DE69912780T2

DE69912780T2 - Verfahren sowie vorrichtung zum extrudieren von expandierenden wasserhaltigen produkten wie lebensmittelteilchen oder futtermittelpellets

Info

Publication number: DE69912780T2
Application number: DE69912780T
Authority: DE
Inventors: Anders Flarup-Knudsen
Original assignee: Sprout Matador AS
Current assignee: Sprout Matador AS
Priority date: 1998-05-29
Filing date: 1999-05-27
Publication date: 2004-09-30
Anticipated expiration: 2019-05-28
Also published as: JP2002516674A; DK1087675T3; CA2334141A1; PL191286B1; DE69912780D1; USRE42424E1; CA2334141C; EP1087675A1; ATE253848T1; JP4562054B2; EP1087675B1; PL345127A1; NO20006020L; ID28746A; ES2211081T3; CN1303241A; NO20006020D0; WO1999062361A1; AU3810899A; US6531077B1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Produktextrusion nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
In Verbindung mit der Herstellung extrudierter Produkte ist es wesentlich, dass die physischen Abmessungen des extrudierten Produkts bei den gewünschten Abmessungen konstant gehalten werden.
Dies trifft bei der Herstellung „fester", unexpandierter Produkte zu, bei denen es wünschenswert ist, eine Expansion (Ausdehnung) zu vermeiden, und trifft insbesondere bei der Herstellung expandierter Produkte zu, bei welchen die Abmessungen des Produkts größer sind als die Düsenöffnung(en), wobei darauf abgezielt wird, eine bestimmte Abmessungserhöhung in Bezug auf die Düsenabmessung zu erzielen.
Dieses Problem stellt sich am häufigsten bei der Herstellung expandierter Produkte, bei denen die Expansion normalerweise angestrebt wird, um bestimmte Eigenschaften sicherzustellen, wie Viskosität (Fischfutter), Sinkeigenschaften (besonders niedrige Sinkgeschwindigkeiten von Fischfutter), Flüssigkeitsabsorptionseigenschaften (Fischfutter, Tierfutter, Nahrungsmittel), konstant niedrige, spezifische Dichte (Tierfutter, Snacks, Frühstücksprodukte), konstante Knuspereigenschaften (Fischfutter, Tierfutter, Nahrungsmittel), konstante physische Form (alle Produkte).
Das Sicherstellen der oben genannten Konstantheit/Steuerbarkeit der Expansion lässt bei allen Extrusionssystem große Probleme entstehen. Der Grad der Ausdehnung des extrudierten Produkts in der Extrusionsanlage hängt von Bedingungen ab, wie beispielsweise:
Zusammensetzung der Rohmaterialien.
Eigenschaften/Qualität des Rohmaterials.
Verfahrensparameter der Extrusion:

– Dosieren der einzelnen Zutaten: Mehlmischung. Flüssigkeiten. Dampf.
– Kühlen/Erwärmen von Schnecken/Verkleidungen.
– Rotationsgeschwindigkeit des Schneckenförderers.
– Aufbau des Schneckenförderers des Extruders.
– Aufbau der Extruderdüse.
– Verschleißzustand der Verfahrensteile.

Insbesondere die Veränderungen des Rohmaterials und der Verschleißzustand des Schneckenförderers und der Verkleidungen des Extruders lassen Veränderungen bei der Produktion entstehen, die schwierig vorherzusagen sind.
In Abhängigkeit von den Bedingungen, welche die Produktvariationen entstehen lassen, war es teilweise schwierig, (über eine automatische Prozesssteuerung und -regelung oder manuell) sicherzustellen, dass die fertigen Produkte den Produktspezifikationen innerhalb angemessener Toleranzen entsprechen.
Produkte wie die oben beschriebenen, welche stärkehaltige Rohmaterialien enthalten, werden als Folge einer Verfahrenstemperatur von 100 bis 200°C, einer Feuchtigkeit von 10 bis 25% H₂O und eines Drucks von 2 bis 80 bar in der Extruderschnecke während des Extrusionsvorganges typischerweise gelatinieren und sich in eine plastische/elastische, flüssigkeitsartige Form umwandeln.
Ein derartiges Verfahren ist in US-A-4,031,267 beschrieben.
Während seiner Passage durch die Düsenanordnung des Extruders wird sich das Produkt von einem Verfahrensdruck (2 bis 80 bar) zum atmosphärischen Druck bewegen, bei welchem das Abtrennen des Produkts in der gewünschten Länge normalerweise stattfindet. Der Druckabfall entlang der Düsenplatte und der Energiegehalt des Produkts werden zu einer sofortigen Verdampfung eines Teils des Wassergehalts des Produkts an der Öffnung der Extruderdüsen führen. Die Verdampfung des Wassers bildet Dampftaschen in der plastischen/elastischen Masse, wodurch das Produkt expandiert (sich ausdehnt). Der durch die vorübergehende Verdampfung entstehende Temperaturabfall führt zu einem Aushärten des Produkts in eine dauerhaft feste und physische Form.
Die Expansion des Produkts stoppt normalerweise,
wenn der Dampfdruck in den Dampftaschen ein Gleichgewicht in Bezug zu der Elastizität der Masse erreicht,
und/oder eine weitere Entstehung von Dampf als Ergebnis des mit der Verdampfung verbundenen Energieverbrauchs stoppt, was zu einem Temperaturabfall auf eine Temperatur entsprechend dem Siedepunkt der Masse führt,
und/oder wenn alle Wände in den Dampftaschen als Ergebnis des inneren Dampfdrucks bersten und der Druck in den Taschen hierdurch normalisiert wird, wodurch die antreibende Kraft für eine weitere Expansion verschwindet.
Die Erfindung
Es ist für alle bekannten Extrusionssysteme zur Herstellung von Futtermitteln, Nahrungsmitteln oder dergleichen kennzeichnend, dass das Düsen- und Abtrennsystem des Extrusionsverfahrens unter einem konstanten Druck arbeitet – normalerweise dem atmosphärischen Druck oder möglicherweise etwas Unterdruck – der durch zugehörige Saugsysteme oder pneumatische Transportsysteme erzeugt wird.
Um die oben genannten Probleme bei der Expansionssteuerung zu überwinden oder zu minimieren, wurde durch die vorliegende Erfindung festgestellt, dass die Extrusion vorteilhaft in einer Druckkammer an der Auslassseite der Düsenplatte ausgeführt werden kann, in welcher das Produkt geformt, abgetrennt und auf eine dauerhafte Form (Expansionsgrad) stabilisiert wird, bevor es zum atmosphärischen Druck ausgestoßen wird. Durch Regeln des Arbeitsdrucks der Druckkammer ist es möglich, den Siedepunkt für die Masse an der Mündung der Düsenanordnung zu regeln, wodurch die Entwicklung von Dampf, des durch die Extrusion entsteht, gesteuert werden kann. Dies stellt eine entsprechende Möglichkeit zum Steuern der antreibenden Kraft bereit, welche die Expansion des Produkts entstehen lässt.
Gemäß der Erfindung wird das neue Verfahren in der Lage sein, zur Optimierung des Expansionsgrades und der Kapillarstruktur bei Produkten aus allen bekannten Arten von Extrudern (Einzelschnecke, Doppelschnecke, Trockenextruder, Kochextruder mit/ohne Vorbehandlung) verwendet zu werden.
Die Erfindung wird es ermöglichen, Rohmaterialien in dem Extrusionsverfahren zu verwenden, die bisher aufgrund der mit den Rohmaterialien verbundenen Steuerprobleme vermieden worden sind.
Diese Situation führt zu einem geringeren Bedarf nach (Abhängigkeit von) knappen Ressourcen/teuren Zutaten, und der Möglichkeit einer größeren Freiheit beim Zusammenstellen von Rezepturen (Rohmaterialzusammensetzungen) auf der Basis einer Ernährungs-/Kostenbewertung, mit weniger Rücksicht auf die Leistung der Rezeptur/Rohmaterialien hinsichtlich der Extrusion.
Gemäß der Erfindung wird es das Verfahren ermöglichen, die Kapazität von Extrudern zu erhöhen, die mit einer derartigen Ausrüstung ausgestattet sind, da die praktisch nutzbare Kapazität vieler Anlagen heute durch die Grenze der Steuerbarkeit der physischen Form des Produkts begrenzt ist.
Die Erfindung, die sowohl ein Verfahren als auch eine vollständige Anlage und ein Aggregat zum Einbau in bestehende Extruder umfasst, ist in der Zeichnung veranschaulicht, die eine schematische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist.
Links ist ein Extruder 2 mit einem Zufuhrtrichter oder einer Leitung 4 für das Material, das in das gewünschte körnige Produkt geformt werden soll, und mit einer Extruderschnecke 6 zum Transportieren des Materials nach vorne zu einer Düseneinheit 8 mit Düsenkanälen 10, durch welche das Material in Strangform herausgedrückt wird, gezeigt. In ziemlich ähnlicher Weise wie ein Fleischwolf ist vor der Düseneinheit 8 ein rotierendes Messer 12 vorgesehen, das durch einen Motor 14 angetrieben ist, woraus sich ergibt, dass die Stränge kontinuierlich über die Bildung von Pellets abgetrennt werden, welche einfach in eine geeignete Sammel- oder Transportanordnung herunterfallen.
Gemäß der Erfindung ist gegenüber dem Zufuhrende der Düseneinheit 8 ein Kastenelement 16, das mit der Randdüseneinheit in engpassender Weise verbunden ist, und die ebenso eine engpassende Hülse 18 für die Antriebswelle des Motors 14 besitzt. Das Kastenelement 16 besitzt einen Bodenteil in der Form eines rotierenden Absperrrades 20 mit Absperrtaschen 22, sodass hierdurch auch hier eine engschließende Abdichtung des Kastenelements gegeben ist, das sich von hier nach unten als eine Ausstoßrutsche 24 für das Material erstreckt, welches durch eine Rotation der Absperrtaschen 22 veranlasst wird, den Kastenteil 16 zu verlassen.
Der Kastenteil 16 bildet eine Druckkammer, in der als Ergebnis des Ausstoßes von Dampf von dem Material, welches die Düseneinheit 8 verlässt bereits ein bestimmter Überdruck aufgebaut ist, der durch Belüften mittels eines Druckregelventils 28 gesteuert und möglicherweise über einen Druckmesser 30 überwacht werden kann. Eine getrennt Druckzufuhr kann über ein Ventil 31 für Druckluft oder Dampf stattfinden, z. B. in einer Anfangsphase. Mögliches Kondensat wird durch das Pelletprodukt absorbiert werden, von welchem es durch normales, anschließendes Trocknen des Produkts beseitigt wird. Der Auslassdampf von dem Ventil 28 kann für verschiedene Erwärmungszwecke verwendet werden.
Der erhöhte Druck soll nur oder überwiegend zum Zwecke des Anhebens des Siedepunktes des Wassergehalts des Produkts während der Phase dienen, in welcher es die Düseneinheit 8 verlässt, und mit genau dieser Aufgabe vor Augen wird es normalerweise realistisch und angemessen sein, innerhalb eines Druckinterwalls von näherungsweise ½ bis 6 bar zu arbeiten.
Unterhalb des Absperrrades – oder im Prinzip oberhalb desselben – kann ein Probennehmer 32 vorgesehen sein, der eine kontinuierliche Überprüfung des herzustellenden Produkts ermöglicht, auch hinsichtlich dessen spezifischen Gewichts als Funktion dessen Expansionsgrades. Dies sei natürlich auch mit der bekannten Technik möglich, um in der Lage zu sein, eine entsprechende Überwachung mit einer zugehörigen Möglichkeit zur Einstellung bestimmter Verfahrensparameter vor der Düseneinheit 8 vorzunehmen, jedoch mit der Erfindung ist es möglich, mit einem weiteren und extrem wichtigen Parameter zu arbeiten, nämlich dem Druck in der Kammer 16. Genau dieser Parameter wird mit einem Minimum an Zeitdifferenz zwischen einer erfassten Regelungsanforderung und der Ausführung der zugehörigen Regelung kontrollierbar sein.
Es wird ersichtlich sein, dass die Erfindung nicht auf die gezeigte Ausführungsform beschränkt ist, da beispielsweise eine relativ große Druckkammer 16 verwendet werden kann, in welcher ein Stapel von ausgestoßenem Material gesammelt werden kann, der dann ohne die Verwendung irgendeiner speziellen Form einer Ausstoßabsperrung, jedoch möglicherweise während eines kurzen Anhaltens des Extruders 2, 6 entnommen werden kann.
Das Verfahren gemäß der Erfindung kann darauf basiert werden, dass eine Arbeit für ein vorgegebenes Verfahren mit einer zugehörigen, manuellen Einstellung von Parametern ausgeführt wird, auch einschließlich des Drucks in der Kammer 16, jedoch kann die Arbeit natürlich mit verschiedenen Graden einer automatischen Steuerung ausgeführt werden, welche durch eine gegebene Auswahl des Produkts bestimmt wird. Es wird ersichtlich sein, dass in einem derartigen Steuersystem eine erfasste Veränderung des Drucks oder der Temperatur in der Druckkammer zu einem sehr schnell wirkenden Steuerparameter führen wird.
Es sollte erwähnt werden, dass innerhalb der Kammer 16 eine Einrichtung vorgesehen sein kann, um die absinkenden Pellets daran zu hindern, am Boden zusammengestapelt zu werden, d. h. sodass ihnen mehr Zeit gegeben wird, um sich in einem freien Zustand nach derer Ausbildung zu stabilisieren, beispielsweise durch Herabgleiten in dünnen Schichten entlang eines Systems geneigter Platten.
Es wurde festgestellt, dass es normalerweise völlig ausreichend sein wird, falls die Druckkammer dazu ausgelegt ist, bei einem maximalen Druck von 6 bar zu arbeiten, d. h. es wird selten ratsam sein, sie derart zu konstruieren, dass sie noch höheren Drücken widersteht. Es ist jedoch selbstverständlich, dass die Erfindung im Prinzip nicht direkt auf irgendeinen besonderen Maximaldruck begrenzt ist.
Bis eine große Erfahrung erreicht worden ist, wird es ratsam sein, Testläufe vorzusehen, um einen wünschenswerten Betriebsdruck in der Druckkammer für jedes neue Produkt zu bestimmen, sowie es zum Bestimmen der anderen relevanten Parameter auf diese Weise zum Erreichen bestimmter Eigenschaften des Produkts üblich ist.
Als ein Beispiel war es erwünscht, die Sinkkapazität von Fischfutter-Pellets basierend auf einer bestimmten 22%-Weizenzsuammensetzung, welche durch 3,15 mm-Löcher in der Düsenplatte extrudiert wird, zu bestimmen. Eine geringe Anzahl von Pellets wurde unter verschiedenen Gegendrücken produziert, und etwa 25 Pellets jeder Gruppe wurden gemessen, ihr Schüttgewicht wurde erfasst und sie wurden hinsichtlich ihrer Schwimmeigenschaften getestet. Die folgenden Ergebnisse wurden erfasst:

Claims

Extrusionsanlage, insbesondere für die Herstellung derartiger Produkte, welche durch das zugehörige Verfahren durch inneres Sieden von Wasser durch Druckablassen nach dem Passieren des Produkts durch die Extrusionsdüsen (10) wärmeexpandieren, beispielsweise Nahrungsmittel oder Futtermittel, wobei die Anlage eine Düseneinheit (8) und eine Einrichtung (2, 6) zum Pressen des Produktmaterials durch die Düsen (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Ausstoßseite der Düseneinheit (8) eine Druckkammer (16) ist, die verbunden ist, um die Produkte von der Düseneinheit (8) temporär direkt zu empfangen, wobei die Druckkammer (16) mit einer Drucksteuereinrichtung (28, 31) zum Aufrechterhalten eines gewünschten einstellbaren Drucks in dieser Kammer (16) verbunden ist.
Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucksteuereinrichtung (28, 31) primär ein gesteuertes Ablassventil (28) für das Dämpfen des Aufbaus von Druck aufweist, der bereits durch den Ausstoß von Dampf von dem extrudierten Produkt hervorgebracht ist.
Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucksteuereinrichtung (28, 31) ferner ein Drucksteuerventil (31) für die Zufuhr von Druckluft zu der Druckkammer (16) aufweist.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucksteuereinrichtung (28, 31) angeordnet ist, um einen Überdruck von 0,5–6 Bar in der Druckkammer (16) aufrechtzuerhalten.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer (16) für kontinuierlichen Betrieb angeordnet ist, indem sie mit einer Ausspülanordnung (20, 22) für einen kontinuierlichen Ausstoß extrudierter Produkte ausgestattet ist.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer (16) für periodischen Betrieb angeordnet ist, d. h. für ein sukzessives Ausstoßen eines großen, angesammelten Abschnitts extrudierter Produkte durch einfaches Öffnen zu der Atmosphäre.
Einheit zum Einbauen in einer Extrusionsanlage, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Kammerteil (16) zum Montieren in eng eingesetzter Weise auf der Ausstoßseite der Düsenausrüstung (8) eines Extruders aufweist, wodurch eine Anlage nach Anspruch 1 bereitgestellt wird, wobei der Kammerteil (16) ein Ablassventil (28) für Dampf und eine Einrichtung (20, 22) zum Auslassen von Produkten von dort aufweist.
Verfahren zum Extrudieren derartiger Produkte, welche durch das zugehörige Verfahren durch inneres Sieden von Wasser durch Druckablassen nach dem Passieren des Produkts durch die Extrusionsdüsen (10) wärmeexpandieren, gekennzeichnet durch das Bewirken der Extrusion in eine Druckkammer (16) und das Aufrechterhalten eines gesteuerten Drucks darin zum wirksamen Steuern der Temperatur des inneren Siedens, wobei der Druck bevorzugt ein Überdruck von 0,5-6 Bar ist.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem ein Überdruck in der Druckkammer (16) primär durch einen gesteuerten Auslass von Dampf gesteuert wird, der von den extrudierten Produkten austritt.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Extrusion kontinuierlich bewirkt wird und die Produkte laufend mittels einer Ausspülanordnung (20, 22) ausgestoßen werden, oder alternativ die Extrusion diskontinuierlich bewirkt wird und die Produkte stapelweise von der Druckkammer (16) ausgestoßen werden.