07 Feb 2017

Keimfrei durch Hochdrucksterilisation

Hochdrucksterilisation ermöglicht bei vielen Produkten und Anwendungen eine Reduzierung der Keimbelastung ohne Chemikalieneinsatz und Chemikalienrückstände

07 Feb 2017

Keimfrei ohne „Chemie“ – wie geht das?

Rückstände von Desinfektionsmitteln und Antibiotika-Reste aus Arzneimittelproduktion und –nutzung belasten mehr unsere Trinkwasserreserven in Grund- und Oberflächenwässern. Daher sind innovative und chemiefreie Verfahren gesucht, mit denen sich Keime beseitigen lassen – ohne Rückstände chemischer Produkte zu hinterlassen.

Sterilisieren, Kühlen & Co.

In der Lebensmittelver‑ und –bearbeitung sind bereits seit vielen Jahren „chemiefreie“ Hygieneverfahren zur Produkt-Konservierung und Verbesserung der Haltbarkeit im Einsatz.

Pasteurisierer

Foto: Wikipedia / publ. dom., CC 3.0

Genannt seien hier beispielsweise die Sterilisation, das Pasteurisieren, aber auch das Kühlen (-> ununterbrochene Kühlkette!), Gefrieren oder Trocknen. Nach Einschätzung von Experten werden in den kommenden Jahren alternative Konservierungsverfahren weiter an Bedeutung gewinnen.

Klassische Sterilisation belastet wärmeempfindliche Produkte

Ein solches vielversprechendes und chemiefreies Verfahren ist die Hockdrucksterilisation (weitere bekannte Bezeichnungenichnungen: Ultra-Hochdruck-Behandlung, UHP-Verfahren, High Pressure Processing (HPP), high hydrostatic pressure (HHP), Pascalization). Was muss man sich darunter vorstellen?; warum ist die Anwendung von Hochdruck evtl. besser als eine thermische Sterilisation?

Bei der üblichen Sterilisation werden die zu behandelnden Nahrungsmittel einer rel. hohen thermischen Belastung ausgesetzt (üblich sind bei der Dampfsterilisation, dem Erhitzen mit Wasserdampf im Autoklaven, 20 min bei 121 °C im geschlossenen Gefäß unter 2 bar Druck oder alternativ 5 min bei 134 °C und 3 bar Druck). So werden thermisch empfindliche Produkte unter diesen Bedingungen bereits häufig in Konsistenz, Geschmack und / oder Vitamingehalt geschädigt. Auch die erforderliche Energie zum Aufheizen des Autoklaven ist nicht unbedeutend.

Hochdruck-Sterilisation als Niedrig-Temperatur-Verfahren schont Produkte und erhält Qualität

An dieser Stelle setzten die Ideengeber der Hochdrucksterilisation bereits in den 1990er Jahren an. Erste Entwicklungen zu einer Hochdruck-Sterilisation entstanden in Japan. Bereits ab ca. 1990 wurden dort Erdbeer- und Kiwi-Konfitüren haltbar und lagerfähig gemacht. Wie funktioniert nun dieses Verfahren?

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(Video: YouTube)

Die Idee hinter der Hochdruck-Sterilisation ist recht einfach: für die Haltbarkeit von Nahrungsmitteln schädliche Mikroorganismen sind häufig Einzeller, in deren Zellen sich einzelne, teils gasgefüllte Zellorganellen befinden. Setzt man diese Zellen einem extrem hohen Druck aus, so kommt es in der Folge zu morphologischen Veränderungen, druckabhängigen Verformungen und der Störung metabolischer Prozesse – die Mikroorganismen sterben in der Folge der Behandlung ab.

Die hierfür erforderlichen Drucke sind allerdings sehr hoch: man arbeitet bei der Hochdruck-Sterilisation in Druckbereichen von 4.000 bis 10.000 bar (zum Vergleich: der Druck an der tiefsten bekannten Meeresstelle im Ozean, dem Marianengraben im Westpazifik, beträgt bei ca. 11.000 m Wassertiefe „nur“ etwa 1.000 bar).

Extreme Drucke breiten sich in Flüssigkeiten homogen aus

Diese extrem hohen Drucke werden durch mechanische Kraftübertragung auf ein flüssiges Medium erzeugt, das die zu sterilisierenden, in der Regel verpackten Nahrungsmittel umgibt. Wichtig ist in diesem Zusammenhang, dass die einer solchen Hochdruck-Sterilisation unterworfenen Produkte einen ausreichend hohen Flüssigkeitsanteil enthalten, um eine homogene Druckverteilung im Sterilisationsgut zu erreichen. So können beispielsweise flüssige Lebensmittel wie Säfte selbst als Druckmedium dienen. Auch für Milch / ‑produkte kann das Verfahren angewendet werden. Verpackungsgröße und –art oder ‑dicke sind dabei unerheblich; wichtig ist ein kontinuierlich flüssiges Medium, dann breitet sich der angelegte Druck linear und homogen in allen Raumrichtungen aus.

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(Video: YouTube)

Durch die Anwendung eines solchen Hochdruckverfahrens lässt sich beispielsweise die Haltbarkeit von kühl gelagertem Avocadopüree von 7 Tagen in der klassischen Verarbeitungsweise auf 44 Tage verlängern. Der große Vorteil des Verfahrens ist, dass die sensorischen Eigenschaften der Produkte wie Farbe, Geschmack, Aussehen und Konsistenz im Wesentlichen unverändert bleiben. Aufgrund der dargestellten Verfahrensdetails wird nachvollziehbar, dass die Grenzen des Verfahrens bei Produkten liegen, die, ähnlich wie die als Ziel zu zerstörenden Mikroorganismen, eine „morphologische, verformbare Struktur“ beinhalten (z.B. in Form von luft- / gasgefüllten Hohlräumen): eine Gurke oder Zucchini verwandelt sich unter den Bedingungen des Verfahrens dementsprechend in ein rel. formloses Mus, das zwar noch dem Originalgeschmack entspricht, in der Konsistenz jedoch nicht mehr den Verbrauchererwartungen entspricht. Positiv wirkt sich das Verfahren dagegen bei der Behandlung von Krabben, Shrimps und anderen Schalentieren aus: aufgrund des mechanischen Drucks werden viele Muskelstränge getrennt und Schalen „geknackt“, so dass sich das rohe Fleisch nach der Behandlung rel. leicht von der umgebenden Schale lösen lässt.

Druckgefrieren als schonendes Konservierungsverfahren

Eine Variante des Hochdruck-Sterilisationsverfahrens ist das Druckgefrieren. Dabei wird das zu sterilisierende Lebensmittel bei Drucken bis 4.000 bar auf eine Temperatur von -12 °C bis -20 °C heruntergekühlt. Aufgrund des extrem hohen Drucks gefriert das tiefgekühlte Wasser jedoch zunächst nicht, sondern bleibt weiterhin flüssig. Erst bei einer schlagartigen Druckentspannung setzt eine spontane Kristallisation des Wassers in Form von Eisbildung ein. Durch diese schlagartige Kristallisation kommt es nicht zur Ausbildung und zum Wachstum größerer Eiskristalle, sondern die bei diesem Verfahren gebildeten Eiskristalle sind mikroskopisch klein und rel. gleichmäßig geformt. Daher tritt praktisch keine Gewebeschädigung des Sterilisationsguts ein.

Hochdruck-Sterilisation ähnelt Verfahren der hydromechanischen Kavitation

In gewisser Weise ähnelt das Verfahren der Hochdruck-Sterilisation von Lebensmitteln damit der hydromechanischen Kavitation zur Wasseraufbereitung, die in einem bereits zurückliegenden Blogbeitrag vorgestellt wurde (z.B. SIMPLEX-Verfahren von Dilligence Systems GmbH). Auch hier wird mit extrem hohen Drucken gearbeitet, die zur Zerstörung von Keimen und Mikroorganismen in Trink- und / oder Prozesswasser (z.B. Kühlwasser) führen.

Animation SIMPLEX-Verfahren

Foto: Dilligence Systems GmbH

Anders als bei der Hochdruck-Sterilisation wird jedoch bei der hydromechanischen Kavitation der hohe Druck nicht durch mechanischen Druck auf eine Flüssigkeit erzeugt, sondern durch das gezielte Einströmen des zu behandelnden Wassers in einen speziell geformten Reaktor unter hohem Druck. Auf diese Weise kommt es durch die hohen Rotationsgechwindigkeiten und die dadurch entstehende Flieh- und Zentrifugalkräfte zur Ausbildung einer Kavitation, die für die extremen Druckstöße innerhalb des zu behandelnden Wassers und damit für die Zerstörung der enthaltenen Mikroorganismen verantwortlich ist.

Innovative Technologie wird durch EU gefördert

Bleibt als Fazit festzuhalten: eine chemiefreie Entkeimung und Desinfektion ist bei Flüssigkeiten bzw. viel Flüssigkeit enthaltenden Produkten mittels Hochdruck-Sterilisation möglich. Da diese innovative Technologie ohne Rückstände chemischer Produkte auskommt, werden weitere Entwicklungen auf diesem Gebiet auch durch EU-Förderprogramme unterstützt.

Für weitere Informationen und Lösungen rund um Hygiene und Gesundheit in Trinkwasser- wie auch Prozesswasserbehandlung schauen Sie sich gerne die Beiträge auf meiner Web-Site an und nutzen Sie das Kontaktformular der Web-Site für Ihre spezielle Anfrage.

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Blog-Beiträge Dr. Matthias Brück

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