzeichnung des Luftzustandes - Luftfeuchte - Luftenthalpie -Mollier-h/x-Diagramm - Zustandsänderungen, Erwärmen, Kühlen, Mischen, Befeuchten - Kühlgrenztemperatur- Taupunktstemperatur - Klimatisieren bei unterschiedlichem Außenluftzustand.

9 Trockenprodukte - Sorptionsisothermen - HaltbarkeitWasserbindungsvorgänge - Dampfdruckabsenkung - Wasseraktivität - Hygroskopisches Verhalten -Sorptionsisothermen vieler Lebensmittel - Desorption, Adsorption - Bindungsenthalpie - Feuchteempfindlichkeitim hygroskopischen Bereich - Wasseraktivitäten von Lebensmitteln - Wachstumsgrenzen von Mikroorganismen -Enzymaktivität - Chemische und physikalische Veränderungen.

10 Trocknen - InstantisierenPhysikalische Grundlagen - Wärme- und Stoffaustausch - Trocknungsverfahren - Zerstäubungstrocknung -Dimensionierung, Energiebedarf und -einsparmaßnahmen - Reduktion der Staubverluste - Gasführung - Brand-und Explosionsgefahr - Zerstäubungsdüsen - Trocknung verschiedener Milchprodukte und Qualitätsbeeinflussung- Walzentrocknung, Bauarten, Trocknungscharakteristika - Wirbelschichttrocknung, Lockerungs- undSchwebegeschwindigkeit - Gefriertrocknung, Grundlagen, Produktverhalten, Bauarten,Trocknungszeitbeeinflussung, Anlagenbeispiel für Kaffee - Agglomerieren, Instantisieren, Rekonstitution -Trocknungseffekte auf Lebensmittelinhaltsstoffe.

11 Kühlen - Gefrieren - GefrierkonzentrierenKühlen - Lagerverhalten - Haltbarkeit - Atmungsaktivität - Controlled Atmosphere - Lagerung - ReaktionskinetischeBetrachtung - Gefrieren -Gefrierpunkt, Berechnung und Einflüsse - Verhalten von Lebensmitteln -Gefrierkonzentrieren - Gefrierpunktskurven- Enthalpie/Feststofnkonzentrations-Diagramm - Berechnung derGefrierzeiten - Wärmeleitung gefrorener Güter - Kühl-, Gefrierkonzentrier- und Gefrierverfahren - Verhalten derLebensmittel und Inhaltsstoffe beim Gefrieren - Gefrierbrand - Zellzerstörung - Proteinverhalten - Enzymaktivität- Vitamine und Mikroorganismen.

12 Destillieren - Extrahieren - HochdruckextraktionDestillieren/Rektifiziern - Verhalten der Gemische - Gleichgewichtsdiagramme - Rektifizierkolonnen - Verstärkungs-, Abtriebssäule, Seitenabzug - Austauscherbauarten - Extrahieren - Dreiecksdiagramm - Gegenstromextraktion -Diffusionseinfluß - Hochdruckextraktion durch CO2, Anwendungen, Extraktabscheidung.

13 Alternative Methoden zur HaltbarmachungStrahlenarten - Ultraviolette Strahlen - Elektronen - und Gammastrahlen - Dosis und Strahlenwirkung -Anwendungsgebiete - Mögliche Folgerscheinungen - Packstoffbestrahlung - Ohmsche oder konduktive Erhitzung- elektrische Leitfähigkeit von Nahrungsmitteln und Aufheizcharakteristik - Mikrowellenerwärmung, Einflüsseauf Erhitzung und Temperaturverteilung - Ultra-Hochdruckbehandlung: Effekte auf Lebensmittelinhaltsstoffeund Bakterienabtötung - Ultra-Hochdruck-Inaktivierungskinetik.

14 Verpacken - AbfüllenMindestanforderungen an Verpackungswerkstoffe - Verpackungswerkstoffe - Eigenschaften, Gasdurchlässigkeit,Anwendung - Abfüllen und Dosieren flüssiger, pastöser und rieselfähiger Güter - Verpackungsverfahren - Folien,Kartonagen-, Schlauchbeutel-, Becher-, Flaschen-, Dosen-, Tuben-, Beutel-, Sackabpackung - AseptischeVerpackung -Packstoffentkeimung- Rekontaminationsgefahr.

15 Sahne- und ButterungstechnologieSahnebehandlung- Fettkugelschädigungsmöglichkeiten - mechanische Stabilität, kritische Scherraten -Festfettanteile - Freies Fett - Sahneaufschlagsverhalten von pasteurisierter und UHT-Sahne, Einfluß technologischerBehandlungen - Kaffeesahne und Flockungsstabilität - Säuregehalt und Eigenschaften des Kaffeegetränks -Kaffeesahne-Technologie - Verhalten der Fettkugelmembran - Butterungsverfahren - Fettkonsistenz -Milchfettschmelzkurven - Rahmreifungsverfahren - Rahmfermentation - Butterarten - Butterunsverfahren -Butterschmalz - Spezialbuttererzeugnisse - Butterölherstellung - Cholesterinreduktion im Milchfett.

16 Käsetechnologie - MilcheiweißprodukteTechnologie der Käseherstellung - Einteilung der Käse - Lab-, Gerinnungs- und Dicklegungsvorgänge -Bruchbereitung - Abfüllen, Formen, Pressen - Salzen der Käse - Salzaufnahme, Einflüsse durch

XXII

Salzbadkonzentration, Salzzeit, Rühren, Kalziumgehalt - Salzausgleich im Käse - Diffusionsvorgänge - Reifung,Nachbehandlung - Spezialkäse - Schmelzkäse - Kontinuierliche Käsebruchherstellung - Kaseinherstellung -Kaseinate - Milcheiweißprodukte - Extrusionstechnologie.

17 Sauermilchprodukte - Gelstrukturen - Milcherzeugnisse und HydrokolloidanwendungVerfahrensstufen - Kulturenbereitung - Spezialkulturen für verschiedene Sauermilchprodukte - Buttermilch -Kühlen, Einfluß auf Nachsäuern - Wärmebehandlung und Gallertenstrukturbeeinflussung durchMolkenproteindenaturierung und Homogenisieren - Synärese, Festigkeit, Viskosität - Haltbarkeitsverlängerung -Koagulationsverhalten und Gelstrukturen durch Direktsäuerung: Einflüsse von Konzentration, Fettgehalt, Kasein/Molkenproteinverhältnis, Temperatur, Zeit, Lagerungszeit - Direktgesäuerte Milchprodukte mit Schereinwirkung- GDL-induzierte Gele - Joghurtaromakonzentrat - Hydrokolloide, Binde-, Dickungs-, Geliermittel, Stabilisatoren- Herkunft, Wirkungsweise und Anwendung - Farbänderungen fruchthaltiger Sauermilcherzeugnisse.

18 Speiseeisherstellung - EiskristallgrößenSpeiseeissorten - Inhaltsstoffe, technologische Bedeutung und Einflüsse - Prozeßstufen - Gefrierverhalten -Teilgefrieren und Freezer - Nachgefrieren mit Härten - Gefrierzeitberechnung - Eiskristallbildung und -wachstumin Eiskrem beim Freezen und Lagern.

19 Bioverfahrenstechnik und MolkeverarbeitungsprozesseKinetik biologischen Wachstums - Wachstumsphasen - Limitierungen, Inhibierungen - Enzymkinetik - Hemmungender Enzymreaktionen - immobilisierte Enzyme und Stoffübergänge - Aerobe Prozesse - Sauerstoffversorgung -Starterkulturen und Enzyme - Anwendungsgebiete in der Lebensmitteltechnologie - Bioreaktoren - Bauarten -Reaktoren mit immobilisierten Enzymen - Zusammensetzung von Molke und -pulver - Verarbeitungsmöglichkeiten- Anaerobe Verfahren - Vergärung zu Methan, - Milchsäure - Alkoholische Vergärung - Aerobe Molkeverarbeitung- Verhefung von Molke - Einzellerproteingewinnung - Laktosehydrolyse - Hitze-Säure-Fällung von Molkeproteinen- Milchzuckergewinnung.

20 Tanks - Pumpen - Mischen - Rühren - ZerkleinernBauarten - Einsatzgebiete - Pumpen für die Lebensmittelverarbeitung - Kavitation - Rühren und Mischen -Mischgüte - Rührer- und Mischerbauarten - Strömungsformen - Leistungsbedarf - Wärmeübergang - Herstellenvon Milchaustauschern - mechanische Förderer - Zerkleinerungsmaschinen.

21 Ansatzbildung - Reinigen - Desinfizieren - Werkstoffprobleme - Haften und FreispülenAnlagerungsgeschwindigkeit und Wachstum - Ansatz von Salzen und Eiweiß - Einfluß von Konzentration undZusammensetzung - Löslichkeit und Kristallisation - Behinderter Wärmedurchgang - Mechanismen derBelagbildung - Reaktionskinetische Betrachtung der Ansatzbildung - Verschmutzungsarten -Reinigungsanforderungen - Reinigungs- und Desinfektionsmitel - Tenside - Sterilisation von Oberflächen -Werkstoffe - Beständigkeit und Korrosionsarten - Hemmende Maßnahmen - Fallstudien bei Plattenerhitzern -Reinigungsverfahren - Verlorene- und Stapelreinigung - Mehrfachverwendungssystem - Lebensmittelverfahrenund Reinigungsprozeß - Einfluß von Reinigungsmittelkonzentration und Komplexbildnern - Ausschiebenhochviskoser Produkte und Modellierung - Freispülcharakteristika von Oberflächen und Leitungssystemen -Oberflächenhaftkräfte - ZETA-Potential - Elektrostatische und hydrophobe Anlagerung - Resthaftmengen.

22 Wasser - AbwasseraufbereitungWasserqualität - Trinkwasser - Anforderungen - Wasserhärte - Abwasserverschmutzung - Kennwerte - Biologischerund chemischer Sauerstoffbedarf - Spezifische Abwasser- und Schmutzmengen der Lebensmittelindustrie -Abwasserreinigungsverfahren - Mechanische, chemische, biologische Methoden - Tropfkörperverfahren -Belebungsverfahren - Tiefstrombelüftung - Bio-Hochreaktor - Blasensäulen- und Schlaufenreaktor - Neutralisationder Abwässer - Anaerobe Reinigung - Faulverfahren - Kombinierte Abwasserbehandlung.

23 Stoffwerte - ZahlentafelnInternationales Einheitensystem - Umrechnungen von alten, britischen und US-Einheiten - Wichtige physikalischeKonstanten - Wasserdampftafel - Enthalpie/Entropie-Diagramm fur Wasserdampf - Spez. Wärme, Dichte undWärmeleitzahl von Feststoffen und Flüssigkeiten - Brennwerte - Viskosität, Dichte und Zusammensetzung vonMilchprodukten - Zusammensetzung von Muttermilch und Milch verschiedener Tiere - Protein- undAminosäurezusammensetzung der Kuhmilch - Charakteristika von Milchweiweiß - Zusammensetzung desGesamtmilchfettes, der Fettsäuren, der originären Fettkugelmembran - Spezifische Wärmen -Oberflächenspannungen - Enthalpie-Konzentrations-Diagramm für die Systeme Trockenmagermilch/Wasser undMagermilch/Butterfett - physiologischer Brennwert von Lebensmitteln - Massenanteile und Molanteilezusammengesetzter Güter - Löslichkeit von Gasen in Flüssigkeiten - Dampf-/Flüssigkeits-Gleichgewichtskurven- Dampfdruckkurven von Lösungs- und Kältemitteln - Löslichkeitskurven einiger Salze - Relative Atommassen -Luftzusammensetzung.

XXIII

Formelzeichen, Symbole und deren Bedeutung

A m2 Fläche, Querschnitt, Oberfläche

AM s/m Membrankonstante

BM m/s Membrankonstante

B* - bakteriologischer Effekt

C % kg/kg und kg/m3 Konzentration

C mol/m3 molare Konzentration

C* - chemischer Effekt

D - Deformation

D m2/s Diffusionskoeffizient

D kg Dampfmenge

D m Durchmesser

D s dezimale Reduktionszeit

D s-1 Scherrate

D* s Permeationskoeffizient

Ea J/mol Aktivierungsenergie

E - Entfettungsgrad

E V/m eletrische Feldstärke

F N Kraft

F - Fettgehalt

F-Wert min oder s Sterilisierwert

F* - Farbänderungsgrad

G# J/mol freie Aktivierungsenthalpie

H m Höhe

H J Enthalpie

H# J/mol Aktivierungsenthalpie

I kg m/s Impuls

J A/m2 Stromdichte

K - Proportionalitätsfaktor

K s-1 Geschwindigkeitskonstante

KOW Pa sn Ostwaldfaktor

KM,KS mol/m3 Michaelis-Menten-Konstante, Monod-Konstante

KL m/s Stofftransportkoeffizient

L m Länge

XXIV

M kg/kmol rel. Molekularmasse (Molekulargewicht)

N - Anzahl

O m2 Oberfläche

P W Leistung

P N/m lineare Andrückkraft

P* - Pasteurisiereffekt

P kg/m3 Produktkonzentration

OTR kg/m3s Sauerstofftransferrate

Q10 - dimensionslose Größe aus der Reaktionskinetik

Q J Wärmemenge

�Q W Wärmestrom

R m konstanter Radius

Ri J/kgK spezielle Gaskonstante

R J/molK universelle Gaskonstante

RA m2K/W Ansatzwiderstand, Foulingfaktor

S m Längeneinheit

S kg/m3 Substratkonzentration

S# J/mol.K Aktivierungsentropie

T K absolute Temperatur

U m Umfang

V m3 Volumen

V m/s Geschwindigkeit

�V m3/s Volumenstrom

∆V# ml/mol Aktivierungsvolumen

W Nm Arbeit

X m Ortsangabe, Dicke

X kg/m3 Zelldichte, Zellkonzentration

X - Feuchtegehalt auf Trockenmasse bezogen

X* - Feuchtegehalt auf Gesamtfeuchtmasse bezogen

Y Ausbeutefaktor

Z - Zentrifugalziffer

a = λρc m2/s Temperaturleitzahl

a m2/m3 spez. Fläche

aw - Wasseraktivität

b m/s2 Beschleunigung

XXV

b bar-1 Umrechnungsfaktor

b s Bewegungsbeiwert

b m Länge bzw. Breite

b/µ s Stoffleitfähigkeit

c J/kgK spez. Wärmekapazität

d m Durchmesser

d* - dimensionsloser Durchmesser

de,d’ m gleichwertiger oder hydraulischer Durchmesser

f - Fettgehalt

f Hz Frequenz

g m/s2 Erdbeschleunigung

h m Länge bzw. Höhe

h J/kg spez. Enthalpie

k W/m2K Wärmedurchgangszahl

k s-1 Geschwindigkeitskonstante

k* m absolute Oberflächenrauhigkeit

l m Länge

m kg Masse

�m kg/s Massenstrom

m kg/m2s Trocknungsgeschwindigkeit

n - Flüssigkeitsindex, Exponent, Anzahl, Reaktionsordnung

n s-1 Drehzahl

n mol Molzahl

p bar, Pa Druck

�q W/m2 Wärmestromdichte

q J/kg Wärme

r m variabler Radius

r J/kg Verdampfungswärme

rIndex J/kg Bindungsenthalpie, Schmelz-, Sublimationswärme

s m Längeneinheit

s J/kgK Entropie

t s Zeit

v m3/kg spez. Volumen

v - Rücklaufverhältnis

w m/s Geschwindigkeit

w* - dimensionslose Geschwindigkeit

XXVI

x - Konzentration

x m Ortskoordinate

x - absolute Luftfeuchte

y m Ortskoordinate

y s-1 Atmungsgeschwindigkeit

z m Ortskoordinate

z - Tellerzahl

z-Wert K, °C notwendiger Temperaturanstieg für gleichen Effekt in1/10 der Zeit

α ° Winkel

α W/m2K Wärmeübergangszahl

α* - Eisanteil

β ° Winkel

β m/s Stoffübergangszahl

βIndex K-1 Ausdehnungskoeffizient

χi - Aktivitätskoeffizient

δ m Längeneinheit, Schichtstärke

ε - Differenz

ε - Porosität bzw. Hohlraumvolumenanteil

ε - Emissionsgrad (Strahlung), Leistungsziffer

εA - Austauscheffekt, Wirkungsgrad des Wärmeaustauschers

′′ε r - relativer Verlustfaktor

ζ - Widerstandsbeiwert

η Pa s dynamische Viskosität

η - Wirkungsgrad

ϑ °C Temperatur

θ - dimensionslose Temperatur, Benetzungsrandwinkel (°)

κ - Ausflußziffer, Korrekturfaktor

κ S/m elektrische Leitfähigkeit

κ = cp/cV - Verhältnis spezifischer Wärmekapazitäten

λ W/m K Wärmeleitfähigkeit

λ* - Rohrreibungszahl

Λ m mittlere freie Weglänge

µ s-1 spezifische Wachstumsgeschwindigkeit

µ - Diffusionswiderstandsfaktor, Reibungskoeffizient

ν s-1 spezifische Produktivität

XXVII

ν m2/s kinematische Viskosität

ξA m-1 Ablagerungswiderstand

ξ m-2 spez. Durchflußwiderstand

ξ - Molenbruch

ξm - mittlerer Käsesalzgehalt

ρ kg/m3 Dichte

σ N/m Oberflächenspannung, Grenzflächenspannung

σ N/m2 Spannung im Werkstoff

σ W/m2K4 Strahlungszahl

Π bar osmotischer Druck

τ N/m2 Schubspannung

ϕ - relative Luftfeuchtigkeit

φ - Einstrahlzahl, Winkelverhältnis

φ - Volumenanteil, Volumenkonzentration

ω s-1 Winkelgeschwindigkeit

(λcϕ)0,5 Jm-2K-1s-0,5 Wärmeeindringzahl

Dimensionslose Kenngrößen

Bi = (α.d) /λ Biot-Zahl

Da = Vmax/(A.β.Sb) Damköhlerzahl

Fi = (D.t) / d2 Fick-Zahl

Fo = (a.t) / d2 Fourier-Zahl

Fr = (n2.d) / g Froude-Zahl

Fr = w2 / (g.d) Froude-Zahl

Gr = (d3.g.∆ϑ.βV) /ν2 Grashof-Zahl

Kn = ∆ / d Knudsen-Zahl

Le = a / D Lewis-Zahl

Ne = P / (ρ.n3.d5) Newton-Zahl

Nu = (α.d) / λfluid Nusselt-Zahl

Pe = (w.d) / a Péclet-Zahl

Pr = ν / a Prandtl-Zahl

Re = (w.d) / ν Reynolds-Zahl

Sc = ν / D Schmidt-Zahl

Sh = (β.d) / D Sherwood-Zahl

St = α / (w.ρ.cp) Stanton-Zahl

XXVIII

Ar = (d3.g.∆ρ) / (ρ.ν2) Archimedes-Zahl

Ga = (g.d3) / ν2 = Re2 / Fr Galilei-Zahl

Ra = (d3.g.β.∆ϑ) / (ν.a) = Gr.Pr Rayleigh-Zahl

We = (w2.d.ρ) / σ; = τ.d / (4 δ) Weber-Zahl

La = (∆p.d) / σ Laplace-Zahl

Th = ∆p1 / ∆p2 Thoma-Zahl

φ =R

3

v

K Dmax

M ⋅ Thiele-Modul

Die Lebensmittelindustrie und insbesondere die milchverarbeitende haben in den letzten Jahren eineEntwicklung durchgemacht, die durch Konzentrierung und Industrialisierung gekennzeichnet war,Großunternehmen sind entstanden. Dies setzte zwangsläufig eine intensive Forschungstätigkeit voraus, diesich mit der Chemie, Physik, Biologie, Hygiene und Technologie der Lebensmittel befaßte. Parallel dazuentwickelten Ingenieure für die industrielle Lebensmittelverarbeitung Maschinen, Apparate und Anlagenmit Meß- und Regeleinrichtungen sowie neue Verfahren.

Lange Zeit bestand eine Kluft zwischen den substratbezogenen Naturwissenschaften und denIngenieurwissenschaften, für die die Technik und der physikalische Grundvorgang derLebensmittelbearbeitung im Vordergrund der Betrachtungsweise standen. Zur Ausfüllung dieses Vakuumsergaben sich bei den Naturwissenschaften mehr eine technologisch und bei den Ingenieurwissenschaftenmehr eine verfahrenstechnisch orientierte Entwicklungsrichtung.

Mit diesem Buch wird die Absicht verfolgt, dieTechnologie und die Verfahrenstechnik noch näherzusammenzuführen. Es wäre allerdings nicht der richtige Weg, würde man lebensmitteltechnologischeProzesse spezieller Erzeugnisse allein abhandeln. Sowohl Prozesse als auch Produkte verlieren im Laufe derZeit an Aktualität. Sinnvollerweise werden daher die vielgestaltigen Prozesse in der lebensmittelbehandelndenund lebensmittelumwandelnden Industrie in Einzelschritte zusammengefaßt. Die Kenntnis über dieGesetzmäßigkeiten des Zusammenwirkens dieser grundlegenden Disziplinen soll schließlich dieNutzanwendung, d.h. die Entwicklung besserer, auch neuer Verfahren, qualitativ hochwertiger Lebensmittelund ökonomischer Produktbearbeitung fördern. Außerdem wird damit dem Wunsch der Praxis Rechnunggetragen, sich möglichst flexibel neuen Problemen bedarfsweise zuwenden zu können.

Unter diesem Aspekt werden daher in diesem Buch zunächst Grundlagen und Grundverfahren behandelt,wobei auch stets der unmittelbare Einfluß auf das Lebensmittel Berücksichtigung findet. Da generell dasFachwissen in einer außerordentlichen Breite angewachsen ist, war eine Straffung notwendig. Schließlichstellt heute fast jedes in den einzelnen Buchkapiteln angesprochene Thema ein eigenes Wissensgebiet dar.

In den ersten beiden Kapiteln sind aus den umfangreichen Gebieten der Strömungs- und Wärmetechnikeinige Grundlagen zusammengestellt, die für wesentliche Berechnungen in der Praxis von Bedeutung sind.Auf spezielle hydro- und thermodynamische Probleme wird in den nachfolgenden Kapiteln gesonderteingegangen.

Zunächst werden die mit der Fliehkraftwirkung zusammenhängenden Techniken und Maschinen, insbesonderejedoch der Separator und sein Einsatz, aber auch die Wirkungsweise eines Zyklons als Staubabscheiderbehandelt. Die relativ neuen mechanischen Trennverfahren mittels Membranen für die schonende

Einleitung

XXIX

Proteingewinnung, Filtration von Mikroorganismen, Aufkonzentrierung von Lösungen, Wasserreinigung,Entmineralisierung und Dekontaminierung werden ausführlich in einem eigenen Kapitel beschrieben. DiesemAbschnitt schließt sich als weiterer mechanischer Prozeß das Emulgieren mit Homogenisieren an. In allenKapiteln wird umfangreich auf Anwendungen und Auswirkungen auf das Produkt eingegangen

Den thermischen Verfahren sind mehrere Kapitel gewidmet, die sich auch mit energiesparenden Maßnahmenbefassen. Am Anfang dieser stehen das Pasteurisieren, Sterilisieren mit den Erhitzungsverfahren und seinenAuswirkungen auf die Produkte. Reaktionskinetische Betrachtungen bilden dabei einen Schwerpunkt. Esfolgt das Konzentrieren durch Vakuumeindampfung, die Verdampfungsverfahren mit Brüdenkompressionund Vakuumerzeugung. Sehr breit wurde das Kapitel über Trocknen angelegt, in dem die für die Lebensmittelwichtigen Verfahren wie Zerstäubungs-, Walzen-, Wirbelschicht- und Gefriertrocknung sowie Instantisierungdurch Agglomerieren bearbeitet sind. Die Beeinflussung des Produktes wird darüber hinaus noch in einemzusätzlichen Abschnitt über das Sorptionsverhalten und die Feuchteempfindlichkeit getrockneter Lebensmittelberücksichtigt. Wegen der großen Bedeutung des klimatischen Luftzustandes in der Lebensmitteltechnologiez.B. für Reifungs-, Lagerungs- und Trocknungszwecke wird das Enthalpie-Feuchtigkeits-Diagramm fürLuft und die Beschreibung veränderlicher Luftzustände gesondert dargestellt. Kühlen, Gefrieren undGefrierkonzentrieren sind thermisch schonende Konservierungs- und Konzentrierverfahren für wertvolleLebensmittel, die daher ebenfalls umfangreich Beachtung finden.

In dem neu aufgenommenen Kapitel über alternative Methoden zur Haltbarmachung werden Möglichkeitenund Grenzen für die Anwendung der Strahlenbehandlung, der induktiven und Mikrowellenerwärmung sowieder Ultrahochdrucktechnologie aufgezeigt und diskutiert.

Die Verpackungstechnik stellt heute in der Lebensmittelverarbeitung eine der bedeutendsten Verfahrensstufendar, und sie findet demgemäß ebenfalls in diesem Buch ihren Niederschlag, wobei auch aseptisches Verpackenund Packstoffentkeimung berücksichtigt werden.

Das Zusammenwirken der einzelnen Grundverfahren im lebensmitteltechnologischen Gesamtprozeß beider Herstellung besonderer Milcherzeugnisse wird in 4 Kapiteln mit Schwerpunkt auf Sahne, Butter, Käse,Molke, Kasein, Milchzucker, Sauermilchprodukte und Speiseeis beschrieben.

Molke eignet sich in vieler Hinsicht als Substrat für biotechnologische Prozesse. Dies war auch der Grundfür die Schaffung eines neuen Kapitels “Bioverfahrenstechnik”, in dem neben den verschiedenstenMolkeverarbeitungsverfahren die Grundlagen biotechnologischer Prozesse allgemeingültig dargestellt sind.Neben der Kinetik biologischen Wachstums und der Enzymkinetik werden Reaktoren undAnwendungsbeispiele beschrieben.

Tanks, Pumpen, Mischer und Rührwerke sind wichtige apparative Einheiten im lebensmittelverarbeitendenBetrieb, so daß diese in einem Kapitel kurz behandelt werden. Eine starke Erweiterung fand das Kapitelüber Reinigung/Desinfizieren durch die Beschreibung der Produktansätze, deren Bildungskinetik undverfahrenstechnische Beeinflussung. Außerdem werden hierin Werkstoffprobleme, Korrosionsfragen,Haftmechanismen sowie Freispülcharakteristika behandelt.

Hygiene und Wasserqualität sind im modernen Lebensmittelbetrieb wichtige Fragestellungen, so daß auchdiese ausführlich angesprochen werden. Gerade der Abwasseraufbereitung und speziell den biologischenMethoden mit den jüngsten verfahrenstechnischen Entwicklungen wird breiter Raum eingeräumt.

Ein umfangreiches, ergänzendes Zahlenmaterial mit Stoffwerten, Tabellen, Diagrammen,Umrechnungstabellen, Berechnungsgleichungen etc. bildet den Abschluß. Hiermit möge die Grundlagegeschaffen sein, das vorliegende Buch nicht nur als ein Lehr- und Informationsbuch, sondern auch als Hand-und Arbeitsbuch zu benutzen.