DLG-Innovation Award

Britta Graf (Universität Hohenheim, Institut für Lebensmittelwissenschaft und Biotechnologie, Fachgebiet Milchwissenschaft und -technologie) sowie Deborah Becker (Technische Universität Berlin, Institut für Lebensmittelbiotechnologie und -prozesstechnik) teilen sich den ersten Platz des Innovation Award „Junge Ideen“ 2022 der DLG (Deutsche Landwirtschafts-Gesellschaft). Beide Nachwuchswissenschaftlerinnen überzeugten die Experten-Jury mit ihren praxisrelevanten Arbeiten: Graf setzte sich in ihrer Promotionsarbeit mit der „Mikrowellentechnologie zum Erhitzen von flüssigen und konzentrierten Milchprodukten im Technikumsmaßstab“ auseinander. Becker beschäftigte sich in ihrer Masterarbeit mit „Automated Optimization of Food Formulations using Machine Learning”. Der insgesamt mit 2.500 Euro dotierte DLG-Lebensmitteltechnologiepreis fördert herausragende Nachwuchswissenschaftler.

Britta Graf hat in ihrer Dissertation unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Hinrichs, Leiter des Fachgebiets Milchwissenschaft und -technologie und der Forschungs- und Lehrmolkerei an der Uni Hohenheim, die Mikrowellentechnologie als alternatives Erhitzungsverfahren für Milch und Milchprodukte vorgestellt. Dabei werden Lösungsansätze für die Sporenproblematik in Milchpulvern präsentiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die kontinuierliche Mikrowellenerhitzung eine alternative Technologie zum Erhitzen flüssiger und pastöser Milchprodukte ist. Der direkte Wärmeeintrag erlaubt gleichmäßiges und schonendes Erhitzen von konzentrierten Milchprodukten bei reduziertem Fouling (ϑ > 100 °C). Durch das Potential, auch thermophile Sporen zu inaktivieren, wird ein mikrobiell stabileres Produkt erzeugt, wodurch Stapelzeiten verlängert und der Transport und Export ermöglicht werden. Des Weiteren eröffnet die Mikrowellentechnologie z. B. durch das Erhitzen von Milchkonzentraten, welche im Anschluss zu „sporen-reduzierten“ Milchpulvern verarbeitet werden, neue Möglichkeiten. Dies bietet besonders im Bereich der Säuglingsnahrung einen Wettbewerbsvorteil für Unternehmen. Reduziertes Fouling durch den Einsatz von Mikrowellentechnologie verlängert die Standzeit der Anlage und reduziert damit Reinigungskosten und -aufwand. Zusätzlich kann die Anlage ausschließlich durch Strom, der bestenfalls durch grüne Energie gewonnen wurde, betrieben werden und der Wasserverbrauch durch das Fehlen von beispielsweise Dampfkesseln ist reduziert. Außerdem wurde ein neuer Prozess für haltbare Milch vorgestellt. Das sogenannte customized phase treatment (CPT) bietet mittels Mikrofiltration und getrenntem Erhitzen der erhaltenen Phasen ein neues, alternatives Herstellungsverfahren für lagerfähige Milchprodukte und ist im technischen Maßstab direkt implementierbar. Durch die verlängerte Haltbarkeit mit gleichzeitigem Erhalt wertgebender Inhaltsstoffe bringt der neue CPT-Prozess nicht nur ein neuartiges Produkt in der Gruppe der H-Milchen hervor, sondern stellt auch einen Wettbewerbsvorteil für Unternehmen dar.

Eine kontinuierliche Mikrowellenanlage bietet einen platzsparenden Aufbau, leichte Bedienung und schnelle sowie schonende Erhitzung mit exakter Temperaturkontrolle. Durch flexible Designoptionen eignet sich eine solche Anlage sowohl im technischen Maßstab als auch für Nischenprodukte, besonders in kleinen und mittelständischen Unternehmen.

Deborah Becker beschäftigte sich unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. habil. Cornelia Rauh, Prof. Dr.-Ing. Christoph Hartmann und Dr.-Ing. Christopher McHardy mit der Automatisierung in der Produktentwicklung. Ziel ihrer Arbeit war es, aus dem Chemieingenieurwesen bekannte Methoden auf den Bereich der Lebensmitteltechnologie zu übertragen. Neueste Anwendungen haben hier gezeigt, dass die Effizienz der Produktentwicklung zusätzlich gesteigert werden kann, wenn die automatisierten Experimente mit Optimierungsalgorithmen gekoppelt werden. Diese Algorithmen basieren auf dem Konzept des Aktiven Lernens, d. h. sie „lernen“ aus vorhandenen Daten und identifizieren mit möglichst wenig zusätzlichen Experimenten einen optimalen Datensatz, passend zur vorliegenden Problemstellung.
Durch das von Becker entwickelte Kreislaufverfahren konnte eine sonst aufwendige Versuchsdurchführung auf eine Dauer von nur wenigen Stunden minimiert werden. Es ist dabei möglich, einen großen Satz wiederholbarer und zuverlässiger Daten zu erzeugen und gleichzeitig zufällige Fehler durch den Experimentator, insbesondere bei Routinevorgängen, zu vermeiden. Zudem war es durch den Maßstab der Millifluidik-Robotik-Plattform möglich, die benötigte Probenmenge deutlich zu reduzieren. Bei der untersuchten salzinduzierten Aggregation von thermisch behandeltem Molkenprotein gaben die integrierten Inline-Messvorrichtungen für Trübung und Viskosität einen qualitativen Hinweis auf die Bildung von Aggregaten und den Effekt der einzelnen Komponenten der Formulierung. Diese gewonnenen Erkenntnisse über die vorherrschenden Effekte in komplexen Systemen können abgeleitet und für die weitere Forschung genutzt werden.

Beckers Arbeit zeigt, dass Automatisierung und Aktives Lernen in der Lebensmitteltechnologie erfolgreich eingesetzt werden können. Weiterentwickelt und auf Rezepturen höherer Komplexität angewendet, kann die hier beschriebene Methodik zu einer schnelleren, nachhaltigeren und kostensparenden Produktentwicklung für zukünftige Lebensmittel führen.