“Ik hou alleen van verse melk, niet van gesteriliseerde”, zegt ir. Nicole Clerx desgevraagd. En de promovenda van de sectie Procestechnologie (Werktuigbouwkunde) is geen uitzondering. Bij sterilisatie wordt de melk dusdanig verhit dat niet alleen de bacteriën het loodje leggen, maar ook eiwitten en vitamines in de melk beschadigen. En dat gaat ten koste van de smaak. Daar staat tegenover dat je gesteriliseerde melk zonder problemen maanden bij kamertemperatuur kunt bewaren. Was het alleen maar net zo lekker als de ‘verse’ melk uit de koelkast.

Daarbij moet wel worden aangetekend dat het onderscheid tussen ‘gesteriliseerd’ en ‘vers’ niet zo zwart-wit kan worden gesteld. De ‘verse’ melk uit de supermarkt is gepasteuriseerd: bij een lagere temperatuur verhit, zodat niet alle bacteriën worden gedood en de eiwitten intact blijven. En ouderwetse sterilisatie, waarbij de melk een bruinige kleur krijgt van de gekarameliseerde suikers, wordt al lang niet meer toegepast.

De zuivelbranche zit niet stil en zoekt nog altijd naar een manier om alle bacteriën te doden zonder de smaak aan te tasten. Clerx: “Uit onderzoek is gebleken dat je melk kunt steriliseren door het heel kort, een paar tienden van een seconde, te verhitten tot ongeveer tweehonderd graden.” Deze ultrasnelle verhitting doodt wel de bacteriën, maar laat de eiwitten grotendeels onbeschadigd achter. In het laboratorium is dit al gelukt met behulp van stoominjectie, maar het proces is nog niet goed genoeg begrepen om het op te schalen tot een industrieel proces.

Het STW-programma ‘Rapid Heating with Direct Steam Injection’, waaraan Clerx met medepromovendus Alessandro Pecenko deelnam, beoogde hierin verandering te brengen. De TU/e’ers werkten samen met NIZO Food Research en met Stork Food & Dairy Systems, dat installaties maakt voor de voedselverwerkende industrie. “Stork wilde een design tool waarmee je met een druk op de knop het optimale ontwerp voor de stoominjecteur kan bepalen. Maar daarvoor moesten we eerst meer leren over de fysica van het injectieproces.”

Stoominjectie is een bijzonder effectieve manier van verwarmen; je kunt er in korte tijd heel veel warmte mee overbrengen. De hete stoom dringt door tot in de vloeistof en maakt daar direct contact. De stoombel condenseert vervolgens tot water en bij deze faseovergang komt erg veel warmte vrij.

Clerx bouwde samen met de technici van het TFE-lab bij Werktuigbouwkunde een testopstelling waarin ze het injectieproces met een hogesnelheidscamera tot in detail kon bestuderen, met als doel het numerieke model van Pecenko experimenteel te bevestigen. De stoom spoot ze loodrecht in de vloeistofstroom met een simpele injecteur. “Je moet beginnen bij de basis”, zegt Clerx. “Dus eerst met een injecteur met één ronde opening, in plaats van een ring waarbij de stoom van alle kanten komt. Dan kun je namelijk niet meer zien wat er gebeurt.”

De promovenda wilde weten hoe de stoom doordringt in de melk, en wat dat doet met de stroming. Toch pompte ze geen melk door de opstelling, maar water. Melk is namelijk te ondoorzichtig, waardoor je de stroming niet kunt volgen.

Met de hogesnelheidscamera was duidelijk te zien dat rond de injecteur een stoombel ontstaat met een chaotisch gekronkeld oppervlak. Deze bel groeit tot hij opbreekt of zelfs implodeert, afhankelijk van omstandigheden als de stroomsnelheid van het water en het temperatuurverschil tussen de stoom en het water (zie afbeelding).

Groei en implosie van een stoombel in water, vastgelegd met een hogesnelheidscamera. De stoom wordt van links geïnjecteerd. De tijd tussen de opeenvolgende foto’s is 1,05 milliseconden.

Om het effect van de stoominjectie te kwantificeren, voegde Clerx plastic microbolletjes toe aan het water, voorzien van een fluorescerende kleurstof. Vervolgens bescheen ze het door de opstelling stromende water met een groene laser. Hierdoor lichtten de microbolletjes rood op. Met filters blokkeerde de promovenda al het groene licht en schoot ze met een digitale camera een aantal plaatjes van de rode bolletjes, met tussenpozen van ongeveer een tiende van een seconde. Uit de verplaatsing van de bolletjes in deze plaatjes leidde ze een snelheidsprofiel af van de stroming stroomafwaarts van de injecteur.De snelheidsprofielen maken duidelijk dat er een ‘jet’ ontstaat met warmer water dat van de injecteur af beweegt. De vorm en positie van deze warme stroom blijken goed te voorspellen aan de hand van de verhouding tussen de energiedichtheden van het water en stoom die op elkaar botsen. Dat biedt aanknopingspunten voor de opdrachtgever, denkt Clerx. “Op basis van deze bevindingen en het model van Alessandro Pecenko kun je een designtool maken voor industriële toepassingen.” We moeten nog even geduld hebben, maar die smakelijke gesteriliseerde melk komt er wel. (TJ)