Schüttgut 2015 Food / Life Science Technologies Verfahren in der Lebensmittelindustrie Dr.-Ing. Achim Knoch Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. • • • • • • Standort Quakenbrück Gründung 1983 Rechtsform: eingetragener Verein Selbstständig Mitarbeiter 160 Entwicklung / Auftragsforschung für die Lebensmittelindustrie Organigramm Campus Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie • Mischgüter / Produkte • Mischaufgabe Homogenität: Methoden zur Überprüfung • Probleme • Mischertypen und Praxisbeispiele Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Mischgüter / Produkte Gewürzmischungen Studentenfutter Müsli Backmischungen Futtermittel Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Mischgüter / Produkte Vormischungen in der industrielen Fertigung für: • Ceralienriegel • Proteinriegel • Compounds für Dressings, Speiseeis, Backwaren • Snackartikel • Fertiggerichte (Suppen, Konserven) • Trockensuppen/-saucen • Vitamin- und Mineralstoff Vormischungen Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Mischaufgabe Homogenität: Methoden zur Überprüfung Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Mischaufgabe Homogenität: Methoden zur Überprüfung Einbringen eines Tracers, dessen Verteilung im Mischbett überprüft wird Einmischungsverhältnis: z.B. 1:100.000 (10 mg/kg) Probengröße: z.B. 20 g Probenanzahl: z.B. 20..30 Proben Schwankungsbereich: Variationskoeffizient <5% Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Mischaufgabe Homogenität: Methoden zur Überprüfung • Charge 1 ohne Testsubstanz, Charge 2 mit Tracer (Methylviolett), • Herstellung einer Vergleichsmischung mit Originalmischung in einem kleinen Hochleistungsmischer (50 l) mit entsprechender Beprobung zur Ermittlung der gleichmäßigen (bestmöglichen) Vermischung des Tracers • Analytische Bearbeitung der Proben, Festeinwaage 10 oder 20g, Lösen des Farbstoffs in Ethanol, Filtrieren und Messen des Farbextrakts im Spektralphotometer (589 nm) Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Mischaufgabe Homogenität: Methoden zur Überprüfung Analysen von Einzelproben Statistische Auswertung der Analysenwerte • Mittelwert • Standardabweichung • Variationskoeffizient (Mischgütemaß) Einflussparameter: Mischzeit Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Mischaufgabe Homogenität: Methoden zur Überprüfung Mischzeitbestimmung Soll-/Istwert Vergleich Beurteilung der Arbeitsgenauigkeit und Effektivität des Mischers Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Probleme Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen Probleme • Inhomogenitäten • Entmischungen / Verschleppungen • Klumpenbildung • Flüssigkeitszugabe • Dampfinjektion • Verarbeitung abrasive Mischgüter • Schädigung sensibler Mischgüter • Anbackungen • Entleerung • Reinigungsprobleme Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Probleme – Inhomogenitäten Erforderliche Mischgüte wird nicht in der Mischzeit erreicht Besonders kritische Mischgüter: • Komponenten weisen stark unterschiedliche Dichten auf • Komponenten weisen stark unterschiedliche Partikelgrößen auf • Mischungen mit Minorkomponenten Kontrolle: • Sind die Inhomogenitäten tatsächlich auf den Mischer zurückzuführen ? • Zuführung der Komponenten • Auslass / Restenteerung • weiterführendes Transportsystem • Abpackstation Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Probleme – Inhomogenitäten Erforderliche Mischgüte wird nicht in der Mischzeit erreicht Kontrolle: Eignung des Mischertyps Mischsystem Mischergröße Geometrie Mischwerkzeug Drehzahl Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Typische Probleme Probleme desdes Feststoffmischens Feststoffmischens undund deren deren Lösungen Lösungen in der Lebensmittelindustrie Probleme – Inhomogenitäten Erforderliche Mischgüte wird nicht in der Mischzeit erreicht Kontrolle: Eignung des Mischertyps Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Probleme – Inhomogenitäten Erforderliche Mischgüte wird nicht in der Mischzeit erreicht Einmischen von Minorkomponenten Dosieren Vormischungen Zerkleinern Minorkomponente Trägerstoff auf Vorrat Mischen Vormischen Bezogen auf Batchvolumen des Mischers Lagern Verpacken Weitere Verarbeitung Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Probleme – Inhomogenitäten Erforderliche Mischgüte wird nicht in der Mischzeit erreicht Ursachen zu kurze Mischzeiten • Mischer-Überfüllung • • zu niedrige Mischerfüllung • Verschleiß an Mischwerkzeugen • starke Ansatzbildung an Wandung und Werkzeug • undichte Auslauföffnungen • zu niedrige Drehzahl • ungünstige Flüssigkeitszugabe • Absaugung Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Probleme – Entmischungen / Verschleppungen Entmischungen und Verschleppungen sind vielfach nicht nur ein Mischer- sondern ein Anlagenproblem Ursachen für Entmischungen • geringe Haftmechanismen • extreme Unterschiede der Stoffeigenschaften • lange Transportwege • Anzahl der Überhebungen • Aspiration • Silozellen Ursachen für Verschleppungen • hohe Feinanteile von Zusatzstoffen • Zugabeort der Zusatzstoffe • Verschleiß von Mischwerkzeugen • keine vollständige Mischerentleerung • Verschleiß von Transportelementen Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Probleme – Klumpenbildung Bildung unerwünschter Aggregate, die nicht zerstört werden können Zeit 0 s, Kraft 0 N, Bind. 0 Distinct Element Modeling (DEM) applied for solid mixing simulation Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Probleme – Klumpenbildung Bildung unerwünschter Aggregate, die nicht zerstört werden können Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Probleme – Klumpenbildung Bildung unerwünschter Aggregate, die nicht zerstört werden können Klumpen Zeit 0 s, Kraft 0 N, Bind. 151 Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Probleme – Klumpenbildung Bildung unerwünschter Aggregate, die nicht zerstört werden können Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Probleme – Klumpenbildung Bildung unerwünschter Aggregate, die nicht zerstört werden können Gegenmaßnahmen Vermeiden von Feuchtenestern / Ursache vielfach Kondensationserscheinungen oder Probleme mit der Flüssigkeitsdosierung • Reihenfolgen der Komponentenzugabe ändern • • Mischintensität erhöhen (Drehzahl) • u.U. Einsatz eines Agglomeratzerstörers Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Probleme – Flüssigkeitszugabe Inhomogene Verteilung und Bildung unerwünschter Aggregate, Belegung von Mischwerkzeug und Behälterwand Gegenmaßnahmen Timing – Zeitpunkt der Zugabe in den Mischer → an mehreren Orten in das bewegte bereits gemischte Mischbett • Positionierung der Flüssigkeitsdüsen → verteilt über Mischerraum, nicht auf Mischwerkzeuge, Einbauten und Behälterwand • Nachtropfen vermeiden → geeignete Düsen einsetzen • Mehrdüsensystemen • → unterschiedliche Druckverluste in Zuleitungen vermeiden, sonst keine gleichmäßige Verteilung Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Probleme – Flüssigkeitszugabe Inhomogene Verteilung und Bildung unerwünschter Aggregate, Belegung von Mischwerkzeug und Behälterwand Gegenmaßnahmen • Kontrolle insb. bei Mehrdüsensystemen, dass auch alle Düsen funktionieren • Tropfengrößenverteilung der Flüssigkeit → feine Tropfengrößenverteilung ermöglicht gutes Einmischen Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Probleme – Dampfinjektion (insb. bei kont. Mischern) Unerwünschter Wassereintrag Umsetzung über Düsen im Behälterboden oder über Dampflanzen Problem • Wassereintrag über Kondensationserscheinungen in der Dampfzuleitung • • Verkleben der Dampfdüsen Klumpenbildung im Produkt Gegenmaßnahmen • Möglichkeit zum Ausblasen der Düsen vorsehen • Allgemein: Ausblasen des Behälters ist von Vorteil • Dampfversorgung mit Kondensatabscheider • Im Vorfeld benötigte Dampfmenge kalkulieren– wieviel Feuchtigkeit wird ins Produkt eingetragen Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Probleme – Verarbeitung abrasive Mischgüter Schädigung des Mischers insb. der Mischwerkzeuge Gegenmaßnahmen • Werkstoffwahl • Einsatz von Legierungen / Beschichtungen • geringe Drehzahlen, langsame Geschwindigkeiten • stark ineinandergreifende Mischwerkzeuge (Doppelschnecken) vermeiden • sehr große Volumina vermeiden Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Probleme – Schädigung sensibler Mischgüter Schädigung des Mischgutes Gegenmaßnahmen • Gestaltung der Mischwerkzeuge • • • • • • abgerundete Geometrien geringe Steigungen geringe Drehzahlen, langsame Geschwindigkeiten stark ineinandergreifende Mischwerkzeuge (Doppelschnecken) vermeiden enge Spalten zwischen Mischwerkzeug und Behälterwand vermeiden schonender Produktauslass Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Probleme – Anbackungen Ablagerungen im Mischer und an den Mischwerkzeugen Problem • Besonders bei Flüssigkeitszugabe • Schlechtes Reinigungsverhalten • Schlechte Entleerung • Mischer näherungsweise im „Dauereinsatz“ für ein Produkt • Klebrige Materialien Gegenmaßnahmen • Kontrolle !!! • Besondere Kontrolle bei Rezepturen mit Fettzugabe • Ort der Flüssigkeitszugabe • Sofern möglich wandgängige Mischwerkzeuge • Definition einer Reinigungs-Routine Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Probleme – Entleerung Größerer Anteil des Mischgutes Material verbleibt bei Entleerung im Mischer Gegenmaßnahmen • Kontrolle !!! • Auslassgeometrie: möglichst groß Förderrichtung des Mischers beachten Pflugscharmischer Wendelmischer Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Probleme – Entleerung Größerer Anteil des Mischgutes Material verbleibt bei Entleerung im Mischer Gegenmaßnahmen • Kontrolle !!! • Auslassgeometrie: möglichst groß Förderrichtung des Mischers beachten freies Abführen der Mischung gewährleisten • Keine Anbackungen • Wandgängigkeit der Mischwerkzeuge (u.U. wandabstreifende Elemente) • Bei Wechsel der flüssigen Komponenten für Restentleerung der Zuleitung sorgen Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Probleme – Reinigungsprobleme Verschmutzungen im Mischer und an den Mischwerkzeugen Problem • Schlechtes Reinigungsverhalten • Häufiger Produktwechsel Gegenmaßnahmen • Kontrolle !!! • Positionierung der Reinigungsdüsen • Definition einer Reinigungs-Routine – der Bedarf der Reinigung ist festzulegen Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Mischertypen und Praxisbeispiele Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Mischertypen und Praxisbeispiele Horizontal-Mischer Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Mischertypen und Praxisbeispiele Horizontal-Mischer Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Mischertypen und Praxisbeispiele Vertikal-Einwellenmischer Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Mischertypen und Praxisbeispiele Nauta-Mischer Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Mischertypen und Praxisbeispiele Anbackungen Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Mischertypen und Praxisbeispiele Anbackungen Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Mischertypen und Praxisbeispiele Fehlende Restentleerung Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Mischertypen und Praxisbeispiele Flüssigkeitszugabe im Bereich des Agglomeratzerstörers Lödige, Lebensmitteltechnik 2010 Probleme bei: • Zugabe in Stillstand • Nachtropfende Flüssigkeit Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Mischertypen und Praxisbeispiele Planetenrührwerke – umlaufendes, rotierendes Rührwerk Lödige, Lebensmitteltechnik 2010 Schonende Verarbeitung des Mischgutes (Formerhaltung beim Produkt, Sicherheitsaspekte im Non Food Bereich (Pyrotechnik) Verschleißminimierung der Mischwerkzeuge Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Mischertypen und Praxisbeispiele Planetenrührwerke – umlaufendes, rotierendes Rührwerk Einsatz bei der schonenden Verarbeitung von Gewürz/Kräutermischungen • 2 x Mischstation (Standrührwerk, an das Mischbehälter „angedockt“), darüber kann eine quasi-kontinuierliche Betriebsweise umgesetzt werden • 10 x 150 l-Behälter, großer Vorteil bei Chargenwechsel • Hohe Flexibilität • Geringere Investitionskosten als 2 größere fest installierte Mischbehälter mit Planetenrührwerk Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Mischertypen und Praxisbeispiele Kontinuierliche Mischschnecke mit Mikrowellenerhitzung Aufgabe: kombiniertes Mischen und Trocknen Geschlossene Wendel Mikrowelleneinheit Brüdenabzug Gebläse Offene Wendel Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Fazit Kein Universalmischer für alle Probleme verfügbar Planung und Definition der Aufgaben des Mischers bestimmt die spätere Eignung Betriebskontrolle auch bei Standardprozessen gewährleisten Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Vielen Dank Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Probleme – Reinigungsprobleme Eine neue Möglichkeit zur trockenen Reinigung von Anlagen für Backmischungen zur Minimierung der Verschleppung von Allergenen Übertragung eines Reinigungsverfahrens aus der Biotechnologie Verfahren basiert auf wässrigen Lösungen filmbildender Hydrokolloide Einsprühen Mischer mit gefärbter GelatineLösung Trockenphase Entfernen des getrockneten Films Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Probleme – Reinigungsprobleme Eine neue Möglichkeit zur trockenen Reinigung von Anlagen für Backmischungen zur Minimierung der Verschleppung von Allergenen Pflugscharmischer (Typ FM 50, Fa. Gebr. Lödige Maschinenbau GmbH) Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015 Typische Probleme des Feststoffmischens und deren Lösungen in der Lebensmittelindustrie Probleme – Reinigungsprobleme Eine neue Möglichkeit zur trockenen Reinigung von Anlagen für Backmischungen zur Minimierung der Verschleppung von Allergenen 20 Gehalte an Eiklarprotein (ppm) 18 16 14 12 10 8 6 Deutliche Vorteile gegenüber herkömmlicher Trockenreinigung 4 2 0 Ausfegen Ausfegen + Saugen ohne +Tween80 +Span60 Gelatine I ohne +Tween80 +Span60 Gelatine II Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. Quakenbrück 04.11.2015
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