Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3513
Main Title: Process performance analysis of pulsed electric field (PEF) food applications
Translated Title: Prozessanalyse der Anwendung gepulster elektrischer Felder zur Behandlung von Lebensmitteln
Author(s): Jäger, Henry
Advisor(s): Knorr, Dietrich
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Prozessanalyse der Anwendung gepulster elektrischer Felder (engl. pulsed electric fields PEF) zur Behandlung von Lebensmitteln. Der Schwerpunkt liegt dabei auf den zwei wesentlichen Anwendungsfeldern, der nicht-thermischen Inaktivierung von Mikroorganismen sowie dem Zellaufschluss von pflanzlichen Rohmaterialien zur Verbesserung von Stofftransportprozessen. Ausgehend von einer Strukturierung der Prozessanalyse in mikro-, meso- und makro-skalige Effekte und unter Berücksichtigung der Wechselwirkungen zwischen Prozess und Produkt werden zunächst Phänomene auf Zellebene erfasst. Das Auftreten sublethaler Schädigungen bei der Inaktivierung von Mikroorganismen mittels PEF sowie die Bedeutung von Schutzeffekten verschiedener Inhaltsstoffe der komplexen Lebensmittelmatrix wurden dabei als Kernpunkte zur Bewertung und Optimierung des Inaktivierungseffektes untersucht. Die Analyse der physiologischen Fitness von Mikroorganismen in Abhängigkeit der Behandlungsparameter und Matrixeffekte erfolgte sowohl hinsichtlich struktureller als auch funktioneller Zelleigenschaften mittels Durchflusszytometrie und selektiver Platten-Kultivierungsverfahren. Neben dem Nachweis reiner elektrischer Feldeffekte auf Mikroorganismen wurde die Prozessanalyse um die Berücksichtigung von thermischen Nebeneffekten erweitert. Es erfolgte eine Charakterisierung von elektrischer Feldverteilung, Strömungsverhältnissen und Temperaturverteilung in der Behandlungszelle mit Hilfe numerischer Simulation. Lokal auftretende, hohe Temperaturen konnten als wesentliche Ursache für die Inaktivierung thermisch empfindlicher Enzyme identifiziert werden. Nach einer experimentellen Validierung konnte durch gezielte Anpassung des Behandlungszellen-Design eine Reduzierung thermischer Effekte und ein Erhalt thermisch sensitiver Enzyme erreicht werden. Die gezielte Anwendung thermischer Effekte und die synergistische Wirkung von Temperatur und PEF wurden für eine komplexe Hochspannungsimpuls-Pasteurisierungsanlage analysiert. Es wurde ein Modell zur Differenzierung und Quantifizierung elektrischer Feldeffekte und thermischer Effekte bzgl. der Inaktivierung von Mikroorganismen und Enzymen entwickelt. Aspekte der Verfahrensintegration sind am Beispiel der Anwendung gepulster elektrischer Felder zum Aufschluss von Frucht- und Gemüsemaischen und der nachfolgenden Entsaftung verdeutlicht. Auch hier wurden zunächst im mikro- und meso-skaligen Bereich sowohl elektrische Feldeffekte auf die Pflanzenzelle als auch die Beeinflussung der Feldwirkung durch die Rohstoff-Materialeigenschaften analysiert. Darauf aufbauend konnte eine gezielte Variation von Prozess- und Anlagenparametern vor- und nachgeschalteter Prozessstufen der Zerkleinerung und fest-flüssig Trennung durchgeführt und durch die Untersuchungen zur Abstimmung relevanter Wechselwirkungen die Grundlage für eine Prozessintegration im industriellen Maßstab gelegt werden.
The thesis covers the process performance analysis of the application of pulsed electric fields (PEF) for the treatment of foodstuffs. Emphasis is put on the two main fields of application, the non-thermal inactivation of microorganisms and the cell disintegration of plant raw materials for the improvement of mass transfer processes. A systematic process analysis was performed based on effects related to the micro-, meso- and macroscale and considering the interactions between process and product. Phenomena taking place on a cellular level such as the occurrence of sublethal injuries and the protective effect of food constituents during the inactivation of microorganisms by PEF were under investigation in order to evaluate and optimize the inactivation effectiveness. The analysis of the physiological fitness of microbial cells depending on treatment parameters and matrix effects was performed by flow cytometry and selective media plating technique considering structural and functional cell properties. In addition to the consideration of electric field effects, the process analysis was extended by the consideration of thermal side effects. A characterization of the electric field distribution, the flow characteristics as well as the temperature distribution inside the treatment chamber was performed using numerical simulation. Local high temperatures were identified as the main reason for the inactivation of heat sensitive enzymes. An experimental validation was performed followed by the targeted adjustment of the treatment chamber design in order to reduce unwanted thermal effects and improve the retention of heat sensitive compounds. The use of thermal effects and the synergism between temperature and electric field effects was analyzed for a complex pulsed electric field pasteurization unit. A model for the differentiation and quantification of electric field and thermal effects regarding their contribution to the inactivation of microorganisms and enzymes was developed. Aspects related to the process integration were investigated for the PEF cell disintegration of fruit and vegetable mashes and the subsequent de-juicing process. The impact of the electric field on plant cells as well as the effect of raw material properties on the process performance were analyzed on a micro- and mesoscale level. Subsequently, a targeted variation of process- and equipment parameters of connected processing steps such as milling and solid-liquid separation and the adjustment of relevant interactions was performed in order to provide the basis for the process integration in industrial scale.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-38575
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3810
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3513
Exam Date: 20-Sep-2011
Issue Date: 26-Feb-2013
Date Available: 26-Feb-2013
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Behandlungszelle
Hochspannungsimpulse
Inaktivierung
Thermische Effekte
Zellaufschluss
Cell disintegration
Inactivation
Pulsed electric fields
Thermal effects
Treatment chamber
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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