Food Processing Granulierung von Lebensmitteln

Transkript

1 Food Processing Granulierung von Lebensmitteln TTN Jahrestagung Fulda Produktgestaltung 2010 Dr.-Ing. Harald Schuchmann Unternehmensberatung und Weiterbildung Seit 2009 Karlsruhe Institute of Technology

2 Warum Food Processing? Gute Lebensmittel müssen Positive Inhaltsstoffe aufweisen (z. B. Vitamine) Lagerstabil sein (z. B. kein Verderb, Vitaminabbau oder Farbänderung Gegessen werden (ansprechendes Aussehen, leichte Zubereitung, guter Geschmack) Möglichst frei von technischen Hilfsstoffen sein Viele Verfahren (Gefrieren, Extrudieren, Extrahieren ) Hier als Beispiel Granulieren bzw. Agglomerieren

3 Warum agglomerieren? Verbesserung der Produkteigenschaften: Agglomerate neigen weniger zum Stauben, Anhaften und Entmischen lassen sich besser dosieren, transportieren und durchströmen besitzen bessere Rieselfähigkeit dispergieren schneller in Flüssigkeiten (bessere Instanteigenschaften) besitzen einstellbares Verpackungsvolumen (Schüttgutdichte) verbessertes Aussehen & Form 'Product Design' Agglomeration erwünscht ('Product Design') oder unerwünscht (Aggregation ab < 0,1 mm v.a. im Bereich < 1 µm)

4 Aufbauagglomeration: Anlagern v.a. einzelner Partikeln an Agglomerate Wichtig: Relativbewegung der Partikeln/Agglomerate zueinander Bei Kontakt: Haftkräfte > Trennkräfte Selektionsprinzip Haftkraft Trennkraft Agglomerieren Zerkleinern je größer die Trennkräfte, desto häufiger/länger müssen die Kontakte sein, desto stabiler sind die entstehenden Agglomerate! Verfahren: Roll-, Mischeragglomeration (lange Kontaktzeit) Fließbett-/Wirbelschicht-, Strahlagglomeration (kurze Kontaktzeiten)

5 Agglomerationsmechanismen Trockene Voragglomerate und Partikel dringen im freien Fall in die Agglomerationszone ein Kondensierender Dampf und /oder Kondensattropfen befeuchten die Oberfläche Dissolution löslicher Komponenten Agglomeration von Partikeln und Aufbau von Flüssigkeitsbrücken Stabilisierung durch Entstehen von Feststoffbrücken

6 Kontinuierliche Agglomeration im Dampf-Freistrahl mit kurzer Verweilzeit Strahl- oder Dampfstrahlagglomeration Wenig Kontakte, geringe Kontaktzeiten jeder Stoß soll zu Haftung führen lockere Agglomerate, niedriges Schüttgewicht, geringe Abriebfestigkeit Schnell in stationärem Zustand Kurze thermische Belastung des Produkts (d.h., wenig unerwünschte Reaktionen, geringer Verlust flüchtiger Inhaltsstoffe) vor allem für wasserlösliche Stoffe z. B. für zuckerbasierte Instantpulver, löslicher Kaffee, Milchpulver und darauf basierende Getränkepulver Dampf Trockene lockere Voragglomerate Dampf Trockene rel. stabile Agglomerate

7 Ausbildung von Feststoffbrücken durch Kristallisation gelöster Partikelsubstanz im Partikelzwischenraum Milchpulver, Kaffeepulver etc 200 µm

8 Feuchtagglomeration und Trocknung in Wirbelschicht lockere Agglomeraten mit guten Instanteigenschaften Wirbelschichtagglomeration intensive Partikelbewegung Einsprühen von Flüssigkeit (Lösung, z.b. Zucker, Suspension, z.b. Zuckerlösung mit Kakaopartikeln, Schmelze, z.b. Fette) Trocknung der Feuchtagglomerate in WS lockere bis feste Agglomeraten (0,3-2 mm) mit rel. guten Instanteigenschaften Abluft mehrere t/h Zuluft Produktaufgabe Produktabnahme

9 Rollagglomeration: Rollen der Partikeln unter Flüssigkeitszugabe Rollagglomeration (Flüssigkeitszugabe Feuchtaggl.) : rotierender Teller, Konus oder Trommel +Fl. Pulver Schrägstellen unten Agglomerate oben Pulver unten Austrag enge PGV Agglomerat zufälliger Rollbewegungslauf annähernd Kugelform

10 Granulierteller: für Produkte, bei denen hohe Schüttdichte & gute Fließfähigkeit wichtig sind (Eirich) Wenn hohe Schüttdichte & gute Fließfähigkeit wichtig sind: Getränkeautomatenpulver: Kakao-, Milchpulver (ρ schütt = g/l)

11 Mischeragglomeration: weit verbreitet Mischeragglomeration (Flüssigkeitszugabe Feuchtaggl.) je nach Mischaggregat, Drehzahl und Messerkopf: Trennkräfte einstellbar Agglomeratfestigkeit Agglomeratgröße Fl. P+A gleichzeitiges Mischen und Agglomerieren z. B. Trägermaterial für Pharmaprodukte vor Tablettierung

12 Instanteigenschaften von Getränkepulvern

13 Instantisieren: Verbesserung der Handhabung von Pulvern Benetzen Untersinken Lösen Dispergieren

14 Vorgänge beim Dispergieren/Auflösen von Pulvern Vorgänge (schematisch): Eindringen von Wasser ins Porensystem Untersinken der Partikeln in der Flüssigkeit Zerfall der Agglomerate Evtl. Lösen der Partikeln (nicht Stärke oder Kakao)

15 Verbessern der Benetzbarkeit: lockere Agglomerate, lecithiniert Instanteigenschaften Benetzbarkeit Untersinkvermögen Dispergierbarkeit Löslichkeit Befeuchtungszeit t wet H (Schubert): t ben =C 1 ε wet ε 1 x p η l γ l 1 cos δ eff H 2 ε Porosität η l Viskosität der Flüssigkeit γ l Oberflächenspannung der Flüssigkeit δ eff effektiver Randwinkel x p Schüttungspartikelgröße t wet hängt sehr stark von cos δ eff ab, der unbekannt ist!

16 Verbessern der Benetzbarkeit: lockere Agglomerate, lecithinierte, fetthaltige Partikeln Instanteigenschaften Benetzbarkeit Untersinksvermögen Dispergierbarkeit Löslichkeit Löslichkeit hängt von Zusammensetzung und Zustand (amorph/kristallin) des Produkts ab. Amorphe Strukturen lösen sich schneller Amorphe Produkte => erhöhtes Risiko bei Lagerung und Verbrauch, aber besseren Instanteigenschaften

17 Lösen und Quellen von Instantprodukten ändert das Befeuchtungsverhalten Unverändert Lösen Lösen verursacht eine abnehmende Partikelgröße erhöhte Porosität erhöhte Viskosität niedrigere Sedimentationsgeschwindigkeit Quellen verursacht eine zunehmende Partikelgröße abnehmende Porosität niedrigere Sedimentationsgeschwindigkeit Quellen Lösen und Quellen langsamere Befeuchtung, evt. Stillstand der Flüssigkeitsfront

18 Klebrigkeit und Lagerstabilität

19 Amorphe Produkte neigen bei der Lagerung zur Rekristallisation Beim Glassübergang: Beginnende Kristallisation Wasserfreisetzung Agglomeration Vuataz, 2002

20 Gleichgewichtsfeuchten von Molkepulvern in Abh. von der rel. Feuchte der umgebenden Luft 12 WG g/100 TM 10 8 Adsorptionsisotherme bei 25 C teilentzuckerte Molke Molke Rekristallisation amorpher Laktose 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 a W

21 Glasübergang ist abhängig vom Molekulargewicht und dem Wassergehalt T g wasserfrei Molekulargewicht Monosaccharide (M W = g/mol) Fructose, Glucose T g / C Lactose nach Roos, 1993 Maltose Saccharose Glucose Fructose Disaccharide (M W = g/mol) Saccharose, Maltose, Lactose Oligosaccharide (M W - Bereich) Maltodextrine Wassergehalt / % Tg hoch => stabiles Produkt, aber langsamer löslich

22 Je nach Abstand zur Glasübergangstemperatur dauert Kristallisation unterschiedlich lang. Amorphe Lactose, 25 C Nach Roos Praktisch keine Kristallisation mehr ergibt Randbedingungen für Lagerung WG T g t cr

23 Zustandsdiagramme meist nur für reine Stoffe oder einfache Mischungen vorhanden. Wie verhalten sich komplexe Systeme? Milch Konzentrieren Bsp. Café au lait Sprühtrocknen Kühlen Kaffeeextrakt Café au lait- Pulver Phasendiagramm Lactose Diagram: Vuataz, 2002

24 Produkte (Rezeptur) entwickeln ist relativ einfach Produkte gestalten setzt Hintergrundwissen (Mischung aus zwei Komponenten, welcher Prozess erzeugt amorphe Strukturen, wie lassen sich Instanteigenschaften beeinflussen) voraus