DE10329177A1 - Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Temperierung von kakaohaltigen, kakaobutterhaltigen oder ähnlichen fetthaltigen Massen, insbesondere Schokoladenmasse - Google Patents

Abstract

Flüssige Schokoladenmassen zur Weiterverarbeitung werden mehrstufig gemischt bei gleichzeitiger Wärmeübertragung. Die Vermischung von Massen längs eines Strömungsweges ist in Verfahren und Apparaten nach dem Stand der Technik verbesserungswürdig. DOLLAR A Diese Vermischung wird durch eine prozessinterne Bypassströmung verbessert. Dies begünstigt bei geeigneter Anordnung der Verzweigungs- und Vereinigungspunkte die Bedingungen für die Enstehung von Kristallisationskeimen, die die Qualität des fertigen Produkts bestimmen. DOLLAR A In einer Vorrichtung mit Rotor-Stator-Kombinationen wird eine Bypassströmung durch mehrere Aussparungen an Statoren erreicht.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperierung von kakaohaltigen, kakaobutterhaltigen oder ähnlichen fetthaltigen Massen, insbesondere Schokoladenmassen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruch 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
• Zahlreiche Maschinen zur Temperierung von kakaohaltigen, kakaobutterhaltigen oder ähnlichen fetthaltigen Massen, insbesondere Schokoladenmassen, im folgenden vereinfachend als Masse bezeichnet, sind z.B. aus DE 40 27 429 C2 oder EP 0 872 187 B1 bekannt.
• Diese nach dem Stand der Technik bekannten Maschinen besitzen mehrere gemeinsame Merkmale. Zumeist befindet sich in einem zylindrisch geformten Maschinengehäuse in der Zylinderachse eine zentrale Welle, an der mehrere Rotoren befestigt sind. Diese Rotoren erfüllen die Funktion, die Masse zu rühren und zu mischen, was die Homogenität der Massen verbessert. Außerdem werden die Massen infolge der Mischbewegungen Wärmeaustauschflächen zugeführt und von diesen Flächen abgestreift. Dazu sind die Rotoren als Misch- und Abstreifelemente ausgebildet.
• Die Temperiermaschinen sind ferner mit Statoren ausgestattet. Diese oder einige dieser Statoren sind in den bekannten Ausführungsformen als Wärmeübertragungsflächen gestaltet, mit denen Wärme auf die Masse übertragen werden kann oder der Masse entzogen werden kann. Zu diesem Zweck werden diese Statoren mit einem Wärmeträgerfluid, zumeist Wasser, durchströmt.
• Die Massen werden durch das Gehäuse der Temperiermaschine gefördert. Während der Durchströmung durchläuft die Masse eine Vielzahl von Mischkammern. Je nach Ausbildung der Rotoren bilden die Zwischenräume je zweier Statoren eine oder auch zwei Mischkammern, in denen durch die Bewegung des Rotors die Durchmischung der Masse erfolgt. Bei der Verwendung von Rotoren in Form einer geschlossenen Scheibe, auf deren Oberfläche einseitig oder beidseitig Erhebungen als Mischelemente aufgesetzt sind, bildet eine Gruppe aus einem Rotor und zwei angrenzenden Statoren nach dem Stand der Technik zwei Mischkammern, innerhalb derer die Mischung der Masse erfolgt. Im Fall der Verwendung von Rotoren in Form eines Mischkreuzes, eines Propellers, eines Sterns oder ähnlichen Mischorganen bildet eine Gruppe aus einem Rotor und zwei angrenzenden Statoren eine Mischkammer, innerhalb derer die Mischung der Masse erfolgt.
• Es ist ein gemeinsames Merkmal der nach dem Stand der Technik bekannten Temperiermaschinen, dass die Masse eine Reihe derartiger Mischkammern durchläuft, bevor sie aus dem Ausgang der Temperiermaschine austritt und der nächsten Verarbeitungsstufe zugeführt wird. Das Produkt wird mit zunehmender Zahl der sequentiell durchströmten Mischkammern zunehmend homogener, wobei diese Homogenität nicht das einzige Qualitätsmerkmal der durchgeführten Temperierung ist.
• In Temperiermaschinen nach dem Stand der Technik wird die zu verarbeitende Masse während der Durchströmung Temperaturänderungen unterworfen. Dies dient dem prinzipiellen Zweck, gewünschte Phasenänderungen von Bestandteilen der Masse herbeizuführen. Insbesondere wird beabsichtigt, Kristallisationskeime zu erzeugen, die ein Erstarren der Masse in nachgeschalteten Verarbeitungsschritten z.B. zur Formgebung erlauben. Je nach Temperatur-Zeitverlauf können die Kristallisationskeime hinsichtlich der Zusammensetzung der beteiligten Bestandteile, Anzahl und Größe und Kristallstruktur variieren. Dies prägt die Eigenschaften des fertigen Produktes.
• Es ist gemeinsames Merkmal der nach dem Stand der Technik bekannten Temperiermaschinen, dass in einem Abschnitt der Maschine eine Abkühlung der Masse bis zu Werten unterhalb der Austrittstemperatur erreicht wird, in einem nachfolgenden Abschnitt aber eine erneute Erwärmung der Masse bis auf Austrittstemperatur erfolgt. Optional kann zu diesen Temperaturänderungen in einem vorgeschalteten Abschnitt der Temperiermaschine eine Wärmezufuhr erfolgen, die die Masse zunächst von der Eintrittstemperatur bis auf die Anfangstemperatur der Abkühlphase erwärmt.
• Nachteilig an den nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist, dass sich durch die hohe Anzahl der sequentiell durchströmten Mischkammern die Verweilzeitcharakteristik des Apparates durch eine enge Verweilzeitverteilung auszeichnet. Der Grund dafür ist die hohe Anzahl an Mischelementen. Aus theoretischer Sicht nähert sich die Verweilzeitcharakteristik einer Kaskasde serieller kontinuierlicher Mischelemente mit steigender Anzahl der Mischelemente derjenigen eines ideal durchströmten Rohrreaktors approximativ an.
• Das Verweilzeitverhalten der seriellen Schaltung von Mischkammern nach dem Stand der Technik ist demnach durch ein geringes Vermögen ausgezeichnet, zeitliche Schwankungen in der Zusammensetzung der Masse im Zulauf auszugleichen. Eine enge Verweilzeitverteilung bewirkt, dass Volumenelemente mit einer bereits größeren Aufenthaltsdauer in der Maschine mit geringerer statistischer Wahrscheinlichkeit mit Volumenelementen kurzer Aufenthaltsdauer in Kontakt treten und beide Volumenelemente miteinander vermischt werden. Aus diesem Grund werden z.B. Unterschiede in der stofflichen Zusammensetzung dieser beiden Volumenelemente nicht durch Vermischung ausgeglichen. Auch werden Unterschiede bezüglich des Volumenanteil bereits gebildeter Keime nicht ausgeglichen.
• Dies schränkt den Anwendungsbereich auf bereits gut vorgemischte Einsatzstoffe nachteilig ein.
• Die weitere Folge dieser geringen Vermischung von Volumenelementen unterschiedlicher Aufenthaltsdauer innerhalb des Apparates kann sich in nachfolgenden Verarbeitungsschritten in einer makroskopischen Inhomogenität der Masse bemerkbar machen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil auszugleichen und die Breite der Verweilzeitverteilung gezielt zu vergrößeren und dadurch bedingt die Vermischung von Masseelementen mit unterschiedlicher Aufenthaltsdauer in der Maschine zu ermöglichen.
• Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren erreicht, bei dem ein Teilstrom der Masse mit geringer Aufenthaltsdauer innerhalb des Apparates über einen Bypass an einen Ort geführt wird, an dem die strömende Masse über eine bereits höhere Aufenthaltsdauer verfügt. Nach dem Zusammenführen der Massen mit unterschiedlicher Aufenthaltsdauer werden diese durch mindestens ein Rührorgan vermischt.
• In günstigen Ausführungsformen des Verfahrens werden erfindungsgemäß die Orte der Abzweigung eines Teilstroms an das Temperaturprofil der Masse angepaßt. Es erweist sich als besonders nachteilig, wenn Massen mit stark unterschiedlicher Temperatur miteinander vermischt werden, da dies die Bildung von Mischkristallen mit unerwünschten Eigenschaften hervorruft, was in der Folge die Qualität des Endproduktes herabsetzt.
• Aus diesem Grund wird erfindungsgemäß der Bypassstrom im Bereich unmittelbar vor einem Temperaturmaximum oder einem Temperaturminimum abgezweigt und in einem Bereich nach Durchlaufen des Temperaturmaximums oder des Temperaturminimums erneut eingespeisen und mit dem Hauptstrom der Masse zu vereinigen und zu vermischen.
• In einer günstigen Ausführungsform dieses Mischverfahrens kann der Bypass auch rückwärts durchströmt werden, was zu einer vorteilhaften, die Verweilzeitverteilung verbreiternden Rückvermischung führt.
• In einer ebenfalls günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann der Bypass mit einer Vorzugsrichtung durchströmt werden, wobei der Durchfluß durch den Bypass modulierend oder auch intermittierend erfolgt.
• Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung umfaßt eine Gruppe von auf einer gemeinsamen Welle befindlichen Rotoren, die räumlich alternierend durch Statoren getrennt sind. Welle, Rotoren und Statoren befinden sich in einem gemeinsamen zylindrischen Gehäuse. Mindestens einer der Statoren ist erfindungsgemäß mit mindestens zwei Aussparungen versehen, durch die die zu verarbeitende Masse mit einer Vorzugsrichtung hindurch tritt.
• Erfindungsgemäß sind diese Aussparungen in dem Stator derart plaziert, dass die Volumenelemente, die durch eine einzelne Aussparung hindurch treten, nach dem Durchtritt mit Volumenelementen zusammentreffen, deren Verweilzeit aufgrund eines von besagten Volumenelementen abweichende Verweilzeit besitzt. Erfindungsgemäß werden diese Volumenelemente mit unterschiedlicher Verweilzeit nach ihrem Zusammentreffen durch mindestens eine Einrichtung, etwa durch einen Rotor, vermischt.
• Dies kann erreicht werden durch mindestens zwei oder mehr Aussparungen, mit unterschiedlichen Entfernungen von der Wellenachse.
• Besonders einfach kann dies erreicht werden, in dem eine von mindestens zwei Aussparungen koaxial zur Welle als die Welle umgebende Ringspaltöffnung ausgeführt ist und mindestens eine weitere Aussparung im Stator einen Abstand von der Welle, z.B. den halben Statorradius besitzt.
• Eine modulierende oder intermittiernde Strömungsführung durch die Bypass-Aussparung kann dadurch erreicht werden, dass auf einer der benachbarten Rotoren Erhebungen vorhanden sind, die die jeweilige Bypassöffnung zeitweise ganz oder partiell verdecken und den Strömungsweg durch den Bypass dadurch bedingt zeitweilig verengen oder verschließen.
• Dies führt unmittelbar zur gewünschten Verbreiterung der Verweilzeitverteilung.
• Das erfindungsgemäße Verfahren wird in einem Ausführungsbeispiel anhand der 1 beschrieben.
• Ein Strom einer zu temperiernden Masse 1 tritt in eine Kaskade von Mischelementen (2, 3, 4, 5, 6, 7) ein. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit können dieser Kaskade von Mischelementen weitere Mischelemente oder Wärmeübertragungsflächen vor- oder nachgeschaltet sein. Im ersten Mischelement der Kaskade wird mittels Wärmeübertragungsflächen ein Wärmestrom abgeführt, der in 1 schematisch als offener Pfeil dargestellt ist. Die Masse gelangt von diesem Mischelement über einen Strömungsweg 8 in ein weiteres Mischelement. Sinngemäß setzt sich diese Prozedur in den nachgeschalteten Mischelementen (3, 4) fort.
• Erfindungsgemäß ist im Strom 9, der die Mischelemente 4 und 5 verbindet, ein Verzweigungspunkt vorhanden, von dem ein Strömungsweg 10 abzweigt. Dieser Strömungsweg 10 mündet in den Strömungsweg 11 ein, der sich zwischen den Mischelementen 6 und 7 befindet. Im dargestellten Verfahrensbeispiel ist die Richtung der Strömung im Bypass 10 in Richtung der Hauptströmung dargestellt. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit könnte diese Strömungsrichtung auch entgegengesetzt sein. Zu beachten ist, dass in den Mischelementen 5 und 6 keine Wärmeströme zugeführt oder abgeführt werden, was sich als vorteilhaft in Hinblick auf die bereits erwähnte Temperaturführung erweist. Etwaige verbleibende Temperaturänderungen in diesem Bereich sind auf Wärmeleitung innerhalb der Masse oder der Bauteile oder die Dissipationsleistung der Rotoren und der Strömung zurückzuführen. Im Mischelement 7 wird ein Wärmestrom zugeführt. Aus diesem Grund sind die verbleibenden Temperaturänderungen als vergleichsweise gering anzusehen, wenn zum Vergleich die Temperaturänderungen der Masse im Bereich von Wärmeübertragungsflächen herangezogen wird. Im dargestellten Verfahrensbeispiel befindet sich der Abzweigungspunkt des Bypassstromes 10 und der Einspeisepunkt des Bypasses 10 im Bereich vor und hinter dem Minimum des Temperaturprofils der Masse.
• Es ist offensichtlich, dass das Verfahren auch sinngemäße Anwendung finden kann, wenn die in 1 angedeuteten Wärmeströme jeweils umgekehrte Richtungen besitzen. In diesem Fall führt der Bypassstrom 10 eine Teilmasse um den Bereich eines Maximums im Temperaturprofil herum. Auf eine figürliche Darstellung wird wegen der Offensichtlichkeit verzichtet. In der Regel wird in dieser Variante eine Fördereinrichtung erforderlich sein, die den Bypassstrom gegen den Druckgradienten der Hauptströmung fördert.
• Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend anhand der 2 und 3 beschrieben.
• 2 zeigt ausschnittsweise eine erfindungsgemäße Temperiermaschine im Querschnitt. In einem zylindrischen Gehäuse 11, das auch aus nicht dargestellten ring- und plattenförmigen Elementen zusammengesetzt sein kann, befindet sich eine zentrale Welle 12, auf der scheibenförmige Rotoren 13 angebracht sind. Auf der Ober- und Unterseite der Rotoren sind Erhebungen angebracht, die für eine gute Mischwirkung der Rotoren 13 sorgen. Im Gehäuse 11 sind mehrere Statoren 14 untergebracht. Zwei benachbarte Statoren bilden mit einem dazwischen angeordneten Rotor zwei Mischereinheiten, und zwar eine oberhalb des Rotors und eine unterhalb der Rotorscheibe. Einige der Statoren sind von einem Wärme- bzw. Kälteträgerfluid durchströmt. Dadurch wirkt die Statoroberfläche als Wärmeübertragungsfläche. Diese Statoren besitzen mindestens zwei Anschlüsse 15 für den Vorlauf und Rücklauf des Wärme- bzw. Kälteträgers. Erfindungsgemäß besitzt mindestens einer der Statoren 14 zwei Aussparungen 16, 17 von denen eine Aussparung 17 als Bypass 10 fungiert. Die durch diese Aussparung hindurch tretende Masse wird nach dem Durchtritt mit Masse vereinigt und vermischt, die durch die Aussparung 16 hindurch tritt. Durch unterschiedliche Wegstrecken und Geschwindigkeiten werden unterschiedliche Aufenthaltszeiten erreicht, die zur vorteilhaften Verbreiterung der Verweilzeitverteilung führen. Sehr wirkungsvoll ist die Plazierung eines Temperaturfühlers 18 im Bereich der Aussparung 17. Aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Aussparung 17 reagiert der Temperaturfühler flink. Fehlmessungen werden hierdurch vorteilhaft vermieden.
• 3 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Stators in der Draufsicht. Im zylindrischen Gehäuse 11 ist eine zentrale Welle 12 angeordnet. Die Aussparung für die Wellendurchführung 16 ist koaxial angeordnet und besitzt einen größeren Durchmesser als die Welle. Im Einbauzustand gelangt die Masse durch diesen Spalt von der einen Seite des Stators auf die andere Seite. Zur Herstellung eines Bypasses 10 sind zwei Aussparungen 17 vorgesehen, durch die ein Teilstrom der Masse von einer Seite des Stators auf die andere Seite gelangen kann. Eine der Aussparungen 17 ist mit einem Temperaturfühler 18 versehen, mit dem vorteilhaft die Temperatur der Masse erfasst werden kann.

Claims (12)

1. Verfahren zur kontinuierlichen Temperierung von kakaohaltigen, kakaobutterhaltigen oder ähnlichen fetthaltigen Massen, insbesondere Schokoladenmassen, bei dem die Masse durch eine Reihe von Mischelementen geführt wird, von denen einige oder alle mit Wärmeübertragungseinrichtungen ausgestattet sind und die Masse zunächst eine Abkühlung bis unter die Austrittstemperatur der Masse aus dem Prozess erfährt, dieser Abkühlung mindestens eine Stufe zur Erwärmung bis etwa an die Austrittstemperatur nachgeschaltet ist und dementsprechend die Masse ein ausgeprägtes relatives Minimum im Temperaturprofil durchläuft, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teilstrom von der Masse abgezweigt wird und mit dem Hauptstrom der Masse an einer anderen Position im Prozess wieder vereinigt wird und dieser Hauptstrom zwischen der Abzweigung und der Wiedereinspeisung eines abgezweigten Teilstromes eine Durchmischung erfährt und die Dauer für die Bewegung von Volumenelementen der Masse zwischen dem Abzweigungspunkt und dem Wiedereinspeisepunkt sich für den Hauptstrom und einen abgezweigten Teilstrom unterscheiden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Abzweigung und Wiedereinspeisung eines Nebenstromes 10 an Positionen im Prozess liegen, zwischen denen im Hauptstrom ein relatives Extremum im Temperaturprofil liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Abzweigung und Wiedereinspeisung eines Nebenstromes 10 an Positionen im Prozess liegen, zwischen denen der Hauptstrom nicht an Wärmeübertragungsflächen geführt wird und keine wesentliche Temperaturänderung erfährt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ort für die Abzweigung eines Teilstromes von einem Hauptstrom von den Volumenelementen des Hauptstromes zeitlich vor dem Ort der Wiedereinspeisung des Teilstromes erreicht wird.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einer in einem zylindrischen Gehäuse axial angeordneten Welle, auf der Rotoren angebracht sind und in dem zylindrischen Gehäuse angebrachten Statoren, von denen einige oder alle mit Wärmeaustauschflächen versehen sind und einem Durchfluss der zu verarbeitenden Masse durch die von den Rotoren und Statoren gebildeten Spalträume, in denen durch die Bewegung der Rotoren die zu verarbeitende Masse vermischt wird und bei der Durchströmung der Vorrichtung Temperaturänderungen erfährt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Statoren über mindestens zwei Aussparungen verfügt, durch die die Masse von einer Seite des Stators zu der anderen Seite gelangt, und dass für mindestens ein Paar dieser Aussparungen gilt, dass sich die Aufenthaltszeiten der durch die Aussparungen hindurchströmenden Volumenelemente in der Vorrichtung jeweils unterscheiden.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine der mindestens zwei Aussparungen im Stator die Welle konzentrisch umschließt und weitere Aussparungen, mindestens aber eine weitere Aussparung sich außerhalb eines Kreises mit einem Radius befindet, dessen Radius größer ist als der halbe Radius eines Rotors.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch Erhebungen auf mindestens einem der benachbarten Rotoren eine oder mehrere Aussparungen des Stators periodisch ganz oder teilweise verschlossen, versperrt oder verdeckt wird bzw. werden und hierdurch der Volumenstrom durch die jeweils betreffende Aussparung des Stators pulsierend, moduliert, intermittierend oder oszillierend strömt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, das s mindestens einer der mit mindestens zwei Aussparungen versehene Stator auf beiden Seiten von Massen mit näherungsweise gleicher Temperatur überströmt wird.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der mit mindestens zwei Aussparungen versehene Stator sich in einem Abschnitt der Vorrichtung befindet, in dem ein relatives Extremum der Temperatur der zu verarbeitenden Masse auftritt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das relative Extremum der Temperatur der Masse ein relatives Minimum ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das relative Extremum der Temperatur der Masse ein relatives Maximum ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Aussparungen eines mit mindestens zwei Aussparungen versehenen Stators mit einem Temperaturfühler ausgestattet ist.