Numerische Simulation (B4) - Gestaltung der Eigenschaften expandierter stärkebasierter Produkte mittels Hochgeschwindigkeitsextrusion auf der Grundlage einer neuronumerischen Prozessführungsstrategie

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Gestaltung der Eigenschaften expandierter stärkebasierter Produkte mittels Hochgeschwindig­keits­extrusion auf der Grundlage einer neuronumerischen Prozessführungsstrategie

Projektleitung:Prof. Dr.-Ing. Heike P. Schuchmann, Prof. Dr. Norbert Willenbacher, Dipl.-Ing. Mario Horvat, Dr.-Ing. Bernhard Hochstein, Prof. Dr.-Ing. habil. Antonio Delgado, Prof. Dr.-Ing. Cornelia Rauh
Beteiligte:M. Sc. Alessandro Cubeddu
Förderer:
Forschungskreis der Ernährungsindustrie e.V. (FEI), Bonn
Mitwirkende
Institutionen:
Lebensmittelverfahrenstechnik, Karlsruhe Institute of Technology (KIT) - Universität Karlsruhe (TH)
Angewandte Mechanik, Karlsruhe Institute of Technology (KIT) - Universität Karlsruhe (TH)
Lehrstuhl für Strömungsmechanik, FAU Erlangen-Nürnberg
Stichwörter:Hochgeschwindigkeitsextrusion, Prozessführung, Prozessdesign, stärkebasierte Produkte
Laufzeit:1.11.2009 - 31.10.2012
Inhalt und Ziele:Das erste Hauptziel dieses Forschungsvorhabens besteht in einer experimentellen, aus Produktsicht modellhaften Beschreibung der Auswirkung technisch neu zugänglicher Extrusionsparameter (Hoch-geschwindigkeitsextrusion, Drehzahlen bis zu 1800 min-1) auf die Expansion kochextrudierter stärkebasierter Produkte und ausgewählter, durch die Expansion bedingter, konsumentenrelevanter Produkteigenschaften. Die dabei betriebene Sammlung von Informationen zum Produkt und Prozess dient zugleich der Realisierung des zweiten Hauptziels dieses Vorhabens, nämlich der Erarbeitung einer selbstlernenden, intelligenten Prozessführungsstrategie, die es ermöglichen soll, Hochgeschwindigkeit-sextrusionsprozesse kosteneffizient auszulegen und stabil zu führen sowie Produkte auch aus neuen Rohstoffen zielgerichtet zu entwickeln. Dies soll es anwendenden Industrieunternehmen aus der Lebensmittelbranche ermöglichen, das wirtschaftliche Potential einer innovativen Technologie aus der Kunststoffbranche zu nutzen und evtl. sogar für Produktinnovationen einsetzen zu können (wirtschaftliche Zielsetzung). Konkrete innovative Beiträge sind der erstmalige Einsatz der Hochgeschwindigkeitsextrusion bei der Lebensmittelproduktion, die verbesserte, verständnisbasierte Beschreibung der Entstehung poröser Strukturen bei der Expansion kochextrudierter stärkebasierter Produkte und damit die Möglichkeit, konsumentenrelevante, mit der Expansion verknüpfte Produkteigenschaften gezielt steuern oder neue, gesundheitsfördernde Rohstoffe ohne stark ressourcenbindende Produktentwicklungsprozesse einsetzen zu können, die erstmalige Online-Messung der benötigten viskoelastischen Stoffeigenschaften bei Düsenaustritt unter Hochgeschwindigkeits-Kochextrusionsbedingungen, die erstmalige Simulation des spatio-temporalen Transports von Masse, Impuls und Energie in ausgewählten Schneckenelementen für viskoelastische Lebensmittelprodukte, die erstmalige Verwendung einer hybriden neuronumerischen Prozessführungsstrategie bei der Extrusion komplexer Materie und damit die erstmalige Nutzung eines lernfähigen Algorithmus bei der Lebensmittelextrusion als Grundlage der Prozessdiagnose, -prognose und -optimierung und damit die Chance, die Ressourcenbindung in Produktentwicklungsprozessen deutlich zu reduzieren.
Kontakt:Delgado, Antonio
Telefon 09131/85 29500, Fax 09131/85 29503, E-Mail: antonio.delgado@fau.de

interner Download

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Abschlussbericht (2,5 MB)

Zwischenberichte des Projektes

Sitzungen des Projektbegleitenden Ausschusses

Liste projektbezogener Veröffentlichungen

  • Artikel
    • Horvat M, Hirth M, Emin A, Schuchmann HP, Hochstein B, Willenbacher N (2009). Online-Rheologie zur Produktentwicklung extrudierter, funktioneller Zerealien. Chemie Ingenieur Technik, 81(8), 1173
  • Konferenzbeiträge
    • Cubeddu A, Rauh C, Delgado A (2012). Gestaltung der Eigenschaften expandierter stärkebasierter Produkte mittels Hochgeschwindigkeitsextrusion auf der Grundlage einer neuronumerischen Prozessführungsstrategie, GDL Tagung 2012, 27.-29. September 2012, Dresden, Deutschland
    • Kizilbay Z, Hochstein B, Horvat M, Schuchmann HP, Willenbacher N (2012). In- and off-line determination of the viscosity functions of starch melts, 6th International Symposium on Food Rheology and Structure, 10.-13. April 2012, ETH Zürich, Schweiz
    • Kizilbay Z, Hochstein B, Horvat M, Schuchmann HP, Willenbacher N (2012). Korrelation der Viskositätsfunktionen von Stärkeschmelzen mit dem Energieeintrag und der molekularen Änderung von Stärke bei der Kochextrusion, ProcessNet Jahrestreffen, 19.-21. März 2012, Universität Hohenheim, Deutschland
    • Cubeddu A, Rauh C, Delgado A (2011). Hybrid numerical simulation of thermo fluid dynamical effects on the extrusion process of starch based products, EFFOST Annual Meeting 2011, 9.-11. November 2011, Berlin, Deutschland
    • Cubeddu A, Horneber T, Rauh C, Delgado A (2011). Innovatives Prozess- und Produktdesign von Extrusionsprozessen stärkebasierter Produkte. Processnet Jahrestreffen des Fachausschusses Lebensmittelverfahrenstechnik, 22.-24. März 2011, Vlaardingen, Niederlande
    • Horvat M, Emin MA, Hochstein B, Willenbacher N, Schuchmann HP (2010). Funktionelle kochextrudierte Zerealien: Einfluss der rheologischen Eigenschaften plastifizierter, stärkebasierter Matrizes auf die Endprodukteigenschaften. ProcessNet Jahrestagung.
    • Horvat M, Emin A, Eichler A, Schuchmann HP, Hochstein B, Willenbacher N, van der Goot AJ, Boom R (2009). Einfluss der Prozessparameter auf das rheologische Verhalten extrudierter stärkebasierter Lebensmittel. ProcessNet Fachausschüsse "Trocknungstechnik" und „Agglomerationstechnik"
    • Horvat M, Hirth M, Emin A, Schuchmann HP, Hochstein B, Willenbacher N (2009). Functional extruded cereals: Product design based on rheological behaviour in food extrusion. ProcessNet Jahrestagung
    • Horvat M, Emin A, Schuchmann HP, Hochstein B, Willenbacher N (2009). A multiple-step online-slit-die rheometer for investigations of the influence of extrusion process parameters on the rheological behaviour of starch-based food products. Proceedings of the 5th International Symposium on Food Rheology and Structure, ETH Zürich, 474 – 475
  • Master-/ Bachelorarbeiten
    • Eichler A.: Ermittlung der rheologischen Eigenschaften von stärkebasierten Lebensmitteln unter Extrusionsbedingungen mit einem Online-Kapillarrheometer und einer Scherzelle (KIT)
    • Dold S.: Untersuchungen zur Rheologie stärkehaltiger Lebensmittel bei Kochextrusionsbedingungen unter Einsatz verschiedener Online-Messsysteme (KIT)
    • Suharyono D.: Bestimmung des Einflusses der Längen- und Flächenexpansion auf die Produkteigenschaften extrudierter stärkebasierter Lebensmittel (KIT)
    • Gund T.: Untersuchungen zum Wandgleiten in einem Online-Rheometer bei der Extrusion von Lebensmitteln (KIT)
    • Kleinhans A.: Entwicklung von Messmethoden zur Charakterisierung von Expansion und Schrumpfung kochextrudierter Lebensmittel (KIT)
    • Arghavani M.: Mathematical modelling and numerical simulation of extrusion process (FAU)
    • Natalia I.: Untersuchungen zum Einfluss verschiedener Prozessparameter der Hochgeschwindigkeitsextrusion auf die Produkteigenschaften (KIT)
    • Grams A.: Konstruktion eines Online-Kapillar-Rheometers (KIT)
    • Schwebler L.: In- und Off-line-Ermittlung der Viskositätsfunktionen von Stärkeschmelzen (KIT)