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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung bezieht sich auf Kühlwerkzeuge
und ihre Verwendung in Verbindung mit Nahrungsmittelextrudern bei
der Herstellung von texturierten Proteinnahrungsmittelprodukten.
Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zum
Verteilen einer Strömung,
die verwendet werden kann, um einen Strom von dem Auslass eines
Nahrungsmittelextruders zu dem Einlass eines mehrkanaligen Kühlwerkzeugs
zu führen.
Diese Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Vorrichtung,
die entwickelt worden ist, um die Arbeitseffizienz des Kühlwerkzeugs
zu verbessern, und die zudem eine gleichmäßige Verteilung einer Extrudatströmung in jedem
Kanal des Kühlwerkzeugs
fördert.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Im
Bereich der kommerziellen Nahrungsmittelherstellung, insbesondere
im Bereich der kommerziellen Tiernahrungsmittelherstellung, ist
es häufig erwünscht, zum
Einlagern in eine Nahrungsmittelmatrix eine kostengünstige Fleischnachbildung
herzustellen, um zu gewährleisten,
dass das Nahrungsmittel eine authentische, "fleischartige" Erscheinung aufweist, ohne dass die
hohen Rohmaterialkosten, die mit Muskelfleisch verbunden sind, auftreten.
Ein besonders effektives Verfahren zum Herstellen derartiger Fleischnachbildungen
ist in der Patentschrift WO 00/69276 der Effem Foods Pty Ltd. offenbart. Das
dort beschriebene Verfahren umfasst die Verwendung eines Kühlwerkzeugs,
um eine allmähliche Verfestigung
eines hochfeuchten, auf Protein basierenden Extrudats zu erreichen,
wodurch eine "faserige" innere Struktur
erzeugt wird.
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Natürlich lag
eine Begrenzung der kommerziellen Verwendung von Kühlwerkzeugen
in hochfeuchten Extrusionsanwendungen darin, dass derartige Kühlwerkzeuge
dazu neigen, höhere
Extrudatdurchflussraten, die benötigt
werden, wenn ein kommerziell brauchbares Nahrungsmittelprodukt hergestellt
wird, nicht bewältigen
zu können,
wie z. B. eine Durchflussrate von mehr als 200 kg eines Produkts pro
Stunde und pro Extrusionseinheit.
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Um
dieses Problem zu lösen,
ist es daher notwendig, die Gesamteffizienz von Extrudatkühlwerkzeugen
zu verbessern. Eine derartig verbesserte Entwicklung ist in der
Patentschrift WO 01/49474 der Effem Foods Pty Ltd. offenbart. Diese
Patentschrift offenbart ein mehrkanaliges Kühlwerkzeug, mit dem ein texturiertes,
hochfeuchtes Extrudat bei Gesamtmassendurchflussraten von ungefähr einer Tonne
pro Stunde und pro Extrusionseinheit hergestellt werden kann.
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Ein
mögliches
Problem tritt jedoch bei mehrkanaligen Kühlwerkzeugen auf, wenn ein
einzelner Produktstrom, der den Extruder verlässt, beim Eintritt in das Kühlwerkzeug
in eine Vielzahl von einzelnen Durchflussströmen aufgeteilt wird. Die Produktqualität, die in
jedem Ex trudatkühlkanal
erreichbar ist, hängt
zu einem großen
Teil davon ab, ob eine relativ gleichmäßige Verteilung von Durchflussraten
zwischen jedem einzelnen Kanal und innerhalb jedes einzelnen Kanals
gewährleistet
ist. Während
ein mehrkanaliges Werkzeug, das gemäß der WO 01/49474 hergestellt
worden ist, betrieben worden ist, ist bemerkt worden, dass Variationen
der Extrudatdurchflussrate, die in jedem einzelnen Kanal des Kühlwerkzeugs
vorhanden ist, dazu neigen können, sich
zu verändern,
insbesondere während
das mehrkanalige Kühlwerkzeug
mit einer hohen Durchflussrate betrieben wird.
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In
der WO 01/49474 ist vorgeschlagen worden, dass, wenn es wichtig
ist, dass der Durchfluss auf die Kanäle gleichmäßig verteilt ist, es günstig sein kann,
eine Durchflussbeschränkungsvorrichtung
zwischen dem Extruderauslass und dem Kühlwerkzeugeinlass zu platzieren.
Die Intention ist, einen Druckabfall entlang dieses Übergangs
herzustellen. Daher ist, wenn die Druckbeschränkungsvorrichtung Kanäle aufweist,
die präzise
mit den Kühlwerkzeugkanälen ausgerichtet
sind und die identische Durchflussbeschränkungen an jedem Kanal aufweisen,
der Extrudatstrom, der durch jeden Kanal der Durchflussbeschränkungsvorrichtung
fließt,
praktisch identisch, wodurch eine relativ gleichmäßige Strömung in
jedem Kühlwerkzeugkanal
gefördert
wird.
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Ein
Nachteil eines derartigen Systems ist jedoch, dass ein Extrudatmaterial
von der Art, die für die
Herstellung von einigen kommerziellen Tiernahrungsmittelprodukten
benötigt
wird, dazu neigt, beim Verlassen des Extruders anzufangen, sich
zu verfestigen. Während
eine laminare, unidirektionale Strömung während dieses Verfestigungsprozesses
gewünscht
ist, um die zu erzielende, innere Struktur herzustellen, führt ein
Durchdrücken
eines derartigen zum Teil verfestigten Materials durch eine Durchflussbeschränkung hindurch
leicht dazu, die Strukturen zu zerreissen, die sich bereits gebildet
haben, und eine turbulente Strömung
in dem immer noch flüssigen
Teil des Extrudets zu erzeugen. Dies zerstört die bereits gebildeten Strukturen,
die dann wieder neu gebildet werden müssen, um die gewünschte laminare,
innere Struktur zu erhalten.
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Eine
offensichtliche Lösung
für dieses
Problem ist, zu gewährleisten,
dass die Temperatur des Extrudats beim Austreten aus dem Extruder
ausreichend hoch ist, z. B. 180°C,
so dass eine Teilverfestigung nicht eingeleitet wird, bis das Extrudat
durch die Beschränkung
hindurch geströmt
ist und sich so beruhigt hat, dass eine relativ laminare Strömung im Inneren
des Kühlwerkzeugkörpers vorhanden
ist. Der praktische Vorteil einer derartigen Lösung ist jedoch relativ begrenzt,
da eine Verwendung des Kühlwerkzeugs
mit einem Ausgangsmaterial, das eine wesentlich erhöhte Temperatur
aufweist, die benötigte
Kühlleistung
des Kühlwerkzeugs
natürlich
stark erhöht.
Dies vermindert wiederum die maximale Durchflussrate, die von dem
Kühlwerkzeug,
während
immer noch ein Produkt von akzeptabler Qualität hergestellt wird, verarbeitet
werden kann, was dazu führen könnte, dass
der Zweck, ein Kühlwerkzeug
mit erhöhter
Effizienz bereitzustellen, nicht erreicht wird.
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Außerdem neigt
das Erwärmen
des Extrudats auf erhöhtere
Temperaturen, die dann auf jeden Fall für das Extrusionsverfahren notwendig
sind, dazu, ein örtlich
begrenztes Rösten
des Produkts zu verursachen.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
oder eine Anordnung bereitzustellen, die einen veränderten
Extrudatströmungspfad
zwischen einem Nahrungsmittelextruder und einem mehrkanaligen Kühlwerkzeug
ermöglicht, der
eine Verbesserung der Herstellungseffizienz eines Materials durch
den Extruder und durch das Kühlwerkzeugsystem
unterstützt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist das Bereitstellen eines veränderten
Extrudatströmungspfads,
der eine gleichmäßige Strömungsverteilung
auf die Kühlwerkzeugkanäle fördert.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Verteilen eines Extruderausgangsstromes
bereitgestellt, um zur Übertragung
eines hochfeuchten Nahrungsmittelextrudatmaterials von einem Extruder,
der eine oder mehrere Extrusionsschnecken aufweist, zu dem Einlass
eines mehrkanaligen Kühlwerkzeugs
verwendet zu werden. Die Vorrichtung weist einen inneren Extrudatdurchgang auf,
der einen Strömungsweg
für jedes
gegebene Element des Extrudats festlegt, das von dem Extruderausgang
zu dem Eingang des Kühlwerkzeugs strömt, wobei
das Verhältnis
der Länge
des Extrudatsströmungspfades
durch den Durchgang zu der Länge
des äußeren Durchmessers
einer jeden einzelnen Extruderschnecke ungefähr gleich 0.75:1 oder größer ist.
Bevorzugt ist das Verhältnis
größer als
ungefähr
1.2:1, und weiter bevorzugt ist das Verhältnis größer als ungefähr 1.7:1.
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Der
signifikante Vorteil der Erfindung ist, dass es aufgrund der vergrößerten Länge und
des vergrößerten Volumens
des Durchgangs zwischen dem Extruder und dem Kühlwerkzeug möglich ist, dass
das Extrudat, das einer vorläufigen
Verfestigung ausgesetzt ist, eine im Wesentlichen unidirektionale,
laminare Strömung
beibehält.
Daher sind die gewünschten
Strukturen, die in dem Extrudat ausgebildet sein können, keiner
zerstörerischen
turbulenten Strömung
ausgesetzt, die es notwendig machen würde, den Extruder bei ineffizient
hohen Temperaturen zu betreiben, wie in der Diskussion des Standes der
Technik erläutert.
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Zum
Beispiel kann es für
eine gegebene Extrudatmischung, wenn ein bekanntes System verwendet
worden ist, notwendig sein, dass das Kühlwerkzeug die Extrudattemperatur
von 160°C
bis unter 100°C
herabsenkt. Dies ist eine Reduzierung um mehr als 60°C. Wenn jedoch
die Erfindung, z. B. mittels einer Vorrichtung zum Verteilen einer
Strömung, die
zwischen einem Extruder und einem mehrkanaligen Kühlwerkzeug
eingepasst ist, verwendet wird, kann die Extrudattemperatur an dem
Extruderauslass 120°C
betragen. Daher wird das Kühlwerkzeug dann
nur dazu benötigt,
die Extrudattemperatur um ungefähr
20°C zu
reduzieren. Dies ermöglicht
effektiv ein Anwachsen des gesamten Extrudatdurchsatzes auf 200
% und sorgt dafür,
dass ein Rösten
des Produkts seltener auftritt.
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Bevorzugt
ist das innere Profil des Durchgangs im Querschnitt im Wesentlichen
eiförmig.
Des Weiteren weist der Durchgang bevorzugt eine mittlere Verengung
auf, wobei die maximale innere Abmessung der Verengung nicht größer ist
als die minimale Abmessung des Ex truderauslasses. Der besondere
Vorteil, der durch das Verengungsmerkmal ermöglicht wird, ist, dass dadurch
gewährleistet
ist, dass die Strömungspfadlänge von
jedem Extrudatbestandteil von der Verengung zu dem Eintrittspunkt
eines jeden gegebenen Extrudatkanals in dem Kühlwerkzeug im Wesentlichen
gleich ist. Dies wiederum fördert
eine sehr gleichmäßige, nicht
turbulente Strömung.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist der Durchgang
durch das innere Profil eines hohlen Verbindungsstückes gebildet.
Das Verbindungsstück
umfasst eine Extrudateintrittsöffnung, die
zur Verbindung mit dem Auslass eines Extruders angepasst ist, eine
Extrudatausgangsöffnung,
die zur Verbindung mit dem Einlass eines Kühlwerkzeugs angepasst ist,
und einen Extrudatübergangsabschnitt,
der zwischen diesen angeordnet ist. Das innere longitudinale Querschnittsprofil
des Übergangsabschnitts
ist durch zwei Zonen charakterisiert: die erste Zone umfasst im
Profil einen geglätteten,
gekrümmten Übergang
von Abmessungen, die annähernd
gleich den Abmessungen des Extruderauslasses sind, zu einer kreis-
oder eiförmigen
Verengung mit einem minimalen Durchmesser, der nicht größer als
der minimale Durchmesser des Extruderauslasses ist. Die zweite Zone
umfasst im Profil eine geglättete,
gekrümmte
Erweiterung ausgehend von der kreisförmigen Verengung zu Abmessungen,
die annähernd
gleich den Abmessungen des Kühlwerkzeugeinlasses
sind. Ein besonderer Vorteil der geglätteten Krümmung der inneren Oberflächen ist,
dass sie eine Reduzierung der Anzahl von Strömungs "Totpunkten" unterstützen, an denen sich eine turbulente Strömung entwickeln
kann, die auch zum Rösten
eines Produktes führen
kann.
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Dieses
Profil trägt
dazu bei, dass gewährleistet
ist, dass die relative Extrudatdurchflussrate gleichmäßig auf
jeden Kanal und gleichmäßig innerhalb
der Kanäle
in dem mehrkanaligen Kühlwerkzeug
verteilt ist. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform weist ein Nasenstück auf,
das mittig auf dem Einlass des Kühlwerkzeugs
und in der zweiten Zone so angeordnet ist, dass es in Richtung der
Verengung zeigt, wobei das Nasenstück eine äußere Oberfläche aufweist, die im Profil
annähern
parallel zu der inneren Oberfläche
der zweiten Zone verläuft, wodurch
ein strömendes
Extrudat gezwungen wird, in Richtung der jeweiligen einzelnen Kühlwerkzeugeinlassöffnungen
in einem ringförmigen
Kanal zu strömen,
der einen sich allmählich
erweiternden Gesamtdurchmesser, aber eine näherungsweise konstante Kanalbreite
aufweist. Diese Ausführungsform
trägt des
Weiteren zu dem Ziel bei, dass die effektive Strömungspfadlänge für ein Extrudat, das von der
Verengung zu jedem einzelnen Kühlwerkzeugkanal
strömt, näherungsweise
gleich ist, wodurch eine gleichmäßige Verteilung
einer Extrudatströmung
auf die Kanäle stark
gefördert
wird.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung wird ein extrudiertes Nahrungsmittelprodukt
bereitgestellt, das mittels der oben beschriebenen Vorrichtung zum
Verteilen einer Strömung
hergestellt worden ist.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung wird eine Nahrungsmittelextrusionsproduktionsanlage
bereitgestellt, in der die oben beschriebene Vorrichtung zum Verteilen
der Strömung
enthalten ist.
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Jetzt
wird anhand eines speziellen, nicht einschränkenden Beispiels eine bevorzugte
Ausführungsform
der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt eine Perspektivansicht
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Verteilen der Strömung,
betrachtet von dem Ende, das mit dem Einlass eines kreisförmigen Kühlwerkzeugs
verbunden werden würde.
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2 zeigt die Vorrichtung
zum Verteilen der Strömung
aus 1, betrachtet von
dem Ende, das mit dem Auslass eines Doppelschneckenextruders verbunden
werden würde.
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3 zeigt die Vorrichtung
zum Verteilen der Strömung
aus 1, wobei aber die
Einlassplatte des Kühlwerkzeugs
an Ort und Stelle aufgesetzt ist.
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4 zeigt eine schematische
Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verteilen
der Strömung,
die mit einem Doppelschneckenextruder und einem mehrkanaligen Kühlwerkzeug
verbunden ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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1 zeigt eine Vorrichtung
zum Verteilen der Strömung 5,
die einen Extrudatdurchgang 10, der durch eine innere Oberfläche eines
gekrümmten
Profils begrenzt ist, einen Extruderverbindungsflansch 15 und
einen Kühlwerkzeugverbindungsflansch 20 aufweist.
Es ist offensichtlich, dass im Betrieb ein Extrudat 42 in
die Vorrichtung 5 durch den Extruderverbindungsflansch 15 einströmt, durch
die Vorrichtung 5 hindurch in Richtung des Pfeils 25 bewegt
wird, die Vorrichtung 5 verlässt und durch den Kühlwerkzeugverbindungsflansch 20 hindurch
in das Kühlwerkzeug 50 strömt. In 2 sind die gleichen Merkmale betrachtet
von dem gegenüberliegenden
Ende der Vorrichtung 5 gezeigt.
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Die
Vorrichtung zum Verteilen der Strömung 5 ist im praktischen
Betrieb unmittelbar mit dem Auslass eines Nahrungsmittelsextruders 45,
der zwei Förderschnecken
aufweist, bspw. von der Art, die von der Bühler AG, 9240 Uzwil, Schweiz
vertrieben wird, mittels des Auslassflansches 30 des Extruders
verbunden. Sie ist gleichartig mit einem mehrkanaligen Kühlwerkzeug 50 verbunden,
dessen Extrudatströmungskanäle 40 radial
um eine zirkulare Achse herum angeordnet sind, bspw. wie in der
WO 01/49474 offenbart, mittels des Einlassflansches 35 des
Kühlwerkzeugs.
Diese Befestigung ist zum Teil in 3 gezeigt,
wobei die Position der Extrudatströmungskanäle 40 auch dargestellt
ist.
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Die
in 4 gezeigte Querschnittsansicht zeigt
die Struktur der Vorrichtung 5 und ihre wichtigen Funktionsmerkmale,
insbesondere ihre innere Geometrie. Die Vorrichtung 5 ist
an einem Doppelschneckenextruder und an einem mehrkanaligen Kühlwerkzeug 50 befestigt
dargestellt, wobei der Doppelschneckenextruder Kompressionsschnecken 38 mit einem
ungefähren
Durchmesser D aufweist. Die Positionen der Extrudatströmungskanäle 40 sind
auch dargestellt.
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Es
sei insbesondere bemerkt, dass die Länge des typischen Extrudatströmungspfades
L relativ zu dem Durchmesser D größer als ungefähr 1.7:1
ist. Ein Fachmann, der insbesondere mit der Strömung von Extrudatfluiden vertraut
ist, bemerkt, dass diese relative Länge dieses Strömungspfades
zur Förderung
einer laminaren Strömung
des Extrudats 42 durch die Vorrichtung 5 hindurch
und in den Kanälen 40 stark
beiträgt.
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Die
Vorrichtung 5 ist durch drei Hauptzonen charakterisiert:
eine strömungsbeschränkende Zone 55 mit
einem inneren Gesamtdurchmesser, der in Strömungsrichtung abnimmt, wobei
in der strömungsbeschränkenden
Zone das innere Profil der Vorrichtung 5 allmählich von
einer ovalen Form (passend zu dem Extruderauslass) zu einer im Wesentlichen
kreisförmigen
Form übergeht;
eine Verengung 60 mit einem im Wesentlichen kreisförmigen Profil, an
der der minimale innere Gesamtdurchmesser erreicht ist; und eine
Erweiterungszone 65, in der der innere Gesamtdurchmesser
in der Richtung der Extrudatströmung
zunimmt (fortschreitend weniger stark).
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Ein
Extrudat 42, das die Schnecken 38 des Extruders
verlässt,
neigt dazu, turbulent zu strömen. Die
Verengung 60 komprimiert dieses Material und neigt dabei
dazu, die relative Turbulenz der Strömung zu reduzieren. Außerdem neigt
die Umformung des inneren Profils von einer ovalen zu einer kreisförmigen Form
dazu, die Strömungspfadlängen von
jedem Element des Extrudats 42 zwischen der Verengung 60 und
dem Kühlwerkzeug 50 näherungsweise anzugleichen,
was ein Beibehalten einer gleichmäßigen, laminaren Strömung unterstützt und hilft,
eine gleichmäßige, radiale
Strömungsverteilung
auf alle Kühlwerkzeugextrudatkanäle 40 zu
gewährleisten.
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Ein
Nasenteil 70 mit einem näherungsweise parabolischen
Profil ist in der Vorrichtung 5 angeordnet und mit einer
zentralen Linie der Vorrichtung 5 ausgerichtet. Es ist
an dem Zentrum der Einlassfläche
des Kühlwerkzeugs 50 positioniert.
Der äußere Gesamtdurchmesser
der Oberfläche 75 des
Nasenstückes 70 nimmt
in Richtung der Extrudatströmung zu
(fortschreitend weniger stark). Die Wirkung der Form und der Positionierung
dieses Nasenteiles 70 ist, dass das Extrudat 42 gezwungen
ist, durch einen ringförmigen
Kanal zu strömen,
dessen Gesamtdurchmesser in Richtung der Extrudatströmung zunimmt,
aber dessen Ringbreite über
zumindest einen beträchtlichen
Abschnitt der Erweiterungszone 65 im Wesentlichen konstant
bleibt.
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Die
praktische Wirkung dieser Anordnung ist, dass das Extrudat 42,
das in dem ringförmigen Kanal
strömt,
stark dabei unterstützt
wird, im Gegensatz zur turbulenten Strömung, im Wesentlichen laminar
zu strömen,
was zu den mit der laminaren Strömung
verbundenen Vorteilen für
die Ausbildung der gewünschten
Struktur in dem Endprodukt führt.
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Außerdem ist
es bevorzugt, dass die endgültige
Ringbreite des Kanals an dem Auslass der Vorrichtung 5 näherungsweise
gleich der Höhe
der Extrudatkanäle 40 in
dem Kühlwerkzeug 50 ist,
um weiter zu gewährleisten,
dass die laminare Strömung, die
in der Vorrichtung 5 erzeugt worden ist, in dem Kühlwerkzeug 50 im
Wesentlichen erhalten bleiben.
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Für einen
Fachmann ist es offensichtlich, dass die wichtigen Merkmale der
Erfindung durch viele andere physikalische Konfigurationen ausgeführt werden
können
und dass das obige Beispiel nur eine derartige Ausführungsform
ist.