gesponsertLebensmittelsicherheit durch Simulation Drei Wege zu sichereren Lebensmittelprozessen

Gesponsert von

Comsol Multiphysics GmbH

Temperatur, Feuchtigkeit und Materialverhalten beeinflussen die Sicherheit und Qualität von Lebensmitteln. Drei Praxisbeispiele zeigen, wie Simulation die relevanten Prozesse sichtbar macht und reale Versuche ergänzt.

Schon kleine Abweichungen bei der Temperatur, der Feuchtigkeit oder der Prozessdauer können sowohl die Qualität als auch die Sicherheit eines Lebensmittels beeinflussen. In den meisten Anlagen lassen sich die genauen Vorgänge aber nur eingeschränkt messen. Es bleibt verborgen, was während des laufenden Prozesses im Inneren eines Produkts oder eines Verpackungsmaterials genau geschieht.

Numerische Modellierung und Simulation eröffnen hier zusätzliche Möglichkeiten. Modelle machen räumliche und zeitliche Verteilungen sichtbar und sie erlauben die genaue Analyse unterschiedlicher Betriebsbedingungen. Sie helfen außerdem dabei, physische Versuche besser zu planen. Drei reale Anwendungen zeigen, wie Unternehmen und Forschungseinrichtungen diese Möglichkeiten bereits nutzen.

Sterilisation: Reicht die Wärmebehandlung aus?

Bei der Sterilisation von Konserven muss das Lebensmittel lange und intensiv genug erhitzt werden, um schädliche Mikroorganismen sicher zu inaktivieren. Doch eine zu starke Wärmebehandlung kann wichtige Faktoren wie den Geschmack, die Konsistenz und auch den Nährstoffgehalt beeinträchtigen. Die alleinige Kenntnis der Temperatur außerhalb der Verpackung ist nicht ausreichend für die Bestimmung der genauen Wärmeverteilung im Lebensmittel.

Das italienische Ingenieurbüro BE CAE & TEST entwickelte eine Simulations-App, mit der Fachkräfte die Wärmeübertragung und die daraus resultierende bakterielle Letalität in Konserven untersuchen können. Nach Eingabe der relevanten Produkt-, Verpackungs- und Prozessparameter berechnet die App, wie sich die Temperatur im Zeitverlauf entwickelt. Dadurch lassen sich kritische Bereiche identifizieren, in denen die erforderliche thermische Behandlung möglicherweise zu spät erreicht wird.

Die zugrunde liegenden physikalischen Modelle können so auch von Anwenderinnen und Anwendern genutzt werden, die gewöhnlich nicht selbst mit einer Simulationssoftware arbeiten. Das erleichtert die Bewertung unterschiedlicher Sterilisationsbedingungen und kann dazu beitragen, sichere Prozessfenster zu bestimmen.

Mikrowellenpasteurisierung: Temperatur genau steuern

Bei der Mikrowellenpasteurisierung greifen mehrere Effekte ineinander. Das elektromagnetische Feld erwärmt das Produkt von innen, während sich die Wärme im Material verteilt, wobei lokale Temperaturunterschiede entstehen können. Gerade bei trockenen Lebensmitteln ist das kritisch, weil schon kleine Abweichungen darüber entscheiden, ob die gewünschte Pasteurisierung überall sicher erreicht wird.

Ein Modell von SAIREM und Oniris Nantes zeigt, wie sich diese Zusammenhänge in einem 915-MHz-Mikrowellenapplikator untersuchen lassen. Betrachtet wurden Paprikapulver in einem Quarzrohr sowie die Auswirkungen unsicherer Materialdaten auf die Temperaturverteilung. Die Simulation machte deutlich, dass insbesondere die Dielektrizitätskonstante einen starken Einfluss auf das Ergebnis hat.

Mit einem solchen Modell lassen sich schwierige Bereiche bei der Erwärmung erkennen und die Prozessführung besser anpassen. Ziel ist es, eine zuverlässige Pasteurisierung zu erreichen, ohne das Produkt unnötig zu belasten. Die Simulationsmodelle ersetzen die praktischen Versuche dabei nicht vollständig. Sie helfen jedoch, die relevanten Einflussparameter zu erkennen und zu verstehen, wodurch sich die Zahl aufwendiger Testreihen reduzieren lässt.

Bildergalerie

Verpackungen: Verständnis des Materialverhaltens während der Verarbeitung

Lebensmittelsicherheit schließt neben der Herstellung des Produkts auch die Verpackung ein, die ihre Schutzfunktion während des Transports und der Lagerung zuverlässig erfüllen muss. Bei Verbundverpackungen können Wärme, Feuchtigkeit und Gasdruck das Verhalten einzelner Materialschichten beeinflussen.

Ein Team von Tetra Pak untersuchte mithilfe eines Multiphysikmodells, wie sich Verpackungsmaterial während der Induktionserwärmung verhält. Dabei wurde unter anderem analysiert, wie der innere Gasdruck und der Feuchtegehalt die Trocknung und Degradation des Kartons beeinflussen. Die Berechnungen zeigten, dass eine höhere anfängliche Feuchte und eine geringere Materialdichte mit einer geringeren feuchtebedingten Degradation verbunden waren. Die Ergebnisse stimmten gut mit experimentellen Daten überein.

Gekoppelte Vorgänge

In den drei Beispielen wird deutlich, warum Lebensmittelprozesse häufig nicht durch eine einzelne Messgröße beschrieben werden können. Vielmehr beeinflussen sich Wärmeübertragung, Strömung, Feuchtetransport, Druck und Materialveränderungen gegenseitig. Multiphysikalische Simulation bildet diese Zusammenhänge in einem gemeinsamen Modell ab. Auf diese Weise können Unternehmen Prozesse bereits vor Änderungen an einer realen Anlage untersuchen. Es ist möglich, kritische Zustände sichtbar zu machen und Versuche besser vorzubereiten. Durch die Simulation und die Verbindung aus physikalischen Modellen, experimenteller Validierung und praktischem Prozesswissen entsteht dabei der größte Nutzen.