Analyse der Prozessbedingungen während der Doppelschneckenextrusion pflanzlicher Proteine mit numerischen und rheologischen Methoden

Aktuelle Trends in der Lebensmittelindustrie und -forschung sind auf die Entwicklung nachhaltiger und funktioneller Lebensmittel ausgerichtet, wie beispielsweise Fleischersatzprodukte. Doppelschneckenextruder werden hierbei häufig verwendet, um die eingesetzten Rohstoffe mit Wasser und weiteren Inhaltsstoffen zu mischen und die entstehende Matrix zu funktionalisieren, formen und texturieren. Dabei werden die Eigenschaften der entstehenden Produkte sowohl durch die thermomechanische Beanspruchung im Schneckenbereich, als auch den Strömungsbedingungen im Düsenbereich beeinflusst. Während die verschiedenen Einflussfaktoren bekannt sind, fehlt jedoch ein grundlegendes mechanistisches Verständnis der Vorgänge im Extruder. Entsprechend basiert die Produkt- und Prozessentwicklung in der Industrie größtenteils auf dem Trial-and-Error Prinzip, was einen hohen Ressourcenbedarf erfordert und für komplexe Lebensmittelsysteme meistens keine Lösung bietet.
In unserer Forschungsgruppe wirken wir diesem Problem entgegen, indem wir numerische Simulationsmethoden anwenden, durch welche eine detaillierte Analyse lokaler Prozessbedingungen möglich ist sowie eine Analyse des thermomechanischen Beanspruchungsprofils und des Mischungsverhaltens. ... mehrDer Vorteil dieser Methode besteht darin, dass für Lebensmittelsysteme relevante Messgrößen ermittelt werden können, die in experimentellen Untersuchungen teilweise nicht messbar sind.
In diesem Beitrag stellen wir diese Ansätze und entsprechende Methoden am Beispiel der Doppelschneckenextrusion von Pflanzenproteinen vor. Da die Genauigkeit numerischer Methoden stark von der zuverlässigen Charakterisierung der Materialeigenschaften, insbesondere der komplexen rheologischen Eigenschaften abhängt, wird die rheologische Charakterisierung hochkonzentrierter Pflanzenproteine ebenfalls thematisiert. Schließlich wird das Gesamtpotenzial sowie die Grenzen dieser Methoden im Hinblick auf die Gestaltung komplexer Lebensmittelsysteme durch das Extrusionsverfahren diskutiert.