DE102004003448B3

DE102004003448B3 - Tieftemperaturextrusionsverfahren zur Mikrostrukturierung von gefrorenen, belüfteten Massen, beispielsweise Eiskrem, und Tieftemperaturextrusionsvorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE102004003448B3
Application number: DE102004003448A
Authority: DE
Inventors: Erich J. Prof. Dr. Windhab
Original assignee: Nestle SA
Current assignee: Societe des Produits Nestle SA
Priority date: 2004-01-22
Filing date: 2004-01-22
Publication date: 2005-11-10
Anticipated expiration: 2024-01-23
Also published as: EP1708577B1; US20080254180A1; US9433231B2; CN1909794A; US20110212209A1; CA2553838A1; BRPI0507009A; US8394441B2; RU2006130305A; ES2425563T3; JP2007537720A; WO2005070225A1; AU2005205906A1; RU2358434C2; EP1708577A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Tieftemperaturextrusionsverfahren und eine zum Durchführen dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung zur energieoptimierten und viskositätsadaptierten Mikrostrukturierung von gefrorenen, belüfteten Massen. Dabei soll bei feindisperser Mikrostruktur eine optimierte Abfuhr von Wärme erreicht werden zur Erzielung eines hohen Gefriergrades bei tiefen Temperaturen. Mittels dieses neuen Verfahrens und der Vorrichtung lassen sich belüftete Massen unter bislang nicht erreichter Minimierung des mechanischen Energie- bzw. Leistungseintrages kontinuierlich tiefgefrieren und optimiert mikrostrukturieren. Dies erlaubt unter gleichzeitig optimierten Wärmeübertragungsbedingungen von z. B. der Eiscrememasse auf das Kältemittel die Erzielung hoher Ausgefriergrade der Masse und damit tiefe Austrittstemperaturen am Austritt des erfindungsgemäßen konfigurierten Extrusionsprozesses. Die Mikrostruktur derart bearbeiteter Massen bewirkt einerseits eine sehr vorteilhaft weich-plastische Konsistenz, was sehr gute Formgebungs-, Portionier- und Löffeleigenschaften auch bei tiefen Temperaturen nach sich zieht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Tieftemperaturextrusionsverfahren zur Mikrostrukturierung von gefrorenen, belüfteten Massen, beispielsweise Eiskrem.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Tieftemperaturextrusionsvorrichtung.

Einwellen- und Doppelwellenextruder sind bekannte kontinuierliche Prozessapparate, welche neben Kunststoff- und Keramikindustrie auch in der Lebensmittelindustrie, z. B bei der Herstellung von Teig-/Pasta und Snackprodukten, seit langem Einsatz finden. Seit 1992 ( DE 4202231 C1 ) wurden Extruder auch mehrfach für den Einsatz beim kontinuierlichen Tiefgefrieren von gefrorenen Desserts wie z. B. Eiskrem vorgeschlagen.

Tieftemperaturextruder erlauben das Tiefgefrieren von Eiskrem und anderen derartigen Massen, zum Beispiel Yoghurt, bis zu einem hohen Ausfriergrad von Wasser (ca. 80 – 90%, bezogen auf den ausfrierbaren Anteil) unter gleichzeitiger mechanischer Beanspruchung durch Scherung.

Die durch viskose Reibung des höchstviskosen (dynamische Viskosität bis ca. 10⁴ Pas) teilgefrorenen Stoffsystems erzeugte Dissipationswärme kann zusätzlich zur freigesetzten Kristallisationswärme (Gefriervorgang) effizient abgeführt werden, wobei sich ein Gleichgewicht zwischen erzeugter und abgeführter Wärme abhängig vom Wärmedurchgangskoeffizient k (beschreibt den Wärmedurchgang durch die wandanhaftende Produktschicht und die Extrudergehäuseinnenwand in das diese umspülende, verdampfende Kältemittel) einstellt. Maximale Wärmedurchgangskoeffizienten werden bislang dadurch erreicht, dass durch geeignete Wahl der Extruderschneckengeometrien mit engem Wandspalt ein effizienter Schichtabtrag von an der Wand verfestigter (gefrorener) Masse erfolgt, und ein direkt verdampfendes Kältemittel (z. B. Ammoniak) zur Kühlung des Extrudergehäuses eingesetzt wird.

Die im Schneckenkanal des Extruders erzeugten Schergeschwindigkeiten werden aufgrund eingesetzter Doppelschneckengeometrien mit geringer konstanter Schneckenkanalhöhe und einer versetzten Schneckenanordnung stark vergleichmässigt. Das heißt, es entstehen keine ausgedehnten Zonen mit hohen Schergeschwindigkeitsspitzen und ebenso keine ausgedehnten Bereiche mit sehr niedrigen Schergeschwindigkeiten. Bei maximalen Schergeschwindigkeiten von ca. 20 – 30 1/s werden bei typischen Eiskremmassen ca. –12 bis –18°C Extruderaustrittstemperatur erreicht.

Die minimal erreichbare Extruderaustrittstemperatur ist abhängig von der Ausprägung der Gefrierpunktserniedrigung, der sich in Abhängigkeit davon einstellenden Viskosität des Stoffsystems bei entsprechender Temperatur und der mechanischen Energiedissipation auf Grund viskoser Reibung.

Bei der Bearbeitung von Eiskremmassen im Extruder wird aufgrund der gewählten Konstruktions- und Betriebsweise nur ein kleiner Druckgradient über der Extruderlänge aufgebaut. Die Gesamtdruckdifferenz zwischen Extruderein- und -austritt beträgt in aller Regel ≤ 1 – 5 bar. Damit wird eine Entmischung (Gas/Fluid) des zudosierten, am Extrudereintritt noch niedrigviskosen, nicht bzw. nur zum geringen Teil gefrorenen Eiskremschaumes weitestgehend vermieden.

Die spezifische Schneckenkonfiguration sowie die Schneckenanordnung im Tieftemperaturextruder bewirken außerdem eine schonende, effiziente Vermischung des bearbeiteten Stoffsystems. Dies geschieht insbesondere durch geeignete "Stromteilung" an den Schneckenstegen im Überlappungsbereich der Schnecken.

Neben den vorab beschriebenen apparatebaulichen und prozesstechnischen Aspekten, sind für die Tieftemperaturextrusion von Speiseeis insbesondere die damit zu erzielenden produktspezifischen Vorteile von besonderem Interesse.

Grundsätzlich gilt, dass solche durch die Tieftemperaturextrusion erzielbaren produktspezifischen Vorteile auf einer Feinerdispergierung der dispersen Mikrostrukturkomponenten: Eiskristalle, Gasblasen und Fettglobulagglomerate basieren. Der Grad dieses Effektes hängt auch von der Eiskremrezeptur mit ab.

Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf typische Standardrezepturen mit unterschiedlichen Fett- (0-16%) und Trockensubstanzanteilen (35-43%). Folgende vorteilhaften Besonderheiten ergeben sich für solche tieftemperaturextrudierte Eiskrem:
Die dispersen Hauptstrukturelemente in Eiskrem, die Wassereiskristalle, und die Luftblasen/Gasblasen werden aufgrund der intensiven mechanischen Beanspruchung unter den im Extruder herrschenden laminaren Scher-/Dehnströmungsverhältnissen verstärkt feindispergiert. Bei den Eiskristallen spielen dabei insbesondere auch Sekundärnukleationseffekte durch Kristallabrieb bzw. Kristallbruch sowie zusätzlichen Abtrag neugebildeter Eiskristallkeime von den Wänden des Extrudergehäuses eine wichtige zusätzliche Rolle. Die Intensität der mechanischen Behandlung in der Extruderströmung hängt stark von der Viskosität und somit dem Ausfriergrad an Wasser bei entsprechender Temperatur ab. Der mechanische Leistungs- bzw. Energieeintrag erfolgt über dem Extruderquerschnitt (enger "Ringspalt") weitgehend homogen (keine maßgeblichen Strömungszonen mit ausgeprägten Spannungsspitzen). Über der Extruderlänge nimmt der mechanische Energieeintrag aufgrund der mit zunehmender Verweildauer der Eiskrem im Extruderkanal ansteigenden Viskosität (zunehmender Gefriergrad) stark zu. Ein lokales Zerstören der Eiskremstruktur durch übermäßige Energiedissipation und entsprechende Wärmeentwicklung wird bei apparatetypischen Schergeschwindigkeiten vermieden.

Damit resultiert eine relativ enge Größenverteilung von Eiskristallen und Gasblasen. Die absoluten Größen von Gasblasen und Eiskristallen sind zu deutlich kleineren Durchmessern gegenüber herkömmlich hergestellter Eiskrem verschoben (ca. Faktor 2-5).

In fetthaltigen Eiskrems erfahren außerdem die Fettglobule, welche in ihrer primären Größenverteilung aufgrund der Behandlung des Eismixes in Homogenisatoren mittlere Durchmesser von ca. 1 Mikrometer und darunter besitzen, ebenfalls eine verstärkte mechanische Beanspruchung im Tieftemperaturextruder. Diese Beanspruchung bewirkt sowohl ein verstärktes Freilegen der Fettglobuloberfläche durch "Abscheren" der Protein-/Emulgator Membranen, als auch ein teilweises Zerscheren von Fettglobulen. Damit kann von einer verstärkten hydrophoben Wechselwirkung derart behandelter Fettglobule ausgegangen werden. In der Folge tritt eine verstärkte Affinität zur Gasblasengrenzfläche auf. Ebenso tendieren diese mechanisch behandelten Fettglobule zur verstärkten Wechselwirkung miteinander, was zur Ausbildung von Fettglobulagglomeraten führen kann. Da die freie Beweglichkeit solcher Fettglobule in der hochkonsistenten tieftemperaturextrudierten Eiskrem sehr eingeschränkt ist, besteht in der Regel nicht die Möglichkeit der Ausbildung großer sensorisch wahrzunehmender Agglomerate. Somit ist die Gefahr der Erzeugung eines buttrigen Mundgefühls minimiert.

Unter sensorischen Gesichtspunkten bewirken sowohl die kleineren Eiskristalle und Gasblasen ebenso wie die mechanisch verstärkt behandelten nicht agglomerierten Fettglobule eine deutlich verstärkte Ausbildung der Produktkremigkeit. Ebenso werden andere sensorische Qualitätsattribute durch die feinerdispersen Strukturen in der tieftemperaturextrudierten Eiskrem signifikant positiv beeinflusst wie z. B. Schmelzverhalten, Kälteeindruck (Mundraum) und Löffelbarkeit.

Aufgrund der verstärkten Feindispersität der dispersen Eiskreminhaltsbestandteile, welche wie vorab beschrieben den Kremigkeitseindruck deutlich erhöhen, kann gegenüber herkömmlicher Eiskrem auch mit deutlich niedrigeren Fettgehalten ein vergleichsweise kremiges Mundgefühl erzeugt werden.

Zur Erzielung einer gleichmäßigen Mikrostrukturierung der Eiskrem (1) bei gleichzeitiger Erreichung tiefer Austrittstemperaturen von kleiner ca. –12°C (2) (konventionelle Standard Vanille Eiskrem) ist die Konstruktion der Extruderschnecke(n) bzw. der resultierenden Strömungsverhältnisse unter entsprechend adaptierten Drehzahleinstellungen von maßgeblicher Bedeutung.

Es sind auch Tieftemperaturextruder (bevorzugt Ein- oder auch Doppelschneckenextruder) zur Bearbeitung von Eiskrem mit 2-6 gängigen Schnecken, bevorzugt 2-5 gängigen Schnecken und einem Schneckensteigungswinkel zwischen 28 und 45°, bevorzugt zwischen 32 und 45°, vorbekannt. Bevorzugt wird das Verhältnis von Schneckenkanalhöhe H zu Schneckenkanalbreite Wc soll kleiner als 0.2 jedoch größer als 0.1 sein. Das bevorzugte Verhältnis von Schneckenkanallänge zum Schneckeninnendurchmesser wird mit 2-10, bevorzugt 2-4 angegeben. Dies führt zu eher kurzen Extrudern.

Die grundsätzliche Schwierigkeit bei der kontinuierlichen Gefrierstrukturierung von Eiskrem im Tieftemperaturextruder besteht in der Kombination einer mechanischen Beanspruchung mit der gleichzeitigen Gefrierverfestigung. Letztere führt zur viskositätsproportionalen Zunahme des viskosen Reibungsenergieeintrages und damit zur Notwendigkeit neben der Kristallisationsenthalpie zunehmend diese in Wärme dissipierte Reibungsenergie durch Kühlung abzuführen. Dies wird limitiert durch die geringe Wärmeleitfähigkeit der geschäumten Eiskrem und den erreichbaren Wärme durchgangskoeffizient in laminarer Strömung von der Eiskrem, durch die Extrudergehäusewand in das Kältemittel.

Die Optimierung der Strömungsverhältnisse im Extruder im Hinblick auf eine maximale Verbesserung der Produkteigenschaften zielt auf die maximale Scherbeanspruchung zur Erzielung einer feinstdispersen Mikrostruktur bei minimaler Extruderaustrittstemperatur.

In den herkömmlich für die Tieftemperaturextrusion von Eiskrem beschriebenen Extruderschneckengeometrien wird eine gut strukturierungswirksam hohe Beanspruchung nur in einer dem Extruderaustritt zugewandten Teilzone, welche maximal 50% der Extruderlänge ausmacht, erreicht. Da in aller Regel vorgefrorene (ca. –5°C; 40-45% des gefrierbaren Wasseranteils in Eiskristallform) Eiskrem aus einem konventionellen Schabekühler (Freezer) in den Tieftemperaturextruder zur weitergehenden Gefrierstrukturierung eingebracht wird, erfährt diese unter den im vorderen Extruderbereich (Eintrittsbereich bis zu ca. 50% der Extruderlänge) auf Grund der noch relativ niedrigen Produktviskosität resultierenden niedrigen Schubspannungen keine weitergehende Feindispergierung. Wie jüngste Untersuchungen gezeigt haben treten in dieser Extruderzone häufig sogar Vergröberungen der dispersen Schaumstruktur (Gas/Luft-Blasen/Zellen) auf. Grund ist eine Verschiebung des dynamischen Gleichgewichtes zwischen Blasendispergierung und Blasenrekoaleszenz zur Koaleszenz auf Grund reduzierter Beanspruchung im Vergleich zur Beanspruchungsvorgeschichte der Eiskrem im Freezer. 1 zeigt beispielhaft einen derartigen Effekt anhand der Entwicklung der Gasblasengrößenverteilung über der Extruderlänge. Im gewählten Beispiel steigen die Gasblasendurchmesser in den ersten ca. 150 mm des Extruderkanals um ca. 25% an (s. 2). Erst nach ca. 400-450 mm (von 1000 mm Gesamtlänge bei 65mm Schneckenaußendurchmesser und 7 mm Schneckenkanalhöhe) beginnt die effektive Feinerstrukturierung.

Versuche haben gezeigt, dass eine gezielte Erhöhung der Scherbeanspruchung in den ersten ca. 25-70% des Extruders eine wesentlich bessere räumliche Ausnutzung des Extruders sowie eine weitergehend verbesserte Feinstrukturierung zulässt.

Aus der DE 695 08 529 T3 ist ein Verfahren zum Herstellen von belüfteten gefrorenen Produkten, vorbekannt, bei dem man eine Eiscrememischung mischt, belüftet, gefriert und auf eine Temperatur von –8° C oder darunter abkühlt und durch eine Düse hindurchtreten lässt. Alle diese Operationen werden in einem einzigen Schritt in einer einzigen Vorrichtung durchgeführt, die von zwei parallelen, gleichsinnig drehenden und miteinander kämmenden Schnecken gebildet sind, die in einem Gehäuse mit Mitteln für den Lufteinschlag und die Kühlung angeordnet sind. Die Eiscrememischung gibt man in die Zweischneckenvorrichtung bei etwa 2 bis 5° C ein, in der sie von den gemeinsam mit 100 – 600 U/min rotierenden Schnecken geknetet wird, in eine Luftinjektionszone verlagert wird, wo eine Volumenzunahme von 20 – 150 % erfolgt, auf –8° bis –20° C stark abgekühlt wird, wonach sie durch eine Düse gedrückt wird. Diese Vorveröffentlichung betrifft auch eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens mit zwei Schnecken, die identisch und parallel sind und miteinander kämmen und sich gleichsinnig drehen und die in einem Gehäuse angeordnet sind, das an einem seiner Enden mit einer Düse versehen ist. Am anderen Ende ist eine Einrichtung zum Zugeben einer Eiscremezusammensetzung vorgesehen, mit einer Zwischenzone und mit einer Einrichtung zum Einspeisen von Luft, wobei das Gehäuse mit einem Mantel versehen ist, in dem Kältemittelfluide zirkulieren. Die beiden Schnecken weisen hintereinander angeordnete Segmente auf, bei denen die Form der Schnecke von einem Segment zum anderen variiert und zwar hinsichtlich der Orientierung der Gewinde und ihrer Steigung, wobei die Konfiguration der Schnecken so ausgelegt ist, dass die Schritte des Transports, des Mischens, der Scherung und des Komprimierens der Masse in Richtung der Düse bewirkt werden sowie der Lufteinschlag auf eine solche Weise begünstigt wird, dass eine gute Volumenzunahme erhalten wird.

Die WO 99/24236 A1 zeigt einen Extruder mit einem Gehäuse und wenigstens einer Schnecke, die an ihrer Außenmantelfläche so ausgebildet ist, dass sich zwischen der Innenwand des Gehäuses und der Peripherie der Schnecke ein stetig sich verengender Spalt ergibt, derart, dass in orthogonal zur Längsachse der Schnecke gerichteten Querschnitten über den Umfang der Schnecke verteilt, mehrere in gleicher Drehrichtung weisende, rundkeilartige Vorsprünge entstehen, die sich in Richtung auf die Innenmantelfläche des Gehäuses stetig verringern.

Die EP 0 438 996 A2 zeigt eine Extrusionsvorrichtung mit einer Schnecke, die über ihre Länge Flügel mit unterschiedlichen Steigungen aufweist.

Die EP 0 351 476 A1 zeigt eine Extrusionsvorrichtung, bei welcher sich in Förderrichtung der Kanalquerschnitt zwischen benachbarten Stegen der Förderschnecke verkleinert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, belüftete (aufgeschäumte) Massen unter minimiertem Energieaufwand kontinuierlich bis zum Erreichen höchster Ausfriergrade (> 60-65%) zu gefrieren und gleichzeitig deren Mikrostruktur (z. B. Gas-/Luftblasen, Eiskristalle, evtl. Fettglobule/Fettglobulagglomerate) feinstdispers (Durchmesser überwiegend ca. < 10 Mikrometer) zu gefrierstrukturieren.

Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine geeignete Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorzuschlagen.

Lösung der Aufgaben

Die Aufgaben werden durch die in den Patentansprüchen 1 und 14 wiedergegebenen Merkmale gelöst.

Weitere Ausführungsformen

Weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verfahrensweise und der Tieftemperaturextrusionsvorrichtung sind in den Patentansprüchen 2 bis 13 sowie 15 bis 29 beschrieben.

Einige Vorteile

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich belüftete Massen unter bislang nicht erreichter Minimierung des mechanischen Energie- bzw. Leistungseintrages kontinuierlich tiefgefrieren und optimiert mikrostrukturieren. Dies erlaubt unter gleichzeitig optimierten Wärmeübertragungsbedingungen von der Eiskremmasse auf das Kältemittel die Erzielung hoher Ausfriergrade der Masse und damit tiefe Austrittstemperaturen am Austritt des erfindungsgemäß konfigurierten Extrusionsprozesses.

Die Mikrostruktur derart bearbeiteter Massen bewirkt einerseits eine sehr vorteilhaft weich-plastische Konsistenz, was sehr gute Formgebungs-, Portionier- und Löffeleigenschaften auch bei tiefen Temperaturen nach sich zieht.

Andererseits können optimiert tieftemperaturextrudierte Eiskremmassen ohne aufwendige energieintensive Nachgefrierung (Härtung) direkt verpackt und gelagert werden.

Ein weiterer Vorteil bietet sich durch die Einsparung von teuren Rezepturbestandteilen (z. B. Milchfett, Emulgatoren), welche für konventionelle Eiskremprodukte zur Erzielung einer vom Verbraucher erwünschten Kremigkeit bislang unabdingbar waren. Erfindungsgemäß optimiert tieftemperaturextrudierte Eiskrem weist bei deutlich reduzierten Fett bzw. Emulgatoranteilen eine vergleichbare bzw. verbesserte Kremigkeit auf. Die Reduktion des Fettanteils ist auch von besonderem ernährungsphysiologischen Interesse.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Zeichnung, in der die Erfindung – teils schematisch – beispielsweise veranschaulicht ist. Es zeigen:
1 Die Größenverteilung von Blasendurchmessern über Extruderlänge;
2 maximale Blasendurchmesser als Funktion der Temperatur über der Länge des Extruders;
3 das Temperaturprofil über der Extruderlänge, gemessen in Eiscrememasse;
4 die geometrische Konstruktion des sogenannten Leckspaltes, das heißt, des Spaltes zwischen Schneckenwendel und Gehäuseinnendurchmesser;
5 die Anordnung zweier Schnecken mit über der Extruderlänge zunehmender Schneckenkanaltiefe (beispielhaft für Schnecken mit zwei Schneckengängen);
6 zeigt die Anordnung zweier Schnecken mit konstanter Schneckenkanalhöhe (beispielhaft für Schnecken mit einem Schneckengang);
7 zeigt die Anordnung zweier Schnecken mit konstanter Schneckenkanalhöhe (beispielhaft mit zwei Schneckengängen);
8 zeigt die Anordnung zweier Schnecken mit über der Extruderlänge zunehmender Schneckenkanalhöhe und gleichzeitig über der Extruderlänge abnehmender Schneckensteigung (beispielhaft für Extruderschnecken mit zwei Schneckengängen);
9 zeigt die beispielhafte Ausführung einer durchbrochenen Schneckenwendel (beispielhaft für zwei Schneckengänge);
10 zeigt die Anordnung einer durchbrochenen Schneckenwendel mit kämmenden Einbauten am Innendurchmesser des Gehäuses (beispielhaft für zwei Schneckengänge);
11 zeigt die Anordnung zweier Schnecken aus axialer Sicht, teils im Querschnitt, mit die durchbrochenen Schneckenwendel kämmenden Einbauten, welche am Innendurchmesser des Extrudergehäuses fixiert sind;
12 zeigt die Abhängigkeit der Entwicklung der maximalen Luftblasendurchmesser über der Extruderlänge für zwei unterschiedliche Schneckenkonfigurationen (Konfiguration 1 herkömmlich, Konfiguration 2 erfindungsgemäß).
Erfindungsgemäß wird der lokale ("lokal" bedeutet hier bezogen auf ein Längensegment des Extruders) mechanische Leistungs- bzw. Energieeintrag auf die lokale Wämetransferleistung (Wärmestrom aus Eiskrem in das Kältemittel) derart abgestimmt, dass ein wie in 3 dargestelltes maximal steil und stetig abfallendes Temperaturprofil in der Eiskrem über der Extruderlänge resultiert und nach mindestens der Hälfte bis Zwei Drittel der Extruderlänge ein Eiskremtemperatur von –11 "C (für Standardeiskrem Vanille mit 10% Milchfett, 36-38% Gesamttrockenmasse, 100% Overrun sowie einer Zuckerzusammensetzung, welche bei –11°C zu einem Ausfriergrad der Wasserkomponente von ca. 55-65% führt) bzw. ein Wasserausfriergrad von mindestens 55-60% (bezogen auf Wasseranteil) erreicht wird.
Die Feinststrukturierung der Gasblasen (überwiegender Anzahlanteil < 10 Mikrometer, maximale Blasengröße < 20 Mikrometer), Fettglobule/Fettglobul-aggregate (überwiegender Anzahlanteil < 2 Mikrometer, maximale Fettglobulagglomeratgröße < 10 Mikrometer) und insbesondere die Reduktion der Eiskristall Konnektivität (überwiegender Anzahlanteil < 25 Mikrometer, maximaler Eiskristalldurchmesser < 50 Mikrometer) werden in diesem hinteren Teil des Extruders bei Eiskremtemperaturen ≤ –11 °C bzw. Wasserausfriergraden von ≥ ca. 60% (bezogen Gesamtwasseranteil) durch die in der erzeugten Strömung übertragenen Schubspannungen vollzogen. Der möglichst feindisperse Eintritt in diesen hinteren Extruderbereich ist insbesondere durch die Vorgeschichte im vorderen Extruderabschnitt (Erstes bis und mit zweites Drittel der Extruderlänge) bestimmt. Hier gilt es eine möglichst effiziente Vordispergierung, insbesondere der Gas-/Luftblasen, und eine weitgehende Vermeidung der Eiskristallagglomeration zu erreichen. Hierzu bedarf es eines hinreichend hohen mechanischen Energie-/Leistungseintrages bzw. damit einhergehend hinreichend hoher Dispergier-Schubspannungen.
Mit zunehmender Abkühlung/Gefrierung und steigender Eiskremviskosität erfolgt eine lokale Anpassung des Energie-/Leistungseintrages in Abstimmung mit den die Wärmeabfuhr bestimmenden Größen. Zu letzteren zählen insbesondere die lokalen Werte der Größen: Geschwindigkeit (1), Schichtdicke (2), Stoffdichte (3) und Stoffviskosität (4). Im Hinblick auf einen optimierten Wärmeübergang ist möglichst weitgehend anzustreben, dass 1 groß, 2 klein, 3 groß und 4 klein sind. 3 wird über den lokal herrschenden Druck im Extruderschneckenkanal festgelegt. 4 wird aufgabengemäß über die Extruderlänge zunehmend, möglichst stark erhöht.
1 und 2 werden gemäss dem Konzept der ENERGIEOPTIMIERTEN VISKOSITÄTS-ADAPTIERTEN MIKROSTRUKURIERUNG (EOVAM-Konzept) über die Schneckengeometrie und deren Drehzahl lokal optimiert. Dieses Konzept verfolgt die Optimierung der lokalen Strömungsverhältnisse im Extruder mit dem Ziel mit minimalem Energie-/Leistungseintrag eine maximale Dispergierung von maßgeblichen Strukturkomponenten der Eiskrem zu erzielen und gleichzeitig eine maximale Vermischung zum optimalen, konvektiv unterstützen Wärmetransport zu leisten.
Die konstruktive Ausgestaltung dieses Konzeptes in Tieftemperaturextrudern kann wie aus Versuchen ermittelt, z. T. überraschend einfach erfolgen mittels: einem minimierten Leckspalt zwischen Schneckensteg und Extrudergehäuse (1), einer optimierten Schneckensteg Flankenkontur (2), einer optimiert lokal angepassten Schneckenkanalhöhe H (3), gegebenenfalls ergänzt durch: eine lokal angepasste Anzahl der Schneckengänge (4) und/oder eine lokal angepasste Scheckensteigung (5) und/oder lokal angepasste Aussparungen in den Schneckenstegen (6) und/oder lokal angepasste in die Aussparungen in den Schneckenstegen kämmend eingreifende mit dem Extrudergehäuse verbundene Einbauten (7).
Basierend auf experimentellen Untersuchungen unter Nutzung einer speziellen Mess- und Probenahmetechnik, welche die Ermittlung der lokalen Temperatur und Strukturierungsverhältnisse in jedem Längensegment des Tieftemperaturextruder ermöglicht – konnten die nachfolgend aufgezeigten Ausgestaltungen der Extrudergeometrie formuliert werden. Diese Ausgestaltungen gehen über bisher für die Tieftemperaturextrusion von gefrorenen, belüfteten Massen bekannte Konstruktionen deutlich hinaus.
(1) Minimaler Leckspalt zwischen Schneckensteg und Extrudergehäuse
Der Leckspalt zwischen Schneckensteg und Extrudergehäuse wird auf < 0.1 mm bevorzugt < 0.05mm (im Betriebszustand) gefertigt werden
(2) Optimierte Schneckensteg Flankenkontur
Die Strömung der Eiskremmasse an der Vorderseite (Flanke) der Schneckenstegspitze wird durch deren Kontur maßgeblich beeinflusst. 4 zeigt deren beispielhafte Ausgestaltung. Die flache Anphasung bzw. Applikation eines großen Radius lässt vor dem Schneckensteg eine Stauströmung erzeugen, welche sich auf die an der Extrudergehäuseinnenwand verbleibende, nicht mechanisch abgetragene Schicht maßgeblichen auswirkt. Diese Schicht wird durch den Einfluss der Stauströmung gegenüber dem Fall einer "scharfkantig abscherenden" Schneckenstegkante in der Schichtdicke um Δ s reduziert (s. 4). Auch eine geringe Reduktion der Dicke dieser Schicht hat einen erfindungsgemäß überraschend deutlich positiven Einfluss auf den Wärmeübergang von der Eiskremmasse auf die Extrudergehäuseinnenwand. Erfindungsgemäß sollte bei einer Dicke des Schneckensteges von > 5mm und einer Leckspaltweite von δ < 0.1 mm (bevorzugt < 0.05 mm) eine Anphasung von 30-45° über eine Höhe von ≥ 2mm bzw. die Aufprägung eines Radius von ≥ 2mm erfolgen. Bei Ausprägung einer schärferen Stegkante ist von einem reduzierten Abtrag bzw. Stoffaustausch in der wandanhaftenden Eiskremschicht auszugehen.
(3) Lokal angepasste Schneckenkanalhöhe H
Eine reduzierte Schneckenkanalhöhe (s. 5) erhöht bei konstanter Schneckendrehzahl die Schergeschwindigkeit bzw. die strukturierungswirksame Schubspannung (i). Dadurch wird wiederum der in viskose Reibungswärme dissipierte mechanische Energieanteil erhöht (ii). Die reduzierte Schichtdicke der Eiskremmasse im Schneckenkanal ist der verbesserten Wärmeübertragung zuträglich (iii). Hinsichtlich des Strömungsverhaltens der Eiskremmasse im Schneckenkanal ist deren reduzierte Viskosität bei erhöhter Schergeschwindigkeit (Nicht Newtonsches Fliessen: Strukturviskosität) zu berücksichtigen.
Bei Zuführung einer konventionell teilvorgefrorenen Eiskremmasse aus einem Freezer (Standard Vanilleeiskrem; –5°C, ca. 35-40% Wasseranteil ausgefroren, Viskosität bei Schergeschwindigkeit von 1 1/s ca. 10 Pas) wird im Eintrittsbereich in den Extruder (I) ein Verhältnis der Schneckenkanalhöhe H zum Schneckenaußendurchmesser zwischen 0.03 und 0.07, in der Extrudermitte (II) zwischen 0.1 und 0.15 und im dritten Längendrittel des Extruders zwischen 0.1 und 0.25 eingestellt.
Für einen in Probeversuchen eingesetzten Doppelschneckenextruder mit Schneckenaußendurchmesser von 65mm ergeben sich Absoluthöhen des Schneckenkanals von 2-5 mm über 6.5-9 mm zu 6.5-16.25 mm. Der Übergang der Zonen kann stufenweise, bevorzugt jedoch kontinuierlich erfolgen. Im letzteren, bevorzugten Fall resultiert ein bevorzugter Winkelbereich gemäss 6 von ca. 0.4° ≤ α < 0.7° (s. 5).
(4) Lokal angepasste Anzahl der Schneckengänge
Eine Erhöhung der Schneckengangzahl (Anzahl der parallel geführten Schneckenwendeln) reduziert die Schneckenkanalbreite umgekehrt proportional zu dieser Anzahl (s. 6 und 7). Die "Abschabefrequenz" der Extrudergehäuseinnenwand wird damit proportional erhöht. Dies verbessert den Wärmeübergang (i), erhöht jedoch gleichzeitig den mechanischen Leistungs-/Energieeintrag und somit die Dissipationswärme (ii). ii limitiert bei tieferen Temperaturen und damit hohen Viskositäten die Zahl der Schneckengänge.
Vorteilhaft wird bevorzugt eine Dreiteilung der Länge des Extruders vorgenommen. Bevorzugt werden im ersten Längendrittel des Extruders 3-6 Schneckengänge, im zweiten Längendrittel 2-3 Schneckengänge und im dritten und letzten Längendrittel 1-2 Schneckengänge präferiert installiert.
(5) Lokal angepasste Scheckensteigung
Eine Erhöhung des Schneckensteigungswinkels θ bis ca. 45° bewirkt eine Erhöhung der axialen Eigenförderungscharakteristik der Extruderschnecke und eine Verstärkung der Durchmischung. Letztere wird auch bei weiterer Winkelvergrößerung noch gesteigert. Dies bewirkt eine Erhöhung der in Reibungswärme dissipierten mechanischen Energie und ebenso eine Verbesserung der Wärmeübertragung. Auch hier ist die Erhöhung der Masseviskosität durch weitergehendes Ausfrieren von Wasser limitierend für die Winkelvergrößerung.
Vorteilhaft weist die Masseeintrittszone des Extruders einen Schneckensteigungswinkel von 45-90° (bevorzugt 45-60°) auf. Der Extremfall von 90° bedeutet axial orientierte Stege, welche keine weiterführende Schnecke mehr ausbilden (s. 8). In der Extrudermitte werden Schneckensteigungswinkel von 30-35°, im letzten Längendritten des Extruders von 25-30° realisiert.
(6) Lokal angepasste Aussparungen in den Schneckenstegen
Lokale Aussparungen in den Schneckenstegen gemäss 9 ermöglichen ein Durchtreten der Eiskremmasse, was eine Verbesserung der Durchmischung und Dispergierung sowie des Wärmetransportes (verstärkte konvektive Unterstützung), gleichzeitig jedoch eine Erhöhung des in Reibungswärme dissipierten Anteils am mechanischen Energieeintrag zur Folge hat. Damit ist eine solche Maßnahme nur bei eher niedriger Masseviskosität sinnvoll. Vorteilhaft werden Aussparungen in den Schneckenstegen im Eintrittsbereich der Eiskremmasse in den Extruder (erste ca. 20-30% der Extruderlänge) realisiert. Die Breite der Aussparungen entspricht in etwa der Schneckenkanalhöhe. Die Breite der nicht ausgesparten Schneckenstegteile wird bevorzugt ebenso auf Schneckenkanal-Höhenmaß eingestellt.
(7) Lokal angepasste in die Aussparungen in den Schneckenstegen kämmend eingreifende mit dem Extrudergehäuse verbundene Einbauten (7)
Sofern in die Aussparungen in den Schneckenstegen kämmend eingreifende mit dem Extrudergehäuse verbundene Einbauten vorhanden sind bewirken diese eine intensive Dispergierströmung im Spalt zwischen rotierendem Schneckensteg und stillstehendem Statoreinbau (s. 10 und 11). Dies ist dann von besonderem Vorteil, wenn z. B. der rekoaleszens von Gasblasen im Extrudereintrittsbereich, bei niedrigen Masseviskositäten entgegengewirkt werden soll. Bei erhöhten Viskositäten resultiert eine strukturschädlich hohe Dissipation des eingetragenen mechanischen Energie.
In vorteilhafter Ausgestaltung werden in die Aussparungen in den Schneckenstegen kämmend eingreifende mit dem Extrudergehäuse verbundene Einbauten in der Extrudereintrittszone (erste 10-20% der Extruderlänge) positioniert.
12 zeigt beispielhaft den Effekt einer angepassten Teiloptimierung der Schneckenkanalhöhe auf den Verlauf der mittleren Gasblasengröße in der Eiskrem über der Extruderlänge. Eine Reduktion der mittleren Blasengröße um ca. 25-30% im Endprodukt hat eine deutliche Verbesserung der Kremigkeit (sensorische Bewertung) und des Schmelzverhaltens, sowie der "Heat Shock Stabilität" zur Folge.

Claims

Tieftemperaturextrusionsverfahren zur Mikrostrukturierung von gefrorenen, belüfteten Massen, beispielsweise Eiskrem, dadurch gekennzeichnet, dass über der Extruderlänge zonenweise nach Maßgabe der lokalen Viskosität eine energieoptimierte, mechanische Beanspruchung der behandelten Masse derart erfolgt, dass in jedem Längensegment eine Dispergierung der Luftblasen/Luftzellen bei gleichzeitig zunehmender Abkühlung und Ausfrierung von Wasser vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die charakteristische Länge der Zonen, in welche der Extruder der Länge nach eingeteilt und hinsichtlich Dispergierung der Luftblasen/Luftzellen sowie gleichzeitig zunehmender Abkühlung und Ausfrierung von Wasser bewertet wird, das Ein- bis Zehnfache des Schneckenaußendurchmessers, bevorzugt das Ein bis Zweifache des Schneckenaußendurchmessers beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die charakteristische Länge der Zonen, in welche der Extruder der Länge nach eingeteilt und hinsichtlich Dispergierung der Luftblasen/Luftzellen sowie gleichzeitig zunehmender Abkühlung und Ausfrierung von Wasser bewertet wird, das Ein- bis Zehnfache des Schneckenaußendurchmessers, bevorzugt das Ein- bis Zweifache des Schneckenaußendurchmessers beträgt, wobei die festgelegte Zonenlänge über der gesamten Extruderlänge konstant gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die charakteristische Länge der Zonen, in welche der Extruder der Länge nach eingeteilt und hinsichtlich Dispergierung der Luftblasen/Luftzellen sowie gleichzeitig zunehmender Abkühlung und Ausfrierung von Wasser bewertet wird, das Ein- bis Zehnfache des Schneckenaußendurchmessers, bevorzugt das Ein- bis Zweifache des Schneckenaußendurchmessers beträgt, wobei die Zonenlänge über der gesamten Extruderlänge abhängig von der Höhe der Viskositätsänderung festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Extruder unter Abstimmung von Extruderschneckendrehzahl (1), mittels vorgeschalteter Eiskrempumpe eingestelltem Massenstrom (2) und der über den Verdampfungsdruck des eingesetzten Kältemittels justierten Kühltemperatur an der Extrudergehäuseinnenwand (3), bei vorgegebener Schneckengeometrie derart gefahren wird, dass bei konventioneller Standard-Vanilleeiskrem Temperaturen ≤ –11 °C bzw. allgemein bei gefrorenen Massen Wasserausfriergrade von ≥ ca. 60% bezogen auf den Wasseranteil in einem Längenbereich des Extruders zwischen 50% und 75% der Länge vom Masseeintritt gemessen, bevorzugt zwischen 50% und 65%, erreicht werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der mechanischen Beanspruchung der Masse nach Maßgabe ihrer Viskosität in der jeweiligen Längenzone durch eine Variation der Schneckenkanalhöhe erreicht wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der mechanischen Beanspruchung der Masse nach Maßgabe ihrer Viskosität in der jeweiligen Längenzone durch eine Variation der Anzahl der Schneckengänge erreicht wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der mechanischen Beanspruchung der Masse nach Maßgabe ihrer Viskosität in der jeweiligen Längenzone durch eine Variation des Schneckensteigungswinkels erreicht wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der mechanischen Beanspruchung der Masse nach Maßgabe ihrer Viskosität in der jeweiligen Längenzone durch in der Breite variable Aussparungen in den Schneckenstegen erreicht wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der mechanischen Beanspruchung der Masse nach Maßgabe ihrer Viskosität in der jeweiligen Längenzone durch in die Aussparungen in den Schneckenkanalstegen kämmend eingreifende Einbauten, welche mit der Extrudergehäuseinnenwand verbunden sind erreicht wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzielung einer fortschreitenden Abkühlung und Ausfrierung von Wasser trotz dispergierwirksamer mechanischer Beanspruchung durch eine Optimierung des Wärmetransports an ein die Extrudergehäuseaussenwand umspülendes, verdampfendes Kältemittel infolge Minimierung des Spaltes zwischen Schneckenaußendurchmesser und Extrudergehäuseinnendurchmesser erfolgt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzielung einer fortschreitenden Abkühlung und Ausfrierung von Wasser trotz dispergierwirksamer mechanischer Beanspruchung durch eine Optimierung des Wärmetransports an ein die Extrudergehäuseaussenwand umspülendes, verdampfendes Kältemittel infolge Einstellung einer definierten Flankenkontur des Schneckensteges erfolgt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzielung einer fortschreitenden Abkühlung und Ausfrierung von Wasser trotz dispergierwirksamer mechanischer Beanspruchung durch eine Optimierung des Wärmetransports an ein die Extrudergehäuseaussenwand umspülendes, verdampfendes Kältemittel infolge Einstellung einer Flankenkontur erfolgt, welche an der Vorderseite des Schneckensteges eine Anphasung oder einen Radius vorsieht.
Tieftemperaturextrusionsvorrichtung zur Mikrostrukturierung von gefrorenen, belüfteten Massen, beispielsweise Eiskrem nach Anspruch 1 oder einem der darauffolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die relevanten Abmessungen der Extruderschnecke(n) über der Extruderlänge variabel nach Maßgabe der lokalen Viskosität definiert eingestellt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Leckspalt zwischen Schneckensteg und Extrudergehäuse auf < 0.1 mm, bevorzugt < 0.05 mm eingestellt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die vorderseitige Schneckensteg Flankenkontur bei einer Dicke s zwischen 2 und 20 mm des Schneckensteges und einer Leckspaltweite δ von bevorzugt < 0.05 mm bevorzugt eine Anphasung von 30-45° über eine von außen gemessenen Schneckensteghöhe von ≥ 2mm bzw. einen Radius von ≥ 2mm besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneckenkanalhöhe über der Extruderlänge den Viskositätsverhältnissen in der Masse derart angepasst wird, dass im Eintrittsbereich in den Extruder (I) ein Verhältnis der Schneckenkanalhöhe H zum Schneckenaußendurchmesser bevorzugt zwischen 0.03 und 0.07, in der Extrudermitte (II) zwischen 0.1 und 0.15 und im dritten Längendrittel des Extruders zwischen 0.1 und 0.25 besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneckenkanalhöhe über der Extruderlänge in Massedurchströmungsrichtung gleichmäßig derart aufgeweitet, dass die durch den Schneckeninnendurchmesser gebildete Konturlinie des abgewickelten Schneckenkanals zwischen dem Eintrittsbereich der Masse in den Extruder und deren Austrittsbereich, mit der Längssymmetrieachse der Schnecke einen Winkel von 0.03-0.1°, bevorzugt 0.05-0.07° ausbildet.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Längendrittel des Extruders Schnecke(n) mit 3-7, bevorzugt 4-5 Schneckengängen, im zweiten Längendrittel 2-4, bevorzugt 2-3 Schneckengängen und im dritten und letzten Längendrittel mit 2-3, bevorzugt 1-2 Schneckengängen realisiert sind.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 19, dadurch gekennzeichnet, dass die mit zunehmender Extruderlänge realisierte Anzahl von Schneckengängen über eine Anzahl von 2-10, bevorzugt 3-5 gleichlangen oder in der Länge variablen Längensegmenten sukzessive von Segment zu Segment um 1-2 reduziert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in der Masseeintrittszone des Extruders Schneckensteigungswinkel zwischen 35 und 90°, bevorzugt zwischen 45 und 60°, in der Extrudermitte zwischen 30 und 45, bevorzugt zwischen 30 und 35°, im letzten Längendrittel des Extruders zwischen 20 und 35°, bevorzugt zwischen 25 und 30° realisiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneckensteigungswinkel zwischen der Masseeintritts- und deren Austrittszone in den Extruder konstant oder variabel, jedoch stetig zwischen 45-90°, bevorzugt 45-60° in der Masseeintrittszone des Extruders auf 20-35°, bevorzugt 25-30° in der Masseaustrittszone reduziert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass Aussparungen in den Schneckenstegen im Eintrittsbereich der Masse, welcher 10-30 %, bevorzugt 15-20 % der Extruderlänge beträgt, in dem Extruder realisiert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorhandensein mehrerer Schneckengänge die Aussparungen axial derart versetzt angeordnet sind, dass ein Abschaben der Masse an der Extrudergehäuseinnenwand an jedem Ort gewährleistet ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Aussparungen in den Schneckenstegen das 0.5–3 fache, bevorzugt das Ein- bis zweifache der Schneckenkanalhöhe beträgt und die Breite der nicht ausgesparten Schneckenstegteile genauso dimensioniert ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Teil oder alle Aussparungen in den Schneckenstegen kämmend eingreifende mit dem Extrudergehäuse verbundene Einbauten vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Aussparungen in den Schneckenstegen kämmend eingreifenden, mit dem Extrudergehäuse verbundene Einbauten über dem Umfang der Extrudergehäuseinnenwand zwei bis zehnfach, bevorzugt drei- bis fünffach regelmäßig oder unregelmäßig verteilt angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorhandensein mehrerer Schneckengänge die Aussparungen axial nicht versetzt angeordnet sind, um ein Passieren der kämmenden Einbauten in Umfangsrichtung problemlos zu ermöglichen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüchen 14 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass sich alle beschriebenen Geometriemerkmale sowohl auf Einschnecken- als auch Zweischneckenextruder zur Tieftemperaturextrusion belüfteter, gefrorener Massen beziehen.