Druckwechseltechnologie (Pressure Change Technology, PCT)

Die Druckwechseltechnologie (pressure change technology, PCT) ist ein nicht-thermisches und nicht-chemisches Verfahren zur Behandlung von Flüssigkeiten mit suspendierten mikrobiellen Partikeln.

Prinzip

Das auch als »kalte Pasteurisierung« bezeichnete Verfahren wird vorzugsweise zwischen 5 °C und 40 °C bei Drücken bis ca. 50 MPa angewendet. Die zu behandelnde Flüssigkeit bzw. Suspension sowie das Arbeitsgas (z. B. Argon oder Stickstoff) werden jeweils unter Arbeitsdruck gesetzt und danach homogen vermischt. Bei Mikroorganismen diffundiert das Gas über die Zellmembran in die Zellen, bis das Zytoplasma mit Gas gesättigt ist. Wenn das Gemisch anschließend abrupt auf Umgebungsdruck abgesenkt wird, nimmt das Gas wieder seinen ursprünglichen, gasförmigen Aggregatzustand an und dehnt sich aus. Hierdurch werden die Zellen eruptiv zerstört. Durch kavitative Effekte können auch Schädigungen an den Partikeloberflächen entstehen.

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Pressure change technology – Druckwechseltechnologie

PCT-Forschungsanlage für Untersuchungen im Kundenauftrag

© Fraunhofer IGB
Kontinuierliche PCT-Forschungsanlage am Fraunhofer IGB.

Auf der Basis langjähriger Forschungs- und Projektarbeit steht am Fraunhofer IGB eine PCT-Forschungsanlage zur Verfügung, in der das Druchwechselverfahren für die Stabilisierung und Haltbarmachung beliebiger flüssiger Produkte untersucht und die jeweils optimalen Parameter ermittelt werden können.

  • In Technikum der Reinraumklasse E
  • Kontinuierliche Prozessführung bis zu 4 L/min

Für Basisuntersuchungen, beispielsweise vor Ort bei Kunden, wird momentan zusätzlich eine flexibel konfigurierbare und mobile PCT-Laboranlage aufgebaut.

Anwendungen

  • Konservierung von Flüssigkeiten durch Inaktivierung von Mikroorganismen und Enzymen (»kalte Pasteurisierung«)
  • Stabilisierung von alkoholischen und nicht-alkoholischen Getränken, Milchprodukten, pflanzlichen Extrakten
  • Stabilisierung von Suspensionen oder flüssigen Präparaten für Pharma- und Kosmetikanwendungen
  • Schonender Zellaufschluss zur Gewinnung intrazellulärer Produkte
  • Freisetzung hochwertiger, thermolabiler Inhaltstoffe aus pflanzlichen, tierischen  oder mikrobiellen Zellen

Vorteile

  • Inhaltsstoffschonende Konservierung ohne chemische Zusätze
  • Geschmacksstoffe, Aromen und ernährungsphysiologische Eigenschaften bleiben bei der Konservierung flüssiger Lebensmittel erhalten
  • Schutz vor Oxidationen durch den Einsatz inerter Prozessgase
  • Flexibel im Prozess einsetzbar
  • Inaktivierung von Enzymen (PPO, POD)
  • (Rück-)Gewinnung wertvoller Inhaltsstoffe in der Biotechnologie unter milden Bedingungen
  • Umweltfreundlich – kein Einsatz von Chemikalien, Rückgewinnung des Prozessgases
  • Energieeffizient

Beispiel: Konservierung flüssiger Lebensmittel

Die Druckwechseltechnologie entwickeln wir am Fraunhofer IGB für die Konservierung von flüssigen Lebensmitteln wie Fruchtsäften oder Wein weiter. Ziele eines Projekts zur Haltbarmachung von Wein ohne Konservierungsstoffe war etwa die Inaktivierung von an der Gärung beteiligten Mikroorganismen. Durch die Verwendung inerter Prozessgase wie Argon oder Stickstoff wird eine Oxidation von sensitiven Inhaltstoffen vermieden. Das Verfahren wurde zunächst als Batch-Prozess realisiert und validiert, wobei Parameter wie Temperatur, Retentionszeit, Gastyp und die Wirkung auf die beteiligten Mikroorganismen (Hefen, Milchsäurebakterien), aber auch physikalisch-chemische und sensorische Eigenschaften des Produkts untersucht werden. Derzeit demonstrieren wir die Technologie in einer mobilen Anlage unter realen Bedingungen bei Endanwendern.

Beispiel: Zellaufschluss für die Aufarbeitung in der Biotechnologie

Der Prozess wird auch eingesetzt, um intrazelluläre Metabolite aus pflanzlichen oder mikrobiellen Zellen zu gewinnen. So konnten wir den Aufschluss von Mikroalgenzellen mit PCT demonstrieren, um hochwertige Inhaltsstoffe für die Nahrungsergänzung oder Kosmetik zu extrahieren. Durch die Kombination des PCT-Verfahrens mit der Hochdruckextraktion und dem Einsatz verschiedener Prozessgase kann die beispielsweise die Gewinnung von Omega-3 Fettsäuren energetisch effizienter als bisher gestaltet werden.

Referenzprojekte

Fraunhofer-Leitprojekt »FutureProteins«

Klimawandel und Umweltbelastungen stellen die Proteinproduktion vor neue Herausforderungen. Proteinquellen aus Pflanzen, Algen, Insekten und Pilzen bieten eine Alternative zu tierischen Nahrungsmitteln. Fraunhofer verfolgt im Leitprojekt FutureProteins daher das Ziel, zukunftsweisende Technologien für die Agrarwirtschaft und die Lebensmittelindustrie zu entwickeln: Sechs Fraunhofer-Institute entwickeln gemeinsam neue innovative Anbausysteme, Gewinnungsprozesse und Verarbeitungsverfahren, um Pflanzen-, Pilz-, Insekten- und Algenproteine für die Herstellung sensorisch ansprechender, nachhaltiger und proteinreicher Nahrungsmittel nutzbar zu machen.