DE60012509T3 - Vorrichtung und verfahren zur herstellung eines gefrorenen nahrungsmittels - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur herstellung eines gefrorenen nahrungsmittels Download PDF

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Description

  • Technisches Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines gefrorenen Nahrungsmittelprodukts und insbesondere von Speiseeis.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Schneckenextruder, wie Einzel- und Doppelschneckenextruder, waren weitverbreitet und lange in der Nahrungsmittelindustrie in Verwendung, beispielsweise bei der Herstellung von Produkten auf Basis von Getreiden. In jüngerer Zeit wurde auch vorgeschlagen, Einzel- oder Doppelschneckenextruder beim Gefrieren von Speiseeis zu verwenden.
  • Die EP 713650 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Extrudieren von mit Luft versetzten gefrorenen Produkten, wobei ein Doppelschneckenextruder verwendet wird. Das Merkmal der Schnecken im Extruder ist, dass sie ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser zwischen 30 und 60 haben. Es ist nicht offenbart, ob der Durchmesser, auf welchen Bezug genommen wird, der Durchmesser des Schneckenkerns oder der Durchmesser des Schneckenkerns plus seiner Wendelhöhe ist. Die EP 0808577 offenbart ein ähnliches Verfahren und eine Vorrichtung, verwendet jedoch einen Einzelschneckenextruder mit derselben Geometrie.
  • Die EP 561118 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung gefrorener eßbarer Schäume, wie Speiseeis, wobei ein Doppelschneckenextruder verwendet wird. Die Geometrie der Schnecke ist durch ein (Kanaltiefe/Kanalbreite)-Verhältnis von etwa 0,1 und einen Steigungswinkel von 22 bis 30 Grad definiert.
  • Die WO 97/26800 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung gefrorener eßbarer Schäume, wie Speiseeis, wobei ein Einzelschneckenextruder verwendet wird. Die Geometrie der Schnecke ist durch ein (Schneckenlänge/Extruderzylinder-Innendurchmesser)-Verhältnis von 5 bis 10 und ein (Ganghöhe/Außenschneckendurchmesser)-Verhältnis von 1 zu 2 und einen (Schneckenaußendurchmesser/Schneckeninnendurchmesser) von 1,1 bis 1,4 definiert. Gemäß den Zeichnungen hat die Schnecke einen Anfang mit einem Einzelgewinde.
  • Eines der großen Probleme, mit welchen man bei Verwendung eines Extruders für die Herstellung von Speiseeis konfrontiert ist, besteht darin, dass eine möglichst tiefe Temperatur erforderlich ist, während ein akzeptables Fließen beibehalten werden muss. Je tiefer nun die Temperatur ist, desto größer ist jedoch der Strömungswiderstand, welcher durch die Erzeugung von Reibung das in Kühlung befindliche Produkt wieder erwärmt und die Temperatur, die somit erreicht wird, begrenzt. Es besteht daher ein Bedarf an einer Optimierung der Geometrie des Extruders in einer Weise, dass die Erhöhung der Reibung, die beim Kühlen des Produktes erzeugt wird, auf ein Minimum reduziert wird, um eine möglichst tiefe Temperatur zu erreichen.
  • Es zeigte sich nun, dass es möglich ist, die Leistung eines Extruders bei Verwendung zur Herstellung von Speiseeis drastisch zu verbessern durch
    • – Arbeiten mit einem Steigungswinkel, der außerhalb davon liegt, was bisher bei der Erzeugung von Speiseeis verwendet wurde,
    • – Arbeiten mit Schnecken, die mehr als einen Gewindeanfang haben, wogegen bisher Schnecken mit nur einem Gewindeanfang geoffenbart wurden,
    • – Arbeiten mit Extrudern, die viel kürzer als die bisher verwendeten sind.
  • Tests und Definitionen
  • 1. Schnecken-Parameter
  • Eine Extruder-Schnecke ist durch verschiedene Parameter definiert, die einer genauen Definition bedürfen. Zur Unterstützung der Definition solcher Parameter wird auf 1 Bezug genommen, welche eine typische Schnecke offenbart, die in einem Einzelschneckenextruder eingesetzt wird. Ein solcher Extruder ist beispielsweise in ”Eingineering principles of plasticating extrusion”, Zehev Tadmor, Krieger Publishing Company, 1978, S. 39–45, beschrieben.
    Schneckenlänge: LT (Länge der Schnecke, die mit dem Zylinder in Kontakt steht)
    Steigungslänge: Sp (axialer Abstand einer vollen Windung (Gewindespindel))
    Gewindeanfänge: eine Schnecke kann mehr als eine Helix aufweisen, in der restlichen Beschreibung wird jede Helix ein Gewindeanfang genannt und die Anzahl der Gewindeanfänge ist 'n'. In 1 hat die dargestellte Schnecke zwei Gewindeanfänge.
    Kanaltiefe: H (der Abstand zwischen der Wurzel der Schnecke und der inneren Oberfläche des Zylinders weniger dem radialen Spiel zwischen der Spitze der Schnecke und der inneren Oberfläche des Zylinders).
    Schneckendurchmesser De: Durchmesser des Zylinders weniger dem Abstand zwischen der Wurzel der Schnecke und der inneren Oberfläche des Zylinders.
    Steigungswinkel: Arctg (Sp/pi.De)
    Kanalbreite: wc (Abstand zwischen den Gewindegängen entlang einer Schraubenlinie, rechtwinkelig zum Gewindegang).
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist ein erstes Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Extruder vorzusehen, welcher eine Extrudierschnecke aufweist, die gekennzeichnet ist durch 2 bis 6 Gewindeanfänge, vorzugsweise 2 bis 5 Gewindeanfänge, und einen Steigungswinkel von 28 bis 45 Grad, vorzugsweise von 32 bis 42 Grad, und ein LT/De-Verhältnis von 2 bis 10, vorzugsweise von 2 bis 5, noch mehr bevorzugt von 2 bis 4.
  • Der Extruder weist Kühlmittel auf, mehr bevorzugt sind die Kühlmittel durch einen Kühlkreis gebildet, in welchem Kühlflüssigkeit zirkuliert wird. Noch mehr bevorzugt ist die Kühlflüssigkeit Ammoniak oder Stickstoff.
  • Es zeigte sich, dass je höher die Anzahl der Gewindeanfänge ist, desto höher die erforderliche Temperatur des Ammoniaks ist, um eine bestimmte Temperatur am Ausgang des Extruders zu erreichen, was zeigt, dass die Erhöhung der Anzahl der Gewindeanfänge zu einer besseren Kühlwirkung führt.
  • Vorzugsweise ist das (H/wc)-Verhältnis weniger als 0,2, mehr bevorzugt mehr als 0,1. Es zeigte sich, dass sich bei einem niedrigen H/wc-Verhältnis der Wärmeaustausch (Kühlung) verbessert, jedoch die reibungsbedingte Wärmeabfuhr (Erwärmung) zunimmt. Umgekehrt nimmt der Wärmeaustausch bei einem höheren H/wc-Verhältnis ab, die Wärmeableitung nimmt jedoch noch mehr ab, weshalb ein Betrieb bei einem hohen H/wc-Verhältnis bevorzugt wird. Trotzdem gibt es für das verwendbare H/wc-Verhältnis eine Grenze, da über einer bestimmten Grenze das Produkt thermisch nicht mehr homogen ist und kalte und warme Zonen aufzutreten beginnen, die sich nicht mehr mischen.
  • Bevorzugt ist auch, dass die Schnecke zwischen 3 und 4 Gewindeanfänge aufweist und die Kühlflüssigkeit Ammoniak ist.
  • Es zeigte sich, dass im Gegensatz zu den Vorschlägen des Standes der Technik nicht nur keine Notwendigkeit besteht, lange Schnecken anzustreben, sondern es effektiv eine Energieverschwendung ist. Wenn die Schnecke zu lang ist, dann besteht die Tendenz, dass die Wärmeabgabe infolge der Reibung, die durch die bei der Kühlung erzeugte erhöhte Viskosität verursacht wird, die Kühlwirkung wettmacht und sich die zwei Phänomene (Kühlung und Wärmeabgabe) ausgleichen und am Ende der Schnecke keine Kühlung stattfindet. Trotzdem erfordert die Reibung, die am Ende der Schnecke vorhanden ist, wo keine Kühlung erfolgt, zusätzliches Drehmoment, um die Schnecke in Drehung zu halten, wobei jedoch weder das Verfahren noch das Endprodukt davon profitieren.
  • Der Extruder ist ein Einzelschneckenextruder.
  • Es ist ein zweites Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines gefrorenen Nahrungsmittelprodukts vorzusehen, wobei eine Nahrungsmittel-Zusammensetzung gemischt, mit Luft versetzt und auf eine Temperatur von –4° bis –7° gekühlt und danach in einem Extruder verarbeitet wird zwecks weiterer Kühlung bis zu einer Temperatur von –12° bis –20°, dadurch gekennzeichnet, dass der Extruder ein Einzelschneckenextruder wie in einem der Ansprüche 1 bis 5 definiert ist.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung wird in den folgenden Beispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, worin:
  • 1 eine schematische Ansicht eines Extruders mit einer Extrudierschnecke ist.
  • Eine Speiseeis-Vormischung mit der folgenden Zusammensetzung:
    Gesamt-Fett: 8,4%
    Stabilisator/Emulgator: 0,56%
    zugesetzte Zucker: 16,8%
    Gesamtprotein: 3,5% Gesamt-
    Feststoffe: 34,9%
    davon Milch-Feststoffe (nicht Fett): 9,55%
    Wasser: der Rest
    wurde bis zu einer Volumserhöhung (overrun) von 100% mit Luft versetzt und unter Verwendung herkömmlicher Mittel auf eine Temperatur von –4,5°C für die nachfolgende Verarbeitung gekühlt.
  • Das erhaltene gekühlte Produkt wurde dann zu einem erfindungsgemäßen Einzelschneckenextruder für eine nachfolgende Extrusion gefördert. Das Produkt wurde bei einer Rate von 500 Liter Speiseeis pro Stunde in einem mit Ammoniak gekühlten Einzelschneckenextruder extrudiert, wobei die Schnecke einen Durchmesser von 200 mm hatte.
  • Verschiedene Schnecken-Geometrien wurden getestet, und die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst.
  • Figure 00060001

Claims (6)

  1. Einzelschneckenextruder zur Herstellung eines gefrorenen Nahrungsmittelprodukts mit einer Extrudierschnecke und Kühlmitteln, welche Extrudierschnecke durch 2 bis 6 Gewindeanfänge und einen Steigungswinkel von 28 bis 45 Grad, vorzugsweise 32 bis 42 Grad, und einem LT/De-Verhältnis von 2 bis 10, bevorzugt von 2 bis 5, noch mehr bevorzugt von 2 bis 4 gekennzeichnet ist.
  2. Extruder nach Anspruch 1, wobei die Kühlmittel durch einen Kühlkreis gebildet sind, in welchem eine Kühlflüssigkeit zirkuliert wird.
  3. Extruder nach Anspruch 2, wobei die Kühlflüssigkeit ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ammoniak oder Stickstoff.
  4. Extruder nach Anspruch 3, wobei die Schnecke 3 bis 4 Gewindeanfänge aufweist und die Kühlflüssigkeit Ammoniak ist.
  5. Extruder nach Anspruch 1, wobei das H/wc-Verhältnis unter 0,2, vorzugsweise über 0,1, ist.
  6. Verfahren zur Herstellung von gefrorenem Nahrungsmittelprodukt, wobei eine Nahrungsmittel-Zusammensetzung gemischt, mit Luft versetzt und auf eine Temperatur von –4° bis –7° gekühlt und danach in einem Extruder verarbeitet wird zwecks weiterer Kühlung bis zu einer Temperatur von –12° bis –20°, dadurch gekennzeichnet, dass der Extruder der Einzelschneckenextruder wie in einem der Ansprüche 1 bis 5 definiert ist.
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