Technologie

Trockenfrüchte im Ionenwind

17.11.2020 - Neues Verfahren trocknet Lebensmittel schonend, schnell und energieeffizient.

Wird Obst oder Gemüse durch Wärme getrocknet, können Nähr­stoffe zerstört werden und Aroma­stoffe verloren gehen. Deshalb ist das nicht­thermische Trocknen von Lebens­mitteln in der Industrie besonders beliebt. Dabei kommen unter anderem Venti­la­toren zum Einsatz. Ein neues, an der schweize­rischen Eidge­nös­sischen Material­prüfungs- und Forschungs­anstalt Empa entwickeltes Trocknungs­verfahren mittels Ionenwind verspricht jetzt ein energie­effi­zienteres, schnelleres und zudem schonenderes Trocknen von Lebens­mitteln.

Das von der Lebensmittel­industrie häufig angewendete nicht­thermische konvektive Trocknen von Lebens­mitteln mit Hilfe großer Venti­la­toren hat einen Haken: Die Trocknung benötigt viel Zeit und Energie. Daher sucht die Branche bereits seit langem nach einer energie­effi­zienteren Methode. Eine Technologie setzt dabei auf den Ionenwind. Das funktioniert zwar bereits im kleinen Maßstab, scheiterte bislang allerdings beim Hoch­skalieren auf Industrie­maßstab. Forscher der Empa haben jetzt eine energie­effi­zientere Trocknungs­anlage entwickelt, die auf Ionenwind basiert und sich für die Industrie­anwendung eignet.

Ein Ionenwind wird nicht durch die drehenden Rotor­blätter eines Ventilators erzeugt. Er entsteht, indem etwa ein Metall­draht mit einer positiven Hoch­spannungs­quelle von typischer­weise 10.000 bis 30.000 Volt verbunden wird. Der Draht lädt sich dadurch positiv auf und ionisiert die umliegende Luft. Die Elektronen werden dann von dem positiv geladenen Draht angezogen, während die viel schwereren positiv geladenen Ionen vom Draht abgestoßen werden. Die positiven Ionen kollidieren auf ihrem Weg vom Draht zum darunter liegenden geerdeten Kollektor mit anderen Luft­molekülen und stoßen diese an. So entsteht dann der Ionenwind, der auch als elektro­hydro­dynamischer Luftstrom bezeichnet wird.

Diesen Ionenwind versuchten Forscher mit verschiedenen Ansätzen für die industrielle Trocknung von Lebens­mitteln zu nutzen – bisher aber ohne großen Erfolg, da eine Hoch­skalierung nicht möglich war. Thijs Defraeye und sein Team verfolgten die Idee weiter und variierten diverse Prozess­parameter. Als erstes legten die Forscher die zu trocknenden Lebensmittel nicht wie bisher auf eine Platte, sondern verwendeten ein Gitter. Das sei zwar keine spektakuläre Idee, so der Forscher, „aber bis jetzt hat noch niemand diese Anpassung bei der Trocknung mittels Ionenwind in Betracht gezogen.“

Was nach einer kleinen Änderung klingt, macht einen riesigen Unter­schied: Das Wasser kann nun an allen Seiten des Gemüses und der Früchte entweichen. Dadurch trocknen die Lebens­mittel durch den Ionenwind doppelt so schnell wie auf einer undurch­lässigen Ober­fläche, die bisher von Forschern weltweit verwendet wurde. Vor allem werden die Früchte und das Gemüse aber auf dem Gitter durch den Ionenwind einheit­licher getrocknet. Im Gegensatz zu den bisher verwendeten Ansätzen der elektro­hydro­dynamischen Trocknung lässt sich die neue Konstruktion zudem besser hochskalieren – und ist daher auch für die Industrie interessant.

Bei der weiteren Verfeinerung ihres neuen Konzepts setzten die Forscher auf aufwändige Computer­simulationen. Dadurch lassen sich verschiedene weitere Anpassungen und deren Einfluss auf den Trocknungs­prozess virtuell durch­spielen. So kann die Anlage optimiert werden, ohne jedes Mal ein neues Konstrukt physisch erbauen zu müssen.

Doch lassen sich die Ergebnisse der Computer­berech­nungen auch in die Praxis umsetzen? Lässt sich das Verfahren so tatsächlich optimieren? In Zusammen­arbeit mit Forschern der kanadischen Dalhousie University wurde dort im Labor ein erster Prototyp der neuen Trocknungs­anlage gebaut. Erste Versuche zeigten in der Tat erheb­liche Verbesse­rungen: Das Trocknen mittels Ionenwind ist deutlich schneller und verbraucht weniger als die Hälfte der benötigten Energie im Vergleich zu herkömm­lichen Verfahren. Außerdem werden die Lebens­mittel gleich­mäßiger getrocknet und die Nährstoffe bleiben besser erhalten. Und zu guter Letzt kann das Verfahren relativ einfach auf Industrie­maßstab hoch­skaliert werden. Zurzeit ist das Team um Defraeye daran, in Zusammen­arbeit mit einem Schweizer Detail­händler das Konzept weiter­zu­entwickeln.

Empa / RK

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