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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen von Kaugummi
unter Verwendung von wiederaufgearbeitetem Gummi, welches keine
getrennte Herstellung einer Kaugummibase erfordert.
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In einem herkömmlichen Kaugummiherstellungsverfahren
wird ein zweiarmiger Mischer mit Z-förmigen Knetarmen verwendet,
um die Kaugummiinhaltsstoffe zu vermischen. Die Gummibase, Füllstoffe,
wie Zucker oder Sorbitol für
zuckerfreien Gummi, Flüssigkeiten
wie Sirup oder flüssiges
Sorbitol, Erweichungsmittel, wie Glycerin und Lecithin, und Aromastoffe
werden 5 bis 20 Minuten lang vermischt, um den Gummi herzustellen.
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Die warme, teigartige Gummimasse
wird aus dem Mischer entnommen und einem Kneter zugegeben, aus dem
sie zu einem Band oder Strang geformt oder ausgewalzt wird, aus
dem Brocken, Pellets, kurze Stücke
oder Streifen geformt werden sollen. Nach dem Abkühlen wird
der Pelletgummi überzogen,
aber die anderen Formen werden in Hochgeschwindigkeitsverpackungsmaschinen
eingepackt. Während
dieses Verfahrens ist ein Teil des Gummis nicht für das Verpacken
geeignet oder ein Teil des eingepackten Gummis nicht für den Verkauf
geeignet. Das Gummiprodukt kann während des Knetens, Kühlens, Überführens oder
Verpackens beschädigt
werden oder ein verpacktes Produkt kann nicht ordentlich verpackt
sein. Dieser ganze Gummi wird als wiederaufgearbeiteter oder rückgeführter Gummi
bezeichnet.
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Wie aus Karl Heinz Rent's Artikel
in Food Manufacture, Band 62 (1987), Nr. 9, Seiten 47650 mit dem Titel
"Extrusion does chewing gum pass the taste test?" hervorgeht, gab
es Schwierigkeiten bei der Verwendung von wiederaufgearbeitetem
Kaugummi in Extrusionsverfahren.
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Die Erfinder haben überraschenderweise
festgestellt, dass bei der Gummiherstellung gealterter wiederaufgearbeiteter
Gummi, der zu einem Gummimischer zugegeben wird, nicht nur die Beseitigung
von Abfällen
ermöglicht,
sondern auch die Textur des Gummis für den Umgang damit verbessert
und die Textur während der
Lagerung stabilisieren hilft. Der gealterte wiederaufgearbeitete
Gummi, sei er nun einen Tag lang oder länger gealtert, bewirkt eine
Verbesserung der Textur dadurch, dass sie für den Umgang damit beim Auswalzen, Kühlen und
Verpacken etwas zäher
gemacht wird.
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Herkömmlicherweise wurden die Kaugummibase
und Kaugummiprodukte unter Verwendung getrennter Mischer, verschiedener
Mischtechnologien und häufig
in verschiedenen Fabriken hergestellt. Ein Grund dafür ist, dass
die optimalen Bedingungen zum Herstellen von Gummibase und zum Herstellen
von Kaugummi aus Gummibase und anderen Inhaltsstoffen, wie Süßungsmitteln
und Aromastoffen, so verschieden sind, dass es nicht möglich war,
beide Aufgaben zu vereinen. Die Herstellung der Kaugummibase kann
einerseits das dispergierende (häufig
mit starker Scherung erfolgende) Vermischen von schwierig zu vermischenden
Inhaltsstoffen, wie etwa Elastomeren, Füllmitteln, Elastomerweichmachern,
Basenerweichungsmitteln/Emulgatoren und manchmal Wachs, umfassen
und erfordert charakteristischerweise lange Mischzeiten. Die Herstellung des
Kaugummiproduktes kann andererseits das Vereinigen der Gummibase
mit empfindlicheren Inhaltsstoffen, wie Produkterweichungsmitteln,
Füllstoff-Süßungsmitteln,
hochwirksamen Süßungsmitteln
und Aromastoffen unter Verwendung eines verteilenden (im Allgemeinen
mit geringerer Scherung erfolgenden) Mischens während kürzerer Zeiträume umfassen.
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Um die Effizienz der Herstellung
der Gummibase und des Gummiproduktes zu verbessern, gab es einen
Trend in Richtung der kontinuierlichen Herstellung von Kaugummibasen
und -produkten. Das US-Patent Nr. 3,995,064, erteilt an Ehrgott
et al., offenbart die kontinuierliche Herstellung von Gummibase
unter Verwendung einer Sequenz von Mischern oder eines einzelnen
variablen Mischers. Das US-Patent Nr. 4,459,311, erteilt an DeTora
et al., offenbart ebenfalls die kontinuierliche Herstellung von
Gummibase unter Verwendung einer Sequenz von Mischern. Andere kontinuierliche
Gummibasenherstellungsverfahren sind in der europäischen Patentschrift
Nr. 0,273,809 (General Foods France) und in der französischen
Patentschrift Nr. 2,635,441 (General Foods France) offenbart.
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Das US-Patent Nr. 5,045,325, erteilt
an Lesko et al., und das US-Patent Nr. 4,555,407, erteilt an Kramer
et al., offenbaren Verfahren für
die kontinuierliche Herstellung von Kaugummiprodukten. In jedem
Fall wird jedoch die Kaugummibase zunächst getrennt hergestellt und
einfach in das Verfahren zugegeben. Das US-Patent Nr. 4,968,511,
er teilt an D'Amelia et al., offenbart ein Kaugummiprodukt, das bestimmte
Vinylpolymere enthält,
welches in einem direkten Einstufenverfahren hergestellt werden
kann, das nicht die getrennte Herstellung einer Gummibase erfordert.
Die Offenbarung konzentriert sich jedoch auf chargenweise Mischverfahren, welche
nicht die Leistungsfähigkeit
und Produktkonsistenz aufweisen, die mit einem kontinuierlichen
Mischen erzielt wird. Außerdem
sind die einstufigen Verfahren auf Kaugummis beschränkt, die
ungewöhnliche
Basen enthalten, denen Elastomere und andere kritische Inhaltsstoffe
fehlen. Außerdem
ist in diesen Verfahren die Verwendung von wiederaufgearbeitetem
oder rückgeführtem Gummi
nicht vorgesehen.
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Um die Kaugummiherstellung zu vereinfachen
und ihre Kosten zu minimieren, besteht in der Kaugummiindustrie
ein Bedarf oder Verlangen nach einem kontinuierlichen System zum
Herstellen von Kaugummi, welches den wiederaufgearbeiteten Gummi
verwenden kann, welcher herkömmlicherweise
zu dem chargenweisen Mischer mit Z-förmigem Knetarm zugegeben wird.
Noch günstiger
wäre ein
integriertes kontinuierliches Herstellungsverfahren mit der Fähigkeit,
Kaugummibaseninhaltsstoffe, andere Kaugummiinhaltsstoffe und wiederaufgearbeiteten
Gummi in einem einzigen Mischer zu vereinigen, welcher zum Herstellen
einer großen Vielfalt
von Kaugummis verwendet werden kann.
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In einer Ausführungsform stellt die vorliegende
Erfindung ein Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen von Kaugummi
bereit, welches keine getrennte Herstellung einer Kaugummibase erfordert,
umfassend:
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- (a) Zugeben von mindestens einer Portion eines
Elastomers und eines Füllmittels
in einen kontinuierlich arbeitenden Hochleistungsmischer und Zusammenmischen
des Elastomers und des Füllmittels
in dem kontinuierlich arbeitenden Mischer;
- (b) Zugeben von mindestens einer Portion eines Süßungsmittels,
mindestens einem Aromastoff und einer Portion einer vorher hergestellten
Kaugummizusammensetzung in den kontinuierlich arbeitenden Mischer
und Mischen mindestens des Süßungsmittels,
des Aromastoffs, des Elastomers, des Füllmittels und der vorher hergestellten
Kaugummizusammensetzung;
- (c) Zugeben jeglicher verbleibender Inhaltsstoffe in den kontinuierlich
arbeitenden Mischer und Vermischen dieser mit mindestens dem Elastomer,
Füllmittel,
Süßungsmittel,
Aromastoff und der vorher hergestellten Gummizusammensetzung, die
in Schritt (b) zugegeben wurden;
- (d) kontinuierliches Austragen des Kaugummis aus dem kontinuierlich
arbeitenden Mischer, während
frische Kaugummiinhaltsstoffe fortgesetzt eingefüllt und in dem Mischer vermischt
werden;
wobei der Zugabe- und Mischvorgang vollständig in
einem einzelnen kontinuierlich arbeitenden Hochleistungsmischer
durchgeführt
wird.
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Ein kontinuierlich arbeitender Hochleistungsmischer
ist ein Mischer, welcher ein gründliches
Vermischen über
eine relativ kurze Distanz oder Länge des Mischers ergeben kann.
Diese Distanz (hier als "L/D" abgekürzt) wird als das Verhältnis der
Länge einer
bestimmten aktiven Region der Mischerschnecke, welche sich aus Mischelementen
zusammensetzt, geteilt durch den maximalen Durchmesser der Mischtrommel
in dieser aktiven Region ausgedrückt.
Ein bevorzugtes Verfahren der Erfindung umfasst das Durchführen der
folgenden Mischschritte in einem einzelnen kontinuierlich arbeitenden
Mischer:
- a) Zugeben und gründliches Vermischen von mindestens
einer Portion der Kaugummibaseninhaltsstoffe (Elastomer, Elastomerweichmacher,
Füllmittel
usw.) in einem kontinuierlich arbeitenden Mischer unter Verwendung eines
L/D von nicht mehr als ungefähr 25;
- b) Zugeben von mindestens einer Portion der übrigen (nicht zur Base gehörigen) Kaugummiinhaltsstoffe
(Süßungsmittel,
Aromastoffe, Erweichungsmittel, wiederaufgearbeiteter Gummi usw.)
und das gründliche
Vermischen dieser Inhaltsstoffe mit der Gummibase in dem gleichen
Mischer, unter Verwendung eines L/D von nicht mehr als ungefähr 15;
und
- c) ausreichendes Vervollständigen
des gesamten Zugabe- und Mischvorgangs in dem gleichen Mischer,
so dass die Inhaltsstoffe als im Wesentlichen homogene Kaugummimasse
vorhanden sind, unter Verwendung eines Gesamt-L/D von nicht mehr
als ungefähr 40.
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Es ist bevorzugt, dass die Gummibaseninhaltsstoffe
stromaufwärts
von den übrigen
Kaugummiinhaltsstoffen vollständig
zugegeben und vermischt werden, und dass die übrigen Inhaltsstoffe und der
wiederaufgearbeitete Gummi stromabwärts zum Vermischen mit der
bereits gemischten Gummibase vollständig zugegeben werden. Am meisten
bevorzugt wird der wiederaufgearbeitete Gummi zur gleichen Zeit
wie das Füllstoff-Süßungsmittel
zugegeben. Die Erfindung umfasst jedoch auch solche Variationen,
bei denen eine Portion der Gummibaseninhaltsstofte stromabwärts mit
oder nach einigen der übrigen
Inhaltsstoffe zugegeben werden kann, und/oder bei denen eine Portion
der übrigen
(nicht zur Base gehörigen)
Inhaltsstoffe stromaufwärts
mit oder vor einigen der Baseninhaltsstofte zugegeben werden.
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Die Erfindung weist den Vorteil auf,
dass Kaugummi effizient auf einer kontinuierlichen Basis hergestellt
werden kann. Der wiederaufgearbeitete oder rückgeführte Gummi, ganz gleich ob
es sich um unbrauchbaren Gummi aus vorangegangenen Verpackungsvorgängen oder überalterten
Gummi handelt, kann verwendet werden und muss nicht weggeworfen
werden. In einem bevorzugten Verfahren wird die gesamte Gummibasenund
Gummiherstellung unter Verwendung des wiederaufgearbeiteten Gummis
in einem einzigen Mischer durchgeführt. Dies verringert die Investition
von Kapital in die Betriebsanlagen und auch die Arbeitskosten im
Vergleich zu herkömmlichen
Gummiherstellungsverfahren. In dem bevorzugten Verfahren gibt es eine
größere Produktkonsistenz,
eine geringere thermische Belastung und folglich eine geringere
thermische Zersetzung und geringere Verunreinigung als bei Kaugummi,
der durch herkömmliche
Verfahren hergestellt wird.
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Unerwarteterweise wurde auch festgestellt,
dass die Zugabe von wiederaufgearbeitetem Gummi die Temperatur des
Gummis verringert, der in dem kontinuierlich arbeitenden Mischer
hergestellt wird. Dies verstärkt
noch weiter den Nutzen einer geringeren thermischen Zersetzung.
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Die vorstehenden und weitere Vorteile
der Erfindung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten
Ausführungsformen
in Verbindung mit den beigefügten
Beispielen und Abbildungen deutlicher hervor.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine auseinandergezogene, perspektivische Teilansicht eines bevorzugten
Buss-Hochleistungsmischers, der zum Ausführen des bevorzugten Verfahrens
der Erfindung eingesetzt wird, und die eine Mischtrommel-und-Mischschnecken-Anordnung
darstellt.
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2A ist
eine Perspektivansicht eines auf der Schnecke befindlichen Elementes,
das an der stromaufliegenden Seite einer Drosselringbaugruppe in
einer bevorzugten Hochleistungsmischerkonstruktion eingesetzt wird.
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2B ist
eine Perspektivansicht eines auf der Schnecke befindlichen Elementes,
das an der stromabliegenden Seite der Drosselringbaugruppe in einer
bevorzugten Hochleistungsmischerkonstruktion eingesetzt wird.
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2C ist
eine Perspektivansicht einer Drosselringbaugruppe, die in einer
bevorzugten Hochleistungsmischerkonstruktion eingesetzt wird.
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3 ist
eine Perspektivansicht, die die relative Position der Elemente in 2A, 2B und 2C in
einer bevorzugten Hochleistungsmischerkonstruktion zeigt.
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4 ist
eine Perspektivansicht eines Mischschneckenelementes mit geringer
Scherung, das in einer bevorzugten Hochleistungsmischerkonstruktion
eingesetzt wird.
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5 ist
eine Perspektivansicht eines Mischschneckenelementes mit starker
Scherung, das in einer bevorzugten Hochleistungsmischerkonstruktion
eingesetzt wird.
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6 ist
eine Perspektivansicht eines Trommelzapfenelementes, das in einer
bevorzugten Hochleistungsmischerkonstruktion eingesetzt wird.
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7 ist
eine schematische Darstellung einer bevorzugten Anordnung von Mischtrommelzapfen
und Bestandteil-Zufuhranschlüssen,
die eingesetzt wird, um eine Ausführung der Erfindung umzusetzen.
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8 ist
eine schematische Darstellung einer bevorzugten Mischschneckenkonstruktion,
die in Verbindung mit 7 eingesetzt
wird.
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9 ist
eine schematische Darstellung der relativen Anordnung der Einrichtung,
die eingesetzt wird, um eine bevorzugte Ausführung der Erfindung umzusetzen.
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10 ist
eine schematische Darstellung der bevorzugten Mischschneckenkonstruktion,
die in der Anordnung in 9 eingesetzt
wird.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN UND GEGENWÄRTIG BE-VORZUGTER AUSFÜHRUNGEN
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Der hier verwendete Begriff "Kaugummi"
schließt
auch Blasenkaugummi und dergleichen ein. Alle Anteile sind, wenn
nicht anders angegeben, Gewichtsanteile.
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Da bei der bevorzugten Ausführung der
Erfindung ein Hochleistungsmischer eingesetzt wird, der als ein
Klingen-und-Zapfen-Mischer bekannt ist, und die Herstellung der
Gummibase sowie der Kaugummizusammensetzung in einem Mischer genutzt
wird, wird die Gesamtherstellung von Kaugummi unter Einsatz eines einzelnen
kontinuierlichen Hochleistungsmischers ohne die Notwendigkeit der
separaten Herstellung von Kaugummibase zuerst erläutert. Die
gesamte Herstellung von Kaugummi unter Einsatz eines kontinuierlichen Mischers
ist des Weiteren im US-Patent Nr. 5543/60 offenbart, das am 22.
Dezember 1994 eingereicht wurde. Die genannte Anmeldung wird hiermit
durch Verweis einbezogen.
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Das Verfahren der vorliegenden Erfindung
kann vorteilhaft unter Einsatz eines kontinuierlichen Mischers ausgeführt werden,
dessen Mischschnecke hauptsächlich
aus genau angeordneten Mischelementen und lediglich einem geringen
Teil einfacher Förderelemente
besteht. Ein bevorzugter Mischer ist ein Klingen-und-Zapfen-Mischer,
der beispielhaft in 1 dargestellt
ist. Bei einem Klingen-und-Zapfen-Mischer wird eine Kombination
aus selektiv geformten, sich drehenden Mischklingen und stationären Trommelzapfen
eingesetzt, um wirkungsvolles Vermischen über eine vergleichsweise kurze
Strecke zu erzielen. Ein handelsüblicher
Klingen-und-Zapfen-Mischer ist die Buss-Knetmaschine, die von Buss
AG (Schweiz) hergestellt wird und von Buss America (Bloomingdale,
Illinois) bezogen werden kann.
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Wie unter Bezugnahme auf 1 zu sehen ist, enthält ein gegenwärtig bevorzugter
Klingen-und-Zapfen-Mischer 100 eine einzelne Mischschnecke 120,
die sich im Inneren einer Trommel 140 dreht, die in Funktion
im Allgemeinen geschlossen ist und die Mischschnecke 120 vollständig umschließt. Die
Mischschnecke 120 enthält
eine im Allgemeinen zylindrische Welle 122 sowie drei Reihen
von Mischklingen 124, die an gleichmäßig beabstandeten Positionen
um die Schneckenwelle 122 herum angeordnet sind (wobei
in 1 nur zwei der Reihen
sichtbar sind). Die Mischklingen 124 stehen radial von
der Welle 122 nach außen
vor, wobei jede von ihnen der Schneide einer Axt gleicht.
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Die Mischtrommel 140 enthält ein inneres
Trommelgehäuse 142,
das im Allgemeinen zylindrisch ist, wenn die Trommel 140 während des
Betriebs des Mischers 100 um die Schnecke 120 herum
geschlossen ist. Drei Reihen stationärer Zapfen 144 sind
an gleichmäßig beabstandeten
Positionen um die Schneckenwelle 122 herum angeordnet und
stehen von dem Trommelgehäuse 142 radial
nach innen vor. Die Zapfen 144 sind allgemein zylindrisch
geformt und können
abgerundete oder abgeschrägte
Enden 146 haben.
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Die Mischschnecke 120 mit
Klingen 124 dreht sich im Inneren der Trommel 140 und
wird von einem Motor 201 mit veränderlicher Drehzahl angetrieben
(9). Während der
Drehung bewegt sich die Mischschnecke 120 auch in axialer
Richtung hin und her, so dass eine Kombination aus drehendem und
axialem Mischen erzeugt wird, die sehr wirkungsvoll ist. Während des
Mischens laufen die Mischklingen 124 kontinuierlich zwischen
den stationären
Zapfen 144 hindurch, jedoch berühren die Klingen und die Zapfen
einander nie. Des Weiteren berühren
die radialen Kanten 126 der Klingen 124 die Innenfläche 142 der
Trommel nie, und die Enden 146 der Zapfen 144 berühren die
Mischschneckenwelle 122 nie.
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2-6 zeigen verschiedene Schneckenelemente,
die eingesetzt werden, um die Mischschnecke 120 für optimale
Funktion zu konstruieren. 2A und 2B stellen auf der Schnecke
befindliche Elemente 20 und 21 dar, die in Verbindung
mit einer Drosselringbaugruppe eingesetzt werden. Die auf der Schnecke
befindlichen Elemente 20 und 21 enthalten jeweils
eine zylindrische Außenfläche 22,
eine Vielzahl von Klingen 24, die von der Fläche 22 nach
außen
vorstehen, sowie eine innere Öffnung 26 mit
einer Keilnut 28, die eine Mischschneckenwelle (nicht dargestellt)
aufnimmt und mit ihr in Eingriff kommt. Das zweite auf der Schnecke
befindliche Element 21 ist ungefähr doppelt so lang wie das
erste auf der Schnecke befindliche Element 20.
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2C stellt
eine Drosselringbaugruppe 30 dar, die dazu dient, Gegendruck
an ausgewählten
Positionen entlang der Mischschnecke 120 zu erzeugen. Die
Drosselringbaugruppe 30 enthält zwei Hälften 37 und 39,
die an dem Trommelgehäuse 142 angebracht
sind, wobei die Hälften
während
der Funktion in Eingriff sind und einen geschlossenen Ring bilden.
Die Drosselringbaugruppe 30 enthält einen kreisförmigen äußeren Kranz 32,
einen inneren Ring 34, der, wie dargestellt, angewinkelt
ist, sowie eine Öffnung 36 in
dem inneren Ring, die die auf der Schnecke befindlichen Elemente 20 und 21,
die an der Schneckenwelle angebracht sind, aufnimmt, jedoch nicht
berührt.
Anbringungsöffnungen 35 in
der Fläche 32 beider
Hälften
der Drosselringbaugruppe 30 dienen dazu, die Hälften an
dem Trommelgehäuse 142 anzubringen.
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3 stellt
die Beziehung zwischen der Drosselringbaugruppe 30 und
den auf der Schnecke befindlichen Elementen 20 und 21 in
Funktion dar. Wenn sich die Mischschnecke 120 im Inneren
der Trommel 140 dreht und sich axial hin und her bewegt,
bilden die Zwischenräume
zwischen den auf der Schnecke befindlichen Elementen 20 sowie
21 und dem inneren Ring 34 die Haupteinrichtung zum Hindurchtreten
von Material von einer Seite der Drosselringbaugruppe 30 zur
anderen. Das auf der Schnecke befindlichen Element 20 auf der
stromaufliegenden Seite der Drosselringbaugruppe enthält eine
abgewandelte Klinge 27, die Abstand zu dem inneren Ring 34 lässt. Das
andere auf der Schnecke befindliche Element 21 ist im Allgemeinen
stromab von der Drosselringbaugruppe 30 angeordnet und
weist eine Abschlussklinge (nicht dargestellt) auf, die sich nahe
an der gegenüberliegenden
Fläche
des inneren Rings 34 bewegt und sie abstreift.
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Die Zwischenräume zwischen den Außenflächen 22 der
auf der Schnecke befindlichen Elemente 20 sowie 21 und
dem inneren Ring 34 der Drosselringbaugruppe 30,
die variieren können
und vorzugsweise in der Größenordnung
von 1–5
mm liegen, bestimmen im großen
Maße,
wie viel Druck im stromaufliegenden Bereich der Drosselringbaugruppe 30 während des
Betriebes des Mischers 100 entsteht. Es ist anzumerken, dass
das stromaufliegende auf der Schnecke befindliche Element 20 ein
L/D-Verhältnis
von ungefähr
1/3 hat und das stromabliegende auf der Schnecke befindliche Element 21 ein
L/D-Verhältnis
von ungefähr
2/3 hat, wodurch sich ein Gesamt-L/D-Verhältnis von ungefähr 1,0 für die auf
der Schnecke befindlichen Elemente ergibt. Die Drosselringbaugruppe 30 hat
ein kleineres L/D-Verhältnis
von ungefähr
0,45, das mit dem L/D-Verhältnis
der an den Schnecken befindlichen Elementen 20 und 21 zusammenfällt, die
miteinander in Eingriff kommen, die Drosselringbaugruppe jedoch
nicht berühren.
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4 und 5 veranschaulichen die Misch-
bzw. "Knet"-Elemente, die den Großteil der Mischarbeit verrichten.
Der Hauptunterschied zwischen dem Mischelement 40 mit geringerer
Scherung in 4 und dem Mischelement 50 mit
stärkerer
Scherung in 5 besteht
in der Größe der Mischklingen,
die an den Mischelementen nach außen vorstehen.In 5 sind die Mischklingen 54 mit
stärkerer
Scherung, die von der Fläche 52 nach
außen
vorstehen, größer und
dicker als die Mischklingen 44 mit geringerer Scherung,
die von der Fläche 42 in 4 nach außen vorstehen.
Für jedes
der Mischelemente 40 und 50 sind die Mischklingen
in drei in Umfangsrichtung beabstandeten Reihen angeordnet, wie
dies oben unter Bezugnahme auf 1 erläutert ist.
Der Einsatz dickerer Mischklingen 54 in 5 bedeutet, dass geringerer axialer Abstand
zwischen den Klingen und darüber
hinaus geringerer Abstand zwischen den Klingen 54 und den
stationären
Zapfen 144 vorhanden ist, wenn sich die Schnecke 120 dreht
und sich axial hin und her bewegt (1).
Diese Verringerung des Zwischenraums bewirkt an sich stärkere Scherung
in der Nähe
der Mischelemente 50.
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6 zeigt
einen einzelnen stationären
Zapfen 144, der von der Trommel 140 gelöst ist.
Der Zapfen 144 enthält
einen mit Gewinde versehenen Fuß 145,
der Anbringung an ausgewählten
Positionen an dem inneren Trommelschaft 142 ermöglicht.
Es ist auch möglich,
einige der Zapfen 144 als Flüssigkeitseinspritzanschlüsse auszuführen, indem
sie mit hohlen Mittelöffnungen
versehen werden.
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7 ist
eine schematische Ansicht, die eine bevorzugte Trommelkonstruktion
einschließlich
einer bevorzugten Anordnung von Trommelzapfen 144 zeigt. 8 ist eine entsprechende
schematische Ansicht, die eine bevorzugte Mischschneckenkonstruktion
zeigt. Der Mischer 200, dessen bevorzugte Konstruktion
in 7 und 8 dargestellt ist, weist ein aktives
Gesamt-Misch-L/D-Verhältnis
von ungefähr
19 auf.
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Der Mischer 200 enthält eine
Anfangs-Zufuhrzone 210 sowie fünf Mischzonen 220, 230, 240, 250 und 260.
Die Zonen 210, 230, 240, 250 und 260 enthalten
fünf mögliche große Zufuhranschlüsse 212, 232, 242, 252 und 262,
die eingesetzt werden können,
um Hauptinhaltsstoffe (beispielsweise Feststoffe) in den Mischer 20 einzuleiten.
Die Zonen 240 und 260 sind ebenfalls mit kleineren
Flüssigkeitseinspritzanschlüssen 241, 243, 253, 261, 263, 264, 265, 266, 267 und 268 ausgeführt, die
dazu dienen, flüssige
Inhaltsstoffe zuzusetzen. Die Flüssigkeitseinspritzanschlüsse 241, 243, 253, 261, 263, 264, 265, 266, 267 und 268 enthalten
spezielle Trommelzapfen 144, die, wie oben erläutert, mit
hohlen Mitten ausgebildet sind. Die Positionen der kleineren Flüssigkeitseinspritzanschlüsse können leicht
verändert
werden. Des Weiteren müssen
nicht alle Einspritzanschlüsse
während
eines bestimmten Gummiherstellungsvorgangs eingesetzt werden. In
diesem Fall werden normale Trommelzapfen an den in 7 markierten Positionen als ein Flüssigkeitseinspritzanschluss
verwendet. Temperatursensoren können
ebenfalls an einigen Trommelzapfen 144 eingesetzt werden,
um Produkttemperaturen in dem Mischer zu messen.
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Trommelzapfen 144 sind,
wie unter Bezugnahme auf 7 zu
sehen ist, vorzugsweise an den meisten oder allen der zur Verfügung stehenden
Positionen in allen drei Reihen vorhanden, wie dies dargestellt
ist.
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In 8 ist
eine bevorzugte Konstruktion der Mischschnecke 120 für einige
Kaugummierzeugnisse wie folgt schematisch dargestellt. Zone 210,
die die Anfangs-Zufuhrzone ist, ist mit Elementen mit geringer Scherung,
wie beispielsweise dem in 4 dargestellten
Element 40, mit einem L/D-Verhältnis von ungefähr 1–1/3 ausgeführt. Das
L/D-Verhältnis
der Anfangs-Zufuhrzone 210 wird nicht als Teil des aktiven
Gesamt- Misch-L/D-Verhältnisses
von 19, das oben erwähnt
ist, gezählt,
da sein Zweck lediglich darin besteht, Inhaltsstoffe in die Mischzonen
zu befördern.
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Die erste Mischzone 220 ist
von links nach rechts (8)
mit zwei Mischelementen 40 mit geringer Scherung (4) ausgeführt, auf
die zwei Elemente 50 mit starker Scherung (5) folgen. Die zwei Mischelemente mit
geringer Scherung tragen mit einem L/D-Verhältnis von ungefähr 1–1/3 zum
Mischen bei und die zwei Mischelemente mit starker Scherung tragen
mit einem L/D-Verhältnis
von ungefähr
1–1/3
zum Mischen bei. Die Zone 220 weist einschließlich des
Endteils, der mit einer Drosselringbaugruppe 30 mit einem
Maß von 57
mm mit kooperierenden, auf der Schnecke befindlichen Elementen 20 und 21 abgedeckt
ist (in 8 nicht separat
gekennzeichnet), ein Gesamt-Misch-L/D-Verhältnis von ungefähr 3,0 auf.
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Die Drosselringbaugruppe 30 mit
kooperierenden, auf der Schnecke befindlichen Elementen 20 und 21,
die sich über
das Ende der ersten Mischzone 220 und den Anfang der zweiten
Mischzone 230 erstreckt, hat ein Gesamt-L/D-Verhältnis von
ungefähr
1,0, wobei ein Teil desselben in der zweiten Mischzone 230 liegt. Die
Zone 230 ist von links nach rechts mit drei Mischelementen 40 mit
geringer Scherung und 1,5 Elementen 50 mit starker Scherung
ausgeführt.
Die drei Mischelemente mit starker Scherung tragen mit einem L/D-Verhältnis von
ungefähr
2,0 zum Mischen bei, und die 1,5 Mischelemente mit starker Scherung
tragen mit einem L/D-Verhältnis
von ungefähr
1,0 zum Mischen bei. Zone 230 hat ein Gesamt-Misch-L/D-Verhältnis von
ungefähr
4,0.
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Über
das Ende der zweiten Mischzone 230 und den Anfang der dritten
Mischzone 240 erstreckt sich eine Drosselringbaugruppe 30 mit
einem Maß von
60 mm mit kooperierenden, auf der Schnecke befindlichen Elementen 20 und 21,
die ein L/D-Verhältnis
von ungefähr
1,0 haben. Zone 240 ist von links nach rechts mit 4,5 Mischelementen 50 mit
starker Scherung ausgeführt,
die mit einem Misch-L/D-Verhältnis
von ungefähr
3,0 beitragen. Zone 240 weist ebenfalls ein Gesamt-Misch-L/D-Verhältnis von
ungefähr
4,0 auf.
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Über
das Ende der dritten Mischzone 240 und den Anfang der vierten
Mischzone 250 erstreckt sich eine weitere Drosselringbaugruppe 30 mit
einem Maß von
60 mm und kooperierenden, auf der Schnecke befindlichen Elementen
mit einem L/D-Verhältnis
von ungefähr
1,0. Der Rest der vierten Mischzone 250 und der fünften Mischzone 260 ist
mit elf Mischelementen 40 mit geringer Scherung ausgeführt, die
mit einem Misch-L/D-Verhältnis von
ungefähr
7 1/3 beitragen. Zone 250 hat ein Gesamt-Misch-L/D-Verhältnis von
ungefähr
4,0, und Zone 260 hat ein Gesamt-Misch-L/D-Verhältnis von
ungefähr
4,0. Bevor erklärt
wird, wo die verschiedenen Kaugummiinhaltsstoffe zu dem kontinuierlich
arbeitenden Mischer 200 zugegeben werden und wie sie vermischt
werden, ist es hilfreich, die Zusammensetzung von typischen Kaugummis
zu erörtern,
welche unter Verwendung des Verfahrens der Erfindung hergestellt
werden können.
Ein Kaugummi umfasst im Allgemeinen einen wasserlöslichen
Füllstoffanteil,
einen wasserunlöslichen
Kaugummibasenanteil und einen oder mehrere Aromastoffe. Der wasserlösliche Anteil
zerstreut sich während
eines Zeitraums beim Kauen. Der Gummibasenanteil wird während des
gesamten Kauvorgangs im Mund zurückbehalten.
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Die unlösliche Gummibase umfasst im
Allgemeinen Elastomere, Elastomerweichmacher (Harze), Fette, Öle, Wachse,
Ereeichungsmittel und anorganische Füllmittel. Zu den Elastomeren
können
Polyisobutylen, Isobutylen-Isopren-Copolymer, Styrol-Butadien-Copolymer und natürliche Latizes,
wie etwa Chicle, gehören. Zu
den Harzen können
Polyvinylacetat und Terpenharze gehören. Polyvinylacetat mit niedrigem
Molekulargewicht ist ein bevorzugtes Harz. Zu Fetten und Ölen können tierische
Fette, wie etwa Speck und Talg, pflanzliche Öle, wie Sojabohnen- und Baumwollsamenöle, hydrierte
und teilweise hydrierte pflanzliche Öle und Kakaobutter gehören. Zu üblicherweise
verwendeten Wachsen gehören
Erdölwachse,
wie Paraffin und mikrokristallines Wachs, natürliche Wachse, wie Bienenwachs,
Candellia-, Carnauba- und Polyethylenwachs.
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Die Gummibase umfasst charakteristischerweise
auch eine Füllmittelkomponente,
wie Calciumcarbonat, Magnesiumcarbonat, Talk, Dicalciumphosphat
und dergleichen; Erweichungsmittel, wozu Glycerinmonostearat und
Glycerintriacetat gehören;
und wahlfreie Inhaltsstoffe, wie Antioxidanzien, Farbstoffe und
Emulgatoren. Die Gummibase macht 5 bis 95 Gew.-% der Kaugummizusammensetzung,
charakteristischerweise 10 bis 50 Gew.-% des Kaugummis und am häufigsten
20 bis 30 Gew.-% des Kaugummis aus.
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Der wasserlösliche Anteil des Kaugummis
kann Erweichungsmittel, Füllstoff-Süßungsmittel,
hochwirksame Süßungsmittel,
Aromastoffe und Kombinationen davon umfassen. Erweichungsmittel
werden zu dem Kaugummi zugegeben, um die Kaubarkeit und das Mundgefühl des Gummis
zu optimieren. Die Erweichungsmittel, welche auch als Weichmacher
oder Plastifizierungsmittel bezeichnet werden, machen im Allgemeinen 0,5
bis 15 Gew.-% des Kaugummis aus. Zu den Erweichungsmitteln können Glycerin,
Lecithin und Kombinationen davon gehören. Wässrige Süßungsmittellösungen,
wie etwa solche, die Sorbitol, hydrierte Stärkehydrolysate, Maisstärkesirup
und Kombinationen davon enthalten, können ebenfalls als Erweichungsmittel
und Bindemittel in Kaugummi verwendet werden.
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Füllstoff-Süßungsmittel
machen 5 bis 95 Gew.-% des Kaugummis, charakteristischerweise 20
bis 80 Gew.-% des Kaugummis und am häufigsten 30 bis 60 Gew.-% des
Kaugummis aus. Zu Füllstoff-Süßungsmitteln
können
sowohl zuckerhaltige als auch zuckerfreie Süßungsmittel und Komponenten
gehören.
Zu zuckerhaltigen Süßungsmitteln
können
Saccharid enthaltende Komponenten gehören, welche Sucrose, Dextrose, Maltose,
Dextrin, getrockneten Invertzucker, Fructose, Lävulose, Galactose, Maisstärkesirup-Trockensubstanz
und dergleichen allein oder in Kombination umfassen, aber nicht
darauf beschränkt
sind. Zu zuckerfreien Süßungsmitteln
gehören
Komponenten mit süßenden Eigenschaften,
sie sind aber frei von den allgemein bekannten Zuckern. Zu zuckerfreien
Süßungsmitteln
gehören
Zuckeralkohole, wie Sorbitol, Mannitol, Xylitol, hydrierte Stärkehydrolysate,
Maltitol und dergleichen, allein oder in Kombination, sie sind aber
nicht darauf beschränkt.
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Hochwirksame Süßungsmittel können ebenfalls
zugegen sein und werden gewöhnlich
zusammen mit zuckerfreien Süßungsmitteln
verwendet. Wenn sie verwendet werden, machen hochwirksame Süßungsmittel charakteristischerweise
0,001 bis 5 Gew.-% des Kaugummis, vorzugsweise 0,01 bis 1 Gew.-%
des Kaugummis, aus. Charakteristischerweise sind hochwirksame Süßungsmittel
mindestens 20 mal süßer als
Sucrose. Zu ihnen können
Sucralose, Aspartam, Salze von Acesulfam, Alitam, Saccharin und
seine Salze, Cyclaminsäure
und ihre Salze, Glycyrrhizin, Dihydrochalcone, Thaumatin, Monellin
und dergleichen, allein oder in Kombination gehören, sie sind aber nicht darauf
beschränkt.
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Kombinationen von zuckerhaltigen
und/oder zuckerfreien Süßungsmitteln
können
in Kaugummi verwendet werden. Das Süßungsmittel kann in dem Kaugummi
auch ganz oder teilweise als wasserlöslicher Füllstoff dienen. Außerdem kann
das Erweichungs mittel zusätzliche
Süße ergeben,
wie es beispielsweise bei wässrigen
Zucker- oder Alditollösungen
der Fall ist.
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Ein Aromastoff sollte im Allgemeinen
in einer Menge im Bereich von 0,1 bis 15 Gew.-% des Kaugummis, vorzugsweise
von 0,2 bis 5 Gew.-% des Kaugummis, am meisten bevorzugt von 0,5
bis 3 Gew.-% des Kaugummis in dem Kaugummi vorhanden sein. Zu A-romastoffen können ätherische Öle, synthetische
Aromen oder Mischungen davon gehören,
welche Öle,
die aus Pflanzen und Früchten
gewonnen werden, wie etwa Citrusöle,
Fruchtessenzen, Pfefferminzöl,
Spearmintöl,
andere Minzöle,
Nelkenöl,
Wintergrünöl, Anis
und dergleichen, umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind.
Künstliche
Aromastoffe und Komponenten können ebenfalls
in dem Aroma-Inhaltsstoff der Erfindung verwendet werden. Natürliche und
künstliche
Aromastofte können
in jeder sensorisch annehmbaren Weise kombiniert werden.
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Wahlfreie Inhaltsstoffe, wie Farbstoffe,
Emulgatoren, pharmazeutische Mittel und weitere Aromastoffe können ebenfalls
in dem Kaugummi enthalten sein.
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Für
eine kontinuierliche Verarbeitung muss wiederaufgearbeiteter Gummi
zugegeben werden, so dass er Teil des fertigen Gummiproduktes wird.
In diesem Fall muss das Gummiprodukt, welches aufgrund von Problemen
bei der stromabwärts
stattfindenden Verarbeitung für
das Auswalzen, Kühlen
oder Verpacken nicht geeignet ist, wiederaufgearbeitet und in den
kontinuierlich arbeitenden Gummiherstellungsextruder zugegeben werden.
Die Menge des wiederaufgearbeiteten Gummis kann 5 bis 50% der gesamten
Rezeptur, vorzugsweise 10 bis 30% und am meisten bevorzugt 10 bis
20% der gesamten Rezeptur betragen. Der wiederaufgearbeitete Gummi
wird vorzugsweise mit einer konstanten Geschwindigkeit zugegeben.
Da jedoch seine Zusammensetzung vorzugsweise genau die gleiche wie
die Zusammensetzung des fertigen Gummiproduktes ist, ist es nicht
erforderlich, dass das wiederaufgearbeitete Material mit einer konstanten
Geschwindigkeit zugegeben wird.
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Der wiederaufgearbeitete Gummi kann
zusammen mit dem pulverisierten Zucker oder pulverisierten Füllstoff
zugegeben werden, nachdem die Base vorvermischt oder vorher erweicht
wurde. Wiederaufgearbeiteter Gummi kann erwärmt werden, um ihn vorher zu
erweichen, oder kann vorzugsweise bei Raumtemperatur zugegeben werden.
Wenn die Base von der Verarbeitung oder Wiedereinschmelzung zu heiß ist, kann
wiederaufgearbeiteter Gummi vor dem pulverisierten Füllstoff
zugegeben werden, um die Masse zu kühlen.
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In den bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung werden die Gummibase und das letztendliche Kaugummiprodukt
kontinuierlich in dem gleichen Mischer hergestellt. Im Allgemeinen
wird der Gummibasenanteil unter Verwendung eines Misch-L/D von ungefähr 25 oder
weniger, vorzugsweise etwa 20 oder weniger, am meisten bevorzugt
ungefähr
15 oder weniger hergestellt. Anschließend werden die übrigen Kaugummiinhaltsstoffe,
einschließlich
des wiederaufgearbeiteten Materials, mit der Gummibase vereinigt,
um ein Kaugummiprodukt herzustellen, wobei ein Misch-L/D von ungefähr 15 oder
weniger, vorzugsweise ungefähr
10 oder weniger, am meisten bevorzugt ungefähr 5 oder weniger, verwendet
wird. Das Mischen der Gummibaseninhaltsstofte und der übrigen Kaugummiinhaltsstofte
kann in verschiedenen Teilen des gleichen Mischers stattfinden oder
kann sich überlappen.
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Wenn der bevorzugte Klingen-und-Zapfen-Mischer
verwendet wird, welcher die vorstehend beschriebene Konfiguration
aufweist, kann der gesamte Kaugummi unter Verwendung eines Misch-L/D
von ungefähr 19
hergestellt werden. Die Gummibase kann unter Verwendung eines L/D
von ungefähr
15 oder weniger hergestellt werden und die übrigen Gummiinhaltsstoffe können mit
der Gummibase unter Verwendung eines weiteren L/D von ungefähr 5 oder
weniger vereinigt werden.
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Bei dem vorstehend beschriebenen
BUSS-Extruder kann wiederaufgearbeiteter Gummi an der Zufuhröffnung 252 oder
der Zufuhröffnung 262 zugegeben
werden. Die pulverisierten Füllstoffe
werden an der Öffnung 262 zugegeben.
Es ist bevorzugt, wiederaufgearbeiteten Gummi an der Öffnung 262 zuzugeben,
da höhere
Mengen an wiederaufgearbeitetem Gummi bei geringeren Umdrehungen
pro Minute zugegeben werden können.
Außerdem
scheint das Zugeben des wiederaufgearbeiteten Materials an der Öffnung 262 ein
größeres Kühlvermögen zu erzeugen,
als wenn es an der Öffnung 252 zugegeben
wird.
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Um die gesamte Kaugummiherstellung
unter Verwendung des bevorzugten Klingenund-Zapfen-Mischers 200 (1) durchzuführen, ist
es von Vorteil, die U/min der Mischschnecke 120 bei weniger
als 150, vorzugsweise weniger als ungefähr 100 zu halten. Ferner wird
die Mischertemperatur vorzugsweise so optimiert, dass die Gummibase
ungefähr
54°C (130°F) oder weniger
aufweist, wenn sie zu Beginn auf die anderen Kaugummiinhaltsstoffe
trifft, und das Kaugummiprodukt ungefähr 54°C (130°F) oder weniger (vorzugsweise
52°C (125°F) oder weniger)
aufweist, wenn es den Mischer verlässt. Diese Temperaturoptimierung
kann zum Teil durch selektives Erwärmen und/oder Wasserkühlung der
Trommelabschnitte erfolgen, welche die Mischzonen 220, 230, 240, 250 und 260 umgeben
(7).
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Um die Gummibase herzustellen, kann
die folgende Arbeitsweise befolgt werden. Das Elastomer, das Füllmittel
und mindestens ein Teil des Elastomerlösungsmittels werden bei der
ersten großen
Zufuhröffnung 212 in
der Zufuhrzone 210 des Mischers 200 zugegeben
und einem stark dispergierenden Mischen in der ersten Mischzone 220 unterworfen,
während
sie in Richtung des Pfeils 122 transportiert werden. Das übrige Elastomerlösungsmittel
(sofern vorhanden) und Polyvinylacetat werden bei der zweiten großen Zufuhröffnung 232 in
der zweiten Mischzone 230 zugegeben und die Inhaltsstoffe
werden einem stärker
verteilenden Mischen in dem Rest der Mischzone 230 unterworfen.
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Fette, Öle, Wachse (sofem verwendet),
Emulgatoren und gegebenenfalls Farbstoffe und Antioxidationsmittel
werden bei den Flüssigkeitseinspritzöffnungen 241 und 243 in
der dritten Mischzone 240 zugegeben und die Inhaltsstoffe
werden einem verteilenden Mischen in der Mischzone 240 unterworfen,
während
sie in Richtung des Pfeils 122 transportiert werden. An
diesem Punkt sollte die Gummibasenherstellung beendet sein und die
Gummibase sollte die dritte Mischzone 240 als im Wesentlichen
homogene, klumpenfreie Verbindung mit einer einheitlichen Farbe
verlassen.
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Die vierte Mischzone 250 wird
hauptsächlich
verwendet, um die Gummibase zu kühlen,
wenngleich eine geringfügige
Zugabe von Inhaltsstoffen dabei erfolgen kann. Anschließend können zum
Herstellen des fertigen Kaugummiproduktes Glycerin, Maisstärkesirup,
andere zuckerhaltige Füllstoff-Süßungsmittel,
wiederaufgearbeiteter Gummi, hochwirksame Süßungsmittel und Aromastofte
zu der fünften
Mischzone 260 zugegeben werden und die Inhaltsstoffe werden
einem verteilenden Mischen unterzogen. Wenn das Gummiprodukt zuckerfrei
sein soll, kann der Maisstärkesirup
durch hydriertes Stärke hydrolysat
oder Sorbitollösung
ersetzt werden und die Zucker können
durch pulverisierte Alditole ersetzt werden.
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Glycerin kann bei der ersten Flüssigkeitseinspritzöffnung 261 in
der fünften
Mischzone 260 zugegeben werden. Feste Inhaltsstoffe (Füllstoff-Süßungsmittel,
verkapselte hochwirksame Süßungsmittel
usw.) werden bei der großen
Zufuhröffnung 262 zugegeben.
Sirupe (Maisstärkesirup,
hydriertes Stärkehydrolysat,
Sorbitollösung
usw.) werden bei der nächsten
Flüssigkeitseinspritzöffnung 263 zugegeben
und Aromastoffe werden bei der letzten Flüssigkeitseinspritzöffnung 264 zugegeben.
Aromastoffe können
alternativ an den Öffnungen 261 und 263 zugegeben
werden, um dazu beizutragen, die Gummibase zu plastifizieren, wodurch
die Temperatur und das Drehmoment an der Schnecke verringert werden.
Dies kann es gestatten, den Mischer mit höheren U/min und höherem Durchsatz
zu betreiben.
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Die Gummiinhaltsstoffe werden zu
einer homogenen Masse vermischt, welche aus dem Mischer als kontinuierlicher
Strom oder "Strang" ausgetragen wird. Der kontinuierliche. Strom
oder Strang kann auf einer bewegten Fördereinrichtung abgelegt werden
und zu einer Formgebungsstation transportiert werden, wo der Gummi
z. B. durch Pressen zu Platten, Ritzen und Schneiden zu Streifen
in die gewünschte
Form gebracht wird. Da das gesamte Gummiherstellungsverfahren in
einem einzelnen kontinuierlich arbeitenden Mischer integriert ist,
gibt es weniger Abweichungen in dem Produkt und das Produkt ist
aufgrund seiner vereinfachten mechanischen und thermischen Vorgeschichte
reiner und stabiler.
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Testen der Eignung
eines kontinuierlich arbeitenden Mischers
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Der folgende Vorversuch kann eingesetzt
werden, um festzustellen, ob ein bestimmter kontinuierlich arbeitender
Mischer mit einer bestimmten Konfiguration die Anforderungen an
einen Hochleistungsmischer erfüllt,
der sich für
die praktische Durchführung
des bevorzugten Verfahrens der Erfindung eignet.
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Eine trockene Mischung aus 35,7%
Butylkautschuk (98,5% Isobutylen – 1,5% Isopren-Copolymer, mit einem
Molekulargewicht von 120000–150000,
hergestellt von Polysar, Ltd. in Sarnia, Ontario, Kanada als POLYSAR
Butyl 101–3);
35,7% Calciumcarbonat (VICRON 15–15 von Pfizer, Inc., New York,
New York); 14,3% Polyterpenharz (ZONA-REZ 90 von Arizona Chemical
Company in Panama City, Florida) und 14,3% eines zweiten Polyterpenharzes
(ZONAREZ 7125 von Arizona Chemical Company) wird in den
in Frage kommenden kontinuierlich arbeitenden Mischer mit der zu
testenden Mischerkonfiguration eingefüllt. Das Temperaturprofil wird
für das
beste Vermischen optimiert, wobei die Einschränkung besteht, dass die Ausgangstemperatur
des Gemisches 170°C
nicht übersteigt
(und vorzugsweise unter 160°C
bleibt), um eine thermische Zersetzung zu verhindern. Um sich als
geeigneter Hochleistungsmischer zu qualifizieren, sollte der Mischer
eine im Wesentlichen homogene, klumpenfreie Verbindung mit einer
einheitlichen milchigen Farbe in nicht mehr als ungefähr 10 L/D,
vorzugsweise nicht mehr als ungefähr 7 L/D, am meisten bevorzugt
nicht als ungefähr
5 L/D, erzeugen.
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Um sie gründlich auf Klumpen hin zu untersuchen,
kann die fertige Kautschukverbindung gestreckt und visuell untersucht
werden, oder in einer hydraulischen Presse komprimiert und untersucht
werden, oder auf einer Heizplatte geschmolzen werden oder zu einer
fertigen Gummibase verarbeitet werden, welche dann unter Verwendung
herkömmlicher
Methoden auf Klumpen hin untersucht wird.
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Zudem muss der Mischer vorzugsweise
eine ausreichende Länge
aufweisen, um die Herstellung der Gummibase und des Kaugummiproduktes
in einem einzelnen Mischer unter Verwendung eines Gesamt-Misch-L/D
von nicht mehr als ungefähr
40 zu vervollständigen.
Jeder Mischer, welcher diese Anforderungen erfüllt, fällt unter die Definition eines
Hochleistungsmischers, der sich für die praktische Durchführung des bevorzugten
Verfahrens der Erfindung eignet.
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Für
die folgenden Beispiele wurden verschiedene beheizte Behälter, Zufuhreinrichtungen
sowie ein BUSS-Klingen-und-Zapfen-Mischer mit einem Durchmesser
der Mischschnecke von 100 mm wie in 7 und 9 dargestellt eingerichtet
und zur Herstellung einer Kaugummizusammensetzung mit Zimtgeschmack
eingesetzt. Der Mischer 200 wurde mit fünf Mischzonen mit einem Gesamt-Misch-L/D-Verhältnis von
19 und einer Anfangs-Förderzone
mit einem L/D-Verhältnis
von 1–1/3
eingerichtet. Es wurde, wenn nicht anders angegeben, kein Werkzeug
am Ende des Mischers eingesetzt, und das Produktgemisch trat als
kontinuierlicher Strang aus.
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Flüssige Inhaltsstoffe wurden
unter Verwendung von volumetrischen Pumpen aus Tanks 272, 276, 277 und 278 in
die großen
Zufuhranschlüsse 212 und
die kleineren Flüssigkeitseinspritzanschlüsse eingeleitet.
Die Pumpen waren entsprechend dimensioniert und eingestellt, um
die gewünschten
Zufuhrgeschwindigkeiten zu erzielen.
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Trockene Inhaltsstoffe wurden unter
Verwendung von gravimetrischen Schneckenförderern 271, 273, 274 und 275 in
die großen
Zusatzanschlüsse 212, 232 und 262 eingeleitet.
Auch hier waren die Förderer
entsprechend dimensioniert und eingestellt, um die gewünschten
Zufuhrgeschwindigkeiten zu erzielen.
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Temperatursteuerung wurde durch das
Zirkulieren von Flüssigkeiten
durch Ummantelungen, die jede Mischtrommelzone umgaben, und im Inneren
der Mischschnecke ausgeführt.
Es wurde Wasserkühlung
eingesetzt, wenn die Temperaturen 200°F nicht überstiegen, und bei höheren Temperaturen
wurde Ölkühlung eingesetzt.
Wenn Wasserkühlung
gewünscht
war, wurde Leitungswasser (normalerweise bei ungefähr 57°F) ohne zusätzliche
Kühlung
eingesetzt.
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Die Temperaturen wurden sowohl für das Fluid
als auch für
Inhaltsstoffgemisch aufgezeichnet. Die Fluidtemperaturen wurden
für jede
Trommelmischzone (den Zonen 220, 230, 240, 250 und 260 in 7 und 8 entsprechend) eingestellt und sind
im Folgenden als Z1, Z2, Z3, Z4 bzw. Z5 aufgeführt. Die Fluidtempraturen wurden
auch für
die Mischschnecke 120 eingestellt.
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Die Ist-Gemischtemperaturen wurden
mit Temperatursensoren 281, 282, 283, 284, 285 und 286 aufgezeichnet
(7). Diese Sensoren
befanden sich in der Nähe
des stromabliegenden Endes der Mischzonen 220, 230, 240 und 250 sowie
an zwei Stellen in Mischzone 260. Diese Gemischtemperaturen
sind unten als T1, T2, T3, T4, T5 bzw. T6 aufgeführt. Die Ist-Gemischtemperaturen
werden durch die Temperaturen des zirkulierenden Fluids, die Wärmeaustauscheigenschaften
des Gemischs und der umgebenden Trommel sowie die mechanische Erwärmung aufgrund
des Mischvorgangs beeinflusst und unterscheiden sich häufig aufgrund der
zusätzlichen
Faktoren von den eingestellten Temperaturen.
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Alle Inhaltsstoffe wurden dem kontinuierlichen
Mischer bei Umgebungstemperatur (ungefähr 25°C (77°F)) zugesetzt, wenn dies nicht
anders angemerkt ist.
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Die Schnecke war wie folgt aufgebaut
(10): In dem ersten
Trommelabschnitt wurden vier Elemente mit geringer Scherung und
dann zwei Elemente mit starker Scherung mit einem Gesamt-L/D-Mischverhältnis von
4 an der Schneckenwelle angebracht. Über das Ende des ersten Abschnitts
und den Anfang des zweiten erstreckte sich ein Drosselring mit einem
Maß von
57 mm, der zusammen mit seinen auf der Schnecke befindlichen Teilen
ein L/D-Verhältnis
von 1 hatte.
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Im zweiten Abschnitt wurden drei
Elemente mit geringer Scherung und danach 1 Elemente mit starker Scherung
mit einem Gesamt-L/D-Verhältnis
von drei angebracht. Über
das Ende des zweiten Abschnitts und den Anfang des dritten Abschnitts
erstreckte sich ein Drosselring mit einem Maß von 60 mm (L/D-Verhältnis 1).
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In dem dritten Abschnitt wurden 4
1/2 Elemente mit starker Scherung (L/D-Verhältnis 3) angebracht. Ein Drosselring
mit einem Maß von
60 mm (L/D-Verhältnis
1) erstreckte sich über
den dritten und den vierten Abschnitt.
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Der vierte Abschnitt wurde mit sechs
Elementen mit geringer Scherung (L/D-Verhältnis 4) versehen, wobei sich
das letzte von ihnen in den fünften
Abschnitt hinein erstreckte.
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Der fünfte Abschnitt wurde mit fünf Elementen
mit geringer Scherung versehen, von denen eines an den Inhaltsstoff-Einheitanschluss
angrenzte, und die ein Gesamt-L/D-Verhältnis von 3 1/3 hatten. Das
L/D-Verhältnis
der gesamten Schneckenlänge
betrug 20 1/3.
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Vergleichsbeispiel A (keine
Rückführung)
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Mehrere Vormischungszusammensetzungen
wurden hergestellt, um das Mischverfahren zu vereinfachen.
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Kautschukmischung
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Drei Teile Butylkautschuk wurden
mit einem Teil Calciumcarbonat vermahlen. 32,785% des gemahlenen
Gemisches wurde mit 51,322% Calciumcarbonat und 15,893% Glycerinester
von hydriertem Kolophonium trocken vermischt.
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Polyvinylacetatmischung
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48,421% PVAc mit niedrigem Molekulargewicht
wurde mit 11,849% Glycerinester von polymerisiertem Kolophonium
und 39,730% Glycerinester von hydriertem Kolophonium trocken vermischt.
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Fettmischung
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Die folgenden Inhaltsstoffe wurden
geschmolzen und vermischt:
| 7,992
% | hydriertes
Sojabohnenöl |
| 13,712
% | hydriertes
Baumwollsamenöl |
| 12,199
% | Glycerinmonostearat |
| 37,070
% | Paraffinwachs |
| 28,852
% | mikrokristallines
Wachs |
| 0,175
% | BHT |
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Maisstärkesirup/Glycerin-Mischung
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93,710% Maisstärkesirup mit 45,5° Baumé wurde
erwärmt
und mit 6,290% Glycerin vermischt.
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Zucker/Farbstoff-Mischung
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10% einer Glycerinaufschlämmung von
rotem Farblack wurde mit 90% Zucker in einem Hobart-Mischer vermischt.
Das resultierende Produkt war ein feuchtes Pulver, welches mit einer
Doppelschnecken-Volumendosiervorrichtung dem Extruder zugeführt werden
konnte.
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Die Zufuhröffnungen für den Mischer sind in den 7 und 9 abgebildet. Bei der ersten Öffnung 212 wurden
die Kautschukmischung (9,94 kg (21,90 Pfund)/h) aus der Dosiervorrichtung 271 und
geschmolzenes Polyisobutylen (1,68 kg (3,70 Pfund)/h) aus dem Behälter 272 zugegeben.
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In die zweite Öffnung 232 wurde die
Polyvinylacetatmischung mit 7,17 kg (15,8 Pfund) /h aus der Dosiervorrichtung 273 zugegeben.
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Die geschmolzene Fettmischung wurde
in gleichen Portionen durch zwei Einspritzzapfen 241 und 243 in
Abschnitt 240 mit einer Gesamtgeschwindigkeit von 7,7 kg
(17,0 Pfund)/h injiziert.
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Die erwärmte Maisstärkesirup/Glycerin-Mischung
wurde aus Behälter 277 durch
Zapfen 261, der sich am Beginn von Abschnitt 260 befand,
mit einer Geschwindigkeit von 22,6 kg (49,80 Pfund)/h injiziert.
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Zucker wurde in die Öffnung 262 mit
einer Geschwindigkeit von 81,1 kg (178,8 Pfund)/h zusammen mit der
Zucker/Farbstoff-Mischung mit 4 kg (8,80 Pfund)/h zugegeben.
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Schließlich wurde Zimtaroma aus dem
Behälter 278 durch
Zapfen 264 nahe dem Ende von Abschnitt 260 mit
einer Geschwindigkeit von 1,9 kg (4,20 Pfund)/h injiziert.
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Die ergab einen Gesamtausstoß von ungefähr 300 Pfund/h
aus dem Extruder.
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Die Zonentemperaturen (Z1–Z5) wurden auf 176°C (350°F), 176°C (350°F), 66°C (150°F), 13°C (55°F) und 13°C (55°F) eingestellt. Die Schnecke
wurde auf 66°C
(150°F)
erwärmt.
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Mit diesen Zufuhrgeschwindigkeiten
wies der Zimtgummi die folgende Rezeptur auf:
| | % |
| Base | 19,46 |
| Zucker | 62,24 |
| Maisstärkesirup
mit 45,5° Baume | 15,57 |
| Glycerin | 1,05 |
| Farbstoff | 0,29 |
| Aromastoff | 1,31 |
| | 100,00 |
-
In Vergleichsbeispiel A und Beispielen
1 bis 3 war es erforderlich, die Schnecke mit 70 U/min zu betreiben,
um einen Rückstau
von Zucker in der fünften
Einfüllöffnung zu
verhindern. Der fertige Gummi trat mit 50°C (122°F) aus. Sowohl die Schneckengeschwindigkeit
als auch die Austrittstemperatur wurden als übermäßig hoch angesehen.
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Ein Produkt mit der gleichen Rezeptur,
die in Vergleichsbeispiel A verwendet wurde, wurde in einem herkömmlichen
chargenweisen Verfahren hergestellt und zu Pellets geformt, die
als wiederaufgearbeiteter oder rückgeführter Gummi
in den nachstehenden Beispielen verwendet werden sollten. Die Vergleichsbeispiele
8 bis E verwendeten die gleiche Rezeptur wie Vergleichsbeispiel
A. Die Beispiele 1 bis 8 verwendeten ebenfalls die gleiche Rezeptur
wie Vergleichsbeispiel A, wobei aber verschiedene Gehalte an rückgeführtem Gummi
zugegeben wurden. Der rückgeführte Gummi
wurde unter Verwendung eines Schwingförderers für den pelletisierten rückgeführten Gummi
zugegeben und an der Zufuhröffnung 252 oder
der Zufuhröffnung 262 zugegeben.
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Beispiel 1
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10% rückgeführter Gummi wurde an der Öffnung 262 mit
33 Pfund/h zugegeben, was einen Ausstoß von 151,1 kg (333 Pfund)/h
und eine Produkttemperatur von 49°C
(120°F)
ergab.
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Beispiel 2
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20% rückgeführter Gummi wurde an der Öffnung 262 mit
75 Pfund/h zugegeben, was einen Ausstoß von 170 kg (375 Pfund)/h
und eine Produkttemperatur von 48°C
(118°F)
ergab.
-
Beispiel 3
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30% rückgeführter Gummi wurde an der Öffnung 262 mit
58 kg (128 Pfund)/h zugegeben, was einen Ausstoß von 194 kg (428 Pfund)/h
und eine Produkttemperatur von 47°C
(116°F)
ergab. Man beachte die Verringerung der Produkttemperatur von 49°C (121°F) auf 47°C (116°F).
-
Beispiel 4
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39% rückgeführter Gummi wurde an der Öffnung 262 mit
86 kg (190 Pfund)/h zugegeben, was einen Ausstoß von 222 kg (490 Pfund)/h
ergab. Die Mischergeschwindigkeit wurde auf 85 U/min erhöht, um den
höheren
Durchsatz zu erzielen, und die Produkttemperatur stieg auf 48°C (118°F).
-
Vergleichsbeispiel
B
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Es wurde kein rückgeführter Gummi zugegeben, aber
die Produkttemperatur betrug beim Austrag 54°C (129°F) für eine Mischergeschwindigkeit
von 85 U/min, verglichen mit einer Temperatur von 48°C (118°F) mit 39%
zugegebenem rückgeführten Material
in Beispiel 4.
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Beispiel 5
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49% rückgeführter Gummi wurde an der Öffnung 262 mit
129 kg (285 Pfund) /h zugegeben und die U/min wurden auf 100 erhöht. Der
Ausstoß betrug
265 kg (585 Pfund)/h und die Produkttemperatur betrug 52°C (125°F).
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Vergleichsbeispiel
C
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Es wurde kein rückgeführter Gummi zugegeben. Mit
einem Durchsatz von 136 kg (300 Pfund) /h bei einer Mischergeschwindigkeit
von 100 U/min, betrug die Produktaustrittstemperatur 56°C (132°F) im Vergleich zu
52°C (125°F) mit 49%
rückgeführtem Gummi
in Beispiel 5.
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Beispiel 6
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10% rückgeführter Gummi wurde an der Öffnung 252 mit
33 Pfund/h zugegeben, was einen Ausstoß von 157 kg (333 Pfund)/h
ergab. Die Mischergeschwindigkeit betrug 70 U/min und die Austrittstemperatur
des Produktes betrug 52°C
(125°F).
Die erhöhte
Austrittstemperatur könnte
auf eine längere
Mischzeit in dem Mischer zurückzuführen sein.
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Beispiel 7
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30% rückgeführter Gummi wurde an der Öffnung 252 mit
58 kg (128 Pfund) /h zugegeben, um einen Ausstoß von 194 kg (428 Pfund)/h
unter Verwendung einer Mischergeschwindigkeit von 18 U/min zu ergeben. Die
Produktaustrittstemperatur betrug 53°C (128°F).
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Vergleichsbeispiel
D
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Es wurde kein rückgeführter Gummi zugegeben. Die
Mischergeschwindigkeit betrug 80 U/min. Die Produktaustrittstemperatur
betrug 53°C
(128°F).
-
Beispiel 8
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40% rückgeführter Gummi wurde an der Öffnung 252 mit
91 kg (200 Pfund)/h zugegeben, was einen Ausstoß von 227 kg (500 Pfund)/h
ergab. Die Geschwindigkeit wurde auf 90 U/min erhöht und die
Produktaustrittstemperatur betrug 54°C (130°F).
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Vergleichsbeispiel
E
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Es wurde kein rückgeführter Gummi zugegeben und der
Ausstoß betrug
136 kg (300 Pfund)/h bei einer Mischergeschwindigkeit von 90 U/min.
Die Austrittstemperatur des Produktes betrug 56°C (132°F).
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Vergleichsbeispiel F
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Dieses Beispiel und die folgenden
erfindungsgemäßen Beispiele
9 bis 13 verwendeten die gleiche Extruderschnecken-Konfiguration
wie die anderen Beispiele, mit der Ausnahme, dass in dem dritten
Abschnitt 2 1/2 Elemente mit geringer Scherung und 2 Elemente mit
starker Scherung anstelle von 4 1/2 Elementen mit starker Scherung
verwendet wurden. Ferner wurde ein zuckerhaltiger Kaugummi mit Pfefferminzaroma
hergestellt, welcher die folgende Rezeptur aufwies:
| | % |
| Base | 20,0 |
| Zucker | 57,3 |
| Dextrosemonohydrat | 10,4 |
| Maisstärkesirup
mit 43° Baume | 10,0 |
| Pfefferminzaroma | 0,9 |
| Lecithin | 0,1 |
| Glycerin | 1,3 |
| | 100,00 |
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Eine Mischung aus 24,4% eingestäubtem gemahlenen
Butylkautschuk (75% Kautschuk, 25% Calciumcarbonat), 18,0% Terpenharz
mit niedrigem Molekulargewicht, 18,3% Terpenharz mit hohem Moleklargewicht
und 39,4% feingemahlenem Calciumcarbonat wurde bei der ersten großen Öffnung 212 (7) mit 12,5 kg (27,6 Pfund)/h
zugegeben.
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Eine Mischung aus 11,1% Polyvinylacetat
mit hohem Molekulargewicht und 88.9% Polyvinylacetat mit niedrigem
Molekulargewicht wurde in die zweite große Zufuhröffnung 232 mit 6,5
kg (14,4 Pfund)/h zugegeben. Polyisobutylen (auf 100°C vorgeheizt)
wurde ebenfalls bei dieser Öffnung
mit 1,6 kg (3,5 Pfund)/h zugegeben.
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Eine Fettmischung (83°C) wurde
in gleichen Mengen in die Öffnungen 241 und 243 mit
einer Gesamtgeschwindigkeit von 6,6 kg (14,5 Pfund)/h zugegeben.
Diese Fettmischung enthielt 31,9% hydriertes Baumwollsamenöl, 18,7%
hydriertes Sojabohnenöl,
13,2% teilweise hydriertes Baumwollsamenöl, 19,8% Glycerinmonostearat,
13,7% Sojalecithin, 2,5% Kakaopulver und 0,2% BHT.
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Glycerin wurde mit 1,77 kg (3,9 Pfund)/h
in die Öffnung 261 injiziert.
Eine Mischung aus 84,6% Sucrose und 15,4% Dextrosemonohydrat wurde
mit 92,2 kg (203,1 Pfund)/h bei der Öffnung 262 zugegeben.
Maisstärkesirup
(40°C) wurde
mit 13,6 kg (30,0 Pfund)/h in die Öffnung 263 injiziert.
Ein Gemisch aus 90% Pfefferminzaroma und 10% Sojalecithin wurde
mit 1,4 kg (3,0 Pfund)/h in die Öffnung 264 injiziert.
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Die Zonentemperaturen (Z1–Z5) wurden
auf 176°C
(350°F),
176°C (350°F), 38°C (100°F), 10°C (50°F) bzw. 10°C (50°F) eingestellt
und die Schneckentemperatur wurde auf 38°C (100°F) eingestellt. Die Gemischttemperaturen
(T1–T6)
wurden gemessen und betrugen 150°C
(302°F),
128°C (262°F), 69°C (156°F), 41°C (106°F), 38°C (100°F) bzw. 109°F. Die Schneckendrehung
wurde auf 55 U/min eingestellt.
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Das Produkt verließ den Mischer
mit 49°C
(120°F).
Das fertige Produkt wies gute Kaueigenschaften auf und es gab keine
Hinweise auf Kautschukklumpen.
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Ein Produkt mit der gleichen Rezeptur
wie in Vergleichsbeispiel F wurde in einem herkömmlichen chargenweisen Verfahren
hergestellt und zu Streifen ausgewalzt. Die Streifen wurden anschließend als
wiederaufgearbeiteter Gummi in den nachfolgenden Beispielen 9 bis
13 verwendet.
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Beispiel 9
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33% ganze Streifen aus wiederaufgearbeitetem
Gummi wurden an der Öffnung 252 mit
45,4 kg (100 Pfund)/h zugegeben, nachdem die Zufuhr frischer Inhaltsstoffe
auf 91 kg (200 Pfund)/h verringert worden war. Die Produkttemperatur
betrug 49 bis 52°C.
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Beispiel 10
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33% ganze Streifen aus wiederaufgearbeitetem
Gummi wurden mit 45,4 kg (100 Pfund) /h zusammen mit 91 kg (200
Pfund)/h frischen Inhaltsstoffen zugegeben, um einen Gesamtausstoß von 136
kg (300 Pfund)/h zu ergeben. Die Produkttemperatur betrug 49 bis
51°C.
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Beispiel 11
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Nach dem Verringern der Zufuhr frischer
Inhaltsstoffe auf 68 kg (150 Pfund)/h wurden 68 kg (150 Pfund) ganze
Streifen aus wiederaufgearbeitetem Gummi an der Öffnung 252 zugegeben.
Die Produkttemperatur betrug 49 bis 51°C.
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Beispiel 12
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67% ganze Streifen aus wiederaufgearbeitetem
Gummi wurden mit 136 kg (300 Pfund) /h an der Öffnung 262, zusammen
mit 68 kg (150 Pfund)/h frischen Inhaltsstoffen zugegeben. Die Produkttemperatur
betrug 49 bis 50°C.
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Beispiel 13
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67% ganze Streifen aus wiederaufgearbeitetem
Gummi wurden mit 136 kg (300 Pfund) /h an der Öffnung 252, zusammen
mit 68 kg (150 Pfund)/h frischen Inhaltsstoffen zugegeben. Die Produkttemperatur
betrug 51 bis 54°C.
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Die vorstehenden Beispiele zeigen,
wie wiederaufgearbeiteter oder rückgeführter Gummi
in einem kontinuierlichen Gummiherstellungsverfahren verwendet werden
kann. Es wird angenommen, dass die Verwendung von wiederaufgearbeitetem
Gummi für
kontinuierliche Gummiherstellungsverfahren und Produkte die gleichen
Vorteile bringt, wie für
chargenweise Verfahren und Produkte.
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Es wurde auch festgestellt, dass
die Zugabe von wiederaufgearbeitetem Gummi die überraschende Wirkung hatte,
dass die Temperatur des auf kontinuierlicher Basis hergestellten
Gummis abgesenkt wurde. Wie sich beim Vergleich der Beispiele 4
und 8 zeigt, hat der Punkt der Zugabe des wiederaufgearbeiteten Gummis
eine überraschende
Wirkung. In beiden Beispielen wurden ungefähr 40% wiederaufgearbeiteter Gummi
zugegeben und die Mischergeschwindigkeiten waren ungefähr die gleichen.
Wenn jedoch der wiederaufgearbeitete Gummi bei der Öffnung 252 zugegeben
wurde, wies der Gummi eine Austrittstemperatur von 54°C (130°F) auf, wogegen
die Temperatur viel niedriger war, ungefähr 48°C (118°F), wenn er an der Öffnung 262 zugegeben
wurde. Diese niedrigere Austrittstemperatur ist besser, da bei höheren Austrittstemperaturen flüchtigere
Aromakomponenten verloren gehen und der Gummi schneller auszutrocknen
scheint.
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Es sollte beachtet werden, dass die
Verfahren der vorliegenden Erfindung in Form einer Vielzahl von Ausführungsformen
eingesetzt werden können,
von denen nur einige wenige vorstehend erläutert und beschrieben worden
sind. Die Erfindung kann in anderer Form ausgeführt werden, ohne von ihrem
Geist oder wesentlichen Merkmalen abzuweichen. Man beachte, dass
die Zugabe von einigen anderen Inhaltsstoffen, Verfahrensschritten,
Materialien oder Komponenten, die nicht speziell umfasst sind, eine
nachteilige Auswirkung auf die vorliegende Erfindung hat. Die beste
Art der Ausführung
der Erfindung kann deshalb Inhaltsstoffe, Verfahrensschritte, Materialien
oder Komponenten ausschließen,
die von den vorstehend für
die Aufnahme oder Verwendung in der Erfindung aufgeführten verschieden
sind. Die beschriebenen Ausführungsformen
sollen jedoch in jeder Hinsicht nur zur Erläuterung dienen und nicht als
Beschränkung
aufgefasst werden und der Umfang der Erfindung ist deshalb durch
die beigefügten
Ansprüche
angegeben und nicht durch die vorstehende Beschreibung. Alle Änderungen,
welche unter die Bedeutung und den Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen,
sind von ihrem Umfang umfasst.