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ULTRASCHALL-KOMBINIERTE PROZESSFÜHRUNG BEI

DER PASTEURISIERUNG UND STERILISIERUNG

FLÜSSIGER LEBENSMITTEL

vorgelegt von

Marco Zenker

Von der Fakultät III – Prozeßwissenschaften

der Technischen Universität Berlin

zur Erlangung des akademischen Grades

Doktor der Ingenieurwissenschaften

genehmigte Dissertation

Berlin 2004

D 83

Promotionsausschuss:

Vorsitzender: Prof. Dr. Dr. e. h. F. Meuser

Berichter: Prof. Dr. Dipl.-Ing. D. Knorr

Berichter: Prof. Dr.-Ing. K. Sommer

Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 05.07.2004

III

Vorwort

Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitar-

beiter am Fachgebiet für Lebensmittelbiotechnologie und -prozesstechnik der Techni-

schen Universität Berlin unter der Leitung von Prof. Dr. Dipl.-Ing. Dietrich Knorr. Ihm gilt

mein besonderer Dank für die Überlassung des Themas, die dazugehörige Unterstützung

und Förderung sowie die in großem Maße gewährte wissenschaftliche Freiheit bei der

Bearbeitung.

Mein besonderer Dank gilt weiterhin Herrn Dr.-Ing. Volker Heinz für die zahlreichen

Diskussionen zum Forschungsgegenstand und darüber hinaus für die intensive Unterstüt-

zung im Austausch mit Wissenschaftlern aus dem In- und Ausland. Seine Ratschläge

sowie die aus den Kontakten gewonnenen Fachinformationen haben wesentlich zu

meinem Verständnis der untersuchten Technologie und zum Gelingen der Arbeit beige-

tragen.

Herrn Prof. Dr. Dr. e. h. F. Meuser danke ich für die Übernahme des Vorsitzes im Promo-

tionsausschuss und Herrn Prof. Dr.-Ing. K. Sommer für seine Bereitschaft als Gutachter

mitzuwirken.

Mein herzlicher Dank gilt den Kollegen und Mitarbeitern Gabi Ehrlich und Irene Hemme-

rich für die Unterstützung bei Problemen mit der Analytik, Stefan Boguslawski und Oliver

Schlüter für die Hilfestellung bei programm- oder messtechnischen Fragestellungen und

Martin Bunzeit für die fachmännische Hilfe bei der Durchführung der mikrobiologischen

Untersuchungen. Allen weiteren Kollegen, studentischen Mitarbeitern und Diplomanten

die am Zustandekommen der Arbeit beteiligt waren danke ich ebenfalls.

Nicht zuletzt gilt der Dank meiner Familie und meinen Freunden, durch die ich steten

Rückhalt erfahren habe. Ich danke Hugo und Hilde Aßmann sowie Heiner und Helga

Jäckel für ihre direkte und indirekte Hilfe, ihre moralische Unterstützung und Anerken-

nung.

Mit der Beihilfe meiner damaligen Lebensgefährtin Grit ist ein wesentlicher Anteil dieser

Arbeit verbunden. Ich danke ihr für ihren Humor, ihre Geduld und für die ertragenen

Entbehrungen.

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Zusammenfassung

Im Rahmen der Optimierung und Weiterentwicklung existenter Konservierungsprozesse werden

unter anderem Möglichkeiten von Verfahrenskombinationen untersucht. Hierbei steht besonders

die produktschonende und energieeffiziente Verarbeitung im Vordergrund. In diesem Zusammen-

hang wurde die ultraschall-kombinierte Prozessführung bei der Pasteurisierung und Sterilisierung

flüssiger Lebensmittel untersucht. Durch die Nutzung des Synergieeffektes von Ultraschall und

Temperatur können Bakterien aber auch Bakteriensporen mit einer höheren Inaktivierungsrate

abgetötet werden als dies durch die alleinige thermische Behandlung möglich ist. Dadurch besteht

die Möglichkeit, Pasteurisations- oder Sterilisationsprozesse ohne einen Verlust ihrer letalen

Wirkung auf einem niedrigeren Temperaturniveau und/oder bei verkürzter Prozeßzeit durchzufüh-

ren. Die Qualitätsverbesserung behandelter Produkte aber auch die Einsparung an Prozessenergie

könnte dadurch verwirklicht werden.

In der vorliegenden Arbeit sollte die Wirksamkeit der Kombinationsbehandlung in dem für die

Praxis relevanten Durchflussbetrieb untersucht werden. Zur Realisierung des Vorhabens wurde

eine kontinuierlich arbeitende Versuchsanlage gebaut, mit deren Hilfe ultraschall-kombinierte und

zum Vergleich konventionell-thermische Behandlungen durchgeführt werden konnten. Die Anlage

ermöglichte den Schallwelleneinsatz direkt im Anschluss an die Erhitzung, die wahlweise mittels

indirekter oder direkter Wärmeübertragung vorgenommen wurde.

Zur Auslegung wichtiger Anlagenaggregate und zur späteren Auswertung der im kontinuierlichen

System erzielten Ergebnisse wurden für die ausgewählten Testkeime E. coli K12 DH 5

, L. acido-

philus und B. stearothermophilus die für die Inaktivierung notwendigen Prozessabhängigkeiten

ermittelt. Die Daten wurden formalkinetisch ausgewertet. Als die bestimmenden Hauptfaktoren

wurde der Einfluss der Temperatur, der Schallwellenamplitude, des Behandlungsdruckes und der

-zeit sowie des umgebenden Mediums untersucht.

Um einen energieeffizienten Ablauf der Kombinationsbehandlung zu gewährleisten, sollte ein,

hinsichtlich des Volumens, optimierter Ultraschallreaktor konstruiert werden. Zu diesem Zweck

wurden zunächst Hydrophonmessungen dazu eingesetzt, die verwendete Schallquelle näher zu

charakterisieren. Neben Aussagen zur Schallabstrahlung und -leitung konnten bei verschiedenen

Leistungseinstellungen des Wandlers die genutzte Ultraschalleistung, die Schalldruckverteilung

und auf indirektem Wege die räumliche Ausdehnung der Kavitationsblasenwolke bestimmt werden.

Darüber hinaus wurde das Verweilzeitverhalten des Reaktors untersucht. Basierend auf den

Ergebnissen zur gemessenen Schalldruck- und Verweilzeitverteilung wurde eine Optimierungs-

rechnung zur erzielbaren Inaktivierungsleistung des Reaktors in Abhängigkeit des Reaktorvolu-

mens sowie der Betriebsparameter Volumenstrom und spezifischer Energieeintrag durchgeführt.

Mit Hilfe der Berechnung konnte die noch fehlende Reaktorlänge, als zweite Randbedingung des

Reaktorvolumens, festgelegt werden. Im Anschluss an die Optimierungsarbeiten wurde die Kombi-

nationsbehandlung exemplarisch für Keimreduktionen in Pufferlösung und Orangensaft getestet.

Schwerpunktmässig konzentrierten sich die Untersuchungen auf den Nachweis der verbesserten

Keiminaktivierung, die sensorische und ernährungsphysiologische Evaluierung des konservierten

Saftes sowie die Klärung der Frage nach der Energiewirtschaftlichkeit. Für den objektiven

Vergleich zwischen thermischer und akustisch-thermischer Behandlung erfolgte die Prozessbe-

wertung entweder auf der Grundlage der aus den reaktionskinetischen Betrachtungen abgeleiteten

Pasteurisations- bzw. Sterilisationswerten (F-Werte) oder aus den experimentell bestimmten

Inaktivierungsresultaten.

In der kontinuierlich durchströmten Versuchsanlage wurde infolge der Kombinationsbehandlung

eine verbesserte Keimabtötung bei allen Testkeimen nachgewiesen. Die Quantifizierung des

eingetretenen Effektes führte zu Aussagen bezüglich der Reduzierbarkeit des Temperaturniveaus

und der Behandlungsdauer. Infolge der thermischen und akustisch-thermischen Verfahrensanwen-

dungen ergaben sich verarbeitungstechnisch bedingt, unterschiedliche Saftqualitäten. Es konnte

nachgewiesen werden, dass die akustisch-thermisch behandelten Säfte mit verbesserten

Lagerungseigenschaften im Hinblick auf einen reduzierten Ascorbinsäureabbau und eine erhöhte

Stabilität der Farbhelligkeit hergestellt werden konnten. In den energiewirtschaftlichen Untersu-

chungen konnte ein geringerer Energieverbrauch für die ultraschall-unterstützte Verfahrensanwen-

dung nicht bestätigt werden. Zwar konnte der Aufwand an Wärmeenergie reduziert werden, jedoch

ergab sich, wegen des hohen Verbrauches an elektrischer Energie zur Ultraschallerzeugung, ein

höherer Gesamtenergieverbrauch.

Inhaltsverzeichnis

Symbolverzeichnis

1 Einleitung 1

2 Theoretische Grundlagen 4

2.1 Ultraschall erzeugendes System

2.2 Schallausbreitung in flüssigen Medien

2.3 Wirkmechanismen im Schallfeld

2.3.1 Kavitation

2.3.2 Radikalbildung

2.4 Bakterielle Schädigung und Inaktivierung

2.4.1 Thermische Zellschädigung

2.4.2 Ultraschall induzierte Zellschädigung

3 Material und Methoden 16

3.1 Testorganismen

3.2 Behandlungsmedien

3.3 Versuchsdurchführung

3.3.1 Laborexperimente

3.3.2 Anlagenexperimente

3.4 Druckapparat

3.5 Pilotanlage

3.6 Schalleistung und Schalldruckverteilung

3.7 Verweilzeitanalyse

3.8 Keimzahlbestimmung

3.9 Ascorbinsäurenachweis

3.10 ESR Messung

3.11 Radikalbildungsaktivität

3.12 Antioxidative Aktivität

3.13 Sensorik (Dreieckstest)

3.14 Instrumentelle Farbmessung

4 Ergebnisse und Diskussion 31

4.1 Ultraschallreaktor

4.1.1 Anforderungen

4.1.2 Auslegung

4.1.3 Reaktorvolumen

4.2 Keiminaktivierung

4.2.1 Laborexperimente

4.2.2 Anlagenexperimente

4.3 Produktanalyse

4.3.1 L-Ascorbinsäure

4.3.2 Radikalbildungsaktivität

4.3.3 Antioxitative Aktivität

4.3.4 Sensorik

4.3.5 Instrumentelle Farbanalyse

4.4 Energieeffizienzanalyse

5 Zusammenfassung und Schlussfolgerung 69

6 Ausblick 72

Anhang 74

Literaturverzeichnis 86

Veröffentlichungen

Lebenslauf

VII

Symbolverzeichnis

Symbol Bedeutung Einheit

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

ATCC

ATP

CCRC

DNA

DSMZ

D-Wert

ESR

E(t)

∆E

F-Wert

KBE

PBN

RNA

TDT

UIP

ZKo

Modellparameter

Strahleroberfläche

antioxidative Aktivität

(Radikalmenge, die innerhalb von 10 min von 1 L

Probeflüssigkeit reduziert wird)

antioxidative Kapazität

(Radikalmenge, die innerhalb von 10 min durch 1

Mol Antioxidanz [Einzelsubstanz] reduziert wird)

American Type Culture Collection

Adenosintriphosphat

Culture Collection Research Center

Desoxyribonucleinsäure

Deutsche Stammsammlung für Mikroorganismen

und Zellkulturen

Dezimalreduktionszeit

Aktivierungsenergie

spezifischer Energieeintrag

Elektron-Spin-Resonanz

Verweilzeitverteilungsfunktion

Gesamtfarbabstand

Sterilisationswert

Schallintensität

Koloniebildende Einheiten

Farbhelligkeit

Keimzahl

Generatoraufnahmeleistung unter Last

Effektive Schalleistung

Schalleistung an der Grenze des Kavitationsfeldes

Generatoraufnahmeleistung für Leerlaufbetrieb

Schalleistung

N-tert-Butyl-

-phenylnitron

Volumenschnelle

Ribonucleinsäure

Temperatur

Referenztemperatur (60 bzw. 121°C)

Thermal dead time

Ultraschall Industrie Prozessor

Volumen

Volumendurchsatz

Spezifische Schallimpedanz des Mediums

Strahlungsimpedanz des Kolbenstrahlers

[m2]

[mmol Fremys-Salz/L]

[mol Fremys-Salz/mol]

[s]

[J/mol]

[kJ/kg]

[s-1]

[s]

[W/cm²]

[W]

[m³/s]

[°C]

[m3]

[m3/h]

[kg/s·m2]

[kg/s]

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

m, n

Farbton (rot-grün)

Farbton (gelb-blau)

Konzentration, Parameter der Exponentialfunktion

Schallgeschwindigkeit

spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck

Schallfrequenz

spezifische Enthalpie

Geschwindigkeitskonstante, Wellenzahl

Länge

Steigung, Schnittpunkt Ordinate

Druck

[mol/l]/[-]

[m/s]

[J/kg·K]

[Hz]

[J/kg]/[m-1]

[1/s]

[m]

[MPa]

VIII

rKo

z-Wert

Regressionskoeffizient

Radius Kolbenstrahler

Zeit

Schallwellenamplitude

Dezimalreduktionstemperatur

[m]

[s]

[µm]

[°C]

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

∆

Absorptionskoeffizient

Wellenlänge

Änderung

Viskosität

Schallschnelle

Dichte

Normierte Verweilzeit

Oberflächenspannung

Mittlere Verweilzeit

[1/m]

[m]

[Pa·s]

[m/s]

[kg/m3]

[-]

[kg/s2]

[s]

Einleitung

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

1 Einleitung

Ultraschall kann von Schallprozessoren bedingt durch seine hohen Frequenzen (20-107

kHz) und die sich daraus ergebenden kurzen Wellenlängen in stark gebündelter Form

abgestrahlt werden. Auf diese Weise läßt er sich auf eng begrenzte Bereiche konzentrie-

ren, wodurch in beschallten Medien hohe Energie- bzw. Leistungsdichten (10-1000

W/cm2) erzielt werden können. In Abhängigkeit der angewendeten Intensität und der Art

des Mediums treten hierbei verschiedene mechanische, thermische oder biochemische

Effekte auf, die ihn für eine Vielzahl praktischer Anwendungen interessant machen.

Von besonderer Bedeutung ist der Effekt der ultraschallinduzierten Kavitation. Er beruht

auf den physikalischen Vorgängen, die durch Einwirkung eines zyklischen Wechsel-

druckes in Flüssigkeiten entstehen (Dekompression, Implosion usw.) und ist stets

Ursache von weiteren Wirkungen, die als Begleiterscheinungen auftreten. Neben der

hydrodynamischen Scherung, hervorgerufen durch Mikroströmungen oder Schockwellen,

gehören die Kompressionserhitzung, die freie Radikalbildung und die elektrische Ent-

ladung (Sonolumineszenz) zu den wichtigsten. In Übereinstimmung der genannten sowie

einer Reihe weiterer Ultraschallwirkungen, wie der Schallabsorption, der Grenzflächen-

reibung oder dem Strahlungsdruck ist Ultraschall auch für lebensmitteltechnologische

Anwendungen geprüft worden (Knorr et al., 2002; Knorr, 2003). Er fand Einsatz bei der

Herstellung von Homogenisaten (Gaffney, 1997), von Extrakten (Moulton und Wang,

1982; Zayas, 1986; Kim und Zayas, 1991; Roberts, 1993; Buckow et al., 2001) oder der

Bildung von Emulsionen (Mason et al., 1996, 1998; Abismail et al., 1999; Behrend, 2000;

Behrend 2001). Das Schneiden von gefrorenen oder weichen Lebensmitteln (Rawson,

1989; Schneider et al., 2001), das Schweißen von Verpackungsmitteln, die Inaktivierung

von Enzymen (Gennaro, 1999; Lopez, 1994) und der Aufschluß bzw. die Abtötung von

bakteriellen Zellen (Earnshaw, 1998; Lillard, 1994; Sala, 1995; Wrigley und Llorca, 1992)

stellten weitere zentrale Einsatzgebiete dar. Eine Gesamtübersicht zu den bestehenden

Applikationen unter Angabe der genutzten Frequenz- und Amplitudenbereiche gibt hierzu

Abbildung 1. Die Klassifizierung der Anwendungen erfolgt im Allgemeinen entsprechend

Tabelle 1 unter Bezugnahme auf die erzeugte Schallenergie. Diese wird durch die

Angabe der Schalleistung (W), der Schallintensität (W/cm2) oder der Schallenergiedichte

(W/cm3) charakterisiert.

Die bakterizide Wirkung hochfrequenter Ultraschallwellen wird auf die während der Schall-

behandlung im wässrigen Medium auftretende Kavitation und ihre unmittelbaren Folgeer-

scheinungen wie Scherwirkung, Druckwirkung, lokale Erhitzung und freie Radikalbildung

zurückgeführt (Hyghes und Nyborg, 1962; Save et al., 1994). Sie beruht auf einer Schädi-

gung der Zellwand, der Zellmembran sowie weiterer funktionaler Zelleinheiten deren

Wirkmechanismen aber noch größtenteils unbekannt sind. Bei entsprechendem Energie-

eintrag können so, stammabhängig, bei Bakterien erhebliche Keimzahlreduktionen

erreicht werden.

Bei Ultraschallintensitäten, die die Qualität von behandelten Lebensmitteln nicht oder nur

geringfügig beeinflussen, ist der Effekt zur Keimreduzierung jedoch oft ungenügend. Dies

gilt besonders für die Inaktivierung von Sporen oder von vegetativen Bakterien mit positi-

Einleitung

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

vem Gramverhalten. Darüber hinaus gestaltet sich die Abtötung von Keimen in inhomoge-

nen und fettreichen Medien als besonders schwierig. Hinreichende Erfolge dagegen sind

bei Ultraschallbehandlungen, die bei erhöhten Temperaturen durchgeführt werden erziel-

bar. Hierbei ergibt sich der besondere Vorteil, daß vegetative aber auch sporenbildende

Keime aufgrund eines auftretenden synergistischen Effektes in deutlich größerem Maße

geschwächt oder inaktiviert werden können, als dies durch eine ausschließlich thermische

oder akustische Behandlung möglich ist (Raso, 1997). Der Ultraschalleinsatz bietet

deshalb die Möglichkeit, thermische Behandlungen zur Erreichung mikrobieller Stabilität

auf einem niedrigeren Temperaturniveau und/oder mit verkürzter Prozeßzeit durchzufüh-

ren (Mason, 1996). Die Qualitätsverbesserung behandelter Produkte, aber auch die

Einsparung an Prozessenergie, könnte dadurch verwirklicht werden.

Veröffentlichte Studien zur Kombinationswirkung von Ultraschall und Temperatur wurden

zum größten Teil im Labormaßstab und dabei überwiegend diskontinuierlich durchgeführt.

In ihnen wurde zunächst der Einfluß wichtiger Prozeßparameter wie z. B. der Schallampli-

tude, dem statischen Druck, der Temperatur oder der Zusammensetzung des

Behandlungsmediums auf den letalen Effekt untersucht (Raso et al., 1998; Pagan et al.,

1999). Später folgten Analysen in kontinuierlich arbeitenden Apparaturen, in denen auch

die Nutzbarkeit zur Optimierung bestehender Erhitzungsprozesse geprüft wurde. Verglei-

chende Studien zwischen konventioneller und ultraschall-kombinierter Erhitzung liegen

hier z. B. von Villamiel (2000) zur Inaktivierung von P. fluorescens und S. thermophilus in

Milch sowie Williams et al. (1999) zur Keimreduktion von L. monozytogenes und Z. bailii in

Orangensaft und Milch vor. Detaillierte Untersuchungen, in denen neben dem letalen

Amplitude [µm]

Frequenz [kHz]

Homogenisation

Emulsifikation

Dissolution

Zartmachung

Stimmulation lebender Zellen

Prozesskontrolle

Zerstörungsfreie Prüfung

Schweißen (Verpackung)

Verbesserung der Wärmeübertragung

Bakterieninaktivierung

Enzyminaktivierung / -aktivierung

Zellaufschluss

Filtration

Extraktion

Trocknung

Entgasung

Hydration

Rehydration

Kristallisation

Reinigung

Sieben

Schneiden

Abb. 1:

Ultraschallanwendungen in der Lebensmittelwissenschaft und –technologie

in Abhängigkeit der genutzten Frequenz- und Amplitudenbereiche.

Einleitung

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Effekt auf Keime auch energie- und qualitätsbezogene Daten erfaßt wurden, sind jedoch

rar.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand darin, die Wirksamkeit der ultraschall-kombi-

nierten Behandlung in dem für die Praxis relevanten Durchflußbetrieb zu untersuchen. Als

Probemedium sollte neben gepufferter Modellösung ein reales Lebensmittelerzeugnis

zum Einsatz kommen. Zur Realisierung des Vorhabens wurde eine kontinuierlich arbei-

tende Versuchsanlage gebaut, mit deren Hilfe konventionell-thermische und zum

Vergleich ultraschall-kombinierte Behandlungen durchgeführt werden konnten. An

ausgewählten Testkeimen wurde zunächst in Laborversuchen, die zur Inaktivierung

notwendigen Prozessabhängigkeiten und hierbei, als die wesentlichen Hauptfaktoren, der

Einfluss der Temperatur, der Schallwellenamplitude, des Behandlungsdruckes und der

Behandlungszeit sowie des umgebenden Mediums ermittelt.

Nach dem Bau der Versuchsanlage sollte neben der Erprobung der verbesserten Keim-

inaktivierung die sensorische und ernährungsphysiologische Evaluierung des konservier-

ten Erzeugnisses vorgenommen und mit dem eines mikrobiologisch vergleichbar, ther-

misch stabilisierten verglichen werden. Als ein weiterer Bestandteil der Arbeit war die

Abschätzung des sich ergebenden energiewirtschaftlichen Einsparungspotentials vor-

gesehen. Basierend auf den gewonnenen Ergebnissen wurden die Möglichkeiten und

Grenzen der Kombinationsbehandlung mit dem Ziel der Verbesserung der Produktqualität

und der Einsparung an Prozessenergie angegeben.

Anwendung

Niedrig-Energie Hoch-Energie (Leistungsultraschall)

< 10 W/cm² 10-1000 W/cm²

Niedrig Frequenz

Niedrig-Amplitude

Niedrig-Frequenz

Hoch-Amplitude

III

Hoch-Frequenz

Niedrig-Amplitude

≤ 0.1 MHz ≤ 0.1 MHz 0.1 – 10 MHz

< 10 µm 10-500 µm < 10 µm

Tab. 1:

Einteilung bestehender Ultraschallanwendungen in der Lebensmittel-

wissenschaft und -technologie (Bibliometrische Analyse).

Theoretische Grundlagen

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2 Theoretische Grundlagen

2.1 Ultraschallerzeugendes System

Die heute größte technische Bedeutung haben die Verfahren der elektrischen Ultraschall-

erzeugung unter Verwendung piezoelektrischer Schallgeber. Der Schallgeber (auch

Schallwandler, -generator oder -prozessor) stellt dabei das Hauptelement des schwin-

gungserzeugenden Systems dar, zu dessen betriebsfertiger Grundausstattung außerdem

ein Frequenzgenerator, ein Hochfrequenzkabel sowie ein Schnelletransformator (auch

Stufentransformator oder Booster) und eine Arbeitsspitze (auch Schallstrahler oder Reso-

nator) gehören.

Im Frequenzgenerator erfolgt die Umwandlung der aufgenommenen Netzleistung (Wech-

selstrom mit Netzfrequenz von 50 - 60 Hz) in einen hochfrequenten Wechselstrom mittels

verschiedener Halbleiterbauelemente. In den Endstufen des Generators werden im

Allgemeinen steuerbare Halbleiterschalter (Thyristoren) verwendet, um die zur Schaller-

zeugung notwendige Grundwelle zu generieren. Das transformierte elektrische Signal

wird über das HF-Kabel zum Wandler weitergeleitet und über zwei metallische Elektroden

auf die Ferroelektrika übertragen.

Die Erzeugung der Schallwellen erfolgt dort nach dem in der Praxis am weitesten

verbreiteten Prinzip der Elektrostriktion (reziproker piezoelektrischer Effekt). Es basiert auf

der Anwendung der elastischen Verformung ferroelektrischer Stoffe (Quarze) in einem

hochfrequenten elektrischen Feld, die durch die gegenseitige Anziehung der im Feld pola-

risierten Moleküle verursacht wird (Gerthsen und Vogel, 1993; Kuttruff, 1988).

Die Schallerzeugung erfolgt meist mit Hilfe eines Verbundschwingers, der aus mindestens

zwei Ringen aus piezokeramischen Material, typischerweise aus Bleizirkonattitanat sowie

zwei Endmassen, besteht. Durch eine Zugschraube in der Achse des Schwingers werden

die Piezoelemente so stark zusammengepresst, dass sie auch im Zustand maximaler

Schwingdehnung nur in geringem Maß auf Zug beansprucht werden. Sie können dadurch

wesentlich höheren Schwingungsamplituden standhalten, als dies ohne Vorspannung

möglich wäre. Nach Umsetzung wird die generierte mechanische Schwingung zum

Stufentransformator und schließlich zum Behandlungsmedium weitergeleitet.

2.2 Schallabstrahlung in flüssigen Medien

Die Übertragung von Schallenergie in ein flüssiges Medium erfolgt in der Regel über eine

Sonotrode, d. h. über eine feste Oberfläche, die in Richtung ihrer Normalen Wechsel-

bewegungen ausführt. Diese werden auf die umgebenden Fluidteilchen übertragen, die

nach den Gesetzmäßigkeiten der Kinematik aus ihrer Ruhelage ausgelenkt und zu

periodischen Schwingungen angeregt werden. Aufgrund der bestehenden Bindungskrafte

zwischen den Fluidteilchen überträgt sich diese Bewegung auch auf benachbarte schwin-

gungsfähige Elemente deren angeregte Schwingung als Schallwelle im Medium weiter-

geleitet wird.

Theoretische Grundlagen

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

In Flüssigkeiten breiten sich Schallwellen bis auf wenige Ausnahmen in Form von Longi-

tudinalwellen, sogenannten Längs-, Dichte- oder Kompressionswellen, aus (Veit, 1996;

Kuttruff, 1988; Gerthsen und Vogel, 1993). Die Schwingungsrichtung der einzelnen Medi-

umsteilchen und die Ausbreitungsrichtung der Welle liegen dabei auf der gleichen

Wirkungslinie. Die genannte Wellenart durchläuft das Medium mit der höchsten Schallge-

schwindigkeit für den betreffenden Stoff (Gerthsen und Vogel, 1993). Sie ist durch die

räumliche und zeitliche Änderungen der Dichte des Mediums, des Druckes innerhalb des

Mediums und der Geschwindigkeit der einzelnen Mediumsteilchen gekennzeichnet (Veit,

1996). Die beschriebenen Änderungen erfolgen in jedem Fluidelement nahezu ohne

Wärmeaustausch mit den Nachbarelementen (Adiabatengesetz) und werden vom periodi-

schen Ablauf der Änderung der Temperatur sowie weiterer physikalischer Kenngrößen

begleitet.

2.3 Wirkmechanismen im Schallfeld

2.3.1 Kavitation

Zu den fundamentalen Wirkmechanismen des Ultraschalls in Flüssigkeiten gehört die

Erscheinung der akustischen Kavitation. Sie beruht auf den physikalischen Vorgängen,

die durch die Einwirkung zyklischer Wechseldrücke hervorgerufen werden und beschreibt

die Entstehung und die Dynamik (stabiles oder transientes Oszillieren) von leeren bzw.

mit Gas- oder Dampf gefüllten Blasen. Im Realfall kommt es zu Mischformen von Gas-

und Dampfblasenkavitation. Die Bildung von Gas- und Dampffreien Blasen ist hingegen in

der Praxis kaum anzutreffen.

Für die Entstehung von Kavitationsblasen ist die Überwindung der Kavitationsschwelle

notwendig (Kuttruff, 1988). Zur Blasenbildung kommt es, wenn der lokale Energieeintrag

bei der Schalleinkoppelung in das Medium einen kritischen, fluidspezifischen Wert über-

schreitet und die zwischen den Molekülen wirkenden Anziehungs- und Kohäsionskräfte

durch die im Medium erzeugten Unterdrücke bzw. Zugspannungen aufgehoben werden.

Um in einer idealen Flüssigkeit einen Hohlraum mit dem Radius r entstehen zu lassen,

muss mindestens die durch ihn erzeugte Oberflächenspannung

0 überwunden werden,

was zu einem benötigten Unterdruck pn von

führt. Zur Überwindung der intermolekularen Kräfte müssen hierbei die Flüssigkeitsteil-

chen mindestens auf den doppelten zwischenmolekularen Abstand auseinandergezogen

werden (

0, H2O ≈ 0.073 N/m, rH2O ≈ 2 Å), wonach sich für reines Wasser Unterdrücke von

der Größenordnung pn ≈ 1000 MPa ergeben. Da sich in der Flüssigkeit infolge der

erreichten Unterdrücke spontan Dampfblasen bilden können, nimmt der theoretische Wert

des Unterdruckes pn bis auf ungefähr 100 MPa ab (Sutilov, 1984; Kuttruff, 1988). Bei

Ultraschallexpositionen in ungereinigtem Wasser erreichten die von Esche (1952) experi-

σ⋅

≈(1)

Theoretische Grundlagen

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

mentell gemessenen Unterdrücke hingegen Maximalwerte von 20 bis 30 MPa, die weit

unterhalb der theoretisch berechneten Werte lagen. Der Grund hierfür ist, dass in prak-

tisch allen realen Flüssigkeiten Stellen mit verminderter Oberflächenspannung existieren,

die als Verteilung in unterschiedlicher Anzahl zu finden sind und als Keime für den Kavita-

tionsbildungsprozess wirken. Sie werden durch eingebundene Fremdstoffe jeder Art, die

in gelöster sowie in ungelöster Form vorliegen können, hervorgerufen. Neben im Medium

suspendierten Feststoffpartikeln sind hier besonders dispergierte hydrophobe Substanzen

(Tenside) und in ungelöster Form auftretende Gase von Bedeutung.

Ungelöste Gase können in stabilisierter Form im Medium existieren. Als Theorien für die

Stabilisierung sind z. B. die Anlagerung der Gasblasen an konischen Spalten (Gasta-

schen) von Festkörperflächen oder die Ummantelung freier Blasen mit monomolekularen

Schichten organischer Moleküle bekannt (Crum, 1982; Young et al., 1984). Weitere sind

die der Wechselwirkung von Ladungsträgern nach elektrostatischer Flächenaufladung in

der Blasenwand oder die der Wechselwirkung von Ionen gelöster Salze auf der Blasen-

oberfläche mit Ionen der Blasenumgebung (Sutilov, 1984; Kuttruff, 1988).

Unabhängig wie ungelöstes Gas in einer Flüssigkeit stabilisiert wird kann man annehmen,

dass eine Gasblase mit einem anfänglichen Radius r0 statisch im Gleichgewicht gehalten

wird. Bei Verringerung des Umgebungsdruckes p0 bis zu einem Druck p wächst die Blase

auf die Größe r an.

Der kritische Schwelldruck pkrit bezeichnet nun den Unterdruck bzw. die maximale Ampli-

tude des akustischen Druckes pak der in der Flüssigkeit herrschen muss, damit eine stabi-

lisierte Blase instabil wird und wächst. Der kritische Radius folgt aus der Ableitung von

Gleichung 2 nach dem Radius r der wachsenden Blase. Mittels Gleichung 3 erhält man

schliesslich, in einfachster Weise, den kritischen Unterdruck, der die Kavitationsschwelle

beschreibt.

Für weitere Abschätzungen der Schwellenwerte bei der Kavitationsbildung wurden

verschiedene empirische sowie auf postulierten Mechanismen basierende Modellglei-

chungen hergeleitet. Die bekanntesten gehen auf Arbeiten von Blake (1970), Apfel

(1970), Lauterborn (1997) und Neppiras (1980) zurück. In ihnen wird versucht neben dem

Umgebungs- und Dampfdruck die Abhängigkeit der Kavitationsschwelle von der Keimbla-

sengröße und der Ultraschallfrequenz zu erklären (Abb. 2). Die für große Spalten abge-

leitete Kavitationsschwelle (Modell Konische Spalte) berücksichtigt neben den genannten

pppp

0ak0

−













⋅











σ

+=−= (2)

0krit













σ⋅

+−











σ⋅

⋅

−= (3)

Theoretische Grundlagen

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Parametern noch den Einfluss des in der Flüssigkeit gelösten Gases. Komplexere

Modelle beziehen die Massenträgheit sowie die Kompressibilität und die Viskosität der

Flüssigkeit mit ein. Dadurch wird neben der Radiusänderung entstehender Blasen auch

die Oszillation im Schallfeld und das Stadium des Zusammenbrechens hinreichend

korrekt beschrieben.

Nach der Bildung von Hohlräumen bzw. Blasen an Kavitationskeimen treten verschiedene

Erscheinungsformen von Ultraschallkavitation auf, die im einzelnen von der Art und dem

Reinheitsgrad der Flüssigkeit, von der Stärke, der Frequenz und der Geometrie des

Schallfeldes sowie verschiedenen anderen Bedingungen abhängen (Kuttruff, 1988;

Laborde, 1998). Sie werden meist nach den Kriterien des Blaseninhaltes und der Blasen-

dynamik eingeteilt. Entsprechend des Blaseninhaltes werden unter den Bezeichnungen

Gas- und Dampfblasenkavitation zwei wichtige Grenzfälle unterschieden. Dazwischen

existieren zahlreiche Übergangsformen.

Gasblasenkavitation entsteht bei niedrigen Schallwechseldrücken durch die in der

Flüssigkeit gelösten Gase. Die Blasen führen dabei Schwingungen gemäss ihrer Größe

aus. Die größten Schwingungen führen Blasen aus, die in der Nähe ihrer Resonanz

schwingen (Lauterborn, 1997). Sie kollabieren weniger intensiv, da der Innendruck des

Gases den Kollaps aufhält.

Bei der Dampfkavitation enthalten die gebildeten Blasen nur geringe Konzentrationen an

Gas. Im Wesentlichen sind sie mit dem Dampf der Flüssigkeit gefüllt. Nach einem häufig

angewandten Kriterium liegt Dampfkavitation dann vor, wenn die Geschwindigkeit einer

kollabierenden Blasenwand zu einem bestimmten Zeitpunkt die Schallgeschwindigkeit der

Flüssigkeit überschreitet. Dies kann jedoch experimentell nur schwer nachgewiesen

werden. Bei Kavitationsversuchen in stationären Schallfeldern orientiert man sich am

Auftreten von nichtperiodischen subharmonischen Komponenten im Spektrum der

Blasenschwingung (Kuttruff, 1988).

Beim zweiten Kriterium zur Einteilung der Kavitationserscheinungen, der Blasendynamik,

wird das Verhalten der Blasen während mehrerer Schwingungszyklen verfolgt. Führen die

10-1

100

101

102

103

p [MPa]

100.0 101.0 102.0 103.0 104.0

Frequenz [kHz]

Abb. 2:

mplitude des Schallwechseldruckes

(Kavitationsschwelle) in Wasser nach

Lauterborn, berechnet für unterschied-

liche Anfangsradien der Kavitationsbla-

sen. (a) r0=0.1 µm, (b) r0=1.0 µm, (c)

r0=5.0 µm.

Theoretische Grundlagen

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

gebildeten Kavitationsblasen annähernd harmonische Radialschwingungen aus, d. h.

schwingen sie über mehrere tausend Perioden im Schallfeld mit, ohne zu implodieren,

wird die Erscheinung stabile Kavitation genannt. Der Blasenradius bleibt hierbei nicht

zwangsläufig konstant (Leighton, 1998). In Abhängigkeit des äußeren Druckes und der

Wechseldruckamplitude können sich die Blasen im Medium auflösen oder darin anwach-

sen. Die Schallfrequenz aber auch andere Parameter, wie die Viskosität der Flüssigkeit

sind für das Blasenverhalten mitverantwortlich. Das stetige Pulsieren der Blasen erzeugt

dabei Fluidströme mit großen Kräften in Blasennähe (Mikrostreaming).

Bei hinreichend hohen Wechseldruckamplituden verliert die Blasenbewegung den

Charakter einer stationären Schwingung. Die Blasen schwingen nichtlinear im Schallfeld

mit und kollabieren bereits nach wenigen Schwingungszyklen. Diese Erscheinung wird

transiente Kavitation genannt. Mit zunehmender Schwingungsdauer wachsen die Blasen

in wenigen Zyklen von Expansion und Kompression stark an. Es überwiegt die Wirkung

der gleichgerichteten Diffusion (Lauterborn, 1997). Über die größere Oberfläche während

der Expansionsphase wird dabei die Diffusion von Gas ins Innere der Blase begünstigt.

Nach Erreichen des kritischen Blasenradius kollabieren die Blasen schließlich durch den

äußeren Druck. Die Blasen können sich dabei in den Kompressionsphasen adiabatisch

aufheizen (Flint, 1991). Dampfblasen kondensieren durch die hohen Drücke einen Groß-

teil ihres Dampfgehaltes an der Blasenwand aus. Gasblasen kollabieren bis der Innen-

druck des Gases den Kollaps aufhält.

Die durch den Kollaps verursachte starke Kompression des Blaseninhaltes erzeugt lokal

Drücke von bis zu 100 MPa und Temperaturen von mehreren 1000 K (Suslick, 1988; Flint,

1991). Während des Kollaps werden dabei große Blasen zu kleineren aufgelöst. Weiterhin

werden chemische, dabei vor allem radikalische Reaktionen entfacht. Ein weiteres

Kavitationsphänomen ist, dass kavitierende Blasen während des Kollaps Stoss- bzw.

Schockwellen emittieren, deren Druckstoß ebenfalls bis zu 100 MPa groß ist (Günther

und Gompf, 2000). Diese bewirken vorwiegend mechanische Effekte wie z. B. Materialer-

rosionen oder das Zerreißen bakterieller Zellwände. Diese werden durch Scherstress in

der Flüssigkeit oder durch den „Wasserhammerdruck“ beim Auftreffen so genannter

Blasenjets auf Grenzflächen oder den hohen Innendruck der Blase hervorgerufen.

Die aufgezählten Phänomene der Blasendynamik (Mikrostreaming) und des Blasenkol-

laps (Druck-, Temperaturentstehung, Radikalbildung, Schockwellemimitierung) gehören

zu den Wirkmechanismen mit Bedeutung für die Keimreduktion. Deren Ausmaß und

Wirkung hängen insbesondere von den Parametern des Ultraschallfeldes ab. Sie können

am stärksten durch die Frequenz und die Schallwellenamplitude reguliert werden. Weiter-

hin sind die technologischen Parameter Betriebsdruck und –temperatur und die Medium-

seigenschaften (z. B. Gasgehalt, Gehalt chemischer Agenzien) von großer Bedeutung

(Neppiras, 1980; Lauterborn, 1997; Leighton, 1998; Niemczewski, 1999).

Bei hohen Ultraschallfrequenzen (> 103 kHz) wird die Kavitationsbildung aufgrund der

Trägheit erschwert bzw. vollständig unterbunden (Earnshaw, 1995). Im niedrigen

Frequenzbereich (ca. 20–500 kHz) werden Kavitationsblasen zu einer geringeren Oszilla-

tion angetrieben, wodurch sich die Blasen auf größere Volumina ausdehnen können und

während der Implosionsphase stärker zusammenfallen. Mit zunehmender Schallwellen-

Theoretische Grundlagen

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

amplitude werden die erzeugten Unterdrücke im Medium erhöht, wodurch die Kavitations-

blasen auf größere Endradien auseinandergezogen werden. Im Allgemeinen gilt, je

größer der maximale Radius der kollabierenden Blase ist, umso höher ist ihr Energiein-

halt. Der maximale Blasenradius wird jedoch durch die Kollapszeit eingeschränkt

(Laborde, 1998). Ist die Kollapszeit größer, als die halbe Schwingungszeit T, so kann die

Blase nicht vollständig kollabieren. Ihr Zusammenbruch wird durch den negativen Druck

abgefangen. Der statische Druck wirkt sich in zweifacher Hinsicht auf die Wirkungen des

Ultraschalls aus. Zum einen wird der Gasgehalt der Flüssigkeit mit höherem statischem

Druck größer, wodurch in den Blasen ein höherer Partialdruck auftritt, welcher den

Blasenkollaps schwächt. Zum anderen ist die gespeichrte Energie bei gleichem Blasenra-

dius mit höherem statischem Druck größer, so dass der Kollaps intensiver verläuft (Horst,

1997). Die Temperatur wirkt sich auf alle Schallfeld- und Fluidparameter aus. Die Anwe-

senheit von Gasblasen ist sowohl für die Kavitationsbildung als auch die Kavitationsinten-

sität von Bedeutung. Ihre Menge, mittlere Größe und ihre Verteilung im Behandlungsme-

dium sind entscheidend. Das Verhältnis von maximalem Blasenradius zum Anfangsradius

sollte möglichst klein sein und lässt sich über die Frequenz steuern. Es gilt, dass die kriti-

sche Blasengröße quadratisch mit der Frequenz ansteigt (Kuttruff, 1988).

Durch den Kavitationsvorgang entstehen im Realfall neben nutzbaren transienten Blasen

auch stabil schwingende Blasen, welche dem System durch Oszillation vermehrt Energie

entziehen. Diese besitzen eine geringere mechanische Wirksamkeit. Durch Bjerkneskräfte

werden die Blasen im Schallfeld gehalten und können die Oberfläche nicht erreichen. Sie

bilden ganze Blasenwolken, die zu einer intensiveren Schallabsorption führen und können

so innerhalb von Schallreaktoren aktive Kavitationszonen schwächen. Bei der Entstehung

von Kavitation in einer Flüssigkeit werden ihre akustischen Eigenschaften wesentlich

verändert. Insbesondere die Existenz von Kavitationsblasen führt zu Schallstreuung und

in der Folge zu einer starken Abnahme der Schallenergie im Raum (Sutilov, 1984). Die

Streuung ist jedoch nicht der einzige Grund für die Energieabnahme bei Kavitation. Ein

großer Anteil der eingetragenen Energie geht in die Entwicklung der Kavitationsblasen, d.

h. in die Arbeit zu ihrer Ausdehnung auf den maximalen Blasenradius. Nach der Blasen-

implosion wird ein Teil der Schallenergie in Form von Wärme von der Flüssigkeit absor-

biert.

Um die Kavitationserscheinungen in Schallfeldern verstehen und beeinflussen zu können,

müssen die Wechselwirkungen zwischen Kavitationsblasen und deren Auswirkung auf die

Blasendynamik sowie die Rückwirkung auf das Schallfeld untersucht werden. Die Erfor-

schung der Blasendynamik und der Struktur- bzw. Kavitationsfeldverteilung in Abhängig-

keit der Parameter Frequenz, Schallwellenamplitude usw. ist dabei die Grundlage für die

Optimierung von Schallreaktoren. Eine gute Zusammenfassung über neuartige Reaktoren

sowie die Auslegung eines Reaktors unter Berücksichtigung der schalltechnisch wichtig-

sten Kriterien gibt die Arbeit von Horst (1997).

Die Berechnung von Schalldruck- und Energiedichteverteilungen im Reaktionsvolumen

erlauben erste Vergleiche zwischen verschiedenen Reaktorgeometrien hinsichtlich der

Häufigkeit und Intensität der Kavitationsereignisse. Sie stößt jedoch auf große

Unsicherheiten, so dass bisher nur wenige Reaktoren existieren, die entsprechend ihrer

Theoretische Grundlagen

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

erzielbaren Schalldruck- und Energiedichteverteilungen ausgelegt wurden. Vergleichende

Studien zur Modellierung von Schalldruck und Energiedichteverteilungen existieren hierzu

von Dähnke et al. (1999a, 1999b und 1999c). In ihnen wurde ein Algorithmus zur Berech-

nung dreidimensionaler Schallfelder in inhomogenen Medien entwickelt, mit dem sich die

Energiedichteverteilung im Reaktorvolumen errechnen lässt. Man erhält daraus den

Volumenanteil des Gesamtreaktorvolumens, in dem die Energiedichte einen bestimmten

Wert überschreitet. Damit kann der Volumenanteil errechnet werden, in dem Kavitation

auftreten kann, sofern man die Kavitationsschranke kennt.

Mittels theoretischer Beschreibungen des Ultraschallfeldes und den Kenntnissen über die

Blasendynamik und –verteilung kann die tatsächliche Wirkung der Kavitation für die

Mehrzahl der einzelnen technischen Anwendungen oft nicht ausreichend vorhergesagt

werden werden. Um die Wirkung von Kavitation einschätzen zu können, muss deshalb in

vielen Fällen ihre Intensität im technischen System gemessen werden. Dazu wurden

verschiedene indirekte Verfahren entwickelt (Abb. 3).

2.3.2 Radikalbildung

Abhängig von den Parametern des Ultraschalls bewirkt Kavitation in unterschiedlichem

Maße radikalische Effekte. Diese sind sowohl für die mikrobiologische Inaktivierungsreak-

tion als auch die Eigenschaften behandelter Produkte von Bedeutung. Die Bildung der

freien Radikale ist dabei die Folge der energiereichen Blasenimplosionen und hängt im

wesentlichen von der Temperatur ab, die hierbei örtlich erreicht wird (Suslick, 1998). Im

Allgemeinen wächst sie mit kleiner werdenden Frequenzen. Bei sonochemischen Prozes-

sen ist die Bildung von Radikalen in wässrigen Lösungen gut dokumentiert (Riesz, 1991;

Abb. 3: Übersicht an Methoden zur Messung der Schall- bzw. Kavitations-

intensität.

Schallfeldcharakterisierung

(Methoden zur Messung der Schall- und Kavitationsintensität)

CHEMISCH PHYSIKALISCH

Lokal Chemische Methoden

Global Chemische Methoden

Erosionsmethoden

Optische Methoden

Elektroakustische Methoden

Kalorimetrische Methoden

⇒ Aluminium Folie, Lithium

⇒ Weissler Reaktion

⇒ Chemolumineszenz

⇒ Elektrochemischer Sensor

⇒ Model Reaktionen

(Dosimetrie)

⇒ Sonolumineszenz

(SBSL, MBSL)

⇒ Laser-Doppler-Anemometrie

⇒ Radiation Pressure Scale

⇒ Optische Schalldruck- und

-geschwindigkeitssensoren

⇒ klass. Kalorimeter

⇒ Thermoakustischer Sensor

⇒ Hydrophon

⇒ Elastische Sphäre Radiometrie

Theoretische Grundlagen

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Suslick, 1998, Vercet et al., 1998). Bei deren Beschallung wird das Wasser in extrem

reaktive Wasserstoffatome (H) und Hydroxidradikale (OH) zersetzt. Während der schnel-

len Abkühlphase verbinden sich die Wasserstoffathome dann zu elementarem Wasser-

stoff (H2) und die Hydroxidradikale zu Wasserstoffperoxid (H2O2). Besonders flüchtige

Substanzen dringen in die Gasphase der Kavitationsblasen ein und werden dort durch

radikalische Effekte abgebaut (Peters, 2000). Hydrophobe Substanzen reichern sich in

der hydrophoben Grenzschicht der Kavitationsblasen an. Diese sind besonders durch

eine hohe Konzentration an OH- und H2O2-Radikalen gekennzeichnet. Da innerhalb der

Blasen mehr Radikale entstehen als von dort in die umgebende Flüssigkeit eindiffundie-

ren können, sind Reaktionen von flüchtigen Stoffen oft am umsatzstärksten.

2.4 Bakterielle Schädigung und Inaktivierung

2.4.1 Thermische Zellschädigung

Die thermische Erhitzung gehört zu den verbreitetsten Methoden der Lebensmittelhaltbar-

machung, die thermische Inaktivierung bakterieller Zellen zu den zahlreich untersuchten

Wirkungen auf komplexe biologische Systeme. Dennoch ist mit dem derzeit verfügbaren

Datenmaterial die genaue Ursache bzw. ein universeller Mechanismus für die Herbeifüh-

rung des Zelltotes nicht klar definiert (Ernshaw, 1995).

Die primäre Wirksamkeit hoher Temperaturen liegt in der Initialisierung einer Vielzahl von

Schädigungen und läßt sich nicht auf wenige Angriffspunkte einer Zelle beschränken. Zu

den physiologisch wichtigsten Effekten gehört die partielle oder vollständige, reversible

oder irreversible Änderung der Konformation von Proteinen, die damit verbundene

Umstrukturierung der katalytisch aktiven Zentren von Enzymen sowie die Aufspaltung der

Nukleinsäuren DNA und RNA (Earnshaw et al., 1995; Sala et al., 1995).

Die genannten Veränderungen haben einen erheblichen Einfluß auf die biochemischen

Stoffwechselvorgänge in der Zelle. Sie wurden u. a. von Gould (1983) und Hurst (1983)

für Sporen sowie von Pellon (1984) und Russel (1984) für vegetative Zellen herausge-

stellt. Neben der Verhinderung der Synthese wichtiger Zellsubstanzen während des

Wachstums und der Ruhe, führen sie auch zur Ausschaltung sogenannter homeostati-

scher Mechanismen, worunter die verschiedenen Abwehrreaktionen der Mikroorganismen

(z. B. Bildung von Hitzeschockproteinen) gegenüber Störungen aus der Umgebung

verstanden werden (Gould, 1995).

Die Konformationsänderung von Proteinen erfolgt ohne Lösung kovalenter (Hauptvalenz-)

Bindungen mit Ausnahme von Disulfidbindungen (Belitz et al., 2001). Sie entspricht dem

Übergang von einem hochgeordneten in einen ungeordneten Zustand, bei dem die

Proteinkette unter positiver Entropieänderung verschiedene Anordnungen einnehmen

kann. Der Aufbruch der stabilisierenden Disulfidbindungen sowie das Lösen der verschie-

denen nicht-kovalenten (Nebenvalenz-) Bindungen (Wasserstoffbrücken, hydrophobe

Bindungen) erfolgt, nachdem einzelne Atome eines Proteins oder ganze Moleküle

während des Erhitzungsvorganges in eine ungeordnete Wärmebewegung versetzt

wurden.

Theoretische Grundlagen

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Folgen der anschließenden Umstrukturierung sind Veränderungen der spezifischen

Eigenschaften und der physiologischen Funktionen der Zellproteine. Neben Änderungen

des Löslichkeitsverhaltens oder der Bindungsaffinität (Sauerstoff-, Wasserstoffbeladung

etc.) sind Auswirkungen z. B. auf hormonelle Aktivitäten sowie Stütz- und Transportfunk-

tionen bekannt (Gould, 1989; Gould, 1995; Earnshaw et al., 1995; Sala et al., 1995).

Bei Enzymproteinen führt die Konformationänderung zu Einschränkungen und Ausfällen

der katalytischen Aktivität (Dominguez et al., 1992). Durch die Deformation des Enzym-

moleküls wird im Bindungszentrum die, unter Mitwirkung der funktionellen Gruppen der

Aminosäuren-Seitenketten erfolgende, Substratkopplung gestört (Karlson, 1994). Wich-

tige Regulationsvorgänge werden außer Kraft gesetzt.

Ein Beispiel ist die Aktivitätshemmung von membrangebundenen Enzymsystemen, wie

der ATP-ase. Diese hydrolisiert ca. 50% des zellulären ATP und wird im Besonderen mit

der Hitzeresistenz von Bakterien, hier der vegetativen Form, aber auch anderen Mikroor-

ganismen wie Hefen, Schimmelpilzen usw. in Verbindung gebracht (Weizel, 1987; Vallejo

and Serrano, 1989; Coote et al., 1991). Sie gilt als eines der wesentlichen Angriffsziele

einer thermischen Behandlung.

Durch die Hemmung der ATP-ase-Aktivität wird die ATP-Hydrolyse und der streng an die

ATP- Hydrolyse gekoppelte Transport von Na+/K+-, Ca2+-, H+-Ionen usw. beeinträchtigt

(Vallejo und Serrano, 1989; Schlegel, 1992). In der Folge wird neben einer verringerten

Energiefreisetzung im Zellinneren eine Verschiebung von Dissoziationsgleichgewichten

bewirkt. Durch den verminderten oder vollständig unterbundenen Transport von H+-Ionen

wurde von Weizel (1987) und Vallejo (1989) eine Absenkung des intrazellulären pH beob-

achtet. Die pH-Wert Absenkung wird als mögliche Abtötungsursache auch für andere

Verfahrensanwendungen z. B. hydrostatischem Hochdruck diskutiert (Smelt, 1995).

Die thermisch induzierte Schädigung der Nukleinsäuren DNA und RNA, als eine weitere

mögliche Ursache für die bakterielle Inaktivierung, wurde von Hanlin et al. (1985), Ander-

son et al. (1991), Mackey et al. (1991), Stephens and Jones (1993) u. a. untersucht. Ihre

Bedeutung liegt im wesentlichen darin, dass sämtliche geschädigte, zelluläre Komponen-

ten nur dann durch Neusynthese ersetzt werden können, wenn die DNA und RNA noch

hinreichende Funktionen für die Proteinbiosynthese (z.B. zur Replikation, Translation

usw.) besitzen.

Nucleinsäureschäden entstehen entweder auf direkte Weise durch ungeordnete Wärme-

bewegung oder als indirekte Folge von Oxidationsreaktionen unter Mitwirkung von H2O2

oder davon abgeleiteten freien Radikalen (Ananthaswamy and Eisenstark, 1977; Mackey

and Seymour, 1987). Weiterhin sind indirekte Folgeschäden durch die Aktivierung endo-

gener Nukleasen bekannt (Gomez, 1977; Kadota et al., 1978). Die Schädigung tritt hierbei

erst im Anschluss an die Hitzebehandlung nach einer gewissen Verzögerung ein. Bei der

DNA vegetativer Zellen wurden Einzel- sowie Doppelstrangbrüche (Andrew and Greaves,

1979), bei der DNA von Sporen Einzelstrangbrüche beobachtet (Grecz and Bruszer,

1981). Letztendlich bedeuten sie den Verlust der genetischen Information für den zell-

eigenen Proteinaufbau.

Schädigungen der RNA (m-RNA, t-RNA und r-RNA) führen zur Aufhebung des Translati-

onsmechanismus (Ernshaw, 1995). Sie gehören nach Coote et al. (1991) zu den ersten

Theoretische Grundlagen

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Ereignissen während einer Hitzeschädigung innerhalb der Zelle. Die im Zellplasma von

der t-RNA aufgenommenen Aminosäuren können nicht mehr in die durch die Tripletts der

m-RNA vorgegebene Lage gebracht und miteinander verknüpft werden. Die in der DNA

gespeicherten Informationen werden nicht mehr in die Spezifität von Proteinen übertra-

gen.

Der Abbau der RNA findet auf ganz unterschiedliche Weise statt. In DSC-Studien konnte

bei Vergleichen der aufgenommenen Thermogramme für die isolierten r-RNA Unterein-

heiten 16S und 30S ein schneller und für 23S und 50S ein langsamer Abbau nachgewie-

sen werden (Mackey et al., 1991; Andersen, 1991). Die komplette 70S Einheit hingegen

zeigte die höchste Thermotoleranz.

Hohe Salzkonzentrationen erhöhen die Hitzeresistenz von Bakterien, da diese die

Denaturierungstemperatur der 30S Einheiten erhöhen (Tuncan and Martin, 1990). Die

Stabilisierung der Untereinheit entsteht vermutlich durch zelluläre Dehydratation, die zu

einem Anstieg der Lösungskonzentration an Mg2+-Ionen führt (Stephens and Jones,

1993). In Gegenwart von Mg2+-Ionen entstehen dichtgepacktere 30S Untereinheiten mit

größerer thermischer Stabilität (Anderson, 1991). In Abwesenheit von Mg2+-Ionen hinge-

gen werden die Ribosomen destabilisiert. Bei Erhalt ihrer biologischen Aktivität können sie

zunächst leichter in 30S und 50S Untereinheiten zerlegt werden. Nachfolgend kann dann,

mit höherer Wahrscheinlichkeit, eine Ribonucleaseaktivierung erfolgen, die zu einem

weiteren Abbau der Moleküle führt (Earnshaw, 1995).

Die Thermoresistenz von Bakterien ist eng an die Synthese von Hitzeschockproteinen

(hsp) geknüpft nach deren Bildung sie an die Bedingungen einer subletalen Erhitzung

adaptieren und in der Folge eine anschließende thermische Behandlung bei höheren

Temperaturen überleben können (Schlesinger, 1990; Appleyard, 1993). Ihre Rolle

besteht vornehmlich darin mit denaturierten Proteinen zu reagieren. Während der

sublethalen Erhitzung von bakteriellen Zellen können hsp an Polypeptiden binden und auf

diese Weise Hitzeaggregationen und -fällungen verhindern. Zusätzlich zu dieser Funktion

sind hsp zur Proteolyse irreversibel geschädigter Polypeptide befähigt.

2.4.2 Ultraschall induzierte Zellschädigung

Die bakterizide Wirkung hochfrequenter Ultraschallwellen wird auf die während der

Schallbehandlung im wässrigen Medium auftretende Kavitation und ihre unmittelbaren

Folgeerscheinungen wie Scherwirkung, Druckwirkung, lokale Erhitzung und freie Radikal-

bildung zurückgeführt (Hyghes and Nyborg, 1962, Save et al., 1994, Butz and Tauscher,

2002). Sie beruht auf einer Schädigung der Zellwand, der Zellmembran sowie funktionaler

Zelleinheiten im Inneren der Zelle. Vergleichbar mit der thermischen Behandlung wird

ebenfalls eine Vielzahl von Schädigungen initialisiert, deren Wirkmechanismen größten-

teils noch unbekannt sind.

Zu den bisher aufgestellten Theorien gehören die der Schädigung durch Mikroströmungen

und durch Blasenimplosionen, die zur Deformation, zum Bruch oder zum abrasiven

Verschleiß der Zellwand, zum Ablösen der Zytoplasmamembran von der Zellwand sowie

zur Abspaltung der membrangebundenen ATP-ase von der Zellmembran führen können

Theoretische Grundlagen

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

(Kinsloe et al, 1954; Alliger, 1975; Mett, 1988; Scherba, 1991). Eine weitere Theorie ist

die der Schädigung durch entstandene radikalische Moleküle, die zur Aufspaltung der in

der DNA befindlichen Wasserstoffbrückenbindungen befähigt sind (Hyghes and Nyborg,

1962; Earnshaw, 1998).

Nach Kinsloe et al. (1954) verursachen die durch Blasenoszillation hervorgerufenen

Mikroströmungen hydrodynamische Scherwirkungen von solcher Intensität, dass sie den

Abrieb von Membranoberflächen verursachen können. Einigen Autoren zu Folge können

sie auch im Zellinneren, in der Flüssigkeit der Vakuolen und des Zytoplasmas, entstehen

(Mason, 2002). Ein primärer, durch Mikroströmungen hervorgerufener Inaktivierungseffekt

konnte aber bisher noch nicht nachgewiesen werden.

Für die Mehrheit bekannter Autoren kommt der mechanische Zellaufbruch als Hauptursa-

che für die Ultraschallabtötung in Betracht (Sala, 1995). Vor allem die infolge intensiver

Blasenimplosionen erzeugten Schockwellen mit ihren extremen Wechseldrücken werden

dafür verantwortlich gemacht (Doulah, 1977). Die parallel dazu auftretenden Temperatur-

effekte (hot spots) finden ebenfalls Beachtung. Druck und Temperaturwirkung bleiben

jedoch nur auf sehr eng begrenzte Bereiche beschränkt (Suslick, 1988; Scherba et al.,

1991). Die Anzahl der pro Zeiteinheit erfassten Zellen ist daher gering.

Letale Effekte konnten auch ohne sichtbare mechanische Zellzerstörung festgestellt

werden (Kinsloe et al, 1954, Zenker, unveröffentlichte Daten). Neben der mechanischen

Erosion der Zellwand induzieren die starken Druck- und Temperaturwechsel Depolymeri-

sierungsreaktionen im Inneren der Zelle die zum Abbau globulärer Proteine führen (Price,

1990; Pethric, 1991). Diese werden in ihre Untereinheiten aufgespalten, wobei zunächst

ihre Quartärstruktur zerstört wird. In diesem Zusammenhang sind neben der Abtrennung

von niedrigmolekularen Peptiden auch die Aufspaltung von cyclischen Aminosäuren

beobachtet worden.

In Bezug auf die Feststellung letaler Effekte ohne sichtbare mechanische Zellzerstörung

scheint die Schädigung der DNA von besonderer Bedeutung. Eine Reihe von Autoren

beschreibt hierfür Wechselwirkungen während der Sonolyse gebildeter freier Radikalspe-

zies (Hydrogenperoxid-, Sauerstoff-, Hydroxylradikale) mit den struckturerhaltenden

Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basenpaaren (Hyghes and Nyborg, 1962;

Miller et al., 1995; Vercet, 1998; Earnshaw, 1998). Den Beschreibungen zufolge verur-

sacht die Schallanwendung zunächst einen Doppelstrangbruch der DNA-Kette in dessen

Folge die Bildung von Fragmenten initiiert wird. Die gebildeten Fragmente werden als

hochsensitiv gegenüber weiteren Angriffen freier Radikale beschrieben. Interessant in

diesem Zusammenhang ist die Frage, inwieweit extrazellulär gebildeten Radikale zu intra-

zellulären Radikalschädigungen beitragen können. Aufgrund der Kurzlebigkeit solcher

Radikale in wässriger Lösung ist es sehr unwahrscheinlich, dass diese Zellmembranen

passieren können. Kavitation tritt somit möglicherweise auch im Inneren der bakteriellen

Zelle auf. Inwiefern die beobachteten Schäden durch intrazelluläre Radikalbildung verur-

sacht worden sind oder aber auf andere Mechanismen zurückzuführen sind, muss noch

genauer untersucht werden.

Die Resistenz der verschiedenen Bakterienarten gegenüber Ultraschallwellen variiert

beträchtlich. Sie hängt nachweislich vom mikrobiellen Stamm, der Zellform und -grösse,

Theoretische Grundlagen

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

dem Gramverhalten, sowie dem aktuellen Vermehrungsstadium und dem Sauerstoffbe-

darf der Zellen ab (Sala et al., 1995, Earnshaw et al., 1995). Darüber hinaus wird sie von

den physikalischen Eigenschaften des umgebenden Mediums bestimmt. Ein Vergleich der

letalen Effekte ist daher nur bei Übereinstimmung der aufgezählten Faktoren möglich.

Vergleichbar mit der thermischen Behandlung ist ebenfalls die Beeinflussung der Ultra-

schallresistenz durch gebildete Hitzeschockproteine bekannt (Pagán, 1999).

Material und Methoden

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3 Material und Methoden

3.1 Testorganismen (Kulturerhaltung, Kultivierung)

Für die Inaktivierungsexperimente wurden zur Bewertung des letalen Effektes Reinkultu-

ren von Escherichia coli K 12 DH 5

(Hygiene Institut Hamburg, Typenstamm DSMZ Nr.

6897; CCRC 51731), Lactobacillus acidophilus (Typenstamm DSMZ Nr. 20079; ATCC

4356) und Bacillus stearothermophilus (Merck-Nr. 11499; ATCC7953) eingesetzt. Die

ausgewählten Organismen sollten sich besonders im Gramverhalten und in der Fähigkeit

zur Sporenbildung unterscheiden.

Die als Stichkultur oder im gefriergetrockneten Zustand bezogenen Stämme wurden zur

Kulturerhaltung auf Standard I Schrägagar (Nr. 1.07881; Merck, Darmstadt) ausgestrichen

und bei 4°C gelagert. Nach Keimabnahme und Überimpfung in 30 ml sterilisierte Nähr-

bouillon erfolgte die Kultivierung durch Schütteln mit 140 min-1 unter den in Tabelle 2

angegebenen Inkubationsbedingungen.

0.05 ml dieser Vorzucht wurden in weitere 30 ml Nährbouillon überführt und nochmals bei

gleichen Bedingungen bebrütet. Auf diese Weise konnte die Kultur mit einer vorhersagba-

ren Anzahl Kolonie bildender Einheiten (KBE ml-1), mit vorwiegend aus der stationären

Wachstumsphase stammenden Zellen maximaler Thermoresistenz, hergestellt werden.

Für die Sporenanzucht wurden 0.5 ml der vegetativen Vorzucht in 200 ml Standard I

Nährbouillon überführt und diese ebenfalls durch Schütteln bei 140 min-1 inkubiert. Je 3 ml

dieser Suspension wurden zur Beimpfung des Nutrient-Nährmediums verwendet, dem zur

Induktion der Sporulation 10 mg/l MnSO4 ⋅ H2O zugesetzt wurde. Die Sporenernte erfolgte

durch Abspühlen der Platten mit steriler Ringer-Lösung (Nr. 15525; Merck, Darmstadt)

und Zentrifugation bei 5000 g für 20 min mit anschließender Entfernung der überstehen-

den Flüssigkeit. Die Reinigung der Sporen erfolgte durch mehrmalige Spülung (aq. dest.,

2x; 70% Ethanol, 1x; aq. dest., 2x) und wiederholte Zentrifugation bei 5000 g. Die Sporen

wurden anschliessend in aq. dest. aufgenommen und bei –23°C gefriergelagert. Für die

Behandlung wurden die Vorkulturen der Testorganismen im Probenmedium bis zur

Endkonzentration von 1 x 107 – 1 x 108 KBE ml-1 suspendiert.

3.2 Behandlungsmedien

Alle Untersuchungen zur thermischen und ultraschallunterstützten Pasteurisa-

tion/Sterilisation wurden zunächst in Phosphatpuffer (3.63 g Di-Natrium-Hydrogenphos-

phat und 1.76 g Kalium-Di-Hydrogenphosphat l-1 aq. dest., pH 7) und anschließend in

einem ausgewählten flüssigen Lebensmittelerzeugnis durchgeführt. Dessen Auswahl

richtete sich im Wesentlichen nach der Zusammensetzung und dem pH Wert. Der einge-

setzte Orangensaft (11.2 °Bx, pH 3.7) wurde durch Rückverdünnung von Orangensaft-

konzentrat (Fa. Eckes Granini, Nieder-Olm) gewonnen.

Material und Methoden

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3.3 Versuchsdurchführung

Für den objektiven Vergleich zwischen thermischen und akustisch-thermischen Behand-

lungen erfolgte die Prozessbewertung entweder auf der Grundlage der aus den reaktions-

kinetischen Betrachtungen abgeleiteten Pasteurisations- bzw. Sterilisationswerten oder

den experimentell bestimmten Inaktivierungsresultaten.

3.3.1 Laborexperimente

Zur Inaktivierung der vegetativen Testkeime wurden 9 ml Probeflüssigkeit (Phosphat-

Puffer, Orangensaft) in ein zylindrisches Behandlungsgefäss (Glas; ∅ [mm]: 12, h [mm]:

35) überführt und in einem Wasserbad (Haake, Model DC 5, Karlsruhe) temperiert. Nach-

dem stationäre Temperaturbedingungen erreicht wurden, erfolgte die Beimpfung der

Probenflüssigkeit mit 1 ml Keimsuspension. Die Schallwellenbehandlung der Medien

wurde mit dem Ultraschall-Laborgerät Sonopuls HD 2070 (Bandelin Elektronik, Berlin) bei

einer Arbeitsfrequenz von 20 kHz und einer Schallwellenamplitude von 50, 110 und 160

µm bzw. einer equivalenten Schalleistung von 7.2, 15.4 und 17.6 W durchgeführt. Der

Schallgeber war mit dem Stufenhorn SH 70 G und der Sonotrodenspitze KE 76

ausgestattet. Zur genauen Amplitudenangabe wurde das Gerät mit dem Laservibrometer

(Polytech OFV 300, Polytec, Berlin) kallibriert.

Bei den qualitätsbezogenen Analysen wurde der zu untersuchende Saft zunächst

Extrembedingungen ausgesetzt. Vorraussichtlich eintretende Veränderungen konnten so

im Voraus abgeschätzt werden. Die Zeitnahme für die Behandlungen erfolgte ebenfalls

nach Erreichen stationärer Temperaturbedingungen, die Temperaturanstiegszeiten

wurden jedoch vernachlässigt. Versuche in Überdruckatmosphäre wurden in der Druck-

apparatur (3.4) durchgeführt.

VORKULTUR

KEIMZAHLBESTIMMUNG

ORGANISMUS

Dauer

[h]

Temp.

[°C]

Medium

Dauer

[h]

Temp.

[°C]

Medium

Escherichia coli

K12 DH 5

Standard I Nährbouillon

(Nr. 7882; Merck, Darmstadt)

ENDO-Agar

(Nr. 4044; Merck, Darmstadt)

Lactobacillus

acidophilus

MRS-Bouillon

(Nr. 288110, DIFCO-Laboratories,

Detroid, USA)

Rogosa-Selektivnährmedium

(Nr.5413; Merck, Darmstadt)

vegetative Vorzucht

Standard I Nährbouillon

(Nr. 7882; Merck, Darmstadt)

Sporenzucht

Bacillus

stearothermophilus

Nutrient-Nährmedium

5g Pepton aus Fleisch (Nr. 7214;

Merck, Darmstadt), 3g Fleischextrakt

(Nr. 3979; Merck, Darmstadt), 13g

Agar Bacteriogical (Code L11, Oxoid,

Basingstoke UK) +10mg/l MnSO4⋅H2O

Nutrient-Nährmedium

5g Pepton aus Fleisch (Nr. 7214;

Merck, Darmstadt), 3g Fleischex-

trakt (Nr. 3979; Merck, Darmstadt),

13g Agar Bacteriogical (Code L11,

Oxoid, Basingstoke UK)

Tab. 2: Eingesetzte Nährmedien und Inkubationsbedingungen der untersuchten Testorganismen.

Material und Methoden

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3.3.2 Anlagenexperimente

Die angestrebten Behandlungen wurden in zwei unterschiedlichen Prozeßvarianten

getestet (Tab. 3). Nach Festlegung des Arbeitsbereiches für den Volumenstrom unter-

schieden sich diese nur in der Art der Wärmeübertragung sowie dem angewendeten

Temperaturbereich.

Während die Schallbehandlung der Probemedien bei stets gleicher Leistung der Schall-

quelle durchgeführt wurde, erfolgte die thermische Behandlung bei unterschiedlichen

Übertragerleistungen von PWÜ und Dampfinjektor. Die konventionellen und die ultra-

schall-kombinierten Behandlungen wurden demnach in ihrer thermischen Wirksamkeit

variiert. Um einen systematischen Fehler auszuschließen wurden die Behandlungen in

unterschiedlicher Reihenfolge und abwechselnd mit ansteigenden oder abfallenden

Temperaturen durchgeführt. Hierzu wurden 60 l des zu behandelnden Probemediums mit

konstantem Massenstrom durch die vorgesehenen Anlagenaggregate gefördert. Bei den

Inaktivierungsexperimenten erfolgte die Behandlung nach Beimpfung und anschließender

einstündiger Adaptionszeit bei 20°C. In regelmäßigen Abständen wurden entweder direkt

nach der Entspannung (Variante I) oder nach der Abkühlung im Entspannungsgefäß

(Variante II) behandelte Proben entnommen, wobei jeder Probe das zugehörige

Temperatur-Zeit-Profil zugeordnet wurde. Die Entnahme von jeweils 1 ml beimpftem

Probemedium erfolgte mit einer Eppendorfpipette an speziell konstruierten Entnahme-

stellen. Zur raschen Abkühlung auf Temperaturen außerhalb des Letalbereiches wurde

die Probe sofort in 9 ml Ringerlösung überführt. Thermische Behandlungen wurden zur

Unterstützung der Durchmischung mit pulsweise betriebenen Schallwandler (Tastverhält-

nis zwischen Beschallung und Ruhe 0.1/s, < 300 W) durchgeführt.

Bei den qualitätsbezogenen Untersuchungen erfolgte die Abkühlung in 40 ml Glasfla-

schen im Eisbad. Die Lagerung wurde lichtgeschützt bei 7°C bzw. 20°C vorgenommen.

Zur Vermeidung unerwünschter oxidativer Einflüsse wurden die Glasflaschen nahezu

ohne Kopfraum befüllt.

Temperatureffekt

Jede Schallausbreitung, so auch bei Ultraschallanwendungen in flüssigen Medien, ist von

Schallabsorption begleitet. Als Folge tritt eine Dämpfung der sich fortbewegenden Schall-

wellen auf, bei der mechanische Schallenergie in Wärme dissipiert. Die Umwandlung

Verfahrensvariante I (Pasteurisation) II (Sterilisation)

Art der Wärmeübertragung indirekt direkt

Temperaturbereich [°C] 50 – 80 110 – 150

Systemdruck absolut [MPa] 3 – 5 3 – 5

effektive Schalleistung [W] 700 850

Schallwellenamplitude [µm] 45-55 45-55

Volumenstrom [l/h] 20,25,30,35,40 20,25,30,35,40

Tab. 3: Prozessvarianten

Material und Methoden

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

erfolgt bei homogenen Flüssigkeiten durch innere und bei inhomogenen Flüssigkeiten

durch äußere Reibung (Veit, 1996). Um thermische und kombiniert thermisch-akustische

Verfahrensanwendungen hinsichtlich ihrer letalen Wirkung auf Mikroorganismen oder

ihres Einflusses auf die Qualität eines behandelten Produktes vergleichen zu können,

musste demnach der infolge der Schallwellenausbreitung auftretende Temperatureffekt

berücksichtigt werden.

In den Laborexperimenten konnten nach Ermittlung der schallbedingten Temperaturerhö-

hung relativ einfach thermische und akustisch-thermische Behandlungen mit identischer

thermischer Wirksamkeit realisiert werden. Dies geschah durch eine entsprechende

Vortemperierung der Probemedien, denen erst nach Erreichen stationärer Temperaturbe-

dingungen eine geringe Menge keimhaltiger Suspension injiziert wurde. Da bei den

thermischen und den kombinierten Versuchen in gleicher Weise vorgegangen wurde,

konnten so unterschiedliche Temperaturanstiegszeiten vermieden und die Durchführung

der Behandlung auf nahezu konstantem Temperaturniveau ermöglicht werden.

Im Gegensatz dazu konnten bei der kontinuierlichen Versuchsdurchführung keine

Behandlungen mit gezielt identischer thermischer Wirksamkeit erreicht werden. Da im

Schallraum die während der Schallbehandlung zusätzlich zugeführte Wärmeenergie nicht

durch eine dem Prozeßverlauf angepaßte Kühlung abgeführt wurde, ergaben sich für die

durchgeführten Behandlungen stets unterschiedliche Temperatur-Zeit-Profile. Da diese

unterschiedlich große Abbauraten für die mikrobiologische Abtötungsreaktion zur Folge

haben und um die kontinuierlich durchgeführten Behandlungen dennoch vergleichen zu

können, wurde nach einer einfachen Möglichkeit gesucht, deren Wirkungsanteil zu

bestimmen. Für den hier angestrebten Zweck eignete sich der zur Beurteilung von Sterili-

sationverfahren eingesetzte F-Wert (Sterilisationswert), der aus der Kenntnis des reakti-

onskinetischen Verhaltens der Testkeime in folgender Weise abgeleitet werden kann.

Der F-Wert stellt dabei einen rechnerisch ermittelten Zahlenwert dar, der die Zeit angibt,

die man bei einer konstanten Bezugstemperatur sterilisieren müsste, um den gleichen

thermischen Effekt zu erreichen, wie bei einem beliebig durchgeführten Sterilisationsver-

fahren. Er berücksichtigt dabei das vom Produkt durchlaufene Temperatur-Zeit-Profil und

war als Umrechnung auf eine konstante Bezugstemperatur und eine äquivalente Erhit-

zungszeit geeignet, die unterschiedlich durchgeführten Behandlungen entsprechend ihrer

thermischen Wirksamkeit zu vergleichen.

Für die Auswertung der Versuche in der Pilotanlage wurde der F-Wert auf Basis der im

Zentrum des Rohrquerschnittes gemessenen Temperatur sowie der mittleren gemesse-

nen Verweilzeit (mittlere Temperatur-Verweilzeit-Funktion) bestimmt. Dies geschah mit

Ausnahme für das Beschallungsaggregat, dessen F-Wert mit Gleichung 5 unter Berück-

sichtigung des realen Verweilzeitverhaltens berechnet wurde (siehe auch 4.1.3). Hierbei

wurde davon ausgegangen, daß sich, aufgrund der dort eingeleiteten Schallwellen,

Mischeffekte und somit annähernd konstante Temperaturbedingungen einstellten. Nach

∫−

⋅=

Rdt

TT(t)

10F (4)

Material und Methoden

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Temperaturmessungen im Schallraum konnte der angenommene Temperaturverlauf

näherungsweise bestimmt und bestätigt werden.

Der F-Wert wurde auch zur Ermittlung des thermischen Wirkungsanteils von Behandlun-

gen, die im Pasteurisationbereich durchgeführt wurden, eingesetzt. Dies war gerechtfer-

tigt, da die Temperaturabhängigkeit des z-Wertes durch die Festlegung des Referenz-

werts innerhalb des jeweiligen Arbeitsgebietes minimiert wurde (Kessler, 1996). In

umfangreichen Untersuchungen wurden deshalb die reaktionskinetischen Kenngrößen für

die eingesetzten Testorganismen selbst bestimmt. Zur Berechnung der aktuellen

thermischen Letalität einer Behandlung wurde die Gleichung 4 in Mathcad für Windows

(Version Plus 6.0, Fa. MathSoft Inc., Cambridge, USA) numerisch gelöst.

3.4 Druckapparat

Der in den Experimenten verwendete Druckapparat (Eigenbau) ermöglichte die Schall-

wellenbehandlung von Probenflüssigkeiten in Überdruckatmosphäre. Eine schematische

Darstellung ist Abbildung 4 zu entnehmen. Er bestand im oberen Teil aus einer Druckluft-

kammer und im unteren Teil aus einer misch- und temperierbaren Behandlungszelle. Die

Wahl des Baumaterials (Al 99.5 %) ermöglichte den kontaktlosen Mischbetrieb durch ein

herkömmliches magnetisches Rührwerk. Zur Temperierung der Behandlungszelle wurde

ein geregelter Thermostat (Typ Polystat cc 3, Fa. Huber Kältemaschinenbau GmbH,

Offenburg) eingesetzt, der im externen Kreislauf mit Silikon-Öl (Typ M 40.165.10) betrie-

ben wurde. Der Apparat-Innendruck wurde über den am Druckregler (1) eingestellten

Vordruck, sowie über ein Sicherheitsventil (7) kontrolliert. Bei Ansprechen des Sicher-

heitsventils trat Dampf gefahrlos in den Abzugraum aus.

Nach dem Befüllen des Behandlungsraumes mit Probenflüssigkeiten wurde die Druckluft-

kammer unter Druck gesetzt (0.1-0.5 MPa) und anschliessend die Behandlungszelle

beheizt. Zur Durchführung der Inaktivierungsexperimente wurde die Probeflüssigkeit, wie

auch in den Versuchen unter atmosphärischen Bedingungen, erst nach Erreichen statio-

närer Temperaturbedingungen beimpft. Die Probennahme (5) erfolgte während des

Betriebes mit Hilfe einer Mikrospritze. Zur Druck- und Temperaturüberwachung wurden in

der Druckluftkammer und in der Behandlungszelle druckdichte Fühlerdurchführungen

positioniert. Die Druckmessung erfolgte mit einem Druckaufnehmer (Typ HKM-375 M, Fa.

Kulite Semi-Konduktor GmbH, Hofheim), die Temperaturüberwachung im Medium mit

einem Temperaturaufnehmer (Thermoelement Typ K, Fa. Phillips IE GmbH, Hamburg).













⋅=

60 N

logDF (5)

Material und Methoden

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3.5 Pilotanlage

Die Versuchsanlage (Abb. 5, Tabelle 4) bestand im Wesentlichen aus den Aggregaten für

eine Vorwärmung (W1), Hocherhitzung (W2, I), Beschallung (U) und Rückkühlung (B2,

W3). Der Förderdruck wurde mit einer Zahnradpumpe (P1) erzeugt. Die Vorwärmung

erfolgte mit Hilfe der Übertragerabteilung W1 eines Plattenwärmeübertragers (Typ Varit-

herm 4 CDL C-16, GEA AHLBORN GmbH, Sarstedt), die im Gegenstrom mit Warmwas-

ser (Pasteurisation) oder zur Wärmerückgewinnung mit rücklaufendem, bereits behan-

deltem Produkt (Sterilisation) gespeist wurde. Im Versuchsbetrieb konnte der Produkt-

strom je nach Einsatzfall auf Temperaturen zwischen 35-65°C vorgewärmt werden.

Die Hocherhitzung wurde wahlweise mit Hilfe, der an einen separaten Heißwasserkreis-

lauf angeschlossenen und ebenfalls im Gegenstrom betriebenen Übertragerabteilung W2,

desselben Plattenwärmeübertragers (Pasteurisation) oder durch die zusätzliche Verwen-

dung eines aus einer Eigenentwicklung hervorgegangenen Dampfinjektors (I) (Müller,

1988), durch Nutzung frei werdender Kondensationsenthalpie von direkt eingeleitetem

Sattdampf (Sterilisation), realisiert.

Die Schallwellenbehandlung erfolgte nachdem die Probenflüssigkeit eine Haltestrecke

von variabler Länge (0.2 – 2.8 m) passiert hat und in den Einlass des Ultraschallreaktors

gefördert wurde. Als Schallquelle wurde ein industrieller Ultraschallprozessor (Typ UIP

1000, Fa. Dr. Hielscher GmbH, Teltow) eingesetzt, der eine hochfrequente longitudinale

(1)

(2) (3)

(4)

(5) (6)

(7)

EIN

∅ 70

∅ 40

∅ 80

320 120

Stufenhorn

SH 70 G

Sonotrode

KE 76

Magnetrührer

Anschluss für

Thermofluid

Behandlungsraum

(15.3 cm3)

Druckluftanschluss

(0.1 - 0.5 MPa)

Druckaufnehmer

HKM - 375 M

Thermoelement

Typ K

AUS

Abb. 4: (A) Schemenzeichnung und (B) Fotografie zum Versuchsaufbau für die bat-

chweise Ultraschall-Temperaturbehandlung im Druckapparat. (1) Druckregler, (2) Ultra-

schallwandler (Sonopuls UW 2070), (3) Druckmessanzeige, (4) Autoklav, (5) Probennahme,

(6) Hochfrequenzgenerator, (7) Sicherheitsventil.

Material und Methoden

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Schwingung von 19.3 kHz bei einer maximalen Amplitude von 45-55 µm erzeugte. Die

Steuerung der Ultraschalleinrichtung erfolgte über die Leistungseinstellung des zugehöri-

gen HF-Generators.

Die Abkühlung des Produktes wurde je nach Behandlungsart (Pasteurisation oder Sterili-

sation) im Entspannungsgefäß B2 und/oder in den Übertragerabteilungen W1 und W3 des

Plattenwärmeübertragers verwirklicht.

Während des Sterilisationsprozesses wurde im Entspannungsgefäß die unter 0.1 bis

maximal 0.6 MPa Druck stehende Produktflüssigkeit auf einen unter dem Umgebungs-

druck liegenden Druck entspannt. Der Unterdruck wurde mit einer Flüssigkeitsringpumpe

erzeugt. Neben der erwünschten, schlagartigen Abkühlung auf die dem Unterdruck

entsprechende Siedetemperatur kam es zu einer Trennung von Produkt und dem zuvor

eingeleiteten Dampf.

Für die Einhaltung konstanter Stoff- bzw. Betriebswerte unterlag der im System vorherr-

schende Betriebsdruck und der im Entspannungsgefäß eingestellte Unterdruck einer

Regelung. Regelgröße für den erforderlichen Betriebsdruck im System war der von den

Drucksensoren gemessene, zwischen Produkt- und Dampfleitung bestehende Differenz-

druck. Der Betriebsdruck wurde so geregelt, daß der Differenzdruck zwischen Produkt-

und Dampfleitung jeweils der optimalen Arbeitseinstellung des Dampfinjektors entsprach.

Die Druckregelung, die hier den Durchsatz des Dampfmassestroms bestimmte, erlaubte

in der ausgeführten Form einen weitestgehend schwankungsfreien Produkt- und Heizme-

dienstrom und ließ gegenüber einer Temperaturregelung ein insgesamt günstigeres

Regelverhalten erwarten.

Im Falle der Unterdruckregelung diente die Differenz der vor der Sattdampfeinleitung V2

und nach der Drosselung B2 erfaßten Produktmasseströme als Regelgröße. Über das

Stellventil V4 konnte schließlich die Abdampfmenge an Entspannungsbrüden und somit

die gewünschte Ausgangskonzentration der Probenflüssigkeit definiert eingestellt werden.

An den erforderlichen Prozessabschnitten der Versuchsanlage wurden Messeinrichtun-

gen zur Bestimmung der Betriebsparameter Massenstrom (Coriolis Massendurchfluss-

messer Typ TRU-Mass, Fa. Bailey Fisher & Porter, Göttingen), Druck (Druckmessfühler

P40, Fa. PMA Prozess- und Maschinen Automation GmbH, Kassel), Temperatur (3-Leiter

Einschraubfühler Pt 100 Klasse A, Fa. NEWPORT OMEGA ELECTRONIC GmbH,

Deckenpfronn) und Ultraschall-Leistungseintrag (Leistungsmesser LVM 210, Fa. Waldsee

Electronic GmbH, Bad Waldsee) installiert. Die Registrierung und Speicherung der Stoff-

und Betriebswerte erfolgte mit der Software Test Point 3.0 (Keithley Instruments Inc.,

München) auf einem portablen PC nachdem die Sensorsignale den entsprechenden

Messwertumformern zugeführt und von einer 24 Kanal Messkarte (CIO-DAS 48-PGA,

PLUG-IN-ELECTRONIC GmbH, Eichenau) eingelesen wurden.

Material und Methoden

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Abb. 5: Fotografische Aufnahme (A) und R-I-Fließbild (B) der Versuchsanlage zur kombinierten Ultraschall-Temperaturbehandlung flüssiger

Lebensmittel. (B1) Speichertank, (B2) Entspannungsgefäss, (I) Dampfinjektor, (N1) Anzeige Durchflussmesser, (N2) Durch-flussaufnehmer TRU-

Mass, (U) Ultraschallwandler UIP 1000.

Kühlsole

Ein

Kühlsole

Aus

Produkt

Aus

V1 P1

TIR

Fließlinie für Rohrleitungen

Signalli nie

Heißwasser

el .

TI R

FIRC

PIRC

TIR

Dampf

PIR

Produkt

Ein

TIR

TI R

FIRC

Luft

Brüden

(U)(V3)

(B2)

(N1)

(N2)

(I)

(V2)

Material und Methoden

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3.6 Schalleistung und Schalldruckverteilung

Für die Bestimmung der von dem Ultraschallwandler (UIP 1000, Fa. Dr. Hielscher GmbH,

Teltow) abgegebenen Leistung und die Untersuchung der räumlichen Verteilung des

erzeugten Schallfeldes wurde eine Hydrophonmessung herangezogen (Messung und

Auswertung, Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig). Die Messung fand

in einem Tank mit 2 m Durchmesser statt, der mit Adsorbern an Rand und Boden zur

Herstellung von Freifeldbedingungen ausgestattet war. In der Mitte des Tanks befand sich

ein Kunststoffbeutel (∅ 50 cm), der mit 120 l entionisiertem Wasser gefüllt war.

Innerhalb dieses Wasservolumens wurde die Messung durchgeführt. Die Schallquelle

wurde senkrecht zur Wasseroberfläche justiert und 19 mm tief eingetaucht. Diese

Eintauchtiefe entsprach einem Viertel der Wellenlänge der Ultraschallwelle in Wasser mit

einer Nennfrequenz von 19.3 kHz. Die Schallwellen wurden entweder direkt in den Tank

AGGREGAT/GERÄT PARAMETER EINHEIT

Gesamtanlage Durchsatz

Betriebsdruck

max. Behandlungstemperatur

(Pasteurisation)

(Sterilisation)

[kg/h]

[MPa]

[°C]

20 - 200

0.1 - 0.6

150

Übertragerfläche

(Pasteurisation)

(Sterilisation)

[m2]

0.230

0.782

PWÜ

(VT 4 CDL C-16)

Übertragerfläche

(Pasteurisation)

[m2]0.598

Injektor Querschnittsfläche der

Ringdüsen

Durchschnittlicher

Dampfverbrauch

[m2]

[kg/h]

1.256⋅10-3

0.1

US-Reaktor Länge

Innendurchmesser

[m]

0.15

0.03

UIP 1000 Leistung des Schallwandlers

Durchmesser Sonotrode

Frequenz

Schallwellenamplitude

[W]

[m]

[kHz]

[µm]

1000

0.03

PWÜ

(VT 4 CDL C-16)

Übertragerfläche [m2]0.322

VORWÄRMUNG

HOCHERHITZUNG

BESCHALLUNG

RÜCKKÜHLUNG

Tab. 4: Betriebskenndaten und Maße der Versuchsanlage sowie einzelner

Anlagenaggregate

Material und Methoden

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

abgestrahlt oder an der Wasseroberfläche mit einem Phasensprung reflektiert. Die

Anordnung kann deshalb als Dipolschallquelle aufgefasst werden.

Das Hydrophon (Keramikhydrophon Typ 8103, Bruel & Kjaer) wurde in eine mechanische

Justiereinrichtung eingesetzt, die die Variation des radialen Abstandes r zwischen dem

Hydrophon und der Schallquelle sowie des Winkels

zwischen radialen Abstandsvektor r

und dem Lot zur Wasseroberfläche erlaubte (Borys et al., 2002). Das vom Hydrophon

erzeugte elekrische Signal, das proportional zum Schalldruck ist, wurde verstärkt und mit

einem Digitaloszilloskop aufgezeichnet. Die Amplitude der Spannung der Grundwelle mit

der Nennfrequenz wurde mit Hilfe einer Fouriertransformation (FFT) aus den Zeitverläufen

ermittelt. Es wurden die Amplituden der Grundwelle ermittelt.

Aus den Kalibrierdaten des Hydrophones wurde der Schalldruck bestimmt und daraus die

Leistung im Schallfeld berechnet (6 und 7). Die Spannungsmessungen zur Untersuchung

der räumlichen Abhängigkeit des Schallfeldes wurden vierhundert Mal gemittelt, um

Fluktuationen durch die Änderungen des Kavitationsblasenfeldes zu vermindern. Für die

Leistungsbestimmung wurden acht unabhängige Einzelmessungen verwendet.

3.7 Verweilzeitanalyse

Die Verweilzeitversuche wurden an einem kontinuierlich betriebenen Versuchsreaktor aus

Acrylglas durchgeführt, wobei die Länge des Reaktors durch Verschiebung des Reaktor-

bodens frei gewählt werden konnte. Die Bestimmung des Verweilzeitverhaltens erfolgte

nach der Einmessstellenmethode in Anlehnung an das methodische Vorgehen von

Pinheiro Torres et al. (1997). Nach Einstellung verschiedener Betriebsbedingungen

(Volumenstrom, Reaktorlänge, Temperatur etc.) wurde der Fluidstrom (Wasser) am

Reaktoreintritt mit 0.5 ml NaCl-Lösung stossweise markiert. Anschliessend wurde am

Reaktorende der zeitliche Konzentrationsverlauf der Tracersubstanz im Intervall von 2 Hz

über eine elektrische Leitfähigkeitsmesszelle vom Typ ERL 16-1 (Gestra AG, Bremen)

gemessen.

Zur Auswertung des Verweilzeitverhaltens wurde die Anpassung des Kaskadenmodells

(21) vorgenommen. Die Modellfunktion und der ermittelte Konzentrationsverlauf der

Tracersubstanz wurde hierzu entsprechend normiert (8) (Pinheiro Torres et al., 1998).

)r(pr

⋅ρ

⋅π

= (6)

rpr

Q⋅

⋅

)( (7)

∫

∞

dt)t(c

)t(c

)t(E (8)

Material und Methoden

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Der Anpassungsparameter A der Modellgleichung wurde mit der statistischen Software

zur Datenanalyse und Kurvenanpassung Table Curve 2D V4 (AISN Software Inc., Map-

leton) variiert bis das Messsignal der Tracersubstanz mit einer möglichst geringen Abwei-

chung berechnet werden konnte (4.1.3, Abb. 10 und 11).

3.8 Keimzahlbestimmung

Nach der Behandlung wurden je nach Versuchsreihe (Labor- oder Anlagenexperimente)

aus 0.1 oder 1.0 ml Probemedium Dezimalverdünnungen in Ringer-Lösung hergestellt

und diese in Teilmengen von 0.05 ml auf die entsprechenden Nährmedien verteilt. Der

Nachweis der Testkeime erfolgte für E. coli und B. stearothermopilus nach dem konven-

tionellen Drop-Plating Verfahren sowie im Falle der nachgewiesenen Lactobacillen nach

dem Gussplatten-Verfahren (Baumgart, 1986; Baumgart, 1997). Die Inkubationsbedin-

gungen und die für den Nachweis verwendeten Nährmedien können der Tabelle 2

entnommen werden.

3.9 Ascorbinsäurenachweis

Zur Bestimmung der nativen, in Orangensaft vorkommenden L-Ascorbinsäure wurde die

enzymatische Methode nach Boehringer (Fa. Boehringer Mannheim GmbH, Nr. 409 677,

Mannheim) durchgeführt. L-Ascorbinsäure und einige weitere reduzierende Substanzen

reduzieren hierbei das Tetrazoliumsalz MTT[3-(4.5-Dimethylthiazolyl-2)-2.5-diphenyltetra-

zoliumbromid] in Gegenwart des Elektronenüberträgers PMS (5-Methylphenaziniumme-

thylsulfat) bei pH 3.5 zu einem Formazan. Jeweils 0.1 ml für 5 min bei 13000 g zentrifu-

gierte Saftproben (Biofuge Pico, Fa. Heraeus, Hanau) wurden mit 1ml MTT und 1.5 ml

aq. bidest vermischt und nach 6minütiger Inkubation bei 37°C mit 0.1 ml 15 mM PMS

versetzt. Zur spezifischen Bestimmung wurde in einem Probenleerwertansatz von sämtli-

chen reduzierenden Substanzen nur der L-Ascorbat-Anteil in der Probe durch Ascorbat-

Oxidase (AAO) oxidativ entfernt. Nach einer Weiteren 15minütigen Inkubation bei 37°C

wurde die Extinktionsdifferenz der Probe abzüglich der Extinktionsdifferenz des Proben-

leerwertes bei 578 nm vermessen.

3.10 ESR-Messung

Die ESR-Spektroskopie (auch EPR-Spektroskopie) beruht auf Messungen am magneti-

schen Moment eines Elektrons, dem Elektronenspin. Durch Mikrowellen ausgelöst wird

ein Übergang zwischen zwei Energieniveaus einer paramagnetischen Substanz (magne-

tisierbarer Stoff mit ungepaarten Elektronen z. B. organische freie Radikale oder Über-

gangsmetallkomplexe) erzeugt (Weil et al., 1994). Die verschiedenen Energiestufen

entsprechen den verschiedenen Einstellungsmöglichkeiten des Spins eines ungepaarten

Elektrons des Systems in einem Magnetfeld. Die Messung erfolgt dadurch, dass man das

elektromagnetische Feld kontinuierlich oder gepulst auf die Probe einstrahlt. Wenn die

Material und Methoden

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Energie des Feldes der Energiedifferenz zweier Zustände entspricht, kommt es zur Reso-

nanzabsorption von Energie aus dem Feld. Diese ist radikalspezifisch und von der Umge-

bung des Elektronenspins abhängig. Das gemessene ESR-Spektrum ist die erste Ablei-

tung der absorbierten Mikrowellenenergie gegen die angelegte Magnetfeldstärke.

3.11 Radikalbildungsaktivität

Der Nachweis entstandener freier Radikale erfolgte mit Hilfe der Spin-Trapping-Methode

(Andersen et al., 2000) unter Verwendung des Spin-Traps N-tert-Butyl-

-phenylnitron

(PBN, Nr. 7263, Fa. Sigma-Aldrich Chemie GmbH, Taufkirchen). Der Anwendungsvorteil

von PBN bestand in der hohen Reaktionsgeschwindigkeit der Spin-Trapping-Reaktion und

der größeren Stabilität der resultierenden Nitroxyl-Radikale, wodurch das Spin-Trap effek-

tiver d. h. in geringerer Endkonzentrationen einsetzbar war. Zur Bestimmung wurden 4 ml

Probenflüssigkeit (aq. dest, Orangensaft) mit jeweils 1 ml ethanolischer PBN-Stamm-

lösung versetzt und gut vermischt (Tab. 5). Der Saft wurde zuvor 5 min bei 13000 g zentri-

fugiert. Während der Behandlung wurde in geeigneten Zeitabständen Probe entnommen

und diese in eine 50 µl Kapillarpipette (A 761.1, Fa. Roth, Karlsruhe) eingezogen. Die

Pipette wurde in das Spektrometer eingeführt und die Messung 1 min nach Probennahme

begonnen. Die Quantität der gebildeten Radikale wurde als Signalamplitude des PBN-

Spinaddukts (9), die Signalintensität nach Integration des dritten Peaks des Spektrums

bestimmt. Die Wirksamkeit des Adduktbildners und die ESR-Bedingungen wurden über

die Signalform und –intensität nach Ablauf der Fenton Reaktion (10), durch Zugabe von

Eisen(II)-sulfat (Nr. 3965, Fa. Merck, Darmstadt) und 35%iger Wasserstoffperoxidlösung

(Nr. 8600, Fa. Merck, Darmstadt) überprüft.

3.12 Antioxidative Aktivität

Die Untersuchung der antioxitativen Aktivität (11) von thermisch und ultraschall-kombiniert

behandelten Orangensaft erfolgte durch Messungen mit dem wasserlöslichen Spin-label

Fremys-Salz (Kaliumnitrosodisulfonat, Nr. 4511, Fa. Sigma-Aldrich Chemie GmbH, Tauf-

kirchen) nach der Methode von Rösch et al., 2003. Der Saft wurde 5 min bei 13000 g

Fe 2+ + H2O2 + H+ → Fe 3+ + H2O + HO

•

(10)

Reaktion nach Fenton.

CH N

CH3

++ RO

CH .

CH3

Reaktionsschema für das Spin-trapping mit N-tert-Butyl-

-phenylnitron (PBN).

(9)

Material und Methoden

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

zentrifugiert, 1:5 mit aq. bidest. verdünnt und anschließend behandelt. Jeweils 500 µl der

Saftprobe wurde mit dem gleichen Volumen einer Lösung von Fremys-Salz (1mM in

Phosphat-Puffer pH 7, Nr. 9439, Fa. Merck, Darmstadt) versetzt und mit dem Vortex

vermischt (Tab. 5).

Zur spezifischen Bestimmung der antioxidativen Kapazität der Ascorbinsäure (12) in mol

reduziertes Fremys-Salz pro mol Ascorbinsäure wurde in einem Probenleerwertansatz nur

der L-Ascorbat Anteil der Proben durch Ascorbat-Oxidase (AAO) in Gegenwart von

Sauerstoff oxidativ entfernt. Die Saftproben wurden hierzu ca. 15 min bei ständigem

Mischen behandelt. Zusätzlich wurde ein Blindwert in aq. bidest gemessen. Die Signalin-

tensität der gemessenen ESR-Spektren von Fremys-Salz wurde 10 min nach dem Start

der Abbaureaktion (Injektion der Radikallösung) bestimmt.

Die Aufzeichnung der ESR-Spektren erfolgte bei 23°C mit dem Elektronen-Spin-Reso-

nanz-Spektrometer Miniscope MS 100 (Fa. Magnettech GmbH, Berlin). Die eingestellten

Registrationsparameter können Tabelle 6 entnommen werden.

a = eingesetzte Menge Fremys-Salz [mol]

b = abgebaute Menge Fremys-Salz [%]

c = eingesetzte Menge Standard [mol]

d = eingesetzte Menge Probe (unverdünnt) [L]

Zur Verhinderung der Konzentrationsänderung der Probemedien wurde die thermische

Behandlung bei Temperaturen < 100°C in einem spannungsfreiem Duranglas mit Über-

wurfmutter (Typ H250 u. 500, Fa. C.A.T GmbH & Co. Chromatographie und Analysen-

technik KG, Tübingen) durchgeführt. Bei gleichzeitigem Ultraschalleinsatz erfolgte eine

Korrektur der Füllmenge mit aq. bidest. im Anschluss an die Behandlung. Thermische und

kombiniert thermisch-akustische Behandlungen bei Temperaturen > 100°C wurden im

Druckapparat (3.4) durchgeführt.

c100

⋅

= (12)

d100

⋅

= (11)

Reagenz

MW [g/mol]

Konzentration der

Stammlösung [M]

Konzentration der Endlösung

[mM]

PBN

C11H15NO

177.25

1.000

200

Eisen(II)sulfat

FeSO4

278.02

0.020

0.01

Wasserstoff-

peroxid

H2O2

34.01

0.350

5.40

Kaliumnitroso-

disulfonat

(Fremys Salz)

268.34

0.001

0.50

Tab. 5: Reagenzien und eingesetzte Konzentrationen für die Untersuchungen

zur Radikalbildung und zur antioxidativen Aktivität.

Material und Methoden

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3.13 Sensorik

Zur Beurteilung der sensorischen Produktqualität wurde eine erweiterte Dreiecksprüfung

durchgeführt. Die sensorische Prüfung zielte auf die Eigenschaften Geruch, Farbe und

Geschmack des Prüfgutes und diente der Feststellung von Unterschieden zwischen

thermisch und akustisch-thermisch behandelten Proben. Eine Gruppe von sieben

Prüfpersonen bestimmte hierfür nach Art und Intensität der zuvor genannten Merkmale

abweichende Einzelproben aus Dreierprobensätzen, die stets zwei identische Proben

enthielten. Die Unterschiedsprüfung wurde um die Frage nach der Bevorzugung und um

die Beschreibung der Einzel- bzw. Doppelprobe erweitert, um mögliche auftretende

Produktveränderungen genauer charakterisieren zu können.

Die Vorabsprache mit den Prüfpersonen, die Vorbereitung, das Aufstellen und Darreichen

der Proben erfolgte in Anlehnung an das in der Amtlichen Sammlung von Untersuchungs-

verfahren nach § 35 LMBG bzw. an das in der gleichnamigen Deutschen Norm 10951

beschriebene Verfahren.

Innerhalb der Prüfung untersuchte jede Prüfperson 2 Probensätze bestehend aus einer

Dreierprobengruppe, die nach dem in Anhang A10 aufgeführten Schema thermisch und

akustisch-thermisch behandelte Proben enthielten. Im Falle eines festgestellten Unter-

schiedes hielt jeder Prüfer protokollarisch die Nummer der abweichenden Probe fest.

Weiterhin wurde die Bevorzugung angegeben und eine kurze Beschreibung der Einzel-

bzw. Doppelprobe zur Präzisierung der festgestellten Unterschiede vorgenommen. Die

Beschreibung erfolgte freiwillig mit vorgegebenen Begriffen (Anhang A9) und bezog sich

auf festgestellte Intensitäts- und damit bekannte Unterschiede.

Die Resultate wurden in einem Gruppenprotokoll für jedes der untersuchten Merkmale

zusammengefaßt und statistisch ausgewertet. Die erhaltenen Einzelurteile wurden in

richtig oder falsch umgesetzt und die Anzahl richtiger und falscher Antworten ermittelt.

Unter Beachtung der Gesamtanzahl der erfaßten Einzelurteile ergab sich die Aussage ob

signifikante Unterschiede für die Merkmalsgruppen Geruch, Farbe und Geschmack

zwischen den Prüfmustern festgestellt wurden.

RADIKALBILDUNGSKINETIK

ANTIOXIDATIVE AKTIVITÄT

REGISTRATION

PARAMETER

Einheit

PBN

Fremys Salz

Center field [G] 3397,4 3397,4

Sweep with [G] 70.7 99.7

Sweep time [s] 30 30

Modulationsamplitude [mG] 1500 1500

Power attenuation [dB] 10 10

Receiver gain [-] 900 10

Signal phase [deg] 0 0

Tab. 6: ESR-Parameter für die Untersuchungen zur Radikalbildung und zur antioxitativen

Aktivität.

Material und Methoden

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3.14 Instrumentelle Farbmessung

Die Farbe der unterschiedlich behandelten Proben wurde mit dem Remissions-Farb-

messgerät Chroma-Meter CR 200 (Fa. Minolta GmbH, Ahrensburg) in dem allgemein

anerkannten Farbbewertungssystem der CIELAB (L*, a*, b*) erfaßt. Die Beleuchtung

erfolgte mit der Normlichtart C. Bestimmt wurden die Abweichungen in der spektralen

Zusammensetzung eines remittierten Xennon-Lichtes nach zuvoriger diffuser Ausleuch-

tung der Probemeßfläche. Bestimmte Wellenlängen des zur Ausleuchtung verwendeten

normierten Lichtes werden von der Probe absorbiert, was zu einer geänderten reflektier-

ten Farbreizfunktion gegenüber der Strahlungsfunktion des beleuchteten Lichtes führt. Die

Abweichungen entstehen infolge spezifischer Transmissionseigenschaften der Proben.

Die Messung der Reflexionswerte (Gelbton, Rotton und Helligkeit) erfolgte in Standard-

küvetten an verschiedenen Stellen einer Probeeinheit bei Lagertemperatur. Um farbliche

Schwankungen innerhalb einer Probe zu berücksichtigen wurden aus drei aufeinanderfol-

genden Messungen je Probeneinheit der Mittelwert gebildet und dieser schließlich als

Meßwert angegeben. Mit Hilfe der Farbwerte und der sich daraus ergebenden

Farbwertanteile Helligkeit, Farbton und Sättigung liessen sich die gemessenen Farben in

einem dreidimensionalen Farbraum vollständig kennzeichnen. Der Gesamtfarbabstand

∆E wurde entsprechend (13) aus den gemessenen Farbparametern (0 = anfänglich

gemessene Werte) ermittelt.

()()()

0*b*b*a*a*L*LE −+−+−=∆ (13)

Ergebnisse und Diskussion

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4 Ergebnisse und Diskussion

4.1 Ultraschallreaktor

4.1.1 Anforderungen

Bei der ultraschall-kombinierten Keimreduktion handelt es sich im Wesentlichen um eine

Reaktion unter Nutzung thermischer und mechanischer Energie. Die letale Wirksamkeit

der durchzuführenden Behandlung und der zu nutzende Kombinationseffekt hängen dabei

in besonderem Masse von der Größe und den Eigenschaften des im Ultraschallreaktor

erzeugten Kavitationsblasenfeldes ab. Für den Verlauf der Inaktivierungsreaktion sind

hierbei die Frequenz, die Dichte und die Intensität der einzelnen Blasenimplosionen

(energiereicher Blasenzerfall) entscheidend. Die Einflussnahme auf die genannten Eigen-

schaften gelingt über die Beschallungsparameter Frequenz und Schallwellenamplitude,

die technologischen Parameter Betriebsdruck und –temperatur sowie über die Mediums-

eigenschaften (z. B. Gasgehalt).

Weiterhin ist die Geometrie des verwendeten Reaktors von großer Bedeutung. Für die

Auslegung von Schallreaktoren ist sie im Allgemeinen so zu wählen, dass die eingetra-

gene Energie optimal in Schallenergie umgewandelt wird. Bei Einbauten im Reaktor

können Reflexionen und Resonanzen in Erscheinung treten, an denen die Schallenergie

verloren gehen kann. Von Behälterwandungen reflektierte Schallwellen können sich

überlagern, so dass unzureichend berechnete Geometrien zu partiellen Auslöschungen

der Schallfelder oder zu unerwünscht hohen Schalldruckwerten an kritischen Stellen

führen können.

Für einen technischen Ultraschallreaktor zur kontinuierlichen Keimreduktion in Flüssig-

keiten ergeben sich zunächst folgende Grundanforderungen (Tab. 7). Die Wahl der

direkten Schalleinkopplung, durch die eine einfache Schalleinleitung in das Behand-

lungsmedium bewerkstelligt werden kann, garantiert die größtmögliche Schallintensität bei

dessen Durchdringung d. h. höchste Ökonomie bei geringsten Intensitätsverlusten. Die

Möglichkeit der Verunreinigung des Mediums durch Erosion der schwingenden Sonotro-

denfläche wird hierbei in Kauf genommen. Sie ist zunächst für die betrachtete Inaktivie-

rungsreaktion unwesentlich.

Zu den Anforderungen an die Schallquelle gehört, dass das zu nutzende Kavitationsbla-

senfeld mit großer räumlicher Ausdehnung und möglichst homogener Verteilung seines

Energieinhaltes erzeugt wird. Als wichtigste Eigenschaften sollte dieses die bereits

genannten Merkmale der hohen Kollapsfrequenz, -dichte und -intensität der einzelnen

Kavitationsblasen aufweisen. Diese Forderung resultiert aus den vermuteten Hauptursa-

chen für die bakterielle Inaktivierung (2.4.2) und ergibt sich zwangsläufig aus den reakti-

onskinetischen Ergebnissen der im Labormaßstab durchgeführten Inaktivierungsversuche

(4.2.1, Einfluss schalltechnischer und technologischer Parameter auf die Inaktivierungsre-

aktion). Für die Erzeugung eines möglichst großen Kavitationsblasenfeldes mit starker

kavitativer Wirkung sind niedrige Frequenzen um 20 kHz eindeutig zu bevorzugen (2.3.1).

Ergebnisse und Diskussion

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Nur in diesem Bereich kann auch der angestrebte stationäre Druck auf ein Niveau

gebracht werden, welches den bei höheren Temperaturen auftretenden Dampfdruckeffekt

verhindert. Für den Leistungsultraschall bei 20 kHz bieten sich Sonotroden als Schall-

strahler an. Diese liefern hohe Schallintensitäten (> 100 W/m2) bei gut überwachbaren

Betriebsbedingungen. Außerdem ermöglichen sie die Übertragung hoher Schallwellen-

amplituden, die für das Erreichen hoher Kavitationsintensitäten von Bedeutung sind.

Von den existierenden Reaktorarten mit direkter Schalleinkopplung wurde, zur Durchfüh-

rung der Inaktivierungsreaktion, ein Durchflussreaktor (Horn-Durchflusszelle) gewählt, da

dieser, trotz einiger technischer Einschränkungen, die geeignetste Möglichkeit darstellt,

Ultraschall auch für industrielle Anwendungen nutzbar zu machen. Die zylindrische

Behälterform berücksichtigt dabei die zu erwartende rotationssymetrische Ausbreitung

des Schallfeldes und ermöglicht den unkomplizierten Einbau des Reaktors in Rohrlei-

tungssyteme vorhandener Anlagen.

Anforderung Begründung Lösung

Schalltechnik

Schallgebertyp Piezoelektrischer

Schallgeber

bester Wirkungsgrad Piezoelektrischer

Schallgeber

Schalleinkopplung

direkt optimale elektrische

Energieausbeute

Sonotrode

Schallfeld große Kavitationszone;

hohe Kollapsfrequenz,

-dichte und -intensität der

Kavitationsblasen

Inaktivierungsreaktion Frequenz [kHz]: 20

Amplitude [µm]: > 50

Behälterwandung schallhart Wandstärke [mm]: 10

Wandmaterial: Edelstahl

V2A, W.-Nr. 1.4301

Behälterform zylindrisch Einbau in Rohrleitungssyst.;

einfache Feldgeometrie

Reaktorvolumen an Kavitationsblasenfeld

angepasst; evtl. variabel

optimale Ausnutzung Schall-

energie; variable Reflexions-

bedingungen

Hydrophonmessung

Verfahrens- und Reaktionstechnik

Bauform Durchflussreaktor

(kontinuierliche Bauweise)

Beschallung grosser Mengen

an Flüssigkeiten

Durchflussreaktor

Temperatur [°C]:

Druck [MPa]:

Massenstrom [kg/h]:

20 – 150

0.1 – 0.5

20 – 200

Inaktivierungsreaktion

Durchsatz

Strömungsführung turbulent Mischeffekt Gegenstromführung von

unten

Werkstoff lebensmittelecht;

druck-, temperaturstabil;

kavitationsbeständig

Wandmaterial: Edelstahl

V2A, W.-Nr. 1.4301

Tab. 7: Anforderungsprofil zur Auslegung des Ultraschallreaktors.

Ergebnisse und Diskussion

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4.1.2 Auslegung

Die Sonotrode der eingesetzten Schallquelle stellt die einfachste und für die Praxis

bedeutsamste Form eines technisch realisierbaren Strahlers, einen sogenannten Kreis-

kolbenstrahler, dar. Kennzeichnend für ihn ist die kolbenartig schwingende Oberfläche,

die im Freifeld bei niedriger Frequenz (2R << λ) Kugelschallwellen erzeugt. Die von der

Schallquelle abgestrahlte Schallenergie verteilt sich dann auf einer ständig wachsenden

Kugeloberfläche. Im Gegensatz zu ebenen Wellen nimmt die Schallenergie im Kugel-

schallfeld bezogen auf die durchschallte Flächeneinheit mit 1/r2 ab, weshalb Kugelschall-

wellen eine energetisch ungünstige Form der Wellenausbreitung darstellen und daher

vermieden werden sollten.

Die Reaktorgeometrie sollte eine optimale Schallabstrahlung bei günstigsten Reflexions-

bedingungen ermöglichen. Die Bauform musste demnach so gewählt werden, dass eine

annähernd ebene bzw. gerichtete Schallausbreitung ermöglicht wird. Darüber hinaus

musste der seitliche Druckausgleich (akustischer Kurzschluss) vermieden werden.

Besonders bei zeitlich langsam ablaufenden Schallschwingungen ist für einen seitlichen

Druckausgleich genügend Zeit vorhanden, so dass sich trotz Vorhandenseins einer

gewissen Schallschnelle ν keine nennenswerten Schalleistungen ergeben. Bei Kolben-

strahlern verhindert man einen seitlichen Druckausgleich, zumindest zu einem Teil, durch

Anbringung einer Schallwand. Verfahrenstechnische Überlegungen von Horst (1997)

führten für den Anwendungsfall einer heterogenen Flüssig-Feststoffreaktion (Grignard-

synthese) zu einem Trichterreaktor. Die Trichterform war hierbei geeignet, um ein

möglichst großes Volumen an Feststoffen effektiv in der Zone höchster Schallintensität zu

halten.

Die schalltechnisch günstigere Wahl ist jedoch ein schallhartes Rohr (Kundtsches Rohr),

dessen Durchmesser möglichst klein (2R ≤ λ/2), aber mindestens dem der radialen

Ausdehnung der Sonotrode oder des erzeugten Kavitationsblasenfeldes angepasst, sein

sollte. Es stellt die einfachste und zugleich exakteste Anordnung zur Ausbreitung von

Schallwellen dar und ermöglicht auch bei ungünstigsten Verhältnissen zwischen der

Wellenlänge des Fluids und dem Radius der schallabstrahlenden Fläche eine nahezu

gerichtete Schallabstrahlung zu erreichen. Das beschallbare Volumen ist zwar klein,

jedoch wird, neben der Verhinderung des seitlichen Druckausgleiches, auch der Strah-

lungswiderstand des Fluids positiv beeinflusst.

Die Verwendung eines schallharten Rohres bietet auch aus verfahrens- bzw. reaktions-

technischer Sicht Vorteile. So kann, im Hinblick auf die durchzuführende Inaktivierungs-

reaktion, eine sichere Reaktionsführung nur dann gewährleistet werden, wenn Totzonen

im Reaktor vermieden werden. Ein variables Reaktionsvolumen (verschiebbarer Reaktor-

boden) wurde favorisiert, da Änderungen der Prozessparameter Abweichungen in der

räumlichen Ausdehnung des Kavitationsblasenfeldes hervorrufen können.

Für die Reaktorkonstruktion stellt der Sonotrodendurchmesser die erste Randbedingung

dar (3.5, Tab. 4). Im Fortgang der Auslegung wurde zunächst eine Analyse der Schall-

quelle vorgenommen. Zur genaueren Charakterisierung wurde der Strahlungswiderstand,

die eingetragene Ultraschallleistung und die Schalldruckverteilung im Medium ermittelt.

Ergebnisse und Diskussion

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Strahlungswiderstand

Für die Energieeinkopplung in den Reaktor ist zunächst entscheidend, wie die abstrah-

lende Oberfläche der Schallquelle (Sonotrode) belastet wird. Als Maß kann der Strah-

lungswiderstand angegeben werden. Er wird hauptsächlich durch die Geometrie des

Strahlers, die Schallfeldgröße Frequenz und durch die Eigenschaften des Mediums

bestimmt. Als mechanischer Wirkwiderstand beeinflusst er maßgebend die als Wirklei-

stung abgegebene Schalleistung. An der Oberfläche des schallabstrahlenden Senders ist

der Strahlungswiderstand komplexwertig, weshalb er als Strahlungsimpedanz bezeichnet

wird. Die Strahlungsimpedanz des Kreiskolbenstrahlers ist (14).

Dabei sind J1(x) und H1(x) die Besselfunktion und die Neumannfunktion erster Ordnung,

durch deren Entwicklung man folgende Näherungsgleichungen erhält.

Für den verwendeten Kolbenstrahler mit dem Radius r wurden in Abbildung 6 der Strah-

lungswiderstand (Realanteil der Strahlungsimpedanz) und die mitschwingende Medium-

masse (Imaginäranteil) als Funktion von krKo berechnet. Mit zunehmendem Wirkanteil wird

mehr Schall ins Medium abgestrahlt. Der Strahlungswiderstand fällt beim Kolbenstrahler

mit abnehmendem Radius und nach tiefen Frequenzen hin mit ω2 ab. Frequenzbezogen

gilt das gleiche für die abgestrahlte Schalleistung.

Wie in Abbildung 6 erkennbar, wird im vorliegenden Anwendungsfall für kavitierendes

Medium eine gute Schallabstrahlung erzielt. Wegen krKo > 1 (krKo Produkt aus Wellenzahl

k = ω/c0 und dem Radius der Kolbenstrahlerfläche) schwingt unter den gegebenen Bedin-

gungen die Mediummasse nicht ohne Aufwand an Wirkleistung mit. Das Medium wird

komprimiert und die dafür aufgewendete Arbeit als Schallenergie an die entfernter gele-

genen Volumenelemente des Ausbreitungsmediums weitergeleitet.

Bei der Entstehung des Kavitationsblasenfeldes in der Flüssigkeit führt die Existenz von

Kavitationsblasen zu Schallstreuung und in der Folge auch zu einer geänderten Schall-

wellenausbreitung. Aufgrund der komplexen Kavitationsprozesse (Stoss- bzw. Schock-

wellenausstrahlung kavitierender Blasen) wird in der zu nutzenden Nahfeldzone (r < 2λ)

die gerichtete Schallwellenausbreitung und somit die Ausbildung einer stehenden Welle

verhindert. Die Überlagerung einer Vielzahl von Wellen unterschiedlicher Periodizität,

Amplitude usw. führt zum sogenannten Kavitationsrauschen. Die Tatsache der gestörten

(

)











+−=

Ko1

0Ko kr2

)kr2(H

kr2

kr2J

21AZ

Z(14)

()}{

(

)

Z/ZRe

A0Ko ≈

⋅(15)

()}{

kr8

Z/ZIm Ko

A0Ko

≈

⋅(16)

Ergebnisse und Diskussion

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

und nicht genau definierbaren Schallausbreitung führte zur experimentellen Bestimmung

der räumlichen Schalldruckverteilung.

Schalleistung

Die in das Medium eingetragene Ultraschalleistung steht als Wirkleistung für die Inaktivie-

rungsreaktion, d. h. zur Schaffung des Kavitationsblasenfeldes, zur Verfügung. Sie ist

damit ein wichtiges Kriterium für die lokale Wirkungsintensität auf die zu inaktivierenden

Keime. Die eingetragene Schalleistung wurde zunächst nach Gleichung 17 und 18 über-

schlagsweise berechnet. Sie wurde weiterhin durch Messung der HF-Aufnahme- und

Abgabeleistung des Ultraschallgenerators (19) sowie indirekt durch die Messung des

Schalldruckes (6) im Medium experimentell ermittelt.

Abb. 6:

Real- und Imaginärteil der mechanischen Impedanz des Kolbenstrahlers (Kolben-

membran in unendlicher Schallwand). Voraussetzung ist, dass der schwingende

Kolben nur in einen Halbraum Schall abstrahlt. Bei vorliegender Geometrie und

eingestellter Frequenz sind Stellen für Wasser (a), Luft (b) und kavitierendes Wasser (c)

gekennzeichnet.

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Z /Z *A [-]

010 20 30 40

kr [-]

Ko 0

a b c

cf2I ⋅⋅ρ⋅⋅π⋅= (17)

0SS AIP

⋅

=(18)

LAE PPP

−

(19)

Ergebnisse und Diskussion

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Für die indirekte Bestimmung der Schalleistung anhand des Schalldruckes wurden

Messungen bei drei verschiedenen Leistungs- bzw. Amplitudeneinstellungen des Wand-

lers (20%, 60%, 90%) vorgenommen. Tabelle 8 listet die Mittelwerte aus jeweils acht

Messungen auf, die pro Leistungsstufe in Grenznähe zum Kavitationsblasenfeld gemes-

sen wurden. Zusätzlich wurde die Streuung der Werte anhand der mittleren quadratischen

Abweichung angegeben. Die gemessenen Leistungen liegen im Bereich < 100 W. Da die

Absorption im Kavitationsblasenfeld deutlich größer als im umgebenden Wasser war,

wurde das Schallfeld abgeschirmt. Die Werte stiegen nicht mit der Leistungsstufe an,

sondern es zeigte sich ein Sättigungseffekt. Die Ursache hierfür ist, dass eine höhere

Ultraschalleistung auch eine ausgedehntere Blasenwolke erzeugt, die wiederum zu höhe-

rer Absorption führt.

Zu beachten ist, dass nicht in jedem Fall ein erhöhter Leistungseintrag mit einer zuneh-

menden Kavitationsintensität verbunden ist. Mit steigendem Leistungseintrag und größer

werdenden Blasenradien nehmen z. B. die Kollapszeiten zu. Liegen diese Zeiten über

einer halben Schwingungsperiode der sogenannten Kollapsbedingung, so wird der

Kollaps durch den negativen Schalldruck abgebremst (Horst, 1997). In jedem Fall

empfehlen sich daher Messungen zur indirekten Bestimmung der Kavitationsintensität

(2.3.1).

Aus den Differenzen der Werte konnte nun eine Grobabschätzung für die zur Erzeugung

des Kavitationsblasenfeldes genutzte Schallleistung sowie der Verlustleistung vorgenom-

men werden. Den Werten zufolge gehen ca. 13 % der vom Ultraschallgenerator

aufgenommenen Leistung geräteseitig bzw. durch Weiterleitung der Schallwellen am

Reaktorgehäuse verloren. Nur etwa 78 % der insgesamt ins Medium eingetragenen Ultra-

schallenergie wurde letztlich zur Entwicklung von Kavitationsblasen, d. h. für die Arbeit zu

ihrer Ausdehnung auf den maximalen Blasenradius aufgewendet. Die mittlere aus den

Werten für die Schalleistung berechnete Schallintensität beträgt rund 100 W/cm2.

Schalldruckverteilung

Die räumliche Verteilung der Schalldruckamplitude hängt vom Verhältnis der Schallwel-

lenlänge zu den Wandabmessungen und den akustischen Verlusten in der Flüssigkeit ab.

Abbildung 7 zeigt die Amplitude des gemessenen Schalldrucks in Abhängigkeit vom

Abstand l zum Wandler (UIP 1000). Neben den gemessenen experimentellen Daten sind

theoretische Werte für eine ideale Dipolquelle in Wasser eingetragen (7 und 20). Die

absolute Höhe wurde hierzu an die experimentellen Werte angepasst. Zur räumlichen

Tab. 8: In Wasser abgegebene akustische Leistung in Abhängigkeit von der Leistungsstufe.

Leistungsstufe [%] Leistung PA [W] Leistung PE [W] Leistung PG [W] Streuung σP [%]

815

840

860

838

700 64.6 ± 13

730 83.4 ± 17

750 75.3 ± 15

726 74

8.0

Ergebnisse und Diskussion

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Charakterisierung des Schallfeldes wurde der Schalldruck zusätzlich in Abhängigkeit vom

Winkel

bestimmt (Abb. 8), wobei eine Messung für 20% und eine für 90% der Maximal-

leistung des Wandlers durchgeführt wurde. Die Messungen des Schalldruckes waren von

einer starken Kavitation begleitet. Auch in entgastem Wasser war ein ausgedehntes

Kavitationsblasenfeld um die Sonotrode zu beobachten.

In Abhängigkeit vom Abstand zur Sonotrode wurden im Bereich l < 0.15 m große Unter-

schiede zwischen gemessenen und theoretisch berechneten Werten für den Schalldruck

in Wasser festgestellt. Die Unterschiede können dadurch erklärt werden, dass die Schall-

wellen im stark absorbierenden Kavitationsfeld stärker als in der blasenfreien Flüssigkeit

abgedämft wurden. Im Bereich l > 0.15 m fand die Schallwellenausbreitung schließlich

wieder in einem kavitationsfreien Medium mit bekannter Dichte des flüssigen Mediums

statt, was die gute Übereinstimmung zwischen den experimentellen und theoretischen

Daten erklärt.

Bei den Messungen in Abhängigkeit des Winkels zeigte sich, dass im Abstand l > 0.15 m

aufgrund der räumlichen Ausdehnung der Kavitationsblasenwolke nicht mehr von einer

Dipolquelle ausgegangen werden konnte. Eine Ausnahme bildeten nur die Schalldruck-

messwerte, die direkt unterhalb der Sonotrode oder an der Wasseroberfläche gemessen

wurden. Den Einfluss des Kavitationsfeldes zeigt hierbei auch der Vergleich zwischen den

Messungen beider Leistungsstufen. Bei höherer Leistung konzentrierte sich das Feld an

der Symetrieachse, was auf eine größere räumliche Ausdehnung der Quelle schließen

lässt. Da die Kavitationsblasen in der Wolke als Streukörper wirken ist auch dieses

Ergebnis verständlich. Für l = 0.2 m wurden unterhalb der Sonotrode bis zum Abstand r

von der Mittelachse nur geringe Änderungen des Schalldruckes (< 2 kPa) festgestellt.

Abb. 7:

Schalldruckamplitude in Abhängigkeit

vom Abstand l (

= 0) zur Sonotro-

denoberfläche. ( ) experimentelle Werte

bei einer Leistungseinstellung des

Wandlers von 90%, (- lang) theoretische

Werte für eine Dipolquelle in Wasser (7

und 20).

120

160

p [kPa]

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4

r [m]

0epp ⋅α−

⋅= (20)

Ergebnisse und Diskussion

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Für die im Kavitationsgebiet ermittelte Verteilung der Schalldruckamplitude war mit

Gleichung 7 und 20 ebenfalls eine gute Anpassung an die experimentellen Daten erziel-

bar (Abb. 7). Das Ergebnis bestätigt die von Sutilov (1984) gemachte Aussage, dass die

Abschwächung der Schallwellen auch im kavitierenden Medium durch ein gewöhnliches

Exponentialgesetz beschrieben werden kann. Die hierbei erhaltene Absorptionskoeffi-

ziente αav überstieg erheblich den Wert α0 der nichtkavitierenden Flüssigkeit (Anhang

A12). Infolge der starken Dämpfung fiel die Druckamplitude in den Ultraschallwellen etwa

bei der Entfernung l = 0.15 m zur Schallquelle auf einen Wert, der niedriger als der

Schwellenwert, der zur Kavitationsentstehung notwendig war ab und die Kavitation hörte

auf. In optischen Untersuchungen konnte der festgestellte Grenzbereich des Kavitations-

blasenfeldes bestätigt werden (Abb. 9).

4.1.3 Reaktorvolumen bzw. -länge

Aufgrund der indirekt gemessenen Ausdehnung des Kavitationsblasenfeldes sollte die

Reaktorlänge, als zweite Randbedingung für die Auslegung des Ultraschallreaktors, mit l

≤ 0.15 m festgelegt werden. Zur Ermittlung eines Absolutwertes für l wurde basierend auf

den Analysedaten zur Charakterisierung der Schallquelle sowie auf den nachfolgend

beschriebenen Ergebnissen zum Betriebsverhalten eines Versuchsreaktors eine Optimie-

rungsrechnung vorgenommen. In dieser wurde die mögliche dezimale Keimreduktion in

Abhängigkeit des Volumenstromes, des Reaktorvolumens und des spezifischen Gesamt-

energieeintrages ermittelt.

-40

-20

p [kPa]

150

120

180

210

240

270

300

330

Abb. 8: Abhängigkeit der Schalldruckamplitude von Winkel

(r = 200 mm)

und der Leistungseinstellung des Ultraschallwandlers. ( ) 20%, ( )

90%, (-) theoretische Werte für eine Dipolquelle in Wasser.

Ergebnisse und Diskussion

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

1. Betriebsverhalten des Versuchsreaktors

Amplitudenverteilung

Für die in den Versuchsreaktor eingebaute Schallquelle charakterisiert der experimentell

bestimmte Dämpfungskoeffizient α0 laut seiner Definition die Amplitudendämpfung der

sich ausbreitenden Ultraschallwellen. Er kann deshalb auch als Amplitudenkoeffizient der

Dämpfung bezeichnet werden. Da die Amplitudencharakteristika der verschiedenen

Schallparameter untereinander durch lineare Beziehungen verbunden sind, ist das expo-

nentielle Dämpfungsgesetz mit dem Koeffizienten α0 für jeden beliebigen akustischen

Parameter, so z. B. auch für die Druckamplitude gültig. Die Ergebnisse aus den Messun-

gen zur Schalldruckverteilung können deshalb auf die Amplitudenverteilung übertragen

werden (Anhang A4). Bei Messungen mit einem Laservibrometer konnte eine homogene

Amplitudenverteilung auf der gesamten Sonotrodenoberfläche nachgewiesen werden

(Ergebnisse nicht dargestellt).

Temperaturverteilung

Bei Temperaturmessungen (60 – 90°C), die im stationären Betrieb des Reaktors für akus-

tisch-thermische Behandlungen durchgeführt wurden, konnten im Volumenstrombereich

10 l/h < V < 60 l/h für Reaktorvolumina zwischen 17 cm³ und 102 cm³ annähernd

konstante Temperaturbedingungen (maximales gemessenes ∆ T = 0.3 K) festgestellt

werden (Ergebnisse nicht dargestellt). Dieser Umstand wurde auf die gute Durch-

mischung des Reaktors infolge der Überlagerung der Förderströmung durch akustisch

erzeugte Strömungen (Makro-, Mikroströmungen etc.) zurückgeführt. Das gleiche

Betriebsverhalten konnte auch für thermische Behandlungen, die zur Unterstützung der

Durchmischung mit pulsweise betriebenen Schallwandler (Tastverhältnis zwischen

Beschallung und Ruhe: 0.1 bei < 300 W Leistung) durchgeführt wurden, gemessen wer-

den (Ergebnisse ebenfalls nicht dargestellt). Sprunghafte thermische Instabilitäten z. B.

durch lokale Hot Spots konnten bei den durchgeführten Messungen nicht erfasst werden.

Verweilzeitverteilung

Der kontinuierliche Betrieb des Reaktors war in dem betrachteten Parameterbereich 10 l/h

< V < 60 l/h und 17 cm³ ≤ V ≤ 102 cm³ von einer starken Streuung der Aufenthaltsdauer

der einzelnen Fluidteilchen gekennzeichnet. Die effektiven Verweilzeiten der einzelnen

Elemente, die gleichzeitig in den Reaktor gefördert wurden, waren aufgrund von Disper-

sionseffekten über ein mehr oder weniger breites Zeitfenster verteilt. Zur allgemeinen

Charakterisierung des Verhaltens wurde die relative Häufigkeit der Elemente gleicher

effektiver Verweilzeit nach einer Stoßmarkierung mit der Einmessstellenmethode

bestimmt.

Um das abweichende Verweilzeitverhalten des Reaktors gegenüber eines idealen Modell-

reaktors zu beschreiben, wurde ein einfaches Strömungsmodell verwendet. Hierbei war

Ergebnisse und Diskussion

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

es ausreichend auf ein Modell zurückzugreifen, dass mit nur einem Parameter den Grad

der auftretenden Rückvermischung erfasst. In Abbildung 10 und 11 sind hierzu

Ergebnisse der Kurvenanpassungen an die experimentellen Resultate aufgeführt. In dem

eingeschränkten Untersuchungsgebiet wurde eine gute Übereinstimmung festgestellt.

Die gemessenen Verweilzeitverteilungen waren denen von Rührkessel-, Blasen oder

Schlaufenreaktoren mit einer hohen axialen Rückvermischung ähnlich. Das Tracersignal

stieg relativ schnell bis zu einem ausgeprägten Maximum und nahm dann vergleichsweise

langsam ab. In Abhängigkeit der variierten Parameter stellte sich eine Strömung mit

einem durch den Modellparameter A beschriebenen Vermischungsgrad zwischen 2.1 und

3.8 ein. Erwartungsgemäß zeigte sich, dass bei ansteigendem Volumenstrom und bei

kleiner werdenden Reaktorvolumen eine stärkere Rückvermischung (A → 2) stattgefun-

den hat (Abb. 12).

In einer optischen Verweilzeitstudie wurde bei Reaktorvolumina > 102 cm³ im unteren

Reaktorbereich die Ausbildung von Totzonen festgestellt (Abb. 9). Hingegen war im

oberen Reaktorbereich etwa bis zur Grenze der Ausdehnung des Kavitationsblasenfeldes

ein Bereich guter Durchmischung mit geringen Konzentrationsgradienten beobachtbar.

t [s] = 0 246

80 10090

3025

11060

Abb. 9: Optische Verweilzeitstudie im Schallreaktor. (Volumenstrom [l/h]: 20,

Druck [MPa]: 0.2, Schallwellenamplitude [µm]: 55 µm, Reaktorlänge [m]:

0.25)

Ergebnisse und Diskussion

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Abb. 10:

Ergebnisse der Verweilzeitanalyse (E-Typ Verteilungen bzw. Dichtefunktion) für die thermische

Behandlung bei verschiedenen Volumenströmen und eingestellten Reaktorvolumina. (A) 10 l/h, (B)

60 l/h, (C) 17 cm³, (D) 102 cm³. (o) Experimentelle Werte, (-) durch Parametereinschätzung

angepasste Modellgleichung.

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

010 20 30

17 cm

81 cm

39 cm

60 cm

102 cm

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

E(t)

010 20 30

t [s]

60 l/h

50 l/h

40 l/h

30 l/h

20 l/h

0.00

0.04

0.08

0.12

0.16

E(t)

020 40 60

17 cm

102 cm

81 cm

60 cm

39 cm

0.00

0.10

0.20

0.30

020 40 60

t [s]

50 l/h

40 l/h

30 l/h

20 l/h

Ergebnisse und Diskussion

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Abb. 11:

Ergebnisse der Verweilzeitanalyse (E-Typ Verteilungen bzw. Dichtefunktion) für die ultraschall-

kombinierte Behandlung bei verschiedenen Volumenströmen und eingestellten Reaktorvolumina.

(A) 10 l/h, (B) 60 l/h, (C) 17 cm³, (D) 102 cm³. (o) Experimentelle Werte, (-) durch Parameterein-

schätzung angepasste Modellgleichung.

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

010 20 30

81 cm

60 cm

39 cm

17 cm

102 cm

0.00

0.04

0.08

0.12

0.16

E(t)

020 40 60

17 cm

102 cm

81 cm

60 cm

39 cm

0.00

0.10

0.20

0.30

020 40 60

t [s]

50 l/h

30 l/h

20 l/h

40 l/h

0.00

0.20

0.40

0.60

E(t)

010 20 30

t [s]

50 l/h

20 l/h

30 l/h

60 l/h

40 l/h

Ergebnisse und Diskussion

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. Modellansatz

Basierend auf den zur Ermittlung des Betriebsverhaltens durchgeführten Messungen

wurde folgende Modellvorstellung entwickelt:

Die Inaktivierungswirkung bzw. -leistung des Versuchsreaktors ergibt sich als Folge einer

überlagerten Amplituden-, Temperatur- und Verweilzeitverteilung. Ausgehend von den

Messungen zur Schalldruckverteilung erfolgt eine exponentielle Abnahme der Schallwel-

lenamplitude gemäß der experimentell bestimmten Dämpfungskonstante. Die Abnahme

tritt dabei näherungsweise nur in axialer Richtung mit zunehmendem Abstand von der

Schallquelle ein. Im Reaktor werden isotherme Bedingungen angenommen.

Die Verteilung der in den Reaktor einströmenden Fluidteilchen wird maßgeblich von der

Förderströmung und der entgegengesetzt gerichteten Schallwellenausbreitung beein-

flusst. Aufgrund des in Richtung der Schallausbreitung wirkenden Strahlungsdruckes

sowie der starken Dämpfung des Ultraschalls in entstandenen Kavitationsblasen entwik-

keln sich kräftige akustische Strömungen. Die in den Reaktor einströmenden Fluidteilchen

werden sofort von den sich ausbreitenden Schallwellen erfasst und nahezu ideal verteilt.

Der Vorgang wird durch den Umstand begünstigt, dass die Schallwellenausbreitung

entgegen der Förderstromrichtung stattfindet. In dem betrachteten Parameterbereich wird

infolge der Variation des Volumenstromes und der Volumenänderung des Reaktors nur

eine geringe Änderung der Strömung hervorgerufen (Abb. 12). Entsprechend der ermittel-

ten Werte für den Modellparameter A (Vermischungsgrad zwischen 2.1 und 3.8) verbleibt

das System in der Nähe des Idealfalles einer vollständig durchmischten Strömung (idealer

Rührkessel).

2.0

2.4

2.8

3.2

3.6

4.0

A [-]

20 40 60 80 100 120

V [cm ]

10 l/h

20 l/h

30 l/h

40 l/h

50 l/h

60 l/h

2.0

2.4

2.8

3.2

3.6

4.0

20 40 60 80 100 120

V [cm ]

30 l/h

40 l/h

50 l/h

20 l/h

10 l/h

60 l/h

Abb. 12:

Modellparameter A in Abhängigkeit der Parameter Volumenstrom und Reaktor-

volumen. (A) Thermische Behandlung bei 60°. (B) Ultraschall-kombinierte

Behandlung.

Ergebnisse und Diskussion

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. Berechnung

Ausgangspunkt der Berechnung war ein einfaches nicht-ideales Strömungsmodell (21),

dass primär zur Berechnung von Kaskadenreaktoren (Kaskadenmodell) eingesetzt wird

Ramaswamy et al., 1995). Es berücksichtigt die Reihenschaltung von A idealen Rührkes-

seln, wobei die Ausgangsfunktion eines Rührkessels gleichzeitig die Eingangsfunktion

des nachfolgenden ist. Die für das Gesamtsystem resultierende Verweilzeitkurve war

dabei nur von dem Modellparameter A (Anzahl der Rührkessel) abhängig. A = 1 entspricht

dem Fall des idealen Rührkessels (vollständige Durchmischung), während A → ∞ das

ideale Strömungsrohr, also einen Kolbenfluss ohne Durchmischung beschreibt. θ ist hier-

bei die normierte Verweilzeit (θ = t/τ) und E(θ) die normierte Verweilzeitverteilungsdichte.

Mit Hilfe des Strömungsmodells konnte der Strömungsübergang, d. h. die Änderung des

Vermischungsgrades während des Reaktorbetriebes bei unterschiedlichen Volumenströ-

men und während der Volumenänderung simuliert werden.

Der nicht theoretisch bestimmbare Modellparameter A wurde als Funktion des Volumen-

stromes und des Reaktorvolumens aus den Anpassungen der Modellfunktion an die expe-

rimentellen Verweilzeitverteilungen ermittelt (Abbildung 10 und 11). Um auch Verteilungen

für nicht ganzzahlige Werte von A erhalten zu können, wurde der Term 1/(A-1)! durch eine

Interpolationsfunktion ersetzt (Anhang A5).

Die Berechnung der Verweilzeitverteilung lieferte zunächst die anteiligen Mengen und die

unterschiedliche reale Verweilzeit (effektive Aufenthaltszeit) der Volumenelemente in dem

Reaktor, welche auf turbulenten Transport, molekulare Diffusion und Verwirbelungen

durch Reibung an der Rohrwand zurückgeführt wurden. Sie führte im zweiten Teilschritt

zum mittleren logarithmischen D-Wert der Behandlung (23) unter Zuhilfenahme der sich,

in Abhängigkeit der Reaktorlänge, ergebenden Amplitudenverteilung (Anhang A4) und der

in den reaktionskinetischen Untersuchungen ermittelten D-Wert Gleichung (24). Durch die

Mittelwertbildung (logarithmisches Mittel) wurde die exponentielle Amplitudenabnahme

und die damit verbundene mittlere Intensitätsabschwächung der Behandlung mit

zunehmenden Reaktorvolumen berücksichtigt.

)!1A(

eA)(E )A(1AA

−

⋅θ⋅=θ θ⋅−− (21)

V)V(b1

V)V(c)V(a

)V,V(A ⋅+

⋅+

&(22)

(D −

=(23)

Ergebnisse und Diskussion

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

))10ln(T)y

(m)10ln()y

(n( R

e)y

(D ⋅⋅−⋅

=(24)

Im dritten Teilschritt wurde mit Hilfe von Gleichung 25 der Anteil der abgetöteten Keime

N/No und daraus die dezimale Reduktion bzw. die Inaktivierungsleistung des Reaktors

bestimmt.

4. Ergebnis

Grenzwerte für den Volumenstrom und das Reaktorvolumen ergeben sich zum einen aus

dem Förderdruck und zum anderen aus der Zunahme der Störempfindlichkeit des Reak-

tors aufgrund einer schlechteren Durchmischung und der damit verbundenen Erhöhung

der Inhomogenität der Behandlung. Wegen des druckbedingten Leistungsabfalls der im

Reaktor verwendeten Schallquelle und der damit verbundenen Abschwächung der Kavi-

tationsintensität sollte der Förderdruck 0.5 MPa nicht überschreiten (Anhang A3). Bei

Reaktorvolumina > 102 cm³ wurde im unteren Reaktorbereich die Ausbildung von Totzo-

nen festgestellt (Abb. 9). Für die untersuchten Bereiche 10 l/h < V < 60 l/h und 17 cm³ < V

< 102 cm³ lieferten die Ergebnisse der Berechnung erste Anhaltspunkte für eine geeig-

nete Parameterwahl zur effektiven Durchführung der angestrebten Inaktivierungsreaktion.

Abbildung 13 enthält beispielhaft Werte für die thermische und ultraschall-kombinierte

Keimreduktion von E. coli bei der Bezugstemperatur von 60°C. Da sich bei höheren

Temperaturen, hierbei auch bei anderen Testorganismen, bezüglich der gesuchten Para-

meter keine Änderungen in den Aussagen ergaben, wurde auf weitere Darstellungen

verzichtet. Erwartungsgemäß wurden für beide Behandlungsvarianten die höchsten

Keimreduktionen bei niedrigen Volumenströmen und bei großen Reaktorvolumina

vorausgesagt. Für die kleinste simulierte Reaktorgröße wurden entsprechend dem vari-

ierten Volumenstrom logarithmisch dezimale Abtötungen im Bereich von -0.01 bis -0.07

(thermisch) bzw. –0.09 bis–0.15 (akustisch-thermisch) ermittelt. Für die größte gewählte

Reaktordimension mit einem Reaktionsvolumen von 102 cm³ hingegen, wurde im

gleichen Volumenstrombereich mit –0.07 bis –0.65 (thermisch) bzw. -0.25 bis –1.10

(akustisch-thermisch) eine 7.0 bis 9.0 fach bzw. 2.7 bis 7.3 fach höhere Gesamtabtötung

berechnet.

Bezüglich der Parameterwahl wurden in Abhängigkeit der zur Keimdezimierung einge-

setzten Energie, d. h. für den Ausnutzungs- bzw. Wirkungsgrad des Reaktors jedoch

andere Gegebenheiten erwartet. Die Erwartungen richteten sich dabei nach dem

Umstand, dass zur Erzielung der höheren Keimzahldezimierung bei niedrigen Volumen-

strömen ein entsprechend höherer spezifischer Energieeintrag aufgewendet werden

muss.

∫













−

⋅θ=

dt10)(E

N(25)

Ergebnisse und Diskussion

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Um zu ermitteln bei welchen Parameterbedingungen der Versuchsreaktor am effektivsten

betrieben werden kann, wurde das Reduktionsergebnis auf den spezifischen Energieein-

trag bezogen. Zuvor wurde die Differenz aus den Inaktivierungsergebnissen für die

thermische und ultraschall-kombinierte Betriebsweise ermittelt (Abb. 14 A). Die bei der

Berechnung erhaltenen Ergebnisse entsprachen dabei qualitativ denen, die auch mit Hilfe

des definierten Beschleunigungsfaktors EUS ermittelt werden können (Rosenplänter,

1999). Dieser wird bei Vergleichen zwischen thermisch und akustisch-thermisch aktivier-

ten chemischen Synthesen verwendet. Zur Beschreibung des Einflusses des Ultraschalls

werden hierbei üblicherweise die Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten ins Verhältnis

gesetzt (26). Die Ergebnisse zeigen dass größtmögliche Behandlungsunterschiede beim

Reaktorbetrieb mit niedrigen Volumenströmen und hierbei sowohl mit großen als auch mit

mittleren Reaktorvolumina erreicht werden können.

Für die Bestimmung des Wirkungsgrades des Reaktors ηR bei verschiedenen Parame-

tereinstellungen wurde, unter Verwendung der in Abbildung 14 A gezeigten Daten, mit

(27) ein dimensionsloser Zusammenhang zwischen der durch den Ultraschall verbesser-

ten Inaktivierungswirkung und dem zusätzlich aufgewendeten Energiebetrag erhalten.

Der Wirkungsgrad von eins bedeutet die größtmögliche Inaktivierungszunahme bei

geringstmöglicher Zunahme des spezifischen Energieeintrages.

EUS

US =(26)

Abb. 13:

Berechnungsergebnisse zur dezimalen Keimreduktion im Versuchsreaktor in Abhän-

gigkeit des Volumenstromes und des Reaktorvolumens. (A) Thermische Behandlung

bei 60 °C (Pulsbetrieb). (B) Ultraschall-Kombinierte Behandlung bei 60 °C.

100

-1.2

-0.9

-0.6

-0.3

0.0

log N/No [-]

V [l/h] V [cm ]

100

-1.2

-0.9

-0.6

-0.3

0.0

V [l/h] V [cm ]

EUS

US =(26)

Ergebnisse und Diskussion

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Beim Vergleich der unterschiedlichen Reaktorwirkungsgrade zeigte sich, dass bei niedrig

gewähltem Volumenstrom sowohl der Reaktor mit kleinem als auch der Reaktor mit

großem Behandlungsvolumen etwa bei gleichem Wirkungsgrad betrieben werden konnte

(Abb. 14 B). Bei groß gewähltem Durchsatz waren die höchsten Produktionsleistungen

nur bei der Wahl großer Behandlungsvolumina möglich.

Zur Überprüfung der Berechnungsergebnisse wurden Experimente mit zwei unterschiedli-

chen Reaktorgrößen durchgeführt (Abb. 15 und Anhang A2). Hierbei wurde festgestellt,

dass die Berechnung größtenteils die in den experimentellen Untersuchungen gemes-

senen Keimdezimierungen liefert. Obwohl in der Berechnung die Ortsabhängigkeit der

strömenden Fluidteilchen unberücksichtigt bleibt, wurden ausreichend genaue Ergebnisse

erhalten.





































−=η

UST

(27)

Abb. 14:

Berechnungsergebnisse der dezimalen Keimreduktion im Versuchsreaktor in

Abhängigkeit der Parameter Volumenstrom und Reaktorvolumen. (A) Größtmögliche

Behandlungsunterschiede. (B) Wirkungsgrad des Schallreaktors beim ultraschall-

kombinierten Betrieb bei 60°C.

100

-1.2

-0.9

-0.6

-0.3

0.0

log N/No [-]

V [l/h] V [cm ]

∆

100

0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

V [l/h] V [cm ]

[-]

A B

Ergebnisse und Diskussion

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Aus den gewonnenen Ergebnissen konnten nun folgende Schlussfolgerungen abgeleitet

werden:

Folgend den Berechnungsergebnissen besitzt der Reaktor, der im Volumen etwa der

Volumenausdehnung des Kavitationsblasenfeldes entspricht, im Volumenstrombereich 10

l/h < V < 60 l/h, den höchsten Wirkungsgrad. Der Grund hierfür ist sicherlich die bestmög-

liche Ausnutzung des Schallfeldes.

Reaktorvolumina < 102 cm³ erscheinen nur beim Betrieb mit niedrigen Volumenströmen

effizient. Neben der geringeren Ausnutzung des Schallfeldes ergeben sich bei hohen

Volumenströmen zu geringe Aufenthaltszeiten. Bei kleinen Reaktorvolumina wurde eine

schlechtere Übereinstimmung im Vergleich der experimentellen und berechneten Inakti-

vierungsresultate festgestellt. Die Reaktorleistung wurde hierbei überschätzt. Es wird

vermutet, dass für den Erfolg der Inaktivierungsreaktion eine bestimmte Mindestaufent-

haltszeit (Induktionszeit) im Schallfeld ausschlaggebend ist. Da sich feststellbare

Zellschäden voraussichtlich erst nach mehreren tausend Druckzyklen einstellen (Piya-

sena et al., 2003) ist deshalb mit einer überpropertional starken Leistungsabnahme bei

Reaktoren im unteren Volumengrenzbereich zu rechnen. In dem Bereich V < 17 cm³

wurde wegen zu großer Unsicherheiten aufgrund fehlender experimenteller Vergleichs-

daten (experimentell abgesicherter Bereich bis 10 s Behandlungszeit) keine Simulation

vorgenommen. Reaktorgrößen bei denen das Reaktorvolumen nicht vollständig vom

Kavitationsblasenfeld ausgefüllt ist, erscheinen wegen der höheren Störanfälligkeit als

Folge einer schlechteren Durchmischung ungeeignet. Für die Reaktorlänge als zweite

Randbedingung zur Auslegung folgt damit l = 0.15 m.

-4.5

-3.0

-1.5

(Experiment)

Log N/No [-]

-4.5-3.0-1.5

Log N/No [-]

(Berechnung)

Abb. 15:

Vergleich experimenteller und

berechneter Ergebnisse für die

Inaktivierung von E. coli für den

Betrieb zweier Reaktorgrößen (V

[cm³]: 24.7, 102.5) bei unterschied-

lichen Volumenströmen (V [l/h]: 10,

20, 30, 40, 50, 60) und Temperatu-

ren (T [°C]: 64, 66, 68). ( ) Reak-

tor 24.7 cm³ T, ( ) Reaktor 24.7

cm³ UST, (Ο) Reaktor 102.5 cm³ T,

() Reaktor 102 cm³ UST.

Ergebnisse und Diskussion

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4.2 Ergebnisse Keiminaktivierung

4.2.1 Laborexperimente

Die ersten keimreduzierenden Experimente wurden im Batch-System unter stationären

Temperaturbedingungen durchgeführt. An den ausgewählten Testkeimen wurde zunächst

untersucht, in welcher Größenordung der zu erwartende synergistische Effekt von Tempe-

ratur und Ultraschall auftritt. Für die Übertragung in den kontinuierlichen Prozess sollte

bestimmt werden, welche Prozessparameter (Temperatur, Behandlungsdruck und -zeit,

Schallwellenamplitude) für die vorzunehmende Keimabtötung realisiert werden müssen.

Zum Vergleich mit Literaturdaten wurde die Inaktivierungsreaktion zuerst in einer Modell-

lösung (Phosphat-Puffer) und später in einem realen Lebensmittelerzeugnis erfasst. Die

bei der Ermittlung des letalen Effektes der Testkeime erhaltenen Kenngrößen (D-Wert, z-

Wert) sollten für die Auswertung der anschließenden, im kontinuierlichen System durch-

geführten Versuche, verwendet werden.

Die Untersuchungen im Batch-System ergaben zunächst die in Abbildung 16 und 17

aufgezeigten Ergebnisse. Darin sind die in Pufferlösung für die thermische und akustisch-

thermische Inaktivierung der Testkeime erhaltenen Abtötungs-Temperatur-Kurven (TDT-

Kurven) gegenübergestellt. Für die akustisch-thermische Behandlung wurden beispielhaft

die mit einer Schallwellenamplitude von 110 µm erzielten Ergebnisse aufgeführt.

Die mikrobielle Inaktivierung folgte bei allen durchgeführten Behandlungen (thermische,

akustische und kombiniert akustisch-thermische) unabhängig vom den angewendeten

Prozessparametern, den eingesetzten Testkeimen und dem Behandlungsmedium nähe-

rungsweise einer Reaktion erster Ordnung (Bsp. Abb. 16 A), was die Auswertung der

Ergebnisse unter Zuhilfenahme eines einfachen Zeitgesetzes (Formalkinetik) erlaubte.

Entsprechend dem Reaktionsablauf sind in den folgenden Abbildungen und im Anhang

A6 die wichtigsten kinetischen Kenndaten sowie die Parameter der Geradenanpassungen

dargestellt.

D-Wert [s]

-6

-4

-2

log N/No [-]

48 52 56 60 64 68

T [°C]

240

480

720

960

t [s]

US 28°C

T 60°C

UST 60°C

E. coli DH 5

(T)

E. coli DH 5

(UST)

L. acidophilus (T)

L. acidophilus (UST)

Abb. 16:

Abtötungs-Kurven von E. coli K12 DH 5

nach akustischer, thermischer und

kombiniert akustisch-thermischer Be-

handlung (A) sowie Abtötungs-Tempe-

ratur-Kurven (TDT) von E. coli K12 DH 5

und L. acidophilus nach thermischer

und kombiniert akustisch-thermischer

Behandlung. (Behandlungsvolumen [ml]:

10, Schallwellenamplitude [µm]: 110,

Medium: Phosphat-Puffer pH7, Absolut-

druck [MPa]: 0.1).

Ergebnisse und Diskussion

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Den Daten zufolge konnte bei Anwendung der ultraschall-kombinierten Behandlung in

Püfferlösung bei allen drei Testorganismen ein signifikannt erhöhter Inaktivierungseffekt

gegenüber der thermischen Verfahrensanwendung nachgewiesen werden. Der gemes-

sene Effekt war dabei stets größer als die Summe der gemessenen Einzeleffekte einer

akustischen und thermischen Behandlung, wodurch der beschriebene Synergismus

zweifelsfrei bestätigt werden konnte. Im untersuchten Experimentalbereich (Medium:

Phosphat-Puffer Temperatur [°C]: 56 – 60 [E. coli K12 DH 5

], 52 – 60 [L. acidophilus]

bzw. 115 - 130 [B. stearothermophilus]; Schallwellenamplitude [µm]: 55-110) konnten

hierbei D-Wert-Reduktionen von bis zu 87.4 % (E. coli K12 DH 5

), 65.9 % (L. acidophi-

lus) und 68.9 % (B. stearothermophilus) erreicht werden.

Bei den eingesetzten vegetativen Testkeimen konnten einerseits gleiche Temperaturemp-

findlichkeiten andererseits jedoch unterschiedliche Sensitivitäten gegenüber der kombi-

nierten Behandlung festgestellt werden (Abb. 16). Unter Ausschluss einer Reihe von

Faktoren, z. B. Medieneinfluss oder Wachstumsstadium der Zellen, kann diese Beobach-

tung auf das unterschiedliche Gramverhalten der Testkeime (E. coli K12 DH 5

= gram-,

L. acidophilus = gram+) und/oder auf die Zellform (E. coli K12 DH 5

= stäbchenförmig,

L. acidophilus = kokkoid) und hierbei insbesondere auf das Verhältnis zwischen Zellober-

fläche und Volumen zurückgeführt werden (Earnshaw, 1995; Scherba et al., 1991). Der

Einfluss der Zellform wird mit einer größeren Trefferwahrscheinlichkeit bzw. Scheran-

griffsfläche bei großen stäbchenförmigen Zellen begründet.

Wegen des limitierenden Effektes des Dampfdruckes und der damit verbundenen Reduk-

tion der Bindungskräfte zwischen den Flüssigkeitsmolekülen konnte methodisch bedingt

bei den vegetativen Testkeimen eine Abnahme des synergistischen Effektes mit zuneh-

mender Temperatur beobachtet werden (Abb. 16). Der beschriebene Effektivitätsverlust

trat jedoch nicht bei den Versuchen mit dem sporenbildenden Testkeim sowie bei den im

nächsten Abschnitt beschriebenen Versuchen im kontinuierlichen Durchflussbetrieb auf.

D-Wert [s]

112 116 120 124 128 132

T [°C]

Bac. stearothermobilus (T)

Bac. stearothermobilus (UST)

Abb. 17:

Abtötungs-Temperatur-Kurven (TDT) von

B. stearothermophilus nach thermischer

und kombiniert akustisch-thermischer

Behandlung. (Behandlungsvolumen [ml]:

15, Schallwellenamplitude [µm]: 110,

Medium: Phosphat-Puffer pH7, Absolut-

druck [MPa]: 0.3).

Ergebnisse und Diskussion

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Diese Experimente wurden bei erhöhtem Systemdruck (0.3 - 0.5 MPa) durchgeführt,

wodurch der Wert für die Kavitationsgrenze und somit die Intensität der erzeugten Kavita-

tion nach oben verschoben wurde.

Die Steigerung der Inaktivierungsrate bei allen Testkeimen ließ weiterführende Untersu-

chungen zu, wonach der Kombinationseffekt für L. acidophilus auch in Orangensaft

bestätigt werden konnte. Abbildung 18 enthält hierzu Versuchsergebnisse zur Inaktivie-

rung von L. acidophilus. Neben der verbesserten Keimreduktion infolge der ultraschall-

kombinierten Behandlung konnten in den Versuchen deutliche Unterschiede zu den in

Modellösung (pH 7) erhaltenen Ergebnissen festgestellt werden. Unerwarteterweise

vollzog sich die Abtötung mit maximalen D-Wert-Reduktionen von 32.9 % (thermisch) und

28.2 % (akustisch-thermisch) in Orangensaft schneller als bei den Versuchen in Pufferlö-

sung.

Die letale Wirksamkeit der ultraschall-unterstützten Behandlung war in großem Maße von

der Schallwellenamplitude abhängig (Abb. 19, Anhang A7). Sie wurde mit zunehmenden

Amplitudenwerten durch die Steigerung der Kollapsintensität (2.3.1) stetig erhöht.

101

102

103

104

D-Wert [s]

48 52 56 60 64 68

Temperatur [°C]

Orangensaft

(T), (UST)

Phosphat-Puffer pH 7

(UST), (T)

Abb. 18:

Einfluss des Behandlungsmediums auf

die thermische (T) und die akustisch-

thermische (UST) Inaktivierung von L.

acidophilus. (Behandlungsvolumen [ml]:

10, Schallwellenamplitude [µm]: 110,

Absolutdruck [MPa]: 0.1).

Ergebnisse und Diskussion

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4.2.2 Anlagenexperimente

Im Anschluss an die bisherigen Versuche wurde nun auch in der kontinuierlich arbeiten-

den Pilotanlage mit der Erprobung der verbesserten Keiminaktivierung begonnen. Tabelle

3 gibt einen Überblick der durchgeführten Behandlungen, die hinsichtlich der Findung des

Arbeitsbereiches der Versuchsanlage durchgeführt wurden.

In der Prozessbewertung zur bakteriellen Inaktivierung, war das Kriterium der gleichen

thermischen Wirksamkeit die Basis für den objektiven Vergleich zwischen den unter-

schiedlichen Behandlungen. Sie beinhaltet die Integration der gemessenen Temperatur-

bzw. Verweilzeitprofile die in der Pilotanlage, unter Annahme einer einheitlichen radialen

Temperatur und Geschwindigkeitsverteilung in den Haltestrecken bzw. isothermer Bedin-

gungen im Schallbehandlungsraum. Die Vorgehensweise stützt sich dabei auf eine Reihe

von Temperaturmessungen, in denen, trotz der niedrigen berechneten Renoldszahlen (Re

zwischen 140 - 890), stets Temperaturgradienten kleiner 0.5 (Haltestrecke) bzw. 0.3 K

(Reaktor) detektiert wurden. Als die Hauptursachen für die günstigen Verteilungen sind

die ultraschallbedingte Durchmischung im Schallreaktor sowie die kleinen Rohrlängen und

die große Anzahl an Querschnittsänderungen, Krümmungen und Umleitungen in den

Haltestrecken zu nennen.

Zunächst konnte abhängig vom Testorganismus, dem Probemedium oder der durchge-

führten Verfahrensvariante festgestellt werden, daß die ultraschall-kombinierte Behand-

lung auch bei kontinuierlicher Durchführung eine verbesserte Abtötung gegenüber der

thermischen Verfahrensanwendung erbrachte. In jedem Fall war eine Reduzierung des

Temperaturniveaus oder der Dauer der Behandlung möglich. Dies zeigte sich, nachdem

D-Wert [s]

48 52 56 60 64 68

0 µm

50 µm

110 µm

160 µm

101

102

103

104

48 52 56 60 64 68

0 µm

50 µm

110 µm

T [°C]

Abb. 19:

Einfluss der Schallwellenamplitude auf das Inaktivierungsergebnis der ultraschall-kombi-

nierten Behandlung. (A) E. coli K12 DH 5 α. (B) L. acidophilus. (Behandlungsvolumen [ml]:

10, Schallwellenamplitude [µm]: 0, 50, 110, 160, Medium: Phosphat-Puffer pH 7, Absolut-

druck [MPa]: 0.1).

Ergebnisse und Diskussion

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

zum sicheren Nachweis des Kombinationseffektes, die Ergebnisse der Keimzahlbestim-

mungen den thermischen Wirkungsanteilen (F-Wert) der durchgeführten Behandlungen

gegenübergestellt wurden (Abb. 20). Bei gleichem F-Wert waren deutliche Unterschiede

im Ausmaß der Keimreduzierung erkennbar. Eine höhere Keimzahlreduktion gegenüber

der thermischen Behandlung konnte dabei auch im Sterilisationsprozess aufgezeigt

werden, bei dem die Hocherhitzung durch direkte Wärmeübertragung nach Einleitung von

Sattdampf erfolgte. Die Schallwellenbehandlung erfolgte hierbei im Anschluss an die

Kondensationsstrecke.

Abb. 20:

Inaktivierung von E. coli K12 DH 5

(a), L. acidophilus (b) und B. stearothermophilus (c) nach

thermischer(O) und akustisch-thermischer Behandlung ( ) in der Pilotanlage. (A) Temperatur-

Verweilzeit-Profile der Behandlungen. (B) Inaktivierungsergebnisse. Der Abszissenwert ent-

spricht der Behandlungszeit, die bei der angegebenen Bezugstemperatur pasteurisiert bzw.

sterilisiert werden müsste um den aufgezeigten Effekt zu erhalten. (Medium: Phosphat-Puffer

pH7, Massenstrom m [kg/h]: 20, Behandlungsdruck [MPa]: 0.5, Mittlere Verweilzeit im Schall-

reaktor tm [s]: = 20, Schallwellenamplitude [µm]: 55).

T [°C]

120

150

0 30 60 90 120 150 180 30 60 90 120 150 180 0 30 60 90 120 150 180 210

t [s]

abc

-5

-4

-3

-2

-1

Log N/No [-]

060 120 180 240 300

60 120 180 240 300

0600 1200 1800 2400 3000

F-Wert [s]

60°C 60°C 121.1°C

Ergebnisse und Diskussion

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Die Quantifizierung des eingetretenen Effektes war im Hinblick auf die Reduzierung des

Temperaturniveaus oder auf die Verkürzung der Behandlungsdauer in Bezug auf einen

Referenzprozess, der bei einer konstanten Temperatur durchzuführen ist, möglich. Unter

den gegebenen experimentellen Bedingungen wurde festgestellt, daß bei den isothermen

Prozessen bei 60°C (Pasteurisation) und bei 121.1°C (Sterilisation), das Temperaturni-

veau um bis zu 7.3 ± 1.2 % (E. coli K12 DH 5

), 3.0 ± 0.7 % (L. acidophilus) bzw. 3.4 ±

0.3 % (B. stearothermophilus) gesenkt oder aber die Prozeßzeiten um 65.0 ± 19.8 % (E.

coli K12 DH 5

), 41.6 ± 12.8 % (L. acidophilus) bzw. 47.0 ± 9.1 % (B. stearothermophi-

lus) verkürzt werden konnten.

Ergebnisse und Diskussion

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4.3 Produktanalyse

Für die qualitätsbezogene Prozessbewertung wurde der thermisch und akustisch-ther-

misch behandelte Orangensaft hinsichtlich seiner sensorischen und ernährungsphysiolo-

gischen Produktqualität geprüft. Erwünschte und unerwünschte verarbeitungstechnische

Veränderungen wurden mittels eines sensorischen und instrumentellen Prüfverfahrens

sowie auf analytischem Wege anhand ausgewählter Leit- bzw. Indikatorsubstanzen unter-

sucht. Beispielhaft werden Ergebnisse für Auswirkungen auf die Qualitätsmerkmale

Geschmack, Farbe und Geruch, die antioxidative Wirksamkeit sowie den nativen L-

Ascorbinsäuregehalt des Saftes vorgestellt. L-Ascorbinsäure wurde neben der ernäh-

rungsphysiologischen Bedeutung besonders wegen ihrer Oxidierbarkeit im Hinblick auf

eine mögliche oxidierende Wirkung des Ultraschalls gewählt. Die Untersuchungen wurden

direkt nach der Behandlung oder im Verlauf einer sich an die Behandlung anschließenden

35tägigen Lagerzeit durchgeführt.

4.3.1 L-Ascorbinsäure

Bei den im Labormaßstab durchgeführten Untersuchungen wurde zunächst der mittlere

Gehalt an L-Ascorbinsäure in frisch hergestellten Saftproben bestimmt. Der mit 265 ± 5.0

mg/L gemessene Wert war mit Literaturdaten vergleichbar und entsprach den orientieren-

den Werten gemäß RSK. Die Proben wurden anschließend thermischen und akustisch-

thermischen Behandlungen ausgesetzt, die unter moderaten und extremen Bedingungen

durchgeführt wurden. Die Gehaltsmessungen zeigten hierbei eine hohe Widerstandsfä-

higkeit der Säure auf, wobei neben der erwarteten hohen thermischen Resistenz auch

eine hohe Stabilität gegenüber der Ultraschallbehandlung festgestellt werden konnte. Das

extreme Abbauverhalten wurde auf den niedrigen pH-Wert des umgebenden Mediums

zurückgeführt, der bereits als wesentlicher Einflussfaktor für die thermische Resistenz der

untersuchten Substanz bekannt ist.

Bei den Messungen in den Laboruntersuchungen, die direkt im Anschluss an die

Behandlungen durchgeführt wurden (Abb. 21 C), betrug die Abnahme des L-Ascorbinsäu-

regehaltes 24.1 ± 0.5 mg/L (9.1± 0.3 %) in den thermisch (130°C, 60min) und 37.6 ± 0.7

mg/L (14.2 ± 0.3 %) in den ultraschall-thermisch behandelten Proben. In den herkömmlich

pasteurisierten Säften (90°C, 120s) konnten im Vergleich zu den unbehandelten keine

messbaren Gehaltsabnahmen festgestellt werden.

Während der 35tägigen Lagerung der Proben wurden stärkere Gehaltsänderungen

gemessen. Die Abnahme des Ascorbinsäuregehaltes betrug hierbei 67.0 ± 1.3 mg/L (25.3

± 0.5 %) in den thermisch (130°C, 60min) und 107.8 ± 2.1 mg/L (40.7 ± 0.8 %) in den

ultraschall-thermisch behandelten Proben. Die Gehaltsabnahme in den herkömmlich

pasteurisierten Säften (90°C, 120s) betrug 45.1 ± 0.8 mg/L (17.0 ± 0.3 %).

Bei den im Technikumsmaßstab durchgeführten Untersuchungen (Abb. 22) wurden

unmittelbar nach der Behandlung keine Unterschiede im L-Ascorbinsäuregehalt gemes-

sen. Sowohl in den thermisch als auch in den akustisch thermisch behandelten Proben

blieb die Ausgangskonzentration weitgehend erhalten. Auch während der ersten

Ergebnisse und Diskussion

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Lagerungstage nach Abfüllung der Saftproben wurden keine signifikanten Gehaltsabnah-

men festgestellt.

Im Verlauf einer mehrwöchigen Lagerung jedoch wurde, im Vergleich zu den Ausgangs-

daten, eine mittlere bis hohe Abnahme der L-Ascorbinsäurekonzentration gemessen. Wie

in Abbildung 22 erkennbar variierte hierbei der Gehalt in Abhängigkeit der durchgeführten

Behandlung. Nach 35tägiger Lagerung betrug die Senkung des L-Ascorbinsäuregehaltes

rund 39.5 ± 5.0 mg/L bzw. 14.1 ± 3.0 % in den thermisch und 20.0 ± 5.0 mg/L bzw. 7.8 ±

3.0 % in den akustisch-thermisch behandelten Proben nach Behandlungen entsprechend

der Verfahrensvariante I und 58.0 ± 5.0 mg/L bzw. 21.8 ± 3.0 % in den thermisch und

36.2 ± 5.0 mg/L bzw. 13.7 ± 3.0 % in den akustisch-thermisch behandelten Proben nach

Behandlungen entsprechend der Verfahrensvariante II. Die Messung des Gehaltes an L-

Ascorbinsäure ergab somit stets eine geringere Abnahme des Inhaltsstoffes in Folge der

Kombinationsbehandlung.

Die zwischen den Behandlungen gemessenen Unterschiede konnten wegen der methodi-

schen Vorgehensweise nicht auf einen Einfluss des pH-Wertes, des Lichtes oder der

Anwesenheit von Metallionen zurückgeführt werden. Weiterhin können Ursachen infolge

schützender Substanzen ausgeschlossen werden.

Die Gehaltsunterschiede in den Säften wurden auf eine unterschiedliche starke enzym-

katalysierte Autoxidation der Säure zurückgeführt. Der oxidative Abbau führt zu Dehydro-

ascorbinsäure, dann zu 2.3-Diketogulonsäure und schließlich zu kürzerkettigen Abbau-

produkten. Der beschleunigte bzw. verlangsamte Abbau kann hierbei durch den unter-

schiedlichen Temperatureinfluss oder durch die spezifische Wirkung des Ultraschalls

Abb. 21: Analyse der antioxidativen Aktivität unterschiedlich gestresster Orangensäfte.

(A) Einfluss der Behandlungsdauer von ( ) thermisch (90°C) und ( ) akustisch-thermisch

(110 µm, 67°C) behandelten Säften. Die Bestimmung der antioxidativen Aktivität erfolgte direkt

im Anschluss an die Behandlung und wurde zur Kontrolle auch für ( ) herkömmlich pasteuri-

sierten Saft (90°C, 120s) durchgeführt.

(B) Antioxidative Aktivität in gelagerten Saftproben nach ( ) thermischer (130°C, 60 min) und

(, ) akustisch-thermischer (110µm, 10min; 110µm, 60 min) Verfahrensanwendung.

(130°C, 60 min) und ( ) akustisch-thermischer (110 µm, 130°C, 60 min) Verfahrensanwen-

dung. Die Lagertemperatur der Proben betrug + 7°C.

0 7 14 21 28 35

t [d]

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

A [mmol Fremys-Salz / L Probe]

015 30 45 60

t [min]

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

C/Co Ascorbinsäure [-]

0 7 14 21 28 35

t [d]

Ergebnisse und Diskussion

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

verursacht worden sein. Wegen den vergleichsweise hohen z-Werten für den thermischen

Abbau der Säure oder der am Abbau der Säure beteiligten Enzyme wird der Temperatur-

einfluss jedoch nicht als Hauptursache für die gefundenen Unterschiede angesehen. Eine

durch Ultraschall hervorgerufene verlangsamte bzw. verminderte katalytische Wirkung

von Enzymen (Kuldiloke, 2002) erscheint naheliegender. Die direkte Inaktivierung mikro-

bieller oder safteigener Ascorbatoxidase ist hierbei denkbar. Eine weitere Möglichkeit ist

die Reduktion der, durch Luftsauerstoff bewirkten, Oxidationsprozesse infolge einer

verstärkten, durch Ultraschall hervorgerufenen, Entgasung. Gelöstes Gas in der Flüssig-

keit führt zur Bildung von Kavitationsblasen. Bei hohem Gasgehalt können diese nicht

ohne weiteres kollabieren (Villamiel, 2000c). Mit steigender Zahl an Kompressionszyklen

wachsen diese und steigen schließlich im Medium auf bzw. entweichen bei dem anschlie-

ßenden Entspannungsvorgang.

4.3.2 Radikalbildungsaktivität

Der ESR-spektroskopische Nachweis freier Radikale wird durch deren geringe Lebens-

dauer und, damit verbunden, durch deren niedrige stationäre Konzentration im Probeme-

dium behindert. Zur Stabilisierung wurde deshalb bei der Spin-Trapping-Methode ein

Nitron-Derivat verwendet, welches durch Reaktion mit den kurzlebigen Radikalen eine

stabile Nitroxid-Verbindung ergab. Im Gegensatz zu den, aufgrund ihrer Instabilität, nicht

erfassbaren kurzlebigen Radikalen waren die Nitroxid-Radikale mit Hilfe der ESR mess-

bar.

Abbildung 23 enthält die ersten, bei der Analyse der Radikalbildung in Wasser und Oran-

gensaft, erhaltenen Daten. Erkennbar ist, dass bei Anwendung der Schallwellenbehand-

0 7 14 21 28 35

220

240

260

L (+) Ascorbinsäure [mg/l]

0 7 14 21 28 35

Lagerzeit [Tagen]

Abb. 22:

Abbau nativer L (+) Ascorbinsäure in Orangensaft nach thermischer (Ο) und ultraschall-thermi-

scher Verfahrensanwendung ( ) in der Pilotanlage und anschließender 35tägiger Lagerung. (A)

Behandlung nach der Verfahrensvariante I (Pasteurisation) mit Bezug auf die Inaktivierung von L.

acidophilus; F60 [s]: = 380 (T), F60 [s]: = 230 (UST). (B) Behandlung nach der Verfahrensvariante

II (Sterilisation) mit Bezug auf die Inaktivierung von B. stearothermophilus; F121.1 [s]: = 5400 (T),

F121.1 [s]: = 3000 (UST). (Behandlungsdruck [MPa]: 0.35, Schallwellenamplitude [µm]: 55).

Ergebnisse und Diskussion

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

lung freie Radikale erzeugt wurden. Da in den Bildungskinetiken keine lag-Phase nach-

weisbar war, reagierten die entstandenen Radikale auch vorzugsweise mit dem Addukt-

bildner. Hierbei ist bekannt, dass neu gebildete Radikale auch von anderen Substanzen

(Polyphenole, SO2 etc.), noch vor Reaktion mit dem Adduktbildner, abgefangen werden

können. Dieser Umstand bildet die Grundlage sogenannter lag-time-Messungen in denen

die Länge der lag-Phase mit der antioxidativen Aktivität untersuchter Probemedien korre-

liert wird (Andersen et al., 2000).

Mit zunehmender Dauer der Schallwellenbehandlung stieg die Anzahl der gebildeten

Spin-Addukte linear an und stagnierte schließlich nach ca. acht bis zehn Minuten. In den

beiden Behandlungsmedien Wasser und Orangensaft wurde hierbei etwa eine Konzenta-

tion von 3.3 µmol Radikalen (2 1018 Spins/ml) getrappt. Der genannte Wert wurde durch

Interpolation ermittelt, nachdem ein Anstieg des ESR-Signals durch den Zusatz von

Eisen(II)-sulfat und Wasserstoffperoxid (Fenton-Reaktion) forciert wurde (Anhang A9). Bei

Kontrollmessungen an unbehandelten Wasserproben ist hingegen kein Zuwachs des

ESR-Signals eingetreten. Auch konnte bei Messungen an thermisch bei 95°C behan-

delten Wasserproben kein Zuwachs des ESR-Signals, d. h. keine Radikalbildung, festge-

stellt werden.

Die Quantifizierung der tatsächlich während der Schallwellenbehandlung gebildeten Radi-

kale war mit Hilfe der verwendeten Methode nicht möglich. Der Grund ist, dass die gebil-

deten Addukte nach einer gewissen Zeit weiter oxidiert und abgebaut wurden. So konnte

durch den Zusatz von Eisen(II)-sulfat und Wasserstoffperoxid (Fenton-Reaktion) mehrfach

ein erneuter Signalanstieg z. B. auch nach der Stagnationsphase bewirkt werden. Das

Abb. 23:

Analyse der Radikalbildung. (A) Relative Menge gebildeter Spin-Addukte in ( ) aqua dest.

und ( ) Orangensaft nach einer Schallwellenbehandlung (50 µm, 67°C), in ( ) aqua dest.

nach einer thermischen Behandlung bei 95°C sowie in ( ) unbehandeltem aqua dest.

(Kontrolle). (B) Einfluss der Schallwellenamplitude auf die Radikalbildung in aqua dest.

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Adduktmenge [-]

04812 16 20

t [min]

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

04812 16 20

t [min]

110 µm

50 µm

Ergebnisse und Diskussion

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

heißt, der Endverlauf der Kinetik wurde nicht durch den Verbrauch an PBN, sondern mit

durch eine Gleichgewichtseinstellung zwischen neu gebildeten und wieder abgebautem

Addukt bewirkt.

Wie in Abbildung 23 A erkennbar, erfolgte die Adduktbildung in Wasser und Orangensaft

nahezu kongruent. In den beiden Medien konnten keine Unterschiede im Verlauf der

Bildungsreaktion, z. B. als Folge einer unterschiedlich starken Radikalbildung oder einer

abweichenden antioxidativen Wirkung, festgestellt werden.

Bei der Schallwellenbehandlung von Wasser konnte ein Einfluss der Schallwellenampli-

tude auf die Adduktbildungsrate nachgewiesen werden (Abb. 23 B). Hierbei zeigte sich,

dass mit steigender Amplitude eine Erhöhung der Bildungsrate bewirkt wurde. Das

erzielte Ergebnis wurde als Nachweis dafür gewertet, dass im untersuchten Amplituden-

bereich die Kavitationseffizienz, d. h. die Intensität der Kavitationsblasenimplosionen und

damit die Anzahl der pro Zeiteinheit gebildeten Radikale signifikant beeinflusst werden

kann. Dieses Ergebnis konnte für Orangensaft nicht gezeigt werden, da das Produkt bei

Anwendung sehr hoher Schallwellenamplituden stark aufschäumte.

4.3.3 Antioxidative Aktivität

Im Probemedium entstandene freie Radikale können mit den darin befindlichen Antioxi-

dantien reagieren. Deshalb wurde, zur Bewertung einer oxidativen Schädigung, die anti-

oxidative Aktivität der unterschiedlich hergestellten Säfte bestimmt. Bei der angewendeten

Spin-label-Methode wurde das synthetische freie Radikal Kaliumnitrosodisulfonat

(Fremys-Salz) im Medium vorgelegt. Antioxidative Substanzen des Saftes waren dazu in

der Lage, mit diesem Radikal zu reagieren und somit das ESR-Signal abzubauen.

Literaturdaten zeigen, dass Orangensaft ernährungsphysiologisch als Quelle antioxidativ

wirksamer Substanzen anzusehen ist, wenn auch andere Fruchtsäfte oft sehr viel höhere

Gehalte aufweisen. In unbehandeltem Saft wurde eine antioxidative Aktivität von 2.11 ±

0.2 mmol Fremys-Salz pro Liter gemessen (Tab. 9). Nach Entfernung der Ascorbinsäure

mit Ascorbat Oxidase (AAO) betrug die antioxidative Wirkung noch 0.72 ± 0.3 mmol

Fremys-Salz pro Liter. Die verbliebene antioxidative Aktivität wurde den phenolischen

Inhaltsstoffen des Saftes zugesprochen. Hierbei handelt es sich im Wesentlichen um die

in Zitrusfrüchten vorkommenden Flavanone die meist in glycosidierter Form vorliegen

(Askar et al., 2001).

AA [mmol Fremys-Salz/L Saft] STANDARD [mmol/L] AK [mol Fremys-Salz/mol Standard]

Saft mit AS Saft ohne AS ∆ AS

2.11 ± 0.2 0.72 ± 0.3 1.39 ± 0.5 1.47 ± 0.03 0.95 ± 0.3

Saft ohne ASC aq. bidest. Hesperidin

0.72 ± 0.3 0.00 0.72 ± 0.3 1.31 ± 0.03 0.54 ± 0.2 (0.87 – 0.43)

Tab. 9: Berechnete antioxitative Kapazität AK von L(+) Ascorbinsäure und Hesperidin

(zusammengefasster Wert der Flavonoidglycoside nach Davis).

Ergebnisse und Diskussion

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Die Differenz zwischen der antioxidativen Aktivität des Saftes vor und nach der Entfer-

nung der L(+) Ascorbinsäure konnte auf den Gehalt an L(+) Ascorbinsäure zurückgeführt

werden (Abb. 21). Da ihre Konzentration in den Säften bekannt war (260 ± 5 mg/l) ließ

sich somit ihre antioxidative Kapazität, angegeben in mol Fremys-Salz pro mol L(+)

Ascorbinsäure, berechnen (Tab. 9). Sie betrug 0.95 ± 0.3 mol Fremys-Salz pro mol L(+)

Ascorbinsäure, gemessen in unbehandeltem Saft. Im Vergleich zur theoretischen AK von

L(+) Ascorbinsäure (AK = 2), die aus der Fähigkeit der Ascorbinsäure resultiert über ihre

zwei aromatischen OH-Gruppen mit zwei Radikalen zu reagieren (28), wurde ein deutlich

niedrigerer Wert ermittelt. Als Ursache hierfür wurde das verwendete Lösungsmittelsy-

stem vermutet, dass nach Dangles (1999) und Gardner et al. (1998, 1999) einen großen

Einfluss auf das Redoxpotential der einzelnen Hydroxylgruppen ausüben kann.

Die antioxidative Kapazität der phenolischen Inhaltsstoffe konnte bezogen auf eine

Referenzsubstanz angegeben werden. Sie betrug 0.54 ± 0.2 mol Fremys-Salz pro mol

Standard nachdem für die überschlagsmäßige Berechnung ein mittlerer Richtwert der

mengenmäßig im Vordergrund stehenden Verbindung Hesperidin (nach Davis) eingesetzt

wurde (Tab. 10). Da Flavonoidglycoside (Hesperidin) erwartungsgemäß keine geringere

antioxidative Kapazität als Ascorbinsäure besitzen (Vinson et al., 1995; Burda, 2001) war

eine Konzentration an phenolischen Komponenten im Saft < 750 mg/L zu vermuten.

Der in der Berechnung eingesetzte, für die chemische Analyse von Orangensäften gemäß

RSK (VdF - Verband der deutschen Fruchtsaftindustrie e.V., Bonn) angegebene Richt-

wert, war damit zu hoch. Das angenommene Ergebnis stimmte hierbei mit Angaben von

Galensa und Hermann (1980) überein, die für Handels-Orangensäfte nach der HPLC-

Analyse nur etwa 300-600 mg Hesperidin pro Liter bestimmten und den von Davis ange-

gebenen Richtwert ebenfalls für zu hoch befanden. In jedem Fall war Ascorbinsäure,

aufgrund der vorliegenden Messwerte, als Hauptkomponente für die antioxidative Aktivität

des Saftes anzusehen. Wegen ihrer hohen Konzentration trug sie rund 64 % zur

gesamten antioxitativen Aktivität bei.

In den ersten Versuchen wurde die antioxidative Aktivität der Säfte direkt im Anschluss an

die Behandlung bestimmt (Abb. 21 A). Hierbei wurde für die bis zu 60 min bei 90°C ther-

misch und die bei 67°C akustisch-thermisch behandelten Proben keine Beeinträchtigung

der antioxidativen Aktivität festgestellt. Die gemessenen Werte schwankten von 2.11 bis

1.50 mmol Fremys-Salz pro Liter untersuchten Saft, ohne jedoch signifikannte Unter-

schiede zwischen den einzelnen Behandlungen aufzuzeigen.

In weiteren Versuchen, in denen die antioxidative Aktivität der gelagerten Saftproben

ermittelt wurde, konnten hingegen verfahrensbedingte Änderungen festgestellt werden

(Abb. 21 B). Nach 21tägiger Lagerung konnte für die 60 min bei 130°C thermisch behan-

INHALTSSTOFF FORMEL FW [g/mol] MENGE [Einheit] MITTELWERT SCHWANKUNG

AS C6H8O6 176.1 mg/l 350 -

Hesperidin C28H34O15 610.6 mg/l 750 500-1000

Tab. 10: Mengenangaben für L(+) Ascorbinsäure und Flavonoidglycoside berechnet als

Hesperidin (nach Davis) im Orangensaft (RSK, VdF - Verband der deutschen

Fruchtsaftindustrie e.V., Bonn)

Ergebnisse und Diskussion

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

delten Proben eine 14 ± 11%ige und für die 60 min bei 130°C akustisch-thermisch

behandelten Proben eine 44 ±10 %ige Reduktion gegenüber der Kontrollprobe gemessen

werden. Nach 35tägiger Lagerung war die Verminderung der antioxidativen Aktivität in

einem noch größeren Ausmaß feststellbar. Signifikante Unterschiede gegenüber der

Kontrollprobe konnten hier schon für die 10 min bei 130°C akustisch-thermisch

behandelten Proben festgestellt werden.

Wie aus Abb. 21 C erkennbar, konnte die Abnahme der antioxidativen Aktivität in den

Säften zu einem Großteil auf den Verlust der reduzierenden Wirkung von Ascorbinsäure

zurückgeführt werden. Die gefundenen Ergebnisse korrelierten hierbei mit den bei den

Gehaltsbestimmungen im Batch-System ermittelten Daten. Darin konnte nach 35tägiger

Lagerung in den mit zunehmender Intensität behandelten Proben auch eine zunehmende

Abnahme der Ascorbinsäurekonzentration gegenüber der Ausgangsprobe gemessen

werden. Ein Verlust der reduzierenden Wirkung der phenolischen Saftinhaltsstoffe trat in

vergleichbarer Weise ein (Daten nicht dargestellt).

Eine weiterführende Studie der Reduktion der antioxidativen Aktivität von thermisch und

kombiniert thermisch behandelten Proben wurde nicht durchgeführt, da sämtliche Proben,

die mit weniger als 5 min Behandlungszeit hergestellt wurden, keine signifikannten Unter-

schiede zur antioxitativen Aktivität der Kontrollprobe aufwiesen. Im Verlauf der 35tägigen

Lagerung konnten somit auch keine Unterschiede, bei den zur Keiminaktivierung in der

Versuchsanlage angewendeten Behandlungsintensitäten, festgestellt werden. Die exem-

plarisch vorgestellten Ergebnisse konnten nur zeigen, dass eine massive Abnahme der

antioxidativen Wirksamkeit der Säfte bei extremen Prozessbedingungen prinzipiell

herbeigeführt werden kann.

Reaktionsweg der L(+) Ascorbinsäure mit freien Radikalen R•.

OH OH

RRH

OOH

OH O

O O

Ascorbinsäure

Dehydroascorbinsäure

(28)

Ergebnisse und Diskussion

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4.3.4 Sensorik

Zur Auswertung der in der 1., 3. und 5. Lagerungswoche durchgeführten erweiterten Drei-

ecksprüfung wurden in Abbildung 24 und den Tabellen des Anhang A10 sämtliche Anga-

ben der Prüfpersonen getrennt nach den Merkmalsgruppen Geschmack, Farbe und

Geruch zusammengestellt. Die Tabellen enthalten die Angabe der abweichenden Einzel-

probe, die Angabe zur Bevorzugung und eine Kurzbeschreibung der Einzel- bzw. Doppel-

probe für alle untersuchten Probensätze. Weiterhin sind Anzahl- und Prozentangaben

richtiger und falscher Antworten sowie der Bevorzugung für eine statistische Auswertung

des Gruppenergebnisses aufgeführt.

Im folgenden wird anhand der Daten in Kurzform auf die Frage nach der abweichenden

Einzelprobe, auf die Frage nach der Bevorzugung und auf die Beschreibung der Einzel-

bzw. Doppelprobe zur Herausstellung möglicher Unterschiede zwischen thermisch und

akustisch-thermisch behandelten Proben eingegangen. Die Auswertung der Ergebnisse

auf die Frage nach der abweichenden Probe erfolgte dabei anhand der Signifikanztabelle

für die einfache Dreiecksprüfung.

Abb. 24:

Ergebnisse der Dreiecksprüfung thermisch (T) und akustisch-thermisch (UST) behandelter Oran-

gensaftproben. Angaben der Prüfpersonen zu den Merkmalen Geschmack, Farbe und Geruch.

(A) Behandlung nach der Verfahrensvariante I (Pasteurisation) mit Bezug auf die Inaktivierung

von L. acidophilus; F60 [s]: = 380 (T), F60 [s]: = 230 (UST). (B) Behandlung nach der Verfahrens-

variante II (Sterilisation) mit Bezug auf die Inaktivierung von B. stearothermophilus; F121.1 [s]: =

5400 (T), F121.1 [s]: = 3000 (UST). (Behandlungsdruck [MPa]: 0.35, Schallwellenamplitude [µm]:

55).

100

richtige Antworten [%]

Lagerzeit [Wochen]

T - UST (A)

T - UST (B)

Geschmac

Farbe Geruc

31 13

355

Ergebnisse und Diskussion

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Die Ergebnisse der Prüfung hinsichtlich einer geschmacklich abweichenden Probe waren

bei allen untersuchten Probendreiecken nicht signifikant. Aus keinem der vier dargereich-

ten Probensätze der 1., 3. und 5. Lagerungswoche konnte von mehr als drei Prüfern die

Einzelprobe bestimmt werden.

Für das Qualitätsmerkmal Farbe wurden in der 3. und 5. Lagerungswoche, mit Ausnahme

der im Probensatz 1 untersuchten Proben, sämtliche Einzelproben in den dargereichten

Probensätzen zu 100 % erkannt. Die im Probensatz 1 behandelten Einzelproben wurden

von sechs Prüfern zu 86 % erkannt. Nach der statistischen Auswertung sind somit die

farblich festgestellten Unterschiede im Probensatz 1 der 3. Lagerungswoche signifikant

und den übrigen Probensätzen der 3. und 5. Lagerungswoche sehr hoch signifikant. In

den Probensätzen der ersten Lagerungswoche konnten keine signifikanten Unterschiede

festgestellt werden.

Die festgestellten Unterschiede bei der Beurteilung des Geruches waren bei allen unter-

suchten Probendreiecken nicht signifikant. Aus keinem der vier dargereichten Proben-

sätze der 1., 3. und 5. Lagerungswoche konnte von mehr als drei Prüfern die Einzelprobe

bestimmt werden.

Die Befragung im Hinblick auf die Bevorzugung im Rahmen der erweiterten Dreiecksprü-

fung konnte bei den untersuchten Merkmalen Geschmack und Geruch nicht vorgenom-

men werden, da keine Unterschiede festgestellt wurden. Bei dem Qualitätsmerkmal Farbe

wurden ab der 3. Lagerungswoche von allen Prüfpersonen, die farbliche Unterschiede

zwischen Einzel- und Doppelproben feststellen konnten, die akustisch-thermisch behan-

delten Proben bevorzugt.

Die bloße Feststellung, daß sich die Proben signifikant unterscheiden und aufgrund der

festgestellten Unterschiede eine bevorzugte Auswahl vorgenommen wird, wird häufig als

zu allgemein und in dieser Form für die Praxis als wenig hilfreich erachtet. So sollte die

Beschreibung der Einzel- bzw. Doppelproben im Falle einer deutlichen Behandlungsaus-

wirkung dazu dienen, die aufgetretenen Produktveränderungen zu charakterisieren. Eine

Angabe über die Art der Unterschiede wäre dabei für nachfolgende Untersuchungen

richtungsweisend gewesen. Da es sich bei den Prüfpersonen um eine Laiengruppe

handelte wurden Begriffe vorgegeben.

Die Beschreibung der Einzel- bzw. Doppelproben im Hinblick auf die Merkmale

Geschmack und Geruch entfiel. Bei der Beschreibung des Merkmals Farbe wurden die

Farben der erkannten akustisch-thermisch behandelten Proben mit „heller“ charakterisiert.

Die farblich helleren Proben wurden darüber hinaus von allen Prüfern als natürlicher

empfunden.

4.3.5 Instrumentelle Farbmessung

Bei den im Labormaßstab an Orangensaft durchgeführten Untersuchungen konnten

sowohl in Folge einer thermischen als auch einer akustisch-thermischen Behandlung

quantitativ detektierbare Farbveränderungen festgestellt werden. Die Änderungen wurden

in Abhängigkeit der angewendeten Prozessintensitäten bei allen gemessenen Farbwerten

Ergebnisse und Diskussion

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

(L*, a*, b*) registriert, wobei mit zunehmender Intensität eine Farbentwicklung hin zu

Proben mit größerer Helligkeit und intensiverem Grün- und Gelbton gemessen wurde

(Abb. 25).

Für die höchstmögliche Intensitätsspanne (unbehandelte, maximalbehandelte Proben)

entwickelten sich die Farbwerte von a* = -5.11, b* = 25.43 und L* = 47.15 zu a* = -7.20, b*

= 27.41 und L* = 47.90 in den thermisch und von a* = -5.11, b* = 25.43 und L* = 47.15 zu

a* = -7.00, b* = 27.50 und L* = 49.13 in den akustisch-thermisch behandelten Proben. Die

Gesamtfarbveränderung, ∆E, wurde mit 2.97 für die thermisch und 3.43 für die kombiniert

behandelten Proben berechnet. Die eingetretenen Farbveränderungen wurden einerseits

auf die durch Maillard-Reaktionen und den Strecker-Abbau von Aminosäuren gebildete

Kondensationsprodukte (Hydroxymethylfurfural, α-Dicarbonyl-Verbindungen, Melanoidine)

und die durch Phenoloxidation entstandenen Melanine (Farbtöne) sowie andererseits auf

die Aufspaltung höherpolymerer Pigmente und die partielle Agglomeration und Ausfällung

suspendierter, unlöslicher Saftpartikel (Farbhelligkeit) zurückgeführt. Da sich die intensi-

tätsabhängige Farbentwicklung bei beiden Behandlungsvarianten in gleicher Weise

vollzog konnten keine behandlungsspezifischen Unterschiede festgestellt werden.

Bei den im Technikumsmaßstab durchgeführten Untersuchungen konnten infolge der

thermischen und der akustisch-thermischen Behandlung ebenfalls messbare Farbwertän-

derungen registriert werden. Wie auch in den Laborversuchen wurde gegenüber unbe-

handelten Proben eine Farbentwicklung hin zu Proben mit größerer Helligkeit und inten-

siverem Grün- und Gelbton gemessen (Abb. 26). Die Gesamtfarbveränderung betrug 1.55

(T) und 1.70 (UST) für Proben die nach der Verfahrensvariante I sowie 1.73 (T) und 2.30

(UST) für Proben die nach Verfahrensvariante II behandelt wurden. Im Vergleich

Abb. 25:

Räumlicher Farbänderungsverlauf (CIE L*, a*, b*) in thermisch (Ο) und akustisch-thermisch

() behandeltem Orangensaft in Abhängigkeit der angewendeten Prozesszeit (t [min]: 1 – 30

min). (Behandlungstemperatur T [°C]: 85, -druck [MPa]: 0.1, Schallwellenamplitude [µm]:

110).

Ergebnisse und Diskussion

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

zwischen thermisch und akustisch-thermisch behandelten Proben konnten zunächst keine

signifikannten Farbunterschiede gemessen werden.

Die Saftproben wurden anschließend während einer 35tägigen Lagerung farbmetrisch

untersucht. Lagerungsbedingt traten hierbei ebenfalls Farbwertänderungen bei allen

gemessenen Farbwerten (L*, a*, b*) auf. Die vollständige numerische Beschreibung der

Farbe ließ nun jedoch eine Verdunkelung der Proben (- L*) und eine Verschiebung der

Farbe hin zu Grün- (- a*) und Blautönen (- b*) erkennen. Als Ursache für die Farbent-

wicklung wurden Restaktivitäten des im Saft enthaltenen Phenolasekomplexes sowie

weiterhin von Aminosäuren, Zuckern und Eiweißen ausgehende Bräunungsreaktionen

vermutet. Die weitere Aufhellung der Proben durch Agglomeration und Ausfällung unlösli-

cher Saftinhaltsstoffe entfiel.

Abb. 26:

Farbänderung von Orangensaft nach thermischer (Ο) und ultraschall-thermischer

Verfahrensanwendung ( ) in der Pilotanlage und anschließender 35tägiger Lagerung. (A)

Behandlung nach der Verfahrensvariante I (Pasteurisation) mit Bezug auf die Inaktivierung

von L. acidophilus; F60 [s]: = 380 (T), F60 [s]: = 280 (UST). (B) Behandlung nach der

Verfahrensvariante II (Sterilisation) mit Bezug auf die Inaktivierung von B. stearothermophilus;

F121.1 [s]: = 5400 (T), F121.1 [s]: = 3000 (UST). (Behandlungsdruck [MPa]: 0.35,

Schallwellenamplitude [µm]: 55).

43.5

45.0

46.5

48.0

[L*]

[a*]

25.5

27.0

28.5

30.0

[b*]

014 28 42 014 28 42 014 28 42

Lagerzeit [Tagen]

-6.5

-5.0

-3.5

-8.0

43.

45.0

46.5

48.0

[L*]

[a*]

25.5

27.0

28.5

30.0

[b*]

-6.5

-5.0

-3.5

-8.0

Ergebnisse und Diskussion

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Bemerkenswert war, dass sich die Proben bezüglich der Farbtöne a* und b* in vergleich-

barer, im Hinblick auf die Farbhelligkeit jedoch in unterschiedlicher Weise entwickelten. Im

Vergleich zwischen den thermisch und akustisch-thermisch behandelten Proben betrugen

die größten gemessenen Abweichungen ∆ L* = 1.92, ∆ a* = 1.05, ∆ b* = 0.93 (Verfah-

rensvariante I) und ∆ L* = 3.92, ∆ a* = 0.97, ∆ b* = 0.93 (Verfahrensvariante II) gemessen

über den gesamten Lagerungszeitraum. Die Gesamtfarbveränderung betrug jeweils 2.53

(T) und 0.90 (UST) für Proben die nach der Verfahrensvariante I sowie 4.21 (T) und 1.66

(UST) für Proben die nach Verfahrensvariante II behandelt wurden. Die unterschiedlichen

Farbhelligkeitsentwicklungen wurden somit bei beiden Verfahrensanwendungen (Pasteu-

risation und Sterilisation) und dabei in Abhängigkeit der angewendeten Prozessintensität

festgestellt.

Der Vergleich der vorliegenden Messwerte zeigt, dass infolge der akustisch-thermischen

Behandlung nur eine gering wahrnehmbare (∆ L* < 1.5 ) und infolge der thermischen

Behandlung eine deutlich bis sehr deutlich wahrnehmbare (∆ L* > 1.5 bzw. 3.0 ) Farbhel-

ligkeitsänderung eintrat.

Ergebnisse und Diskussion

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4.4 Energieeffizienzanalyse

Zur Abschätzung des energetischen Einsparungspotentials das sich aus der möglichen

Temperaturabsenkung ergibt, wurde ein Vergleich des Gesamtenergieverbrauches von

thermischen und ultraschall-kombinierten Verfahrensanwendungen bei gleichem Inaktivie-

rungsergebnis vorgenommen (Abb. 27 und 28). Dazu wurde der reale Prozess, unter den

gegebenen Operationsbedingungen der Versuchsanlage, gegenüber dem idealen

(verlustfreien) Prozess bewertet.

Für den realen Prozess wurden zu diesem Zweck für die Erhitzungsstufen Enthalpie-

bilanzen aufgestellt und aus den gemessenen Betriebswerten (Temperaturdifferenzen von

Produkt- und Heizmedienstrom, aufgenommene Nennleistung der Schallquelle) die bei

der Erhitzung bzw. Hocherhitzung verbrauchte Wärme- und die bei der Schallwellenan-

wendung verbrauchte Elektroenergie ermittelt. Von Besonderheit war, dass die während

der Schallwellenbehandlung in Wärme dissipierte Schallenergie mit genutzt werden

konnte. Während der Versuche wurde keine Vorwärmung durch rücklaufendes, bereits

behandeltes Produkt vorgenommen, so dass für die Angabe von Verbrauchswerten mit

berücksichtigter Wärmerückgewinnung industrieübliche Prozentzahlen verwendet werden

können.

Die Energiewerte ohne Elektroenergieverbrauch zeigen, dass bei sämtlichen durchge-

führten Behandlungen zunächst Wärmeenergie eingespart werden konnte. Abhängig vom

Abtötungsergebnis wurde die Reduzierung des Verbrauchs bei der kontinuierlichen

Pasteurisationsbehandlung von E. coli DH 5 α um durchschnittlich 50 % festgestellt. Das

Einsparungspotential für die Behandlung von B. stearothermophilus betrug etwa zwischen

Abb. 27:

Spezifischer Gesamtenergieverbrauch zur thermischen (0 µm) und akustisch-

thermischen (55 µm, 110 µm) Inaktivierung von E. coli (1 log). (A) Batch-System

(Beschallungsvolumen 10 ml), (B) Ultraschallreaktor im Durchflussbetrieb. (--)

Thermischer Energieverbrauch.

120

240

100

200

300

400

500

600

120

240

100

200

300

400

500

600

120

240

100

200

300

400

500

600

120

240

100

200

300

400

500

600

120

240

100

200

300

400

500

600

120

240

100

200

300

400

500

600

120

240

100

200

300

400

500

600

120

240

100

200

300

400

500

600

120

240

100

200

300

400

500

600

E [kJ/kg]

T [°C] t [s]

110 µm

0 µm

55 µm

100

200

300

400

500

600

100

200

300

400

500

600

100

200

300

400

500

600

100

200

300

400

500

600

100

200

300

400

500

600

T [°C] t [s]

0 µm

55 µm

Ergebnisse und Diskussion

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

10 und 20 %. Der vergleichsweise hohe Elektroenergieaufwand, der aus der Ultraschaller-

zeugung resultiert, führte jedoch bei allen Pasteurisationsversuchen zu einem höheren

Gesamtenergieverbrauch, so dass hier, aus energiewirtschaftlicher Sicht, kein Vorteil aus

der Kombinationsbehandlung gewonnen werden konnte. Für die Behandlung der vegeta-

tiven Testkeime wurde zwischen 15 und 20 % und für die Behandlung der sporen-

bildenden Testkeime zwischen 8 und 15 % mehr Energie aufgewendet.

Abb. 28:

Beispiele für spezifische Energieverbräuche bei der thermischen und akustisch-

thermischen Inaktivierung in der Versuchsanlage. (A) Inaktivierung von E. coli, (B)

Inaktivierung von B. stearothermophilus. Bei den akustisch-thermischen Versuchen

wurde bei maximalem Schallenergieeintrag die zugeführte Wärmemenge variiert. Die

Ergebnisse entstammen Messungen bei optimalen Versuchseintellungen (V [l/h]: 20, V

[cm³]: 102.5).

100

150

200

250

300

100

200

300

400

500

600

0246 246

Elektroenergie

Wärmeenergie

Spezifischer Energieverbrauch [kJ/kg]

Log N/No [-]

KONVENTIONELLE ERHITZUNG KOMBINIERTE ERHITZUN

Zusammenfassung und Schlussfolgerung

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5 Zusammenfassung und Schlussfolgerung

Unter der Vorgabe der Entwicklung einer produktschonenden und energieeffizienten

Konservierungsmethode wurde die Wirksamkeit der Ultraschall unterstützten Prozessfüh-

rung zur Pasteurisierung und Sterilisierung flüssiger Lebensmittel untersucht. Unter

Vorrausetzung einer kontinuierlichen Arbeitsweise wurde die Kombinationsbehandlung für

Keimreduktionen in Modellösung sowie Orangensaft aus rückverdünntem Konzentrat

getestet. Das Vorhaben stützte sich dabei auf die Möglichkeit der Ausnutzung des syner-

gistischen Effektes von Ultraschall und Temperatur, durch den Bakterien aber auch

Bakteriensporen mit einer höheren Abtötungsrate inaktiviert werden können, als dies

durch die alleinige thermische Behandlung möglich ist.

Als Testkeime wurden Escherichia coli K12 DH 5

, Lactobacillus acidophilus und Bacillus

stearothermophilus mit Bezug auf wichtige Infektanten bei Frucht- und Gemüsesäften

aber auch Bier, Milch usw. eingesetzt. Die ausgewählten Organismen sollten sich im

Gramverhalten und in der Fähigkeit zur Sporenbildung unterscheiden.

Für den genannten Zweck wurde eine eigene, speziell für die Saftkonservierung konzi-

pierte Versuchsanlage gebaut. Die Anlage ermöglichte die Schallwellenbehandlung direkt

im Anschluß an die Hocherhitzung, die wahlweise mittels indirekter oder direkter Wärme-

übertragung realisiert werden konnte. Zur Auslegung wichtiger Anlagenaggregate und zur

späteren Auswertung der im kontinuierlichen System erzielten Ergebnisse konnten

zunächst batchweise durchgeführte Voruntersuchungen die zur Abtötung der Testkeime

notwendigen Betriebsdaten liefern. Als die bestimmenden Hauptfaktoren wurde der

Einfluss der Temperatur, der Schallwellenamplitude, des Behandlungsdruckes und der

Behandlungszeit sowie des umgebenden Mediums untersucht.

Die Konzeption und der Bau der Versuchsanlage erfolgte in Anlehnung an die Planungs-

aufgaben zur Planung und Abwicklung verfahrenstechnischer Anlagen (Festlegung des

Produktionsganges, Fliessbildentwurf etc.), unter Berücksichtigung der für die Inaktivie-

rung der Testkeime notwendigen Prozessabhängigkeiten. Die Auslegung wurde für einen

Gesamtvolumenstrom von 20-200 l/h, einen Druck von 0.1 - 0.5 MPa und einer Tempe-

ratur von ca. 50 - 150 °C vorgenommen.

Um einen energieeffizienten Ablauf der Kombinationsbehandlung zu gewährleisten, war

geplant einen, hinsichtlich des Reaktionsvolumens, optimierten Ultraschallreaktor zu

konstruieren. Zu diesem Zweck wurden Hydrophonmessungen dazu eingesetzt, die

verwendete Schallquelle näher zu charakterisieren. Neben Aussagen zur Schallabstrah-

lung und –leitung konnte bei verschiedenen Leistungseinstellungen des Hochleistungs-

wandlers die genutzte Ultraschalleistung, die Schalldruckverteilung und auf indirektem

Wege die räumliche Ausdehnung der erzeugten Kavitationsblasenwolke bestimmt

werden. Weiterhin wurde das Verweilzeitverhalten des Reaktors untersucht. Mit Hilfe der

gemessenen Schalldruck- und Verweilzeitverteilungen wurde eine Optimierungsrechnung

durchgeführt. In dieser wurde die mögliche dezimale Keimreduktion in Abhängigkeit des

Volumenstromes, des Reaktorvolumens und des spezifischen Energieeintrages ermittelt.

Basierend auf den Ergebnissen wurde die Reaktorlänge, als zweite noch fehlende Rand-

bedingung des Reaktorvolumens, festgelegt.

Zusammenfassung und Schlussfolgerung

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Nach dem Bau der Versuchsanlage wurde mit der Erprobung der verbesserten Keiminak-

tivierung in dem für die Praxis relevanten Durchflussbetrieb begonnen. Die Anwendung

erfolgte in gepufferter Modellösung. Für den Vergleich zwischen konventioneller und

ultraschall-kombinierter Erhitzung wurde neben dem Verfahrenseffekt auf die Testkeime

die thermische Wirksamkeit der durchgeführten Behandlungen bestimmt. Erst hierdurch

konnten Aussagen zur Reduzierbarkeit des Temperaturniveaus oder aber der Behand-

lungsdauer gewonnen werden. Die Bestimmung erfolgte mit Hilfe des zur Beurteilung von

Sterilisationsverfahren eingesetzten F-Wertes, zu dessen Berechnung der in den Vorver-

suchen ermittelte z-Wert der Testorganismen und die gemessene mittlere Temperatur-

Verweilzeit-Funktion der durchgeführten Behandlungen eingesetzt wurden.

Nach der Findung geeigneter Arbeitsbedingungen konnte eine verbesserte Keimabtötung

bei allen Testkeimen auch in der kontinuierlich durchströmten Versuchsanlage festgestellt

werden. Dies zeigte sich, nachdem zum sicheren Nachweis des Kombinationseffektes,

die Ergebnisse der Keimzahlbestimmungen den thermischen Wirkungsanteilen (F-

Werten) der durchgeführten Behandlungen gegenübergestellt wurden. Die Quantifizierung

des eingetretenen Effektes war im Hinblick auf die Reduzierung des Temperaturniveaus

oder auf die Verkürzung der Behandlungsdauer in Bezug auf einen Referenzprozess, der

bei einer konstanten Temperatur durchzuführen ist, möglich. Unter den gegebenen expe-

rimentellen Bedingungen wurde festgestellt, daß bei den isothermen Prozessen bei 60°C

(Pasteurisation) und bei 121.1°C (Sterilisation), das Temperaturniveau um bis zu 7.3 ± 1.2

% (E. coli K12 DH 5

), 3.0 ± 0.7 % (L. acidophilus) bzw. 3.4 ± 0.3 % (B. stearothermo-

philus) gesenkt oder aber die Prozeßzeiten um 65.0 ± 19.8 % (E. coli K12 DH 5

), 41.6 ±

12.8 % (L. acidophilus) bzw. 47.0 ± 9.1 % (B. stearothermophilus) verkürzt werden

konnten.

Die Kombinationsbehandlung wurde anschließend hinsichtlich der Auswirkung auf wich-

tige sensorische und ernährungsphysiologische Qualitätsmerkmale von behandeltem

Orangensaft geprüft. Erwünschte und unerwünschte verarbeitungstechnologische Verän-

derungen wurden mittels eines sensorischen und instrumentellen Prüfverfahrens sowie

auf analytischem Wege anhand ausgewählter Leit- bzw. Indikatorsubstanzen untersucht.

Neben der Bewertung des Saftes hinsichtlich des Geschmackes, der Farbe und des

Geruches wurden, zum Nachweis einer möglichen oxidativen Schädigung, Untersuchun-

gen zum Einfluss auf den L-Ascorbinsäuregehalt, die verfahrensbedingte Radikalbildung

und schließlich auf die antioxitative Aktivität durchgeführt. Die Untersuchungen fanden

entweder direkt nach der Behandlung oder im Verlauf einer sich an die Behandlung

anschließenden 35tägigen Lagerzeit statt.

Vergleicht man die Ergebnisse aus den verschiedenen Analysen, so zeigt sich, dass sich

infolge der thermischen und akustisch-thermischen Verfahrensanwendungen, verarbei-

tungstechnisch bedingt, unterschiedliche Saftqualitäten ergaben. Diese wurden, abgese-

hen von den im Labormaßstab durchgeführten Untersuchungen, nicht unmittelbar nach

den Behandlungen sondern erst im Verlauf der sich an die Behandlungen anschließenden

Lagerung festgestellt. Es konnte nachgewiesen werden, dass die akustisch-thermisch

behandelten Säfte mit verbesserten Lagerungseigenschaften im Hinblick auf einen redu-

Zusammenfassung und Schlussfolgerung

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

zierten Ascorbinsäureabbau und eine erhöhte Stabilität der Farbhelligkeit hergestellt

werden konnten.

L-Ascorbinsäure ist in dem Zusammenhang für den Erhalt von wertgebenden Saftinhalts-

stoffen von Bedeutung. Durch die Reduktion primär gebildeter o-Chinone verzögert sie z.

B. Folgereaktionen zu Melanoidinen (enzymatische Bräunung) und übt somit eine

Schutzfunktion auf phenolische Saftkomponenten (Bioflavonoide, z. B. Hesperidin) aus.

Aufgrund derselben Fähigkeit liegt die weitere Bedeutung der Säure auch in der mehr

oder weniger starken Ausfärbung von Säften.

Die verfahrensbedingten Gehaltsunterschiede an L-Ascorbinsäure wurden hauptsächlich

auf die unterschiedliche enzymkatalysierte Autoxidation der Säure zurückgeführt. Der

beschleunigte oder verlangsamte oxidative Abbau kann hierbei, aufgrund der geringen

thermischen Behandlungsunterschiede, auf die spezifische Wirkung des Ultraschalls

zurückgeführt werden. Wegen der festgestellten hohen Resistenz der L-Ascorbinsäure

gegenüber Schallwellen wurde von einer indirekten Einflussnahme, z. B. über das am

Abbau der Säure beteiligte Enzym Ascorbatoxidase, ausgegangen.

Bei der Anwendung der ultraschall-kombinierten Prozessführung können hierbei neben

biologischen, d. h. enzyminaktivierenden Effekten (Kuldiloke, 2002) auch physikalische

Wirkungen eine Rolle gespielt haben. So führte die Beschallung der Saftproben zu einer

messbaren Sauerstoffabnahme etwa in der Größenordnung von 4-5 mg/l und somit

nachweislich zu einer, durch gleichgerichtete Diffusion hervorgerufenen, Entgasung. Als

Folge der Sauerstoffreduktion können in den akustisch-thermisch behandelten Säften, die

unter Beteiligung von Luftsauerstoff verstärkt ablaufenden Oxidationsprozesse gehemmt

bzw. verlangsamt worden sein.

Die gemessenen Farbhelligkeitsunterschiede wurden ebenfalls auf die enzyminaktivie-

rende oder entgasende Wirkung des Ultraschalls zurückgeführt. Im Vergleich zwischen

thermisch und akustisch-thermisch behandelten Säften waren die festgestellten Unter-

schiede in den nach der Verfahrensvariante I (Pasteurisation) konservierten Säften deutli-

cher. Zwar sollten die safteigenen Enzyme bereits bei der Konzentratherstellung weitge-

hend inaktiviert sein, jedoch ist nicht bekannt, welche Restanteile an Enzymen unter den

herrschenden Lagerbedingungen weiter wirksam sind und ob sich diese in den rückver-

dünnten Säften regenerieren. Da die D- und z-Werte bei den daran anschließenden

Pasteurisationsprozessen niedrig sind, ist gerade hier der weiterführende Abbau von

Enzymen unvollständig.

Die bei der instrumentellen Farbanalyse festgestellten Farbveränderungen bestätigten

hierbei die in der sensorischen Prüfung erhaltenen Ergebnisse. Der Farbhelligkeitserhalt

wurde hier als eindeutig positiv bewertet. Gelagerte thermisch behandelte Säfte wurden

hingegen als unnatürlich dunkel und damit als nicht ansprechend bzw. inakzeptabel

eingestuft.

Ein messbarer Einfluss auf die antioxidative Aktivität der Säfte konnte bei den zur

Keiminaktivierung notwendigen Behandlungsintensitäten nicht festgestellt werden.

Für die abschließende Energiebezogene Prozessbewertung wurde ein Vergleich des

Gesamtenergieverbrauches von thermisch und akustisch-thermischen Verfahrensanwen-

dungen mit gleichem Inaktivierungsergebnis vorgenommen.

Zusammenfassung und Schlussfolgerung

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

In den energiewirtschaftlichen Untersuchungen konnte ein geringerer Energieverbrauch

für die ultraschall-unterstützte Verfahrensanwendung nicht bestätigt werden. Zwar konnte

der Aufwand an Wärmeenergie beträchtlich reduziert werden jedoch ergab sich wegen

des hohen Verbrauches an elektrischer Energie zur Ultraschallerzeugung ein deutlich

höherer Gesamtenergieverbrauch.

Mit der Herstellung eines mikrobiell stabileren Saftes ist der Anwendungsbereich der

ultraschallkombinierten Behandlung noch nicht erschöpft. Den Ergebnissen zufolge

ermöglicht die getestete Behandlung weiterhin rückverdünnten Orangensaft mit einem

höheren Genusswert herzustellen. Hierbei können neben der Ausnutzung des synergisti-

schen Effektes, d. h. der Temperaturabsenkung und/oder der Prozesszeitverkürzung auch

spezifische Ultraschallwirkungen, wie z. B. die durch gleichgerichtete Diffussion hervorge-

rufene Entgasung, eine nicht zu unterschätzende Rolle spielen.

Die Anwendung kann hierbei ohne aufwendige Umstrukturierung des bisherigen

Betriebsablaufes durch die Integration der Ultraschalltechnik in bereits vorhandene Anla-

gensysteme umgesetzt werden. Für den praktischen Einsatz können die in den Laborver-

suchen und die in der kontinuierlich arbeiteten Versuchsanlage angewendeten Prozess-

parameter als Scale-up bzw. Dimensionierungsempfehlungen verwendet werden. Die

Frage, ob eine Verkürzung der Prozesszeit oder die Erniedrigung des Temperaturniveaus

günstiger ist, kann nicht ohne weiteres beantwortet werden. Beide Strategien finden

gleichsam ihre Berechtigung. Die Entscheidung für eine der beiden hängt dabei von reak-

tionskinetischen Faktoren (Abbaukinetik der zu schützenden wertgebenden Substanz)

sowie von verfahrenstechnischen Faktoren ab.

6 Ausblick

Wegen des grossen Potentials der Ultraschallanwendungen in der Verfahrenstechnik sind

in den vergangenen Jahren Schallgeber entwickelt worden, die sich für zukünftige

Einsätze auch bei Pasteurisations- oder Sterilisationsprozessen sehr gut eignen. Ihre

Verwendung erfordert jedoch in jedem Fall eine Optimierung bei der Auslegung der zuge-

hörigen Ultraschall-Reaktoren. Hierbei müssen Schallgeber und Reaktor in geeigneter

Weise aufeinander abgestimmt sein, um ein Höchstmaß an Wirksamkeit zu erreichen.

Schallreaktoren mit Stabsonotrode, deren vielseitige Verwendungsmöglichkeiten auf

einen weiten nutzbaren Bereich der Schallwellenamplitude basieren, haben für die

genannte Anwendung die größte Bedeutung. Die Berechnung und das Scale-Up dieser

Schallreaktoren ist jedoch nicht zufriedenstellend gelöst. Dies gilt insbesondere für Reak-

toren mit freier Anströmung in denen komplexe Wechselwirkungen zwischen Fluidbewe-

gung und Schallfeld eine Vorausberechnung des Reaktorverhaltens erschweren. Die

Beschaffenheit des Schallfeldes hängt hierbei unter anderem von der Ausbreitungsrich-

tung der Schallwellen in Bezug auf die Strömungsrichtung des Fluids ab. Die Auslegung

der Reaktoren erfolgt deshalb, auch in der industriellen Praxis, meist nur auf der Grund-

lage experimenteller Untersuchungen, d. h. empirischer Korrelationen, oder gegebenfalls

Zusammenfassung und Schlussfolgerung

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

mittels vereinfachter makroskopischer Modellansätze. Besonders bei diesem Vorgehen ist

das Scale-up, selbst bei vorhandener Erfahrung, mit großen Unsicherheiten verbunden,

da sich das erzeugte Schall- bzw. Kavitationsblasenfeld bei einer Maßstabsvergrößerung

völlig unterschiedlich verhalten kann. Die Auslegung und das Scale-up müssen deshalb in

der Regel über mehrere Zwischenstufen erfolgen.

Die beschriebene Situation legt nahe, dass eine sinnvolle Reaktorauslegung nur auf der

Grundlage fundamentaler Reaktormodelle erfolgen kann. Solche Reaktormodelle sind

derzeit Gegenstand vieler Forschungsanstrengungen. Sie müssen die verschiedensten

Teilphänomene im Kavitationsblasenfeld im jeweils notwendigen Detailierungsgrad

berücksichtigen. Zu den in dieser Arbeit genannten Phänomenen der Kollapsfrequenz, -

dichte und -intensität existieren zwar eine Vielzahl von Untersuchungen, diese wurden

jedoch bisher noch nicht zu geeigneten Gesamtmodellen integriert.

Anhang

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Anhang A1

Versuchsanlage:

Bilanzgleichungen für Wärmeübertrager und Dampfinjektor

Anhang A2

Versuchsanlage:

Eingesetzte Reaktoren zur akustisch-thermischen Behandlung.

zu QQ

VP1P2PPK1K2KDD h)TT(cm)]TT(cr[m +−

⋅

−

⋅

VP1P2PPH1H2HH h)TT(cm)TT(cm +−

⋅

−

⋅

Injektorbilanz:

Wärmeübertragerbilanz:

Abb. 29: Eingesetzte Versuchsreaktoren zur akustisch-

thermischen Behandlung im Durchflussbetrieb.

(A) 24.7 cm³, (B) 102.5 cm³. (1) Mantelrohr, (2)

Sonotrode.

∅ 30

∅

145

Anhang

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Anhang A3

Ultraschallreaktor:

Betriebsverhalten des im Versuchsreaktor eingebauten Schallwandlers.

Anhang A4

Ultraschallreaktor:

Betriebsverhalten des im Versuchsreaktor eingebauten Schallwandlers.

300

400

500

600

700

800

900

UIP-Leistung [W]

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Systemüberdruck [MPa]

30°C

85°C

Abb. 30:

Temperatur und Druck haben einen

entscheidenden Einfluss auf die

Eingekoppelte Schalleistung von

Ultraschallprozessoren und müssen

daher bei Verfahrensanwendungen, bei

denen es auf einen konstanten

Schalleintrag ankommt, berücksichtigt

werden. Dargestellt sind Leistungs-

kurven, die mit dem industriellen

Ultraschallprozessor UIP 1000 bei der

Behandlung von entmineralisiertem

Wasser aufgenommen wurden. (A) gibt

den momentanen Leistungsabfall durch

die Temperierung der beschallten

Flüssigkeit auf 85°C wieder.

y [µm]

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20

r [m]

Abb. 31:

Verlauf der Schallwellenamplitude in Ab-

hängigkeit vom Abstand l von der So-

notrodenoberfläche. ( ) Experimentelle

Werte, (-) Werte nach Gleichung 20.

Anhang

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Anhang A5

Ultraschallreaktor:

Parameter der Kurvenanpassung aus 4.1.3.

Volumen

V [cm³]

Volumenstrom

V [l/h]

Mittl. Verweilzeit

τ [s]

Parameter

A [-]

Reg.-Koeff.

r²

Ouadr.-Summe

SS [-]

Inak.

log(N/No) [-]

10 6.36 2.36 0.937 0.271 -0.04

20 3.18 2.35 0.951 0.985 -0.02

30 2.12 2.34 0.964 1.649 -0.01

10 13.99 2.45 0.968 1.853 -0.21

20 6.99 2.41 - -0.06

30 4.66 2.36 - -0.03

40 3.49 2.34 - -0.02

50 2.79 2.32 - -0.01

10 21.63 2.62 0.980 2.465 -0.38

20 10.81 2.56 - -0.15

30 7.21 2.50 - -0.06

40 5.41 2.46 - -0.03

50 4.32 2.42 - -0.02

60 3.60 2.39 0.963 1.598 -0.02

10 29.26 2.92 0.975 2.210 -0.53

20 14.63 2.77 - -0.24

30 9.75 2.68 - -0.11

40 7.31 2.60 - -0.06

50 5.85 2.53 - -0.04

60 4.87 2.51 0.964 1.649 -0.03

10 36.89 3.32 0.977 2.312 -0.65

20 18.44 3.10 0.961 1.496 -0.33

30 12.29 2.95 0.957 1.292 -0.17

40 9.22 2.87 0.978 2.363 -0.10

50 7.37 2.75 0.941 0.475 -0.06

102

60 6.14 2.72 0.958 1.343 -0.04

Tab. 11:

Parameter und Kenndaten der Anpassung der Modellfunktion 21 (Thermische Behandlung).

Anhang

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Volumen

V [cm³]

Volumenstrom

V [l/h]

Mittl. Verweilzeit

τ [s]

Parameter

A [-]

Reg.-Koeff.

r²

Ouadr.-Summe

SS [-]

Inak.

log(N/No) [-]

10 6.36 2.31 0.966 1.751 -0.11

20 3.18 2.30 0.967 1.802 -0.03

30 2.12 2.26 0.962 1.547 -0.02

10 13.99 2.45 0.968 1.853 -0.47

20 6.99 2.42 - - -0.14

30 4.66 2.39 - - -0.06

40 3.49 2.37 - - -0.04

50 2.79 2.30 - - -0.03

10 21.63 2.27 0.976 2.261 -0.69

20 10.81 2.71 - - -0.29

30 7.21 2.65 - - -0.14

40 5.41 2.60 - - -0.09

50 4.32 2.50 - - -0.06

60 3.60 2.45 0.965 1.700 -0.04

10 29.26 3.13 0.981 2.516 -0.91

20 14.63 3.03 - - -0.43

30 9.75 2.91 - - -0.25

40 7.31 2.74 - - -0.15

50 5.85 2.69 - - -0.10

60 4.87 2.62 0.962 1.547 -0.07

10 36.89 3.84 0.982 2.567 -1.10

20 18.44 3.52 0.965 1.700 -0.61

30 12.29 3.24 0.967 1.802 -0.36

40 9.22 3.10 0.961 1.496 -0.23

50 7.37 2.88 0.955 1.189 -0.15

102

60 6.14 2.80 0.963 1.598 -0.11

Tab. 12:

Parameter und Kenndaten der Anpassung der Modellfunktion 21 (Ultraschall-kombinierte

Behandlung).

Anhang

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

A( 22 V)V(b1/V)V(c)V(a)V,V(A ⋅+⋅+= &&&&

Thermische Behandlung

8642 V1eV1dV1cV1b1a)V(a ⋅+⋅+⋅+⋅+=

8642 V2eV2dV2cV2b2a)V(b ⋅+⋅+⋅+⋅+=

8642 V3eV3dV3cV3b3a)V(c ⋅+⋅+⋅+⋅+=

a b c d e

1 2.3182 -1.7e-004 -7.5e-008 -2.8e-0012 -2.4e-015

2 -4.3e-005 6.4e-008 -1.4e-011 -6.1e-015 2.0e-018

3 -9.6e-006 1.8e-007 -6.2e-011 -9.3e-015 4.9e-018

Ultraschall-thermische Behandlung

V1a)V(a ⋅=

)Vln(V2eV2dV2cV2b2a)V(b 5.05.22 ⋅⋅+⋅+⋅+⋅+=

)Vln(3eV3dV3cV3b3a)V(c 235.1 ⋅+⋅+⋅+⋅+=

a b c d e

1 2.533 -0.042 - - -

2 0 5.7e-004 -6.7e-006 4.5e-007 7.2e-004

3 0 1.3e-003 -1.2e-004 3.3e-008 1.7e-003

)!1A/(11A −=

322 )V,V(A4f)V,V(A4d)V,V(A4b1/)V,V(Ag)V,V(A4e)V,V(A4c4a)V,V(1A &&&&&&& ⋅+⋅+⋅+⋅+⋅+⋅+=

a b c d e f g

2.348 0.195 -0.858 -0.195 0.105 0.051 0.004

Tab. 13:

Parametergleichungen und zugehörige Parameter der Kurvenanpassung für die Berechnung

in 4.1.3.

Anhang

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Anhang A6

Keiminaktivierung:

Tab. 14: Kinetische Kenndaten der Testorganismen und Parameter der Geradenanpas-

sung für thermische und akustisch-thermische Behandlungen (Schallwellenamplitude

[µm]: 110).

Test-

Keim System Prozess / T [ C] k [1/s] E

[kJ/mol] r [-] D-Wert [s] D-Wert-Gleichung r [-] z-Wert [ C]

T / 56 0.0031 0.993 323.3

T / 60 0.0182 0.991 84.6

T / 64 0.0452 0.983 22.1

T / 68 0.1724

312.4

0.943 5.8

Log(D) = 10.659 - 0.146 T 1.000 6.9

UST / 48 0.0079 0.990 126.2

UST / 52 0.0139 0.991 71.7

UST / 56 0.0246 0.983 40.7

UST / 60 0.0433

126.0

0.991 23.1

Log(D) = 5.051 - 0.061 T 1.000 16.3

T / 52 0.0007 0.940 1460.0

T / 54 0.0015 0.984 684.6

T / 56 0.0031 0.907 320.9

T / 60 0.0142

464.0

0.918 70.5

Log(D) = 11.719 - 0.164 T 1.000 6.1

UST / 52 0.0020 0.954 498.0

UST / 54 0.0037 0.992 270.4

UST / 56 0.0068 0.951 146.9

UST / 60 0.0231

275.2

0.958 43.3

Log(D) = 9.592 - 0.133 T 1.000 7.5

T / 52 0.0007 0.976 1347.0

T / 54 0.0017 0.971 581.9

T / 56 0.0039 0.993 252.4

T / 60 0.0211

383.1

0.961 47.3

Log(D) = 12.584 - 0.182 T 1.000 5.5

UST / 52 0.0023 0.985 432.0

UST / 54 0.0045 0.992 223.8

UST / 56 0.0087 0.968 115.0

UST / 60 0.0322

296.9

0.964 31.1

Log(D) = 10.063 - 0.143 T 1.000 7.0

T / 115 0.0005 - 2200.0

T / 120 0.0015 - 680.0

T / 125 0.0047 - 213.0

T / 130 0.0179

310.0

-56.0

Log(D) = 15.685 - 0.107 T 0.998 9.3

UST / 115 0.0015 - 685.8

UST / 120 0.0041 - 249.5

UST / 125 - - -

UST / 130 0.0400

284.6

-25

Log(D) = 13.946 - 0.096 T 0.999 10.4

B. stearothermophilus E. coli K12 DH 5

L. acidophilus

Phosphat-Puffer pH 7 Orangensaft pH 3.7 Phosphat-Puffer pH 7

Phosphat-Puffer pH 7

k/2.303

[1/s]

experimentell

Anhang

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Anhang A7

Keiminaktivierung:

Einfluss der Schallwellenamplitude auf die Inaktivierungsreaktion der Testkeime E. coli K

12 DH 5

und L. acidophilus. (Behandlungsvolumen [ml]: 10, Absolutdruck [MPa]: 0.1,

Medium: Phosphat-Puffer pH 7).

Keiminaktivierung:

Einfluss der Schallwellenamplitude auf die Inaktivierungsreaktion des Testkeims E. coli K

12 DH 5

bei einem Absolutdruck von 0.45 MPa. (Behandlungsvolumen [ml]: 10, Me-

dium: Phosphat-Puffer pH 7).

D-Wert-Gleichung

Log(D)=n-m⋅T

Testkeim Parametergleichung

n m

E. coli K 12 DH 5

n1=exp(2.232-4.956⋅10-3⋅y) m1=exp(-2.089-5.688⋅10-3⋅y)

L. acidophilus n2=exp(2.455-1.814⋅10-3⋅y) m2=exp(-1.815-1.894⋅10-3⋅y)

Tab. 15:

D-Wert- und Parametergleichung zum Einfluss der Schallwellenamplitude auf die

Inaktivierun

sreaktion der Testkeime E. coli K 12 DH 5

und L. acido

hilus.

Testkeim Parametergleichung

n m

E. coli K 12 DH 5

n1=exp(2.357-1.106⋅10-3⋅y) m1=0.146

Tab. 16:

Parametergleichung zum Einfluss der Schallwellenamplitude auf die Inaktivie-

rungsreaktion des Testkeims E. coli K 12 DH 5 bei 0.45 MPa Absolutdruck.

Anhang

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Anhang A8

Radikalbildungsaktivität: Zur Abschätzung der getrappten Radikalkonzentration.

Anhang A9

Sensorik: Symbolik in den Gruppenprotokollen

Abb. 32: Eichgerade und Regressionsgleichung zur Bestimmung der getrappten

Radikalkonzentration.

Signalintensität * 10 [-]

0 3 6 9 12 15

c * 10 [mM]

Y = 0.638253 + 1.28026X

EMS = 0.0271947

= 1.000

-3

FeSO

Symbol

Bemerkung

als Einzelprobe richtig erkannt

als Einzelprobe nicht erkannt 1

Bevorzugung

(Geschmack = feiner, Farbe = heller, Geruch = schwach aromatisch)

Bevorzugung

(Geschmack = kräftiger, Farbe = dunkler, Geruch = stark aromatisch)

keine Angabe der Bevorzugung

1 wurde die Probe nicht erkannt, so konnte die Bevorzugung nicht gewertet werden

fehlende Angaben der Prüfpersonen wurden als falsch gewertet

Tab. 17: Verwendete Symbolik in den Gruppenprotokollen der erweiterten

Dreiecksprüfung.

Anhang

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Anhang A10

Gruppenprotokolle der erweiterten Dreiecksprüfung

Merkmal Geschmack

Probensatz / Proben -Nr. / Behandlung

Lagerzeit

[Wochen]

Prüfer-

Nr. Verfahrensvariante I Verfahrensvariante II

1 2 1 2 Ergebnis

Prüfer

212 473 018 311 810 004 502 671 282 081 724 309 r %

T UST UST UST T T T UST UST UST T T

-018

-810

+502

-724

-018

-810

-671

-309

-018

-004

-282

-724

-473

+311

/ /

-282

-473

-004

-671

+081

/ /

+212

-810

-282

-724

+212

O O

-810

+502

-724

-5

-6

-5

28,6

71,4

14,3

85,7

28,6

85,7

14,3

85,7

14,3

28,6

14,3

-473

+311

/ /

-671

-309

-018

-810

-671

+081

O O

-018

-004

-282

-724

-018

-004

+502

-724

-473

-810

+502

-309

-018

-810

-282

-309

-018

+311

-671

-309

-7

-5

-6

100

28,6

71,4

28,6

71,5

14,3

85,7

14,3

28,6

14,3

-018

-810

+502

-309

-018

+311

-309

+212

+311

+081

-018

+311

-309

+212

-004

-724

-473

-810

-724

-473

-004

+502

+081

X X

-5

-4

-5

28,6

71,4

42,9

57,1

28,6

71,4

28,6

71,4

28,6

42,9

28,6

14,3

Tab. 18: Angaben der Prüfpersonen zum Untersuchungsmerkmal Geschmack

Anhang

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Merkmal Farbe

Probensatz / Proben -Nr. / Behandlung

Lagerzeit

[Wochen]

Prüfer-

Nr. Verfahrensvariante I Verfahrensvariante II

1 2 1 2 Ergebnis

Prüfer

212 473 018 311 810 004 502 671 282 081 724 309 r %

T UST UST UST T T T UST UST UST T T

+212

-810

-671

+081

/ /

+212

-810

-671

-309

-018

-004

-282

+081

-018

+311

/ / O

+502

-282

-309

-473

+311

-724

-473

-810

+502

/ /

-282

-724

-018

-810

-724

-5

28,6

71,4

28,6

71,4

28,6

71,4

28,6

71,4

28,6

14,3

+212

+311

+502

+081

100

-018

+311

+502

+081

+212

+311

+502

+081

+212

+311

+502

+081

100

+212

+311

+502

+081

100

+212

+311

+502

+081

100

+212

+311

+502

+081

100

-1

85,7

14,3

100

85,7

100

+212

+311

+502

+081

100

+212

+311

+502

+081

100

+212

+311

+502

+081

100

+212

+311

+502

+081

100

+212

+311

+502

+081

100

+212

+311

+502

+081

100

+212

+311

+502

+081

100

Tab. 19: Angaben der Prüfpersonen zum Untersuchungsmerkmal Farbe

Anhang

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Merkmal Geruch

Probensatz / Proben -Nr. / Behandlung

Lagerzeit

[Wochen]

Prüfer-

Nr. Verfahrensvariante I Verfahrensvariante II

1 2 1 2 Ergebnis

Prüfer

212 473 018 311 810 004 502 671 282 081 724 309 r %

T UST UST UST T T T UST UST UST T T

-473

-004

-282

+081

/ /

-018

+311

/ /

-282

-309

-018

-004

-282

-309

+212

-004

-671

-724

-018

-004

-671

-309

-473

-810

+502

-724

+311

-810

-282

-724

-6

-5

-6

14,3

85,7

28,6

71,4

14,3

85,7

14,3

85,7

14,3

-018

-810

-671

-724

-018

-004

-282

-724

-018

+311

/ /

-282

-309

+212

/ /

-004

-282

-309

-473

-004

+502

/ /

-309

+212

/ /

-004

-282

-309

-473

-810

-671

+081

/ /

-5

-6

-5

-6

28,6

71,4

14,3

85,7

14,3

85,7

14,3

85,7

-018

+311

-282

-724

-018

-810

-282

-309

-810

-671

-724

-018

-810

+502

/ /

-309

-473

-004

-282

-724

-473

-810

-671

-724

-018

-004

-671

-309

-7

-6

-5

-7

100

14,3

85,7

14,3

85,7

100

14,3

Tab. 20: Angaben der Prüfpersonen zum Untersuchungsmerkmal Geruch

Anhang

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Anhang A11

Instrumentelle Farbmessung:

Feststellbare Farbunterschiede des CIELAB-Systems

∆ (L*, a*, b*)

0,2

0,2 - 0,5

0,5 -1,5

1,5 - 3,0

3,0 - 6,0

nicht wahrnehmbar

sehr gering

gering

deutlich

sehr deutlich

(L*100 = weiß, a*+ = rot, b*+ = gelb)

Anhang A12

Wichtige schalltechnische Größen

Wasser Luft kavitierendes

Wasser

α0/f2 [s2/m] 2.4⋅10-14 2.5⋅10-11 1.8⋅10-8

k [1/m] 0.08 0.36 2.51

c [m/s] 1483 344 50

Literaturverzeichnis

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

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Veröffentlichungen

Artikel

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und Verpackungstechnik, 44(4), 189-192.

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ten. Chemie Ingenieur Technik, 76(8), 1189-1197.

Vorträge

Zenker, M., Heinz, V. und Knorr, D. (2000) Einsatz mechanischer Schallwellen bei der UHT-

Erhitzung flüssiger Lebensmittel, Arbeitstreffen des Fachausschusses „Lebensmittelverfah-

renstechnik“ der VDI-GVC-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen,

29.03.00, Würzburg.

Zenker, M., Heinz, V. und Knorr, D. (2000) Möglichkeiten des Einsatzes der Ultraschalltech-

nik bei thermischen Prozessen in der Lebensmittelindustrie, Fachtagung zu innovativen

Technologien für hochwertige und sichere Lebensmittel – INNO FOOD, 15.-16.09.00,

Köthen.

Zenker, M., Heinz, V. und Knorr, D. (2001) Anwendung der Ultraschalltechnik zur Optimie-

rung und Weiterentwicklung thermischer Prozesse in der Lebensmittelverarbeitung, GDL-

Kongreß „Lebensmitteltechnologie 2001“, 08.11.01, Berlin.

Zenker, M., Heinz, V. und Knorr, D. (2001) Combined application of ultrasound and

temperature for energy-saving and mild preservation of liquid food. 2nd Joint IFT/EFFoST

Nonthermal Processing Workshop, 09.-11.12.01, Berlin.

Poster

Zenker, M., Heinz, V. und Knorr, D. (2001) Combined application of ultrasound and

temperature for energy-saving and mild preservation of liquid food. Poster Presentation. 3rd

European Congress of Chemical Engineering, Nürnberg, Germany.

Zenker, M., Heinz, V. und Knorr, D. (2001) A comparative study between thermal and ultra-

sound combined temperature processing for energy-saving and food quality preservation.

Poster presentation. European Conference on Advanced Technology for Safe and High

Quality Foods - EUROCAFT, Berlin, Germany.

Lebenslauf

Name Marco Zenker

Geburtsdatum 13 Januar 1971

Geburtsort Arnstadt (Thüringen)

Staatsangehörigkeit deutsch

Familienstand ledig

Schulausbildung

09/1977 – 08/1987

09/1987 – 08/1990

09/1990 – 09/1991

Allgemeinbildende Oberschule in Ichtershausen

Berufsausbildung mit Abitur in Staßfurt

Wehrdienst in Erfurt

Hochschulbildung

10/1991 – 09/1993

10/1993 – 03/1998

seit 05/1998

Studium an der TH-Köthen im Studiengang

Lebensmitteltechnik/Biotechnologie

Abschluß Diplom-Vorprüfung

Studium an der TU-Berlin im Studiengang

Lebensmitteltechnologie/Gärungstechnologie

Abschluß Diplom-Hauptprüfung

Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachgebiet

Lebensmittelbiotechnologie und –verfahrenstechnik

der TU-Berlin