DE19750679A1

DE19750679A1 - Verfahren zum Erzeugen von wasserhaltigen, gefrorenen bzw. erstarrten, lagerstabilen, rieselfähigen Pulvermikrokapseln und daraus bestehenden wasserhaltigen, gefrorenen bzw. erstarrten, lagerstabilen, rieselfähigen Pulvermikrokapselsystemen und Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens

Info

Publication number: DE19750679A1
Application number: DE19750679A
Authority: DE
Inventors: Erich J Windhab; Tomas Wagner
Original assignee: INST LEBENSMITTELWISSENSCHAFT
Current assignee: INST LEBENSMITTELWISSENSCHAFT
Priority date: 1997-11-15
Filing date: 1997-11-15
Publication date: 1999-05-27
Anticipated expiration: 2017-11-16
Also published as: DE19750679B4

Description

Gattung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von wasserhaltigen, gefrorenen bzw. erstarrten, lagerstabilen rieselfähigen Pulvermikrokapseln und daraus bestehenden wasserhaltigen, gefrorenen bzw. erstarrten, lagerstabilen, rieselfähigen Pulvermikrokapselsystemen.

Des weiteren betrifft die Erfindung eine Einrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.

Stand der Technik

Aus der DE 43 44 393 ist ein Verfahren zum Herstellen tiefgefrorener eßbarer Massen, insbesondere von Lebensmitteln, mit erhöhtem Gasgehalt, vorbe kannt, in denen die Stoffkomponenten homogen vermischt vorliegen, wobei die Massen aus einer fluiden Matrix oder aus mehreren fluiden Matrizes erzeugt werden, welche in einen gekühlten Raum fein versprüht eingebracht und un mittelbar anschließend zu einem fein dispersen Pulver tiefgefroren und dieses tiefgefrorene, rieselfähige Pulver anschließend durch Verdichten portioniert wird. Die aus verschiedenen Komponenten gewonnenen, dispersen, tiefgefro renen Pulver werden homogen gemischt und anschließend weiterverarbeitet. Zum Durchführen dieses Verfahrens wird der versprühten Matrix zusätzlich zu einer Rotationsströmung eine rechtwinklig dazu gerichtete Strömung in den gekühlten Raum aufgeprägt. Gleichzeitig oder zeitlich getrennt mit den disper sen Partikeln der Matrix wird Kältemittel in den gekühlten Raum eingesprüht Das kompaktierte, gefrorene Pulver enthält in Abhängigkeit von den thermi schen und mechanischen Kompaktierungsbedingungen einen Gasanteil von 0 bis 70 Volumenprozenten.

Um das vorbekannte Verfahren durchzuführen, wird eine Einrichtung verwandt, die zum Herstellen derartiger tiefgefrorener, eßbarer Schäume dient, insbeson dere von Lebensmitteln mit erhöhtem Gasgehalt und die

a) einen als Gefriersprühturm ausgebildeten gekühlten Raum aufweist,
b) mehrere Sprühdüsen zum Einbringen mehrerer fluider Komponenten be sitzt, die wenigstens eine Matrix bilden und in den Gefriersprühturm als tropfenförmig fein verteilte Nebel eingesprüht werden,
c) mit einer Kühlvorrichtung zum Kühlen des Innenraumes des Gefriersprüh turmes
d) mit einer Auffangvorrichtung am Boden des Gefriersprühturmes zum Auf fangen der während des Falles durch den Gefriersprühturm gefrorenen Tropfen zu Pulver oder Schnee;
e) eine Fördervorrichtung zum gekühlten Wegfördern des gefrorenen Pulvers oder Schnee zur Weiterverarbeitung desselben;
f) einer Kompaktierungsvorrichtung, durch die das gefrorene Pulver oder Schnee definiert verdichtbar ist.

Zwischen einer Auslaßöffnung des Gefriersprühturmes und der Kompaktie rungsvorrichtung ist eine geeignete Vorrichtung, zum Beispiel eine Zellrad schleuse, ein Rüttelsieb, ein Schneckenförderer oder dergleichen, angeordnet.

Bevorzugt wird die Kompaktierungsvorrichtung als Extruder ausgebildet, wobei der Ausgang der Kompaktierungsvorrichtung eine steuerbare Gegendruck blende aufweist. Zwischen der Blende und dem Ausgangsmundstück einer als Extrudervorrichtung ausgebildeten Kompaktierungsvorrichtung ist eine Druck meßvorrichtung eingeschaltet. Außerdem ist eine Umluftvorrichtung über Lei tungen an einen im Innenraum des Gefriersprühturmes angeordneten Doppel mantelspalt angeschlossen, derart, daß eine Absaugung der Umluft durch die Umluftvorrichtung erfolgt, wobei über einen Kompressor oder Ventilator die Rückführung in den Gefriersprühturm mittels Kältemitteldüsen oder separater Düsen vorgenommen wird. Die Betriebsweise der Kompaktierungsvorrichtung, zum Beispiel die Drehzahl eines Doppelextruders, wird in Abhängigkeit von dem durch die Druckmeßdose gemessenen Gegendruck zwischen Gegen druckblende und Extruderauslaßvorrichtung oder über die Leistungsaufnahme des Schneckenantriebsmotors derart gesteuert, daß ein definierter Kompaktie rungsgrad bei vorgegebenem Eintrittsgut - massenstromproduktspezifisch - einstellbar ist. Die beim Kompaktierungsextruder eingesetzten Schnecken sind nicht kämmend, sondern mit einem axialen Versatz, welcher der halben Schneckenkanalbreite entspricht, angeordnet.

Aus der DE 42 02 231 ist eine Einrichtung zum Kühlen von eßbaren Schäu men, insbesondere Milchprodukten wie Eiskrem oder Schlagsahne, also von Lebensmitteln, vorbekannt, die den Schaum nach Herstellung auf Lagertempe ratur tiefkühlt und worin Aufschlag-, Kühl- und Extrudiereinrichtungen durch Rohrleitungen untereinander verbunden sind. Hierzu wird in der vorerwähnten Druckschrift eine Einrichtung zum Kühlen von eßbaren Schäumen vorgeschla gen, bei der einer Aufschlagvorrichtung unmittelbar ein Kühl- und Gefriergerät zum Vorgefrieren des Schaumes, und dem Kühl- und Gefriergerät unmittelbar eine als kombinierte Tiefgefrier- und Transportvorrichtung ausgebildete moto risch antreibbare Extrudervorrichtung nachgeschaltet ist, in der der vorgefro rene Schaum auf Lagertemperatur herunterkühlbar ist und die Aufschlagvor richtung, das Kühl- oder Gefriergerät und die Extrudervorrichtung durch Rohr leitungen miteinander verbunden sind, wobei die Extrudervorrichtung minde stens ein Doppelschneckensystem mit zwei mit ihren Drehachsen parallel zueinander angeordneten Schnecken aufweist, und die Schnecken des Dop pelschneckensystems mit ihren Schneckenstegen (Wendel) an der inneren Zy lindermantelfläche des sie umgebenden Gehäuses schaben, wobei die Stege der zweiten Schnecke mittig zwischen den Stegen der ersten Schnecke an geordnet sind und ein erhöhter Drehachsenabstand der Schnecken realisiert ist, so daß die der Zylindermantelfläche der jeweiligen Schnecke zugekehrte Stirnseite des Schneckensteges der anderen Schnecke einen radialen Abstand von dieser aufweist, und wobei die Schneckenstege mit der Zylinderman telfläche der Schnecken und der inneren Zylindermantelfläche des Gehäuses einen extrem flachen Schneckenkanal begrenzen. Die Einrichtung weist eine Steuerung auf, welche die Drehzahl der Schnecken rezepturspezifisch unter Berücksichtigung der temperaturabhängigen kritischen Schubspannungen für die Strukturveränderungen zur optimierten Abstimmung von mechanischem Energieeintrag, homogener Strukturbeanspruchung des jeweiligen Produktes, überkritischer Scherung, Kühlgradient und Gefrierprozeß durch Erfassung der Produktkonsistenz als Zielgröße vornimmt, wobei die Produktkonsistenz mittels einer on-line-Viskositätsmessung bestimmt wird, derart, daß im Stoffsystem dissipierte, das heißt in Wärmeenergie umgewandelte mechanische Energie ein kritisches Maß nicht überschreitet. Durch diese vorbekannte Einrichtung soll ein lagerfertiges Tiefgefrieren von Eiskrem oder anderen Fluiden auf Temperaturen von weniger als -10°C unter gleichzeitiger Erzeugung eines kremigen Zustandes möglich sein, bei weitestgehend homogenen mechanischen Energieeintrag aufgrund der Verwendung eines speziellen Doppelschneckensystems.

Aus der FR-PS 1 507 738 ist ein Verfahren zum Herstellen von Gefrierproduk ten in körniger Form auf der Basis von Flüssigkeitstropfen vorbekannt, bei dem die zu gefrierende Flüssigkeit in einen kalten Gasstrom zerstäubt wird. Dabei erstarren die Flüssigkeitstropfen durch Absorption der Wärme, ohne daß sie mit einer festen Oberfläche in Berührung kommen. Dann wird anschließend das pulverförmige Gefrierprodukt vom Gasstrom getrennt. Der Gasstrom ist hohem Druck ausgesetzt. Das pulverförmige Gefrierprodukt wird unterkühlt, bevor es vom Gasstrom getrennt wird. Die zerstäubte Flüssigkeit wird dabei durch einen Gasstrom gefroren, der im Prinzip von unten nach oben durch eine Gefrier kammer strömt, indem die Geschwindigkeit des Gasstromes während der Dauer des Gefrierens herabgesetzt wird, und erhöht wird, während die Mi schung die Gefrierkammer verläßt und sich trennt. Eine Anlage zum Durchfüh ren dieses Verfahrens besteht aus einer Gefrierkammer, die mindestens eine Zerstäubervorrichtung für die zu gefrierende Flüssigkeit, mindestens einen Se parator für die Mischung des gefrorenen Produktes in Pulver und Gas und mindestens eine Vorrichtung zum Entnehmen des gefrorenen Produktes aus der Anlage, sowie eine Vorrichtung enthält, die den Gasstrom heranführt und mindestens eine Vorrichtung zum Kühlen des Gasstromes, bevor er die Gefrier kammer erreicht. Es ist außerdem ein Umlaufgebläse vorgesehen, das den Gasstrom zirkulieren läßt. Neben einer Düse zum Zerstäuben der zu gefrieren den Flüssigkeit ist außerdem eine Zerstäubervorrichtung für zusätzliches Gas vorgesehen, die das Gas unter hohem Druck in die Anlage einleitet. Dieses zusätzliche Gas unter hohem Druck gelangt als Überschuß durch die Zerstäu bervorrichtung in die Anlage und treibt ein Umlaufgebläse an. Dann gelangt es in einen Wärmetauscher, der im Umlauf des Gasstromes zwischen dem Ge bläse und der Kältekammer in Gegenrichtung des Gasstromes angeordnet ist und erwärmt sich dort beim Abkühlen des Gasstromes auf etwa die Umge bungstemperatur.

Mit diesem Verfahren soll die Herstellung eines pulverförmigen gefrorenen Pro duktes, das heißt in Form von sehr feinen Körnern, möglich sein, die auf der Basis von Flüssigkeitstropfen erhalten werden, insbesondere von wäßrigen Lö sungen wie zum Beispiel Fruchtsaft, Milch oder Kaffee und ähnliche Produkte.

Die FR-PS 2 342 472 betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Gefrieren von flüssi gen Produkten, wobei das flüssige Produkt in einer ausreichend kalten Umge bung zerstäubt wird, um ein praktisch sofortiges Gefrieren der zerstäubten Pro dukte zu erreichen. Das gefrorene Produkt wird in Form eines Pulvers aufge fangen, dessen Granulometrie von der Größe der zerstäubten Partikel abhängt. Später wird dieses Pulver einer mechanischen Bearbeitung unterzogen, wenn die Granulometrie verfeinert werden muß. Normalerweise sollen Produkte so gefroren werden, die im Normalzustand in einer mehr oder weniger viskosen, sogar breiartigen flüssigen Form vorliegen.

Angewendet werden soll dieses Verfahren beim Gefrieren von Milch, Eiern, Brei und Fruchtsaft.

Die BE-PS 905 605 bezieht sich auf ein Verfahren zur Konservierung von flüs sigen Nahrungsmitteln, insbesondere auf ein Verfahren zum Gefrieren von Vollmilch, Fruchtsäften, Bier und ähnlichen Flüssigkeiten, die nach ihrem Auf tauen ihren ursprünglichen Zustand wieder zurückerhalten sollen. Hierzu wird die Flüssigkeit in winzige im Abstand zueinander befindliche Partikel in einer gekühlten Kammer zerstäubt, um das schnelle Gefrieren dieser Partikel zu be wirken, während sie sich im Abstand zueinander befinden. Das gefrorene Produkt wird anschließend verpackt. Zum Durchführen dieses Verfahrens wird eine abgekühlte Kammer verwendet, die unterhalb des Gefrierpunktes der betreffenden Flüssigkeit gekühlt wird. Bei der Durchführung dieses Verfahrens zum Konservieren einer Flüssigkeit wird die betreffende Flüssigkeit in Partikel von rund ½ Mikron bis 500 Mikron, in einer gekühlten Kammer eingesprüht, um das schnelle Gefrieren der Partikel zu bewirken. Es wird auch vorgeschlagen, die zu konservierende Flüssigkeit unter Unterdruck zu setzen, sie anschließend in winzige Partikel von ½ Mikron bis 500 Mikron in einer gekühlten Kammer zu zerstäuben, um das erwähnte schnelle Gefrieren der Partikel zu bewirken. Hierdurch wird ein gekühltes, nicht oxydierendes Gas in der Kammer in Zirkula tion gehalten. Wird Milch auf diese Weise konserviert, so wird sie ebenfalls in Partikel von ½ Mikron bis 500 Mikron in eine unterkühlte Kammer eingesprüht, deren Temperatur -23,3°C bis -40°C aufweist, um das schnelle Gefrieren der Milchpartikel zu bewirken. Auch die Milch kann hierbei einem Unterdruck aus gesetzt werden. Das tiefgefrorene Pulver kann dadurch verpackt werden, daß es in Blocks zusammengepreßt wird, um den Gasanteil im Block zu eliminieren. Auch Bier soll auf diese Art und Weise haltbar gemacht und transportiert wer den.

Alles in allem verspricht man sich durch dieses Verfahren anscheinend eine bessere Möglichkeit, um Vollmilch an einem beliebigen Ort durch Molkereien herzustellen und zu konservieren und sie auch über lange Strecken transportie ren zu können, und zwar zu günstigen Preisen.

Die WO 92/02146 betrifft eine gekühlte Mischkammer, durch die verschiedene Bestandteile für Eiskrem hindurchgebracht werden. Hierbei wird kein Pulver, sondern eine hochkonsistente Masse erzeugt. Auf das Einhalten eines Mischverhältnisses kommt es nicht an. Zum Beispiel kann Schokoladenstreusel einfach in rieselfähigem Zustand oben aufgeschüttet werden. Befüllt werden Eisbecher, wie sie normalerweise zum Verzehr bereitstehen.

Die FR-PS 2 375 901 betrifft eine Anlage zum Gefriertrocknen mit einer Kühlko lonne, Vorrichtung zum Heranführen von Kühlmitteln und flüssigen Produkt strömen und einer Auslaßöffnung für die gefrorenen körnigen Bestandteile am unteren Teil der Kühlkolonne sowie Abzweigleitungen für ein gasförmiges Kühlmittel. Das gekühlte, körnige Produkt wird über ein Förderband mit einer fortlaufenden Anlage zum Gefriertrocknen verbunden. Die Produktlösung wird dabei in einen fließenden Strom von flüssigem, leicht flüchtigen Kühlmittel ge leitet. Die Größe und der Feststoffgehalt der gefrorenen Körnchen wird mit Hilfe von Änderungen der Konzentration, der Viskosität und des Einspritzdruckes der Produktlösungen sowie durch Änderung des Düsendurchmessers variiert. Als Kühlmittel wird flüssiger Stickstoff verwendet. Durch diese Anlage soll es mög lich sein, im Dauerverfahren gleichförmig gefrorene Körnchen für die Lyophili sierung bereitzustellen, das einen schnellen Produktwechsel ermöglicht, ohne daß eine große Anlage erforderlich sei. Mit einer solchen Anlage sei das schlagartige Gefrieren der Produktlösung mit Bildung von kleinen sphärischen Partikeln möglich. Diese Kugeln sollen sich von dem gasförmigen Kühlmittel leicht trennen lassen und können gefriergetrocknet und verarbeitet werden. Die auf diese Weise erhaltenen gefriergetrockneten Körnchen sollen sehr gleich mäßig und sehr löslich sein und aufgrund ihrer sphärischen Form die spätere Verarbeitung unter den besten Voraussetzungen bieten.

Die DE-PS 289 262 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von Margarine, insbesondere Pflanzenmargarine, wobei die Margarineemulsion mittels Streu düsen in Nebelform innerhalb eines Raumes zerstäubt wird, in dem sich kalte Luft oder sonstige indifferente kalte Gase befinden, worauf in üblicher Weise die gekühlte Masse weiterbearbeitet wird. Dabei soll die Margarineemulsion in durch Düsen nebelförmig zerstäubtem Zustand durch kalte Luft oder kalte Gase, welche zweckmäßig im gleichmäßigen Kreislauf auf die zerstäubte Emulsion einwirken, nur vorgekühlt werden und die so vorgekühlte, feinpulve rige, lockere Masse durch andere Kühlmittel, insbesondere durch Stehenlassen in Kühlräumen, fertig gekühlt werden.

Die EP-OS 0 478 118 beschreibt eine Vorrichtung zum Herstellen von gefrier getrockneten Partikeln. Hierbei handelt es sich um einen reinen Gefrier- bzw. Gefriertrockenvorgang.

Aus der DE-AS 26 02 454 ist eine Vorrichtung zum Behandeln pulvriger oder körniger Stoffe mit einer Flüssigkeit vorbekannt, bestehend aus einem Behälter mit einem Stoffeinlaß in seinem oberen Teil mit einem Raum für das freie Ab wärtssinken des behandelten Stoffes unterhalb des Stoffeinlasses, mit in die sem Raum gerichteten Sprühdüsen für die Flüssigkeit und mit Einrichtungen zum Erzeugen eines aufsteigenden Gasstromes, die einen im unteren Teil des Behälters gelegenen Gaseinlaß und einen höher gelegenen Gasauslaß umfassen. Der Raum für das Abwärtssinken des Stoffes ist von einer Wand eingeschlossen, an deren unteren Ende ein Gas-Auslaß-Ringspalt als Zugang zu einem Ringraum für den Abzug der in den Behälter eingeführten Gasströme vorgesehen ist. Hierdurch soll ein gleichmäßiges Benetzen des Stoffes mit Flüssigkeit gewährleistet sein, um zu besseren Eigenschaften des behandelten Stoffes zu kommen. Dabei können feinste Teile durch Aneinanderkleben zu einem porösen Agglomerat sich aufbauen. Hierdurch soll der so behandelte Stoff weniger leicht zusammenbacken, gut rieselfähig bleiben und sich leicht in Flüssigkeit auflösen bzw. dispergieren lassen. Vorgeschlagen wird, auf diese Weise leicht lösliche Stoffe, zum Beispiel Zucker-Kakao-Getränke, Milchpulver, Kleinkindernahrung, Waschmittel, Farben, Stärke und Vitaminpräparate her zustellen. Die Herstellung von Mischungen, insbesondere von Speiseeis mischungen ebenso wie die gezielte Einkapselung von Komponenten ist nicht vorgesehen.

Die DE-AS 17 67 046 beschreibt eine Vorrichtung zum Besprühen von pulver förmigen Stoffen oder Granulaten mit Flüssigkeiten, bestehend aus einem Turm mit einer im Turmumfang vorgesehenen Reihe von Öffnungen und davon im Abstand angeordnete Sprühdüsen, mit einer pneumatischen Feststoffzuführung im Oberteil des Turmes, mit einer Auslauföffnung für die fertig besprühten Stoffe im unteren konusförmigen ausgebildeten Turmauslauf, mit einer im Turmoberteil angeschlossenen Sammelleitung und einer Umlaufleitung sowie einer Kühl- und einer Filtereinrichtung für den Gasstrom. Die Umlaufleitung ist nach dem Filter in mehrere Zweigleitungen derart aufgeteilt, daß die Zweiglei tung andererseits mit dem Turmauslauf, andererseits mit der pneumatischen Feststoffzufuhr und außerdem in einer der Sprühdüsenzahl entsprechenden Anzahl von Teilleitungen aufgeteilt ist, die mit den im Turmmantel vorgesehe nen Öffnungen für die Sprühdüsen korrespondieren. Außerdem sind die Zweigleitungen über die Nachbehandlungseinrichtung mit dem Turmauslauf verbunden. Hier soll vorhandenes Pulver besprüht werden, zum Beispiel um Milchaustauschfutter für die Kälbermast herzustellen.

Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erzeugen von wasserhaltigen, gefrorenen bzw. erstarrten, lagerstabilen, rieselfähigen Pul vermikrokapseln und daraus bestehenden wasserhaltigen, gefrorenen bzw. erstarrten, lagerstabilen, rieselfähigen Pulvermikrokapselsystemen, insbeson dere von Lebensmittelstoffsystemen von Arznei- oder Aromensystemen, von biologischen Systemen sowie von Vitaminmischungen zu schaffen, die ohne zu klumpen über eine längere Zeitdauer gut lagerungsfähig sein sollen, unter Er halt der besonderen Eigenschaften verkapselter Komponenten.

Des weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zu schaffen.

Lösung der Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens

Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 wiedergegebenen Merk male gelöst.

Einige Vorteile

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich wäßrige Komponen tenmischungen enthaltende lagerstabile, rieselfähige Pulver herstellen, die A. als Eispulver mit wäßriger äußerer Phase auch im Haushaltsbereich, zum Bei spiel in der Haushaltskühltruhe bei 18°C oder im Gefrierfach des Kühlschran kes bei -12°C bis -15°C B. als Fettpulver mit fettiger/öliger äußerer Phase bei Raumtemperatur über lange Zeit, insbesondere über viele Monate, pulverförmig rieselfähig bleiben. Ein Klumpen tritt nicht mehr auf.

Die wäßrigen Komponentenmischungen enthalten dabei bevorzugt im Le bensmittelbereich zugelassene Stoffkomponenten, welche nicht nur die ge schmackliche Qualität des erzeugten Pulvers gewährleisten, sondern außer dem die sogenannte Glasumwandlungstemperatur sowie die Gefrierpunkter niedrigung des Stoffsystems definiert einstellen lassen.

Bevorzugt soll die Glasumwandlungstemperatur im Bereich von -18°C bis -5°C eingestellt werden können. Damit das Stoffsystem als Pulver zumindest lokal, vorzugsweise an der Oberfläche, ohne notwendigerweise vollständige Aufkonzentrierung durch Ausfrieren von reinem Wasser in Kristallform glasartig erstarrt, muß es mit sehr hohen zeitlichen Temperaturgradienten abgekühlt werden, beispielsweise ca. ≧ 1000° C/Sekunde. Derartige hohe Abkühlgeschwindigkeiten werden in einer Randzone, also an der Tropfenoberfläche von wenigen Mikrometern Schichtdicke beim Versprühen der Fluidkomponentenmischung in einem auf -30°C bis -100°C, vorzugsweise ≦ -50°C, gekühlten Raum erzeugt.

Das Versprühen der wäßrigen Komponentenmischungen erfolgt insbesondere in einen speziellen Tieftemperaturkaltsprühturm. Die Kühlung der Sprühturmat mosphäre wird über das unmittelbare Einsprühen von flüssigen Gasen wie zum Beispiel Stickstoff, Helium und Kohlendioxid, erreicht.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß die in der Randzone glasartig er starrten Tröpfchen bei Temperaturen von ca. ≦ 1°C bis 3°C unterhalb der Glasumwandlungstemperatur gelagert werden können, und zwar ohne daß ein Sintereffekt, das heißt ein Zusammenwachsen zu einer klumpenförmigen ag glomerierten Matrix, erfolgt. Nicht glasartig, sondern kristallin erstarrte Teilchen zeigen abhängig von der Lagertemperatur mehr oder wenig ausgeprägte, je doch immer vorhandene Sintereffekte. Erfindungsgemäß hergestellte Pulver teilchen mit einer glasartig erstarrten Randschicht, besitzen in dieser Schicht unter den genannten Lagertemperaturbedingungen von 1-3°C unterhalb der Glasumwandlungstemperatur eine derart erniedrigte Beweglichkeit der Mole küle, daß auf einer Zeitskala von ca. sechs bis zwölf Monaten keine signifikan ten Sintereffekte im entsprechenden Eispulver auftreten. Die glasartig erstarrte Randschicht wirkt dabei als Sperrschicht für diffundierende Wassermoleküle und gegebenenfalls eingekapselte Stoffkomponenten. Aus diesem Grunde können erfindungsgemäß hergestellte Pulver im genannten Tempera turbereich von zum Beispiel ≦ 1°C bis 3°C unter der Glasumwandlungstempe ratur auch unter Normalkraftbelastung, also auch in einem Silo, ohne zu ver klumpen gelagert werden. Es hat sich gezeigt, daß nach dem erfindungsgemä ßen Verfahren sich pulverförmige aromatisierte, geschmacklich abgestimmte neuartige Desserteispulver herstellen lassen, welche auch bei längerer Kalt lagerung in der Haushaltskühltruhe bei etwa -18°C oder im Gefrierfach des Kühlschrankes bei etwa -10°C bis -15°C, pulverförmig rieselfähig bleiben.

Grundsätzlich können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Pulverteilchen auch als Zumischung zu anderen bei tieferen Temperaturen ge lagerten Lebensmitteln, entweder als Kälteträger oder zur Erzielung eines be stimmten Geschmacks- oder Konsistenzeindrucks, eingesetzt werden.

Zum gezielten Einstellen der Glasumwandlungstemperatur lassen sich zum Beispiel Stärkesirupe, Polysaccharide und deren Derivate, Proteine, lactose freie Milchtrockenstoffe und als Süßstoff Aspartam einsetzen.

Weitere erfinderische Ausgestaltungen des Verfahrens

Weitere erfinderische Maßnahmen hinsichtlich des Verfahrens sind in den Pa tentansprüchen 2 bis 13 beschrieben.

Bei einer Verfahrensweise gemäß der Erfindung ist das Sprühfluidsystem be vorzugt mehrphasig aus ineinander nicht mischbaren Fluiden, zum Beispiel aus einer Emulsion von Öl bzw. Fett in Wasser (O/W), oder aber auch aus Wasser in Öl bzw. Fett (W/O), wobei die resultierenden verfestigten Tropfenteilchen eine erstarrte Emulsion darstellen.

Erfindungsgemäß ist es auch möglich, Doppelemulsionssysteme vom Typ Was ser-Öl (Fett)-Wasser (W/O/W) oder Öl/Fett-Wasser-Öl/Fett (O-W-O) in ver gleichbarer Weise sprühzuverfestigen. Eine solche erfindungsgemäße Verfah rensweise hat den besonderen Vorteil, daß in der inneren Phase wasser- bzw. fettlösliche Komponenten gelöst oder unlösliche Komponenten suspendiert werden können. Die inneren Phasen müssen nicht notwendigerweise erstarren, sondern können prinzipiell sogar in fluider Form bei Lagertemperatur vorliegen. Bei einem W/O/W-System befindet sich die Wasserphase I in Form kleiner Tropfen in der Fettphase, welche ihrerseits Tropfen bildet und die Wasserphase I vollkommen umschließt. Die Fettphase ist ihrerseits ebenfalls in Tropfenform in der kontinuierlichen äußeren Wasserphase II dispergiert. Die Wasserphase II enthält nur solche gelösten Stoffkomponenten, welche die glasartige Erstarrung bei Temperaturen ≧ ca. -15°C in der vorbeschriebenen Art und Weise ermöglicht. Beim Sprühvorgang bilden sich Tröpfchen der Was serphase II, in welchen dann die kleineren Tropfen der Fettphase und in diesen wiederum die noch kleineren Tropfen der Wasserphase I enthalten sind. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich unter Zugrundelegung eines W/O/W-Doppelemulsionssystems bei Lagertemperaturen ≦ 1°C bis 3°C un terhalb der Glastemperatur von Wasserphase II rieselfähige Pulver erzeugen, welche einerseits in keiner Weise zum Sintern, also zu Verklumpungsvorgän gen, neigen, andererseits jedoch fluide wäßrige Lösungen stabil eingekapselt enthalten können. Die Fettphase, welche als Zwischenschicht zwischen den beiden Wasserphasen I und II wirkt, schließt eine Diffusion beweglicher Was sermoleküle aus Wasserphase I in Wasserphase II weitgehend aus. Damit kann eine Aufrechterhaltung des beschriebenen stabilen Strukturzustandes des rieselfähigen Pulvers gewährleistet werden. Eine "Auflösung" des Glasstruktur zustandes durch Wasseraufnahme aus dem Inneren der Pulverteilchen ist bei intakter Umhüllung von Wasserphase I mit der Fettphase auszuschließen.

Bei Systemen vom W/O- bzw. O/W/O-Typ bildet die Öl-(Fett-)phase II die äu ßere Hülle. Erfindungsgemäß wird für die äußere Öl-(Fett-)phase ein Fettsystem gewählt, welches bei Lagertemperatur des Produktes weniger als 10% ge schmolzene Anteile aufweist. Die innere Wasserphase kann flüssig vorliegen oder bei entsprechender Abkühlung auch gefroren oder glasartig erstarrt vorlie gen. Die innere Öl-(Fett-)phase II kann ebenfalls in fluider oder erstarrter Form vorliegen. Beide inneren Phasen beinhalten erfindungsgemäß bevorzugt gelö ste oder suspendierte Stoffkomponenten, welche im Innern des erstarrten Sprühtropfens verkapselt sind.

Die auf Emulsionsbasis kaltgesprühten und verfestigten Tropfenpartikel stellen Mikrokapselsysteme dar. Wasser- bzw. fettlösliche oder suspendierte Kompo nenten können als rieselfähiges Mikrokapselpulversystem bei Bedarf, zum Beispiel zu verschiedenen Pulversystemen, zugemischt werden und damit homogenere Mischungen ermöglichen als dies bei direkter Zumischung derarti ger Komponenten mit kleinem Mengenanteil ansonsten möglich wäre. In Form gefrorener Mikrokapseln sind derartige Systeme jedoch auch beispielsweise direkt als neuartiges gefrorenes Dessert, welches auch bei moderaten Gefriertemperaturen, wie sie in Haushaltskühlschränken vorkommen, seine Struktur beibehält, von großem Interesse.

Für einen derartigen Anwendungszweck als neuartiges gefrorenes Dessert sind zwei prinzipielle erfindungsgemäße Möglichkeiten zu unterscheiden:

a) Die sprühgefrorenen Pulverteilchen in Form von Kügelchen bestehen aus einer einzigen wäßrigen Komponente, oder aus einer wäßrigen Kompo nente mit darin emulgierter Fettphase (O/W-Emulsion). In diesem Fall werden die Rezeptkomponenten der wäßrigen Phase derart gewählt, daß Glasumwandlungstemperaturen ≧ -15°C, vorzugsweise ≧ -5°C, erreicht werden. Um dem Produkt den Charakter eines Desserts zu verleihen, werden bei dieser erfindungsgemäßen Verfahrensweise zum Beispiel Aspartam als Süßstoff sowie abgebaute Stärkesirupe, zum Beispiel DE 2-30, als Trockensubstanzlieferant, eingesetzt.
Des weiteren können ebenfalls erfindungsgemäß auch lactosefreie Milch trockenstoffmischungen ebenso wie Proteine und Polysaccharide bzw. deren Derivate verwendet werden. Da in jedem Fall die Einhaltung einer bestimmten Glasumwandlungstemperatur gegeben sein muß, bestehen Einschränkungen bezüglich der Auswahl von Ingredienzen bei dieser Verfahrensweise.
b) Bei Herstellung von sprühgefrorenen Dessertpulvern aus Doppelemulsio nen (W/O/W), kann die innere Wasserphase I alle Zucker bzw. Ge schmacks- oder Aromakomponenten enthalten, welche für die Erzeugung eines bestimmten Geschmacks- und Aromaprofils gewünscht werden.
Allein in der äußeren Wasserphase II sind die vorab unter Verfahrens weise a) beschriebenen Randbedingungen einzuhalten, damit die glas artige Erstarrung unter den beschriebenen Voraussetzungen erhalten bleibt.
Nach der erfindungsgemäßen Verfahrensweise lassen sich im Bedarfs falle zum Beispiel auch andere Dessertpulver, Speiseeispulver, aber auch Arzneimischungen mit eingelagerten Wirkstoffen und/oder Aromastoffen und/oder biologischen Komponenten wie z. B. Mikroorganismen und/oder verschiedenen Vitaminen und/oder Farbstoffen, herstellen.

Lösung der Aufgabe hinsichtlich der Einrichtung

Die Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 14 wiedergegebenen Merkmale gelöst.

Weitere erfinderische Ausgestaltungen

Weitere erfinderische Ausgestaltungen sind in den Patentansprüchen 15, 16 und 17 beschrieben.

Einige Vorteile

Die erfindungsgemäße Einrichtung in Form eines Kaltsprühturmes ermöglicht auch die industrielle Herstellung von gefrorenen wasserhaltigen Mikrokapsel pulverteilchen und daraus bestehenden gefrorenen lagerstabilen, rieselfähigen Mikrokapselpulversystemen, insbesondere von Lebensmittelstoffsystemen, Speiseeispulver, Arznei- oder Aromen sowie Vitaminmischungen und. Mischun gen von biologischen Komponenten wie Mikroorganismen.

Beispiel für die Herstellung/Versprühung eines W/O/W-Systems (Doppelemulsion) bei einer Mikroverkapselung mit mehreren Komponenten in einem Tropfen:
Eine wäßrige und eine Fett-/Ölphase werden getrennt vorgemischt, das heißt alle Ingredienzen eingemischt (gelöst) bzw. suspendiert. Diese beiden Phasen werden dann in einer sogenannten Voremulgierung grob emulgiert. Ob eine O/W oder W/O-Rohemulsion resultiert, hängt vom Mengenverhältnis der beiden Phasen und insbesondere von der Art des eingesetzten Emulgators ab. Wird ein fett-/öllöslicher Emulgator eingesetzt, dann stabilisiert dieser eine W/O- Emulsion, umgekehrt stabilisiert ein wasserlöslicher Emulgator eine O/W- Emulsion. Ob sich Emulgatoren in Wasser oder Fett lösen, bestimmt je nach Emulgatorart beispielsweise deren sogenannter HLB-Wert (hydrophilic lippophilic Balance). Bei Einsatz eines entsprechenden Emulgators in ausreichender Menge, das heißt ausreichend für die vollständige Belegung der Phasengrenzfläche nach dem Feinemulgieren, kann durchaus ein großer Anteil an disperser Tropfenphase (ca. 85%) stabilisiert werden. Ein typisches Beispiel ist Mayonnaise, welche bis 85% disperse Öltropfen in einer wäßrigen kontinuierlichen Phase aufweisen kann.

Nach dem Herstellen der Rohemulsion wird in sogenannten Dispergierappara ten - z. B. schnellaufende Rotor/Statorsysteme oder Hochdruckhomogenisato ren - die Feinemulsion erzeugt. Gegenüber der Rohemulsion sind die Tropfen größen um den Faktor 10 bis 50 reduziert. Liegt nun z. B. eine W/O-Emulsion vor, da vorab z. B. ein öllöslicher Emulgator in die Ölphase eingemischt wurde, wird in einem nächsten Schritt eine Wasserphase mit einem wasserlöslichen Emulgator zudosiert und anschließend erneut eine Feinemulgierung in einer zweiten Apparatestufe durchgeführt. Dies führt dann zur Ausbildung von Öl tröpfchen in der neu zudosierten Wasserphase, wobei die Öltröpfchen noch die Wassertröpfchen aus dem ersten Emulgierschritt (W/O) besitzen. Somit ent steht eine W/O/W-Doppelemulsion. Diese wird nun über die Sprühdüse in den Kaltsprühturm eingedüst und erfindungsgemäß ohne Entmischung verfestigt.

Eine definierte Zusammensetzung im Tropfen wird dadurch erreicht, daß die Emulsionen aus der Emulgierstufe 1 (W/O) und der Stufe 2 (W/O/W) homogen erzeugt werden. Voraussetzung ist allerdings, daß die Sprühtropfen eine aus reichende Größe besitzen (ca. minimal 2 bis 3facher Durchmesser der Öltröpfchen) und die Öltröpfchen wiederum mindestens ca. minimal 2-3fach den Durchmesser der inneren Wassertröpfchen besitzen. Dies muß über die geeignete Fahrweise der beiden Emulgierstufen eingestellt werden. Vollständige ideale Mikrohomogenität wird vermutlich im Sprühtropfen nicht erreicht werden. Da jedoch eine Vielzahl von Sprühtropfen das Endprodukt (Pulverportion) bilden, ist integral die Ausgangszusammensetzung im Produkt wiederzufinden.

In der Zeichnung ist die Erfindung - teils schematisch - beispielsweise erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 kaltgesprühte W/O/W-Emulsionstropfen;

Fig. 2 kaltgesprühte Eispulverpartikel (einphasig), mit Maßstabsangabe;

Fig. 3 differentialthermoanalytische Ermittlung der Glasumwandlungstem peratur;

Fig. 4 einen Schnitt durch ein kaltgesprühtes, schnell erstarrtes Pulverteil chen;

Fig. 5 einen Schnitt durch den Randbereich eines sprühgefrorenen wäßri gen, einphasigen Pulverteilchens mit gelösten Inhaltskomponenten;

Fig. 6 die Ermittlung der Bruchspannung an einem gesinterten, kaltge sprühten Eispulver nach erfolgter Eigenverdichtung;

Fig. 7 das Fließverhalten gefrorener Pulver;

Fig. 8a, 8b Sinterstrukturen und

Fig. 9 eine Einrichtung mit einem Kaltsprühturm im schematischen Längs schnitt.

Aus Fig. 1 ist zu erkennen, wie beim erfindungsgemäßen Sprühvorgang sich Tropfen der Wasserphase II bilden, in welcher dann die kleineren Tropfen der Fettphase und in dieser wiederum die noch kleineren Tropfen der Wasserphase I enthalten sind. Bei diesem Doppelemulsionssystem vom Typ W/O/W sind in der Wasserphase I wasserlösliche Komponenten enthalten, welche nicht un bedingt glasartig erstarren müssen, sondern prinzipiell auch in fluider Form bei Lagertemperatur vorliegen können. Die Wasserphase I ist vorliegend als kleiner Tropfen in der Fettphase dargestellt, welche die Wasserphase I vollkommen umschließt. Die Fettphase ist in der Wasserphase II dispergiert. Diese Was serphase II enthält bevorzugt nur solche gelösten Stoffkomponenten, welche die glasartige Erstarrung bei Temperaturen von etwa ≧ -15°C ermöglichen. Die Außenhaut der Wasserphase II ist somit glasartig erstarrt. Wendet man diese Verfahrensweise an, so läßt sich bei Lagertemperaturen ≦ 1°C bis 3°C unter halb der Glastemperatur der Wasserphase II rieselfähiges Pulver erzeugen, welches nicht sintert.

Fig. 2 zeigt ein einphasiges, sprühverfestigtes, wäßriges Stoffsystem, das nach der in Fig. 3 aufgezeigten differentialkalorimetrischen Meßkurve aufgrund der enthaltenen gelösten Komponenten beispielsweise eine Glasumwand lungstemperatur von etwa -8,5°C besitzt. Die hierzu benutzten erfindungsge mäß zusammengestellten Rezeptkomponenten sind im wesentlichen Stärkesi rupe, lactosefreier Milchtrockenstoff und Aspartam. Geschmacklich erfüllt diese Rezeptur die Anforderung an ein süßes Desserteisprodukt.

Fig. 4 zeigt eine typische Struktur im kaltgesprühten Tropfen, welcher eine ra diale Orientierung der Wassereiskristalle zeigt. Die verstärkte Vergrößerung in Fig. 5 zeigt zwischen den kristallartig erstarrten Zonen Lamellen der mit Inhalts komponenten aufkonzentrierten amorph erstarrten Lösung. Die genaue Be trachtung der Teilchenoberfläche zeigt eine entsprechende amorph erstarrte Schicht von ca. 3 bis 10 µ Dicke. Wird die äußere Schicht aufgrund extrem schneller Abkühlung amorph erstarrt, ist andererseits davon auszugehen, daß die inneren amorphen Lamellenstrukturen aufgrund der durch Kristallisation der Nachbarbereiche resultierenden Aufkonzentration an Inhaltskomponenten schließlich den Zustand einer maximal konzentrierten Lösung erreicht haben und danach als maximal konzentrierte Lösung ebenfalls amorph verfestigen.

Der Test der Rieselfähigkeit erfolgt direkt nach Erzeugung des kaltverfestigten Pulvers sowie nach unterschiedlichen Lagerzeiten. Die analytische Bestim mung der Rieselfähigkeit wurde schüttgutmechanisch über die Bestimmung des sogenannten ffc-Wertes vorgenommen. Dabei wird eine Pulverprobe von ca. 50 g unter definierter Normalspannung σ₁ in einer Quaderform zusammengepreßt. Der derart erzeugte Sprühpulverquader wird der Form entnommen und der freistehende Quader erneut mittels ansteigender Normalspannung bis zum Er reichen der Bruchspannung σ_c beansprucht, wie dies aus Fig. 6 hervorgeht. Der ffc-Wert entspricht der reziproken Kurvensteigung bei Auftragung von Vor verfestigungsspannung σ₁ als Funktion der Bruchspannung σ_c, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist.

ffc-Werte < 4 bis 5 beschreiben gut rieselfähige Schüttgüter.

Ab ffc-Werten ≦ 2 muß mit Verklumpungen, das heißt ausgeprägten Sinteref fekten, gerechnet werden.

Für ein beispielsweise ausgewähltes kaltverfestigtes Pulverprodukt, dessen kalorimetrische Bestimmung der Glastemperatur -11°C beträgt, sind in Fig. 7 die ffc-Werte bei Lagerung über einen Zeitraum von fünf bis sieben Wochen für Lagertemperaturen von -40°C bis -12°C aufgezeigt. Das Pulver bleibt unter diesen Randbedingungen gut rieselfähig und der ffc-Wert beträgt etwa 3-11.

Im Falle der Lagerung bei Temperaturen leicht oberhalb der Glastemperatur tritt Sintern und Verfestigung ein. Damit sinkt der ffc-Wert.

In Fig. 8 ist ein typisches Strukturbild eines Sintervorgangs zwischen gefrore nen gesprühten Pulverteilchen, welche oberhalb der Glasumwandlungstempe ratur gelagert wurden, über mehrere einzelne Zeitetappen hinweg dargestellt. Dabei ist auch die Ausbildung von sogenannten Sinterhälsen erkennbar, das heißt Brücken zwischen den Feststoffteilchen. Die Diffusion der Wassermole küle aus dem Teilchenvolumen, von der Teilchenoberfläche oder über Subli mation/Desublimation sind mögliche Mechanismen. Sobald die Pulverteilchen eine glasartig erstarrte Schale besitzen und unterhalb der Glastemperatur gela gert werden, zeigt sich eine drastische Reduktion der Diffusion. Dann ist das System für längere Zeit, und zwar für mehrere Monate, sinterstabil und bleibt damit rieselfähig.

In Fig. 9 bezeichnen 1 und 2 zwei Vormischbehälter, in welchen eine wäßrige und eine Fett-/Ölphase vorgemischt werden, um bestimmte Stoffkomponenten zu lösen oder zu suspendieren. Über eine Leitung 3 gelangen eine oder beide Fluidphasen in den Voremulgierapparat 4. Dort erfolgt die Vordispergierung der Phasen. Je nach Phasenverhältnis und eingesetztem Emulgator wird so eine O/W oder W/O Voremulsion erzeugt. Diese wird über eine Pumpe 5 durch ei nen Feinemulgierapparat 6 gepumpt. Beim Herstellen einer Doppelemulsion sind zwei Feinemulgierstufen 6 und 7 notwendig. In diesem Falle erfolgt zwi schen 6 und 7 die Zudosierung einer Emulgatorlösung, welche die Ausbildung einer Doppelemulsion begünstigt. Das Ein- oder Multiphasensystem gelangt dann über eine Rohrleitung 9 zu einem Sprühkopf 10. Dem Sprühkopf 10 ist mindestens eine Sprühdüse 11 zugeordnet, die auch als Mehrstoffsprühdüse, zum Beispiel als Zweistoffsprühdüse, ausgebildet sein kann.

Statt einer Leitung 9 können auch mehrere Leitungen mit einer entsprechenden Anzahl von Pumpen (nicht dargestellt) vorgesehen sein, durch die jeweils ein- oder mehrphasige fluide Komponentenmischungen gepumpt werden. Die Kom ponentenmischungen enthalten z. B. für Lebensmittel zugelassene Stoffkompo nenten, welche die geschmackliche Qualität des erzeugten Pulvers gewährlei sten und außerdem die Glasumwandlungstemperatur sowie die Gefrierpunkterniedrigung des Stoffsystems definiert einstellen lassen. Als Re zepturkomponenten kommen zum Beispiel Stärkesirupe, lactosefreier Milch trockenstoff und Aspartam in Betracht.

Damit die in den Gefriersprühturm eingesprühten wäßrigen Komponentenmi schungen an der Oberfläche ohne vollständige Aufkonzentrierung durch Aus frieren von reinem Wasser in Kristallform glasartig erstarren, muß das Stoffsy stem mit sehr hohen zeitlichen Temperaturgradienten von zum Beispiel ≧ 1000°C/Sekunde im Sprühturm, und zwar während des freien Falls in demselben, abgekühlt werden.

Der Sprühkopf 10 ist an der Oberseite des Gefriersprühturmes 12 angeordnet, wobei sich die Sprühdüsen 11 in hängender Anordnung in dem Innenraum des Gefriersprühturmes 12 befinden.

Dieser Gefriersprühturm ist allseitig geschlossen ausgebildet und besitzt ledig lich an seiner Unterseite eine durch bei der dargestellten Ausführungsform über eine Zellenradschleuse 15 verschließbare Auslaßöffnung 21.

Des weiteren ist der Gefriersprühturm 12 allseitig durch einen Isolationsmantel 22 aus geeignetem Material wärmeisoliert.

Der Gefriersprühturm 12 besitzt bei der dargestellten Ausführungsform über mehr als zwei Drittel seiner Länge eine zylindrische Ausgestaltung und ist ste hend angeordnet, so daß die durch die Sprühdüsen 11 zu feinen Tröpfchen versprühten wäßrigen Komponentenmischungen nach unten fallen. An den zylindrischen Querschnitt schließt sich ein kegelstumpfförmiges Bodenstück 14 an, das sich in Richtung auf die Auslaßöffnung 21 verjüngt. Im Höhenabstand unterhalb der Sprühdüse 11 sind über den Umfang des Gefriersprühturmes 12 in unterschiedlichen Höhenbereichen mehrere Düsen 23, 24, 25 bzw. 26, 27, 28 angeordnet.

Statt in - wie dargestellt - drei horizontalen Ebenen, können derartige Sprühdü sen 23 bis 28 auch in weniger oder noch mehreren solcher Ebenen vorgesehen sein. Es ist auch nicht zwingend erforderlich, daß zum Beispiel die Sprühdüsen 23 und 26 jeweils koaxial zueinander angeordnet sind. Vielmehr können die Sprühdüsen 23 bis 28 versetzt, zum Beispiel auf einer Schraubenlinie über den inneren Umfang des Gefriersprühturmes 12 verteilt, angeordnet sein. Des wei teren ist die Anzahl der Düsen 23 bis 28, wie sie aus der Zeichnung zu erkennen ist, nicht bindend für alle im Rahmen des Erfindungsgedankens liegenden Ausführungsformen. Die Anzahl dieser Düsen 23 bis 28 kann erheblich größer oder auch kleiner sein als dies beschrieben und dargestellt ist. Bevorzugt wird auch im Gegenstrom zum Sprühstrahl über eine oder mehrere im unteren Sprühturmdrittel angeordnete nach oben gerichtete Düsen 16 das Kältemittel (z. B. Stickstoff, Helium, Kohlendioxid) eingedüst.

Die Sprührichtung der Düsen 23 bis 28 kann bevorzugt in einem Winkel ≦ 90 Grad zur Tangentialebene angeordnet sein. In Extremfällen lassen sich die Sprührichtungen tangential, also Null Grad, oder normal, also 90 Grad, anord nen. Des weiteren ist eine vertikale Düsenanordnung oder auch bevorzugt eine horizontale Düsenanordnung möglich.

Den Düsen 23 bis 28 und 16 wird über durch Ventile absperrbare Leitungen ein geeignetes Kältemittel, zum Beispiel Stickstoff, Helium, Kohlendioxyd oder ein anderes geeignetes Fluid, zugeführt. Die einzelnen Düsenköpfe 23 bis 28 werden über eine Ringleitung 29 über die Zuleitung 30 mit aus dem unter defi niertem Überdruck gehaltenen Kältemitteltank 17 gespeist.

Dadurch, daß die Sprührichtung der Düsen 23 bis 28 zum Beispiel unter einem Winkel ≦ 90 Grad zur Tangentialebene angeordnet ist, ergibt sich beim Ein sprühen von Kältemittel, zum Beispiel N2, Gas, Fluid oder Druckluft, eine Rota tionsströmung oder bei planparallel zur Turmlängsachse ausgerichteten Düsen eine auf- oder abwärts orientierte wandnahe Axialströmung hoher Wandge schwindigkeit, die ein Freihalten der Sprühturminnenwand von Anhaftungen bewirkt.

Bevorzugt wird der Sprühturm auf ≦ -50°C abgekühlt, so daß sich die zeitlich sehr hohen Temperaturgradienten von etwa ≧ 1000°C/Sekunde ergeben.

Zur optimierten Nutzung der eingesetzten Kälteenergie ist der Gefriersprühturm 12 ferner mit einer Umluftvorrichtung 15 vorgesehen. Nach dem Kaltfahren des Gefriersprühturms wird die turminterne Strömung im Umlaufbetrieb aufrechter halten. Die Absaugung der Umluft erfolgt in der unteren Hälfte des Gefrier sprühturmes 12 über einen Doppelmantelspaltring 32 tangential, was durch die Pfeile in Fig. 1 angedeutet ist. Hierzu ist der Umluftvorrichtung 15 eine Leitung 13 zugeordnet, die an den Doppelmantelspaltring 32 angeschlossen ist und durch die die Absaugung der Umluft erfolgt. Diese wird durch die Druckleitung 13 wieder in den oberen Teil des Sprühturmes 12 über einen oberen Doppel mantelspaltring 31 eingespeist. Zusätzliche Düsen (nicht dargestellt) können in der gleichen Weise ausgebildet und angeordnet sein wie die Sprühdüsen 23 bis 28. Durch die beschriebene Form der Gasabsaugung mittels der Umluftvor richtung 15 wird die Abscheidung der gefrorenen Tropfen der Matrizes nur mi nimal beeinflußt.

Die durch die Sprühdüse 11 abgesprühten wäßrigen Komponentenmischungen werden zu feinen Tröpfchen verteilt, die auf ihrem Weg durch den Gefriersprüh turm 12 praktisch schlagartig gefrieren und dabei an ihrem Umfang glasartig er starren bzw. bei Fett(Öl)systemen als äußere Phase kristallin erstarren. Das rieselfähige, tiefgefrorene bzw. erstarrte Pulver sammelt sich im Bereich der Auslaßöffnung 21, wo es abgezogen und in geeigneter Weise ≦ 1°C bis 3°C unter der Glasumwandlungs- (wäßriges System) bzw. Schmelztemperatur (Fett/Öl) in einem gekühlten Verpackungstunnel 18 über eine, Pulver füll-/Dosiervorrichtung 20 direkt in Becher 19 oder andere Gebinde abgepackt und danach bei Temperaturen von minimal ca. 1°C-5°C unterhalb der Glasum wandlungstemperatur (wäßrige äußere Phase) oder ca. 1°C-5°C unterhalb der Erstarrungstemperatur (Fett-/Öl - als äußere Phase) gelagert.

Die so hergestellten rieselfähigen Pulverteilchen lassen sich zum Beispiel bei wäßriger äußerer Phase sechs bis zwölf Monate oder länger in Haushaltskühl truhen bei etwa -18°C oder im Gefrierfach des Kühlschrankes bei etwa -12°C bis -15°C bei Fett/Öl als äußere Phase bei Raumtemperatur pulverförmig, rie selfähig lagern. In Betracht kommen zum Beispiel pulverförmige aromatisierte, geschmacklich abgestimmte neuartige Desserteispulver, welche als Pulver ver zehrt werden.

Die in der Zusammenfassung, in den Patentansprüchen und in der Beschrei bung beschriebenen sowie aus der Zeichnung ersichtlichen Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Bezugszeichenliste

1

Vormischer

1

2

Vormischer

2

3

Leitung

4

Voremulgierer (Rohemulsion)

5

Pumpe

6

Feinemulgierapparat (I)

7

Feinemulgierapparat (II)

8

Zudosierleitung für Emulgator (bei Doppelemulsion)

9

Leitung

10

Düsenkopf

11

Düse

12

Sprühturm

13

Umluftleitung

14

Sprühturmkonus (Unterteil)

15

Umluftvorrichtung

16

Düse (Kältemittel)

17

Drucktank (Kältemittel)

18

gekühlter Abpacktunnel

19

Becher

20

Füll-/Dosiervorrichtung

21

Auslaßöffnung

22

Isolation

23

Düse (Kältemittel)

24

Düse

25

Düse

26

Düse

27

Düse

28

Düse

29

Ringleitung

30

Zuleitung (Kältemittel)

31

oberer doppelwandiger Ringkanal (Umluft)

32

unterer doppelwandiger Ringkanal (Umluft)
°C Grad CelsiusW/O/W Wasser/Öl/Wasser-Emulsionstropfen
O Öl, Fett
σ₁

Vorverfestigungsspannung
σ_c

Bruchspannung
ffc-Wert Maß zur Klassifizierung der Fließfähigkeit von Schüttgütern nach Jenike 1970
I Wasserphase
II Wasserphase

Literaturverzeichnis

DE 289 262
DE 17 67 046
DE 26 02 454
DE 35 44 803 A1
DE 36 33 746 A1
DE 37 07 779 A1
DE 37 26 836 A1
DE 38 37 604 A1
DE 39 05 946 A1
DE 39 18 268 C1
DE 41 07 740 A1
DE 42 02 231 C1
DE 43 17 164.8-41
DE 43 44 393 C1
WO 88 07331
WO 92/02146
WO 96/29896
BE 559 605
FR 2 342 472
FR 2 375 901
FR 1 507 738
EP 0 225 081
EP 0 478 118
US-PS 5,126,156

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen von wasserhaltigen, gefrorenen bzw. erstarrten, lagerstabilen, rieselfähigen Pulvermikrokapseln und daraus bestehenden wasserhaltigen, gefrorenen bzw. erstarrten, lagerstabilen, rieselfähigen Pulvermikrokapselsystemen, insbesondere von Lebensmittelstoffsyste men wie Desserteispulver oder dergleichen, von Arznei- oder Aromen systemen, biologischen Systemen wie Mikroorganismen sowie von Vi taminmischungen, wobei die Pulvermikrokapseln durch Feinstversprühen oder Feinstverdüsen von Emulsions- oder Suspensionssystemen in einen tiefgekühlten Raum von zum Beispiel 10°-50°C unterhalb der Er starrungstemperatur der äußeren kontinuierlichen Fluidphase der Mikro kapseln gebildet werden, bevorzugt ≦ -50°C, wobei die versprühten Tropfen mit einem sehr hohen zeitlichen Temperaturgradienten von zum Beispiel ≧ 1000°C/Sekunde, abgekühlt werden, wobei den wäßrigen Komponentenmischungen, welche in einem Fall die kontinuierliche Phase bilden, vor dem Einsprühen oder Eindüsen Inhaltskomponenten zugeführt werden, welche die Glasumwandlungstemperatur des Stoffsystems auf, ≧ -15°C, vorzugsweise auf ≧ -5°C anheben, derart, daß bei ausreichend hohen Abkühlgradienten eine Randschicht der Sprühteilchen in glasartigem Zustand erstarrt, damit die Diffusion von Wassermolekülen und die damit verbundene Ausbildung von Sintervor gängen zwischen den gefrorenen Pulverteilchen vollkommen oder doch weitestgehend ausgeschlossen und ebenso die Diffusion von Bestandtei len der eingekapselten Phasen unterbunden wird, und wobei die Fett schmelzen, welche im anderen Falle die kontinuierliche Phase bilden, derart gewählt werden, daß sie physiologisch verträglich sind und bei La gertemperatur weniger als 10% aufgeschmolzene Anteile enthalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Ver sprühen einer stabilen O/W-Mikroemulsion die Emulsionsstruktur im Sprühtropfen unverändert erhalten bleibt und die kontinuierliche wäßrige Phase in der Tropfenrandzone glasartig erstarrt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der im Wassertropfen eingeschlossenen Fettphase auch fettlösliche Inhaltskom ponenten gelöst oder unlösliche Komponenten suspendiert werden, wel che bestimmte gewünschte Eigenschaften besitzen, jedoch bei Lösung in der äußeren wäßrigen Phase eine unerwünschte Absenkung der Glas umwandlungstemperatur bewirken.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß aufgrund Versprühen einer W/O/W-Doppelemulsion in den wäßrigen Sprühtropfen enthaltene dispergierte Fetttröpfchen ihrerseits eine zweite, ebenfalls in Tropfenform dispergierte Wasserphase aufweisen, wobei der Gesamttropfen in der Tropfenrandzone der wäßrigen Sprühtropfen mit ei ner glasartigen Haut oder Schicht zur Erzeugung eines gefrorenen, rie selfähigen Mikrokapselpulversystems versehen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der in dem Fetttropfen eingeschlossenen zweiten inneren Wasserphase auch was serlösliche Inhaltskomponenten gelöst oder suspendiert werden, welche zu einer erniedrigten Glastemperatur der wäßrigen Lösungen führen, derart, daß in der zweiten Wasserphase bei Lager- bzw. Gebrauchstem peratur des erzeugten Pulvers diese zweite Wasserphase im flüssigen oder nur teilgefrorenen Zustand vorliegt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der zwei ten inneren Wasserphase gelöste oder auch suspendierte Stoffkompo nenten ernährungsphysiologisch bzw. medizinisch bedeutsame Wirk- oder Inhaltsstoffe wie zum Beispiel Vitamine, Aromastoffe, biologische Matrizes wie z. B. Mikroorganismen oder Medikamente sind.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der darauffolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anhebung der Glasumwandlungstem peratur Stärkesirupe mit niedrigen Dextrose-Äquivalenten (DE) und an dere Polysaccharide bzw. deren Derivate sowie Proteine und/oder lacto sefreie Milchtrockenstoffe und/oder als Süßstoff Aspartam verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der darauffolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die Sprühfluidsysteme für glasartig er starrende, gekühlte, rieselfähige Pulverteilchen die Inhaltsstoffe für ein süßes Dessert direkt in eine einzige vorhandene wäßrige Phase oder in gegebenenfalls weitere innere Phasen eingearbeitet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Ver sprühen einer stabilen W/O-Mikroemulsion die Emulsionsstruktur im Sprühtropfen unverändert erhalten bleibt und die kontinuierliche Fett-/Öl- Phase in einem Temperaturbereich erstarrt, welcher für die gewünschte Lagertemperatur des Mikrokapselpulversystems zu einem maximalen Flüssigfettanteil von 10% führt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der im Fett-/Öltropfen in Form kleinerer Tröpfchen eingeschlossenen Wasser phase wasserlösliche Komponenten gelöst oder unlösliche Komponenten suspendiert werden, welche bestimmte nutritive, medizinische, geschmacksgebende, geruchsgebende, farbgebende und strukturierende Eigenschaften besitzen.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß aufgrund Versprühen einer O/W/O-Emulsion in den fettigen/öligen Sprühtropfen enthaltene dispergierte Wassertröpfchen ihrerseits eine zweite, ebenfalls in Tröpfchenform feinstdispergierte Fett-/Ölphase aufwei sen, wobei der Gesamttropfen bei Erstarrung der äußeren Fett-/Ölphase verfestigt und die innere zweite Fett-/Ölphase bei Lagertemperatur im Ge gensatz zur äußeren Fett-/Ölphase im geschmolzenen bzw. teilge schmolzenen Zustand vorliegen kann.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite innere Ölphase aus ernährungsphysiologisch wertvollen Fetten mit hohen Anteilen an ein- oder mehrfach ungesättigten Fettsäuren besteht, welche niedrige Erstarrungstemperaturen besitzen.

13. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der darauffolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die fluiden Sprühkomponenten in einem gewissen Höhenabstand vom Boden in den gekühlten Raum eingesprüht und im freien Fall abgekühlt werden.

14. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 oder ei nem der darauffolgenden Ansprüche, mit einem aufrecht stehenden Be hälter, dem an der Oberseite die wäßrigen Komponenten über wenigstens eine Sprühdüse (4) zugeführt werden, wobei in vorzugsweise mehreren übereinander angeordneten Ebenen Düsen (10-15) zum Einbringen ei nes Kältemittels in Form von flüssigen Gasen, zum Beispiel Stickstoff, Helium, Kohlendioxid, vorgesehen sind, die ein Herunterkühlen des Innen raumes beim Versprühen von Fluidkomponentenmischungen auf 0°C bis -50°C, vorzugsweise auf ≦ -50°C, im freien Fall versprühter Tröpfchen er möglichen und daß an der Unterseite des Behälters eine Auslaß-Öffnung (7) zum Abtransportieren der kristallin oder glasartig an ihrer Oberfläche erstarrten Pulverteilchen vorgesehen ist.

15. Einrichtung nach Anspruch 14 mit mehreren Rohrleitungen, Pumpen, Sprühdüsen (11) und gegebenenfalls Mischungsbehälter sowie Emul gier-/Dispergiervorrichtungen (4, 6, 7) zum Erzeugen der ein- oder mehrphasi gen Fluidsysteme, die in dem tiefgekühlten Raum zum Erzeugen der gefrorenen, lagerstabilen, rieselfähigen Mikrokapselpulverteilchen schlagartig auf die Glasumwandlungstemperatur bei einer wäßrigen äuße ren Phase bzw. auf Erstarrungstemperatur bei einer fettigen/öligen äuße ren Phase herunterkühlbar sind, wobei in jedem rieselfähigen, an seiner Randoberfläche erstarrten Pulverteilchen mindestens eine Wasserphase vorgesehen ist, in der Inhaltsstoffe mikroverschlossen angeordnet sind.

16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem an seiner Randoberfläche glasartig erstarrten Pulverteilchen eine Wasser phase (II) und in dieser eine Fett-/Ölphase und in dieser wiederum eine zweite Wasserphase (I) vorgesehen ist, und daß in wenigstens einer der Wasserphasen (I, II) gleiche oder unterschiedliche Inhaltsstoffe mikrover kapselt angeordnet sind.

17. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß jedes an seiner Oberfläche eine erstarrte Fett-/Ölphase (II) besitzende Pulverteil chen eine Fett-/Ölphase (II) und in dieser eine Wasserphase und in dieser wiederum eine zweite Fett-/Ölphase (I) vorgesehen ist, und daß in wenig stens einer der Fett-/Ölphasen (I, II) gleiche oder unterschiedliche In haltsstoffe mikroverkapselt angeordnet sind.