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Großtechnische Herstellung von Joghurtprodukten
Carola SchlumbohmRWTH Aachen, 16.09.2005
Motivation
Verfahrenstechnische Handhabung eines Naturproduktes
Analogien zu den Dispersionen der Brennstoffzelle
Wirtschaftlichkeit der Milchproduktion innerhalb der erweiterten EU
Wirtschaftliche Bedeutung des Joghurts
16,814,8
12,2 13,1
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
1991 1996 2001 2004Jahr
Jogh
urtk
onsu
m [k
g/K
opf]
2.816.000 t Milchfrischerzeugnisse (2004)
steigende wirtschaftliche Bedeutung des JoghurtsQuelle: Milchindustrieverband (http://www.milch-markt.de)
Gliederung des Vortrags
Was ist Joghurt?
Von der Milch zum Joghurt
Herstellung von Joghurt
Fermentationsprozeß
Struktur im Joghurt
Wirtschaftliche Aspekte
Zusammenfassung
Ausblick
Was ist Joghurt ?Joghurt = Milch + Milchsäure und Bakterien
3,4 - 4,24,6 - 4,7Laktose
0,241 - 0,3160,251 - 0,335Vitamine(A, E, B2)
77 - 8587 – 90Wasser
> 0,80,119 – 0,1380,126 – 0,196
0,750,120 - 0,1260,155 - 0,164
Milchsalze:KalziumKalium
0,7 - 0,98-Milchsäure
3 - 3,61,5 - 4,0Fett
3,6 - 4,53,2 - 3,4Protein
Joghurt[wt%]
Milch [wt%]
Quelle: agroscop:Sieber,R.; et. al., Lebensmittel Hygenie, 87, 743-754, 1996
Was ist Joghurt ?Milchsäurebakterien
einzellige Mikroorganismenhemmen das Wachstum schädigender Bakterienartensynthetisieren protektive Substanzen natürliches Vorkommen in der Muttermilch
Milchsäure natürliches Konservierungsmittel Milchsäure ist ein natürliches Stoffwechselprodukt (Blut, Muskel)
Gliederung des Vortrags
Was ist Joghurt?
Von der Milch zum Joghurt
Herstellung von Joghurt
Fermentationsprozeß
Struktur im Joghurt
Wirtschaftliche Aspekte
Zusammenfassung
Ausblick
Von der Milch zum JoghurtRohmilch
Vorwärmen
Separieren
RahmMagermilch Standardmilch
HocherhitzenHocherhitzen HomogenisierenPasteurisieren
Konzentrieren HocherhitzenKonzentrieren
HomogenisierenHocherhitzen
Joghurtmilch
Fett: 0,1% Fett: 10-47%Fett: 0,1% Fett: 1,5-4,1%
Von der Milch zum JoghurtRohmilch
Vorwärmen
Separieren
RahmMagermilch Standardmilch
HocherhitzenHocherhitzen HomogenisierenPasteurisieren
Konzentrieren HocherhitzenKonzentrieren
HomogenisierenHocherhitzen
Joghurtmilch
Fett: 0,1% Fett: 10-47%Fett: 0,1% Fett: 1,5-4,1%
Gliederung des Vortrags
Was ist Joghurt?
Von der Milch zum Joghurt
Herstellung von Joghurt
Fermentationsprozeß
Struktur im Joghurt
Wirtschaftliche Aspekte
Zusammenfassung
Ausblick
Herstellung von JoghurtJoghurtmilch
Konzentrieren
Homogenisieren
Erhitzen Stichfester JoghurtGerührter Joghurt
Kulturenzusatz
Fermentieren
Fermentieren
Abfüllen
Kühlen
Fruchtzusatz
Abfüllen
Kühlen
Frucht
JoghurtFruchtzusatz
Herstellung von Joghurt - stichfest
Vorlagertank Vorlaufgefäß Vorwärmer Verdampfer Homogenisator
Milch
Milchpulverzusatz oder
Verdampfer
Kulturentanks Bruttanks Kühler Heißhalter Erhitzer
Tank mit Früchten Kühler Zwischentank Mischer
Brutkammer Tank mit Kulturen Tank mit Früchten
Tank mit AromenAbfüllung
Kaltlagerung
Milch
Konzentrieren
Homogenisieren
Erhitzen
Kulturenzusatz
Abfüllen
Kühlen
Fruchtzusatz
Fermentieren
Herstellung von Joghurt - gerührtMilch
Konzentrieren
Homogenisieren
Erhitzen
Fermentieren
Abfüllen
Kühlen
Fruchtzusatz
Vorlagertank Vorlaufgefäß Vorwärmer Verdampfer Homogenisator
Milch
Milchpulverzusatz oder
Verdampfer
Kulturentanks Bruttanks Kühler Heißhalter Erhitzer
Tank mit Früchten Kühler Zwischentank Mischer
Brutkammer Tank mit Kulturen Tank mit Früchten
Tank mit AromenAbfüllung
Kaltlagerung
Gliederung des Vortrags
Was ist Joghurt?
Von der Milch zum Joghurt
Herstellung von Joghurt
Fermentationsprozeß
Struktur im Joghurt
Wirtschaftliche Aspekte
Zusammenfassung
Ausblick
Fermentationsprozeß
Fermentation als Wertschöpfungsprozeß
FermentationUmsetzung von biologischen Rohstoffen mit Bakterienkulturen oderEnzymen
Milch Milchsäurebakterien
Joghurt
Fermentationsprozeß
Fermentieren
Milch
Konzentrieren
Homogenisieren
Erhitzen
Abfüllen
Kühlen
Fruchtzusatz
Vorlagertank Vorlaufgefäß Vorwärmer Verdampfer Homogenisator
Milch
Milchpulverzusatz oder
Verdampfer
Kulturentanks Bruttanks Kühler Heißhalter Erhitzer
Tank mit Früchten Kühler Zwischentank Mischer
Brutkammer Tank mit Kulturen Tank mit Sirup Tank mit AromenAbfüllung
Kaltlagerung
Fermentationsprozeß
Typische Kulturen: Homofermenter (Lactobacillus) und Heterofermenter (Bifidobakterien)
„milder“ Joghurt Milchsäure < 0,8%
StarterkulturenEinsatz
BifidobakterienLactobacillusacidophilus
Bakterien-stämme
Milchsäure, Essigsäure, Aromastoffe
MilchsäureProdukte
Laktose, Glukose, Galaktose, Fruktose
Laktose, GlukoseSubstrate
HetereofermenterHomofermenter
Quelle: L. De Vuyst, Food technol. biotechnol. 38 (2) 105-112 (2000)
Fermentationsprozeß
Permease
Laktose
Glukose Galaktose
Milchsäure
Milchsäure-Transport
Laktose in der Milch
Zellmembran
Cytoplasma
Zellmembran
Milchsäure in der Milch
O
OH
H
H
HO
H
H
OHHO
OH
O
H
H
HO
H
H
OHHOH
OH
Laktose
O
OH
H
H
HO
H
H
OHHOH
OH
Galaktose
O
H
HO
H
HO
H
H
OHHOH
OH
Glukose
+
D(-) - Milchsäure L(+) - Milchsäure
HC
CH3
COOH
OH CH
CH3
COOH
OH
Prozeß der Fermentation
I
II
III IV
Zeit
Bakt
erie
nanz
ahl
I: AnlaufphaseII: WachstumsphaseIII: ÜbergangsphaseIV: Stationäre Phase
A
Laktose
+ Cn C + 4 R
Bakterien + Milchsäure
Reaktionskinetischer Ansatz:
rCk CA
. CC.
CA CMCM: Monod-Konstantek: Geschwindigkeitskonstante rC: Reaktionsgeschwindigkeit
mol/l*s
Reaktionsgleichung für Homofermenter:
Prozeß der FermentationDurchführung einer exemplarischen Modellierung
A
Laktose
+ Cn C + R
Bakterien + Milchsäure
1) Aufstellung der Reaktionsgleichung
Annahme: n=1
2) Änderung der Produktkonzentration aus den Elementarreaktionen
A C Z+k1
k2
Z C +k3
R ][3][ ZkdtCd
⋅=
][3][2][][1][ ZkZkCAkdtZd
⋅−⋅−⋅⋅=
3) Anwendung des Quasistationaritätsprinzips
Konstante Konzentration des Zwischenprodukt Z 0][≈
dtZd
Quelle: Levenspiel, 1999
Prozeß der Fermentation4) Einsetzen und Auflösen liefert Konzentration vom Zwischenprodukt Z
32][1]0[][1
][kkAk
CAkZ
++⋅⋅
= mit ][]0[][ ZCC −=dtCd
dtCd ][]0[
=bzw.
5) Berechnung der Reaktionsgeschwindigkeit
mit MACAk
dtCd
+⋅⋅
=][
]0[][3][132
kkkM +
=][3][ ZkdtCd
⋅=
6) Fall: Substratkonzentration A im Überschuß [A] >> M
]0[3]0[ CkdtCd
⋅= mit C0(t=0)=C_Start
Quelle: Levenspiel, 1999
Prozeß der Fermentation
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000Zeit [sek]
Zelle
nkon
zent
ratio
n [m
ol/l]
_
Messung
Produkthemmung
Anlaufphase
Quelle: Amoroso, M.J.; et. al., 1998
Prozeß der Fermentation7) Aufstellung einer Fit-Funktion mit der Monod-Kinetik bei Substratüber-
schuß und Produkthemmung mit dem Exponenten n
[R] Milchsäure[C] Bakterien
n
RRCk
dtCd
−⋅⋅=
max][][1]0[]0[
8) Anlaufphase der Mikroorganismen berücksichtigt
−⋅
−⋅⋅=
−Anlaufttn
eRRCk
dtCd _1
max][][1]0[]0[
Quelle: Levenspiel, 1999
Prozeß der Fermentation
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000Zeit [sek]
Zelle
nkon
zent
ratio
n [m
ol/l]
_
Messung
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000Zeit [sek]
Zelle
nkon
zent
ratio
n [m
ol/l]
_
Messung
Produkthemmung n=1
Produkthemmung n=0,9
Produkthemmung n=1und Anlaufphase
Modell ist geeignet das Wachstum der Bakterien S.thermophilus und L. bulgarius zu beschreiben Ansatz für Optimierungen
Gliederung des Vortrags
Was ist Joghurt?
Von der Milch zum Joghurt
Herstellung von Joghurt
Fermentationsprozeß
Struktur im Joghurt
Wirtschaftliche Aspekte
Zusammenfassung
Ausblick
Strukturausbildung im Joghurt
0,00,20,40,60,81,01,21,4
0 10000 20000 30000Zeit [sek]
Kon
zent
ratio
n [g
/l] Bakterien [C]Milchsäure [R]
4
4,5
5
5,5
6
6,5
0 10000 20000 30000Zeit [sek]
pH-W
ert
A
Laktose
+ CC + R
Bakterien + Milchsäure
Milchsäureentwicklung führt zu: Strukturveränderungen RheologieProteindegradation
Strukturausbildung im Joghurt
4
4,5
5
5,5
6
6,5
0 5000 10000 15000 20000
Zeit [sek]
pH-W
ert
III
III
IV
V
VI
Quelle: Amoroso, M.J.; et. al., 1998
Strukturausbildung im Joghurt
Kaseinmizelle (d: 100-300nm)
Kasein-Submizelle (d:10-20nm)Hydrophobe Hülle aus β-Kasein
Calcium-Phosphate
Kasein-Submizelle mit hydrophilemκ-Kasein-Ring Glykoprotein
C COOHH3N
H
RAminosäure
Emulgatorwirkung und damit stabilisierende Wirkung des Glykoproteins
Strukturausbildung im Joghurt
4
4,5
5
5,5
6
6,5
0 5000 10000 15000 20000
Zeit [sek]
pH-W
ert
III
III
IV
V
VI
I
II
III
Ca++
Ca++
Ca++
Ca++
Ca++Ca++
Ca++
Ca++
IV
Ca++ Ca++
Ca++
Ca++Ca++
Ca++
Ca++
VCa++
Ca++ Ca++
Ca++
Ca++
Ca++
Ca++
VI
Degradation der Caseine führt zur Strukturausbildung des Joghurts
Strukturausbildung im Joghurt
Fermentieren
Milch
Konzentrieren
Homogenisieren
Erhitzen
Abfüllen
Kühlen
Fruchtzusatz
Vorlagertank Vorlaufgefäß Vorwärmer Verdampfer Homogenisator
Milch
Milchpulverzusatz oder
Verdampfer
Kulturentanks Bruttanks Kühler Heißhalter Erhitzer
Tank mit Früchten Kühler Zwischentank Mischer
Brutkammer Tank mit Kulturen Tank mit Sirup Tank mit AromenAbfüllung
Kaltlagerung
Strukturveränderungen bei Transport & Abfüllung
Kühlen
Fermentieren
Milch
Konzentrieren
Homogenisieren
Erhitzen
Abfüllen
Fruchtzusatz
Vorlagertank Vorlaufgefäß Vorwärmer Verdampfer Homogenisator
Milch
Milchpulverzusatz oder
Verdampfer
Kulturentanks Bruttanks Kühler Heißhalter Erhitzer
Tank mit Früchten Kühler Zwischentank Mischer
Brutkammer Tank mit Kulturen Tank mit Sirup Tank mit AromenAbfüllung
Kaltlagerung
Strukturveränderungen bei Transport & Abfüllung
0,630,620,540,480,590
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Tank Pumpe vorKühler
nachKühler
Abfüllung
Flie
ßgre
nze
[Pa]
, K
onsi
sten
z [m
Pas^
n], F
ließi
ndex
[-]
FließgrenzeK Konsistenzn Fließindex
0τ
10
−⋅+= nK γττ &
Herschel-Bulkley-Modell
Tank Pumpe vorKühler
nachKühler
Abfüllung
Quelle: B.Senge et. al., DMZ Deutsche Molkereizeitung, 124 (2003)
Gliederung des Vortrags
Was ist Joghurt?
Von der Milch zum Joghurt
Herstellung von Joghurt
Fermentationsprozeß
Struktur im Joghurt
Wirtschaftliche Aspekte
Zusammenfassung
Ausblick
Wirtschaftliche Aspekte1) Fermentation und Kühlung im Tank2) Fermentation im Tank mit nachgeschaltetem Wärmetauscher
1) Fermentation und Kühlung im Tank von 40°C auf 10°C mit Eiswasser
a) Kleiner Tank ca. 3000 kg; D=1,6m; H=1,5mKühlzeit ca. 3 Std.
b) Großer Tank ca. 10000 kg; D=2,5m; H=2mKühlzeit ca. 6 Std.
T(Joghurt)=40°CT(Joghurt, Ausgang)=10°CT(Eiswasser)=0°C (konst.)cp (Joghurt)=1800 J/(kg*K)k≈150 W/m2K
t_Kühlzeitm c⋅A k⋅
lnT_Joghurt T_Kw−
T_Aus T_Kw−
⋅13600
⋅:=
Nachsäuerung des Joghurts bei großen Behältern
Quelle: Kessler, Milchtechnologie, 1996; VDI-Wärmeatlas: Wärmeübertragung Rührkessel
Wirtschaftliche Aspekte 1) Fermentation und Kühlung im Tank2) Fermentation im Tank mit nachgeschaltetem Wärmetauscher
2) Fermentation im Tank mit nachgeschaltetem Wärmetauscher
a) Kleiner Tank ca. 3000 kg; D=1,6m; H=1,5mSoll: Kühlzeit 1 Std.Wärmetauscherfläche: ca. 30 m2
b) Großer Tank ca. 10000 kg; D=2,5m; H=2mSoll: Kühlzeit 1 Std.Wärmetauscherfläche: ca. 97 m2
Platten- oder Rohrbündelwärmetauschern für kurze Kühlzeitenreduziert Betriebskosten bei vergleichbaren Investitionskosten
Zukunftsperspektiven
bereits heute kaum wirtschaftliche Milchproduktion in DeutschlandEU-Erweiterung führt zu sinkenden MilchpreisenAblösung der Interventionspreise durch Flächenprämien in der EU
kaum Chancen einen höheren Preis am Markt durchzusetzen
Status heute:
Konzentration (Kostenführerschaft)Produktinnovationen (Alleinstellungsmerkmal) Nischenstrategie (Bio-produkte)
Strategien für die Zukunft:
Quelle: Weindlmaier, Lohmann Informationen, 3/2004
Kostenentwicklung Milch
Tendenz zur Konzentration hat bei den Bauern bereits eingesetzt
Produktinnovation
150
45
105
Joghurt mit Frucht (3,5%)
350 – 390 55Verkaufspreis [ct/kg]
245 - 2856Gewinn / Zwischenhandel [ct/kg]
49
Milch (3,5% Fett)
105Kosten für Molkerei [ct/kg]
Probiotischer Joghurt
Preise
Verwendung spezifischer Rohstoffe (Biomilch)Einsatz spezieller Reifungskulturen (L.casei,...)spezielle Fertigungsprozesse präbiotische Joghurts (Oligosaccharid-Zusatz,...)aufmerksamkeitsstarke Verpackungen / Marketing
Innovative höherpreisige Produkte und Steigerung des AbsatzesQuelle: H.Burchardi et. al., 2003; Weindlmaier, 2004
Gliederung des Vortrags
Was ist Joghurt?
Von der Milch zum Joghurt
Herstellung von Joghurt
Fermentationsprozeß
Struktur im Joghurt
Wirtschaftliche Aspekte
Zusammenfassung
Ausblick
ZusammenfassungJoghurt enthält zusätzlich zur Milch Bakterien und Milchsäure
Joghurt ist ein Fermentationsprodukt der Milch
verschiedene Joghurtprodukte lassen sich mit einer Produktionslinie herstellen
Bakterienwachstum ist über eine Monod Kinetik für mikorobiologische Fermentationen modellierbar
ein erweitertes Modell nach Monod zeigt gute Übereinstimmung mit Meßdaten einer S.thermophilus und L. bulgarius Mischkultur
kontrollierte pH-Einstellung führt über die Eiweißdegradation zur definierten Strukturausbildung im Joghurt
Transport und Abfüllung des Joghurts vermindern die Struktur unddamit die vom Kunden gewünschte Produktqualität
Ausblick
Zukunftsperspektiven für die Milchproduktion und -verarbeitung in Deutschland liegen in der:
1) Produktionnovationen in hochwertigen Marktsegmenten, da der Kunde hier bereit ist einen entsprechenden höheren Preis zu zahlen
2) Konzentration der Milcherzeugung beim Bauern und der anschließenden Milchverarbeitung in den Molkereien zur Realisierung eines Kostensenkungs-potentials
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!