Ultraschallunterstützte ohmsche Erwärmung in der Lebensmittelverarbeitung

Die Nachfrage nach schonenden und zugleich wirksamen Verarbeitungstechnologien im Lebensmittelsektor ist gestiegen, da die mikrobiologische Sicherheit mit dem Erhalt der ernährungsphysiologischen und sensorischen Eigenschaften in Einklang gebracht werden muss. Konventionelle thermische Behandlungen beruhen häufig auf der Wärmeübertragung von der Oberfläche zum Kern, die langsam ist und zu Ungleichmäßigkeiten neigt. Die ohmsche Erwärmung, bei der elektrische Energie direkt innerhalb der Lebensmittelmatrix in Wärme umgewandelt wird, begegnet dieser Herausforderung durch eine schnelle, volumetrische Erwärmung. In Kombination mit Ultraschall wird das Verfahren weiter verbessert: Ultraschallkavitation fördert den Zellaufschluss, die Homogenisierung und den Stofftransport und gleicht dadurch Unterschiede in der Leitfähigkeit aus, die andernfalls lokal begrenzte Wärmekanäle erzeugen können.

Ultraschallunterstützte ohmsche Erwärmung – schonend und dennoch sehr effizient

Die Extraktion mittels ultraschallunterstützter ohmscher Erwärmung kombiniert eine gleichmäßige volumetrische Erwärmung mit mechanischer Homogenisierung durch Ultraschall, um eine effiziente Lebensmittelverarbeitung unter vergleichsweise schonenden Bedingungen zu erreichen. Im Gegensatz zur konventionellen ohmschen Erwärmung, bei der lokal begrenzte Wärmekanäle und thermische Schädigungen (d. h. Überhitzung) auftreten können, fördert der zusätzliche Einsatz von Ultraschall Kavitation und Mikroströmungen, die die Leitfähigkeit vereinheitlichen und die Wärme gleichmäßiger verteilen. Diese Synergie ermöglicht eine schnelle Extraktion bei geringerer effektiver thermischer Belastung, wodurch hitzeempfindliche Verbindungen erhalten bleiben und zugleich der Gesamtenergiebedarf sinkt. Damit stellt die ultraschallunterstützte ohmsche Erwärmung einen schonenden und zugleich leistungsfähigen Ansatz zur Herstellung hochwertiger Lebensmittel dar.

Dieses Video veranschaulicht den positiven Einfluss der direkten Elektrodenbeschallung auf den elektrischen Strom. Zum Einsatz kommt ein Ultraschallhomogenisator Hielscher UP100H (100 Watt, 30kHz) mit einer Erweiterung für elektrochemische Anwendungen und einer Titanelektrode, die zugleich als Sonotrode dient. Bei der Elektrolyse verdünnter Schwefelsäure entstehen gasförmiger Wasserstoff und Sauerstoff. Die Ultraschallbehandlung verringert die Dicke der Diffusionsschicht an der Elektrodenoberfläche und verbessert den Stofftransport während der Elektrolyse.

Ultraschallunterstützte ohmsche Erwärmung – vielfältige Anwendungen in der Lebensmittelverarbeitung

Die ultraschallunterstützte ohmsche Erwärmung wurde für ein breites Spektrum von Anwendungen in der Lebensmittelverarbeitung untersucht. Bei der Pasteurisierung und Sterilisierung gewährleistet die Technik eine schnelle und gleichmäßige mikrobielle Inaktivierung bei gleichzeitigem Erhalt von Vitaminen, Aromen und Textureigenschaften. Bei Stabilisierungsverfahren wie der Enzyminaktivierung oder der Dekontamination von Saatgut ermöglicht sie eine präzise Kontrolle der Behandlungsintensität. Besonders vielversprechend ist die Methode für die Extraktion – ob von ätherischen Ölen, pflanzlichen Proteinen oder bioaktiven Verbindungen –, bei der ultraschallinduzierte Kavitation die Freisetzung beschleunigt und die ohmsche Erwärmung ein effizientes Eindringen des Lösungsmittels erleichtert. Sie wurde auch bei der Verarbeitung flüssiger und halbfester Lebensmittel eingesetzt, darunter Milchprodukte, Fruchtpulpen, Säfte und Emulsionen, bei denen eine gleichmäßige Erwärmung und Durchmischung entscheidend sind.

Zu den wichtigsten Anwendungen der ultraschallunterstützten ohmschen Erwärmung in der Lebensmittelindustrie gehören:

Pasteurisierung und Sterilisierung: schnelle, gleichmäßige mikrobielle Inaktivierung unter Erhalt der sensorischen und ernährungsphysiologischen Qualität.
Extraktion bioaktiver Verbindungen und ätherischer Öle: ultraschallinduzierte Kavitation in Kombination mit ohmscher Elektroporation beschleunigt die Freisetzung von sekundären Pflanzenstoffen, Proteinen und Lipiden.
Blanchieren von Obst und Gemüse: wirksame Enzyminaktivierung mit minimalen Verlusten an Farbe, Aroma oder Vitaminen.
Dehydratisierungs- und Verdampfungsverfahren: beschleunigter Feuchtigkeitsentzug und Energieeinsparungen bei Trocknungs- oder Konzentrationsschritten.
Unterstützung der Fermentation: kontrollierte Erwärmung und verbesserter Stofftransport können die Leistung der Mikroorganismen und die Ausbeute verbessern.
Allgemeine Erwärmung flüssiger und halbfester Lebensmittel: homogene Temperaturverteilung in Milchprodukten, Säften, Pürees und Emulsionen unter Vermeidung lokaler Überhitzungen.

Dieses Video veranschaulicht den positiven Einfluss der direkten Elektrodenbeschallung auf den elektrischen Strom in einem Elektrolyseaufbau mit H-Zelle. Zum Einsatz kommt ein Hielscher UP100H (100 Watt, 30kHz) Ultraschallhomogenisator mit einer Erweiterung für elektrochemische Anwendungen und einer Titanelektrode, die zugleich als Sonotrode dient. Bei der Elektrolyse verdünnter Schwefelsäure entstehen gasförmiger Wasserstoff und Sauerstoff. Die Ultraschallbehandlung verringert die Dicke der Diffusionsschicht an der Elektrodenoberfläche und verbessert den Stofftransport während der Elektrolyse. Die Ultraschallbehandlung kann die Wasserstoffproduktionsrate in der Elektrolysezelle erheblich steigern.

Die Vorteile der ultraschallunterstützten ohmschen Erwärmung für die Lebensmittelindustrie

Für die Lebensmittelindustrie bietet die ultraschallunterstützte ohmsche Erwärmung vielfältige Vorteile. Die Technologie reduziert die Verarbeitungszeit und den Energieverbrauch, ermöglicht selbst in heterogenen Matrizes eine sehr gleichmäßige Erwärmung und minimiert den thermischen Abbau hitzeempfindlicher Verbindungen. Da sowohl die Wärme als auch die Ultraschallwirkungen im Lebensmittel selbst erzeugt werden, macht das Verfahren große externe Wärmetauscher überflüssig und senkt die Wartungskosten. Vor allem entspricht es dem zunehmenden Fokus auf Clean-Label-Produkte und eine nachhaltige Verarbeitung, indem es die Abhängigkeit von belastenden Behandlungen oder chemischen Zusatzstoffen reduziert. Damit zeichnet sich die ultraschallunterstützte ohmsche Erwärmung als leistungsfähiges Werkzeug aus, um künftige Anforderungen an eine sichere, nährstoffreiche und umweltverträgliche Lebensmittelproduktion zu erfüllen.

Die Vorteile

Gleichmäßige Erwärmung: Ultraschall wirkt der Bildung von Wärmekanälen entgegen und gewährleistet so eine homogene Temperaturverteilung in heterogenen Lebensmitteln.
Schnelle Verarbeitung: Die kombinierten Wirkungen der ohmschen Erwärmung und des Ultraschalls verkürzen die Zeiten für Pasteurisierung, Sterilisierung und Extraktion.
Energieeffizienz: Geringerer Gesamtenergieverbrauch im Vergleich zu konventionellen thermischen Behandlungen.
Erhalt von Nährstoffen und Aromen: Geringere thermische Belastungen erhalten Vitamine, Antioxidantien und flüchtige Aromastoffe.
Verbesserte Extraktion: Elektroporation und Kavitation beschleunigen die Freisetzung bioaktiver Verbindungen, ätherischer Öle und Proteine.
Lebensmittelsicherheit: Wirksame mikrobielle und enzymatische Inaktivierung bei minimalem Qualitätsverlust.
Skalierbarkeit und Flexibilität: Für flüssige und halbfeste Lebensmittel geeignet.
Saubere Verarbeitung: Lösungsmittelfrei, chemikalienfrei und im Einklang mit einer nachhaltigen „Clean-Label“-Produktion.

Ultraschallelektroden für eine verbesserte ohmsche Erwärmung in der Lebensmittelverarbeitung

Die Ultraschallelektroden (Sonoelektroden) von Hielscher bieten einen deutlichen Vorteil bei der ohmschen Erwärmung, da sie zwei einander ergänzende Mechanismen in einem einzigen Aufbau vereinen: die Zufuhr von elektrischem Strom und die Anregung zu Ultraschallschwingungen. Während die Elektrode den für die volumetrische Joule-Erwärmung erforderlichen Wechselstrom zuführt, erzeugt ihre gleichzeitige Schwingung mit 20 kHz Kavitation, Mikroströmungen und Scherkräfte, die pflanzliche Zellwände aufbrechen und das Medium homogenisieren. Diese zweifache Wirkung minimiert die Bildung von Wärmekanälen, gewährleistet eine gleichmäßigere elektrische Leitfähigkeit und bewirkt dadurch eine gleichmäßige Erwärmung in der gesamten Probe. Gleichzeitig beschleunigt der ultraschallbedingte Extraktionseffekt den Stofftransport und fördert die Freisetzung intrazellulärer Verbindungen, wodurch Ausbeute und Qualität weiter verbessert werden. Im kommerziellen Einsatz bietet das Elektrodensystem UIP2000hdT von Hielscher (2000 W pro Elektrode) die für eine kontinuierliche industrielle Produktion erforderliche Robustheit, während kleinere Aufbauten wie der UP100H (100 W) und der VialTweeter als flexible Werkzeuge für Forschung im Labormaßstab und Prozessoptimierung dienen.

Warum Hielscher Ultrasonics?

hohe Effizienz
modernste Technologie
Zuverlässigkeit und Robustheit
einstellbare, präzise Prozesssteuerung
Batch & Inline
für jedes Volumen
intelligente Software
intelligente Funktionen (z. B. Programmierbarkeit, Datenprotokollierung, Fernsteuerung)
einfach und sicher zu bedienen
wartungsarm
CIP (Reinigung im eingebauten Zustand)

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte für die ohmsche Erwärmung / Ultraschallelektroden:

Batch-Volumen	Durchfluss	Empfohlene Geräte
0,5 bis 1,5mL	nicht zutreffend	VialTweeter
1 bis 500mL	10 bis 200mL/min	UP100H
0,1 bis 20L	0,2 bis 4L/min	UIP2000hdT

Entwicklung, Fertigung und Beratung – Qualität Made in Germany

Die Ultraschallgeräte von Hielscher sind für höchste Qualitäts- und Konstruktionsstandards bekannt. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die reibungslose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Die Ultraschallgeräte von Hielscher bewältigen raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen problemlos.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt besonderen Wert auf leistungsstarke Ultraschallgeräte, die modernste Technologie und Benutzerfreundlichkeit bieten. Selbstverständlich sind die Ultraschallgeräte von Hielscher CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.

Literatur / Quellen

Kumar, R., Chopra, S., Choudhary, A.K. et al. (2023): Cleaner production of essential oils from Indian basil, lemongrass and coriander leaves using ultrasonic and ohmic heating pre-treatment systems. Scientific Reports 13, 4434 (2023).
Eun-Rae Cho, Dong-Hyun Kang (2024): Development and investigation of ultrasound-assisted pulsed ohmic heating for inactivation of foodborne pathogens in milk with different fat content. Food Research International,Volume 179,2024,
Kutlu, N., Isci, A., Sakiyan, O., & Yilmaz, A. E. (2021): Effect of ohmic heating on ultrasound extraction of phenolic compounds from cornelian cherry (Cornus mas). Journal of Food Processing and Preservation, 45, e15818.

Häufig gestellte Fragen

Sind ohmsche Erwärmung und Joule-Erwärmung dasselbe?

Nicht ganz. Die Joule-Erwärmung ist der zugrunde liegende physikalische Effekt: Wenn elektrischer Strom durch einen Leiter fließt, wird elektrische Energie entsprechend dem Widerstand des Materials in Wärme umgewandelt. Die ohmsche Erwärmung hingegen ist die praktische Anwendung dieses Effekts. In Lebensmitteln sowie in pflanzlichen oder biologischen Systemen wird gezielt Wechselstrom durch das Material geleitet, das als Widerstandsmedium dient, wobei im gesamten Material gleichmäßig Wärme entsteht. Kurz gesagt: Die Joule-Erwärmung ist das Prinzip, während die ohmsche Erwärmung das darauf aufbauende Verfahren ist.

Aus welchen Komponenten besteht ein Aufbau zur ohmschen Erwärmung?

Ein typisches System zur ohmschen Erwärmung umfasst eine Stromversorgung zur Bereitstellung von Wechselstrom, eine Behandlungskammer, die das Produkt enthält, und Elektroden, die so angeordnet sind, dass Strom durch die Probe fließen kann. Für eine präzise Kontrolle ist der Aufbau mit Sensoren zur Überwachung von Spannung, Stromstärke und Temperatur sowie mit Regeleinheiten zur Aufrechterhaltung gleichmäßiger Erwärmungsbedingungen ausgestattet.

Was ist Joule-Erwärmung?

Joule-Erwärmung – auch Widerstandserwärmung genannt – tritt auf, wenn elektrischer Strom durch ein leitfähiges Material fließt und dabei Wärme freigesetzt wird. Die erzeugte Wärmemenge ist proportional zum Widerstand des Materials und zum Quadrat der Stromstärke.

Was ist der Unterschied zwischen ohmscher Erwärmung und Joule-Erwärmung?

Die Joule-Erwärmung bezeichnet den allgemeinen physikalischen Prozess der Wärmeerzeugung durch elektrischen Widerstand. Die ohmsche Erwärmung ist eine gezielte Anwendung dieses Prinzips, bei der Wechselstrom durch Lebensmittel oder biologische Materialien geleitet wird, um unter Nutzung ihrer natürlichen Leitfähigkeit eine schnelle und gleichmäßige volumetrische Erwärmung zu erreichen.

Wo wird ohmsche Erwärmung eingesetzt?

Die ohmsche Erwärmung findet Anwendung in der Lebensmittelverarbeitung, der Pflanzenextraktion, der Pasteurisierung, der Sterilisierung, der Enzyminaktivierung und in der Materialwissenschaft, überall dort, wo eine schnelle, gleichmäßige Erwärmung im Inneren erforderlich ist, ohne auf eine externe Wärmeübertragung angewiesen zu sein.

Was ist ein ohmsches Plasma?

Ein ohmsches Plasma ist ein Plasma, in dem elektrischer Strom Energie durch elektrischen Widerstand dissipiert und die Plasmateilchen durch den Joule-Effekt erwärmt. Dieses Konzept ist grundlegend für den Plasmaeinschluss und die Kernfusionsforschung.

Welche Vorteile bietet die ohmsche Erwärmung in der Lebensmittelindustrie?

Bei Lebensmittelanwendungen ermöglicht die ohmsche Erwärmung eine schnelle und gleichmäßige Erwärmung, minimiert thermische Gradienten und verkürzt die Verarbeitungszeiten. Sie trägt zum Erhalt von Nährstoffen, Aromen und Texturen bei und senkt zugleich den Energieverbrauch. Diese Eigenschaften machen sie zu einer attraktiven „Clean-Label“-Technologie für die moderne Lebensmittelproduktion.