DE102004041149A1

DE102004041149A1 - Verfahren zum Regeln einer Extrudatströmung in einem Kühlwerkzeug

Info

Publication number: DE102004041149A1
Application number: DE102004041149A
Authority: DE
Inventors: David Alexander; Kevin Rees
Original assignee: Mars Inc
Current assignee: Mars Inc
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2004-08-25
Publication date: 2005-07-28
Also published as: JP2005130852A; GB0419182D0; GB2406541B; US20050048179A1; GB2406541A

Abstract

Verfahren zum Modulieren der Störung eines Fluidextrudats, wenn es durch einen oder mehrere Produktkühlkanäle in einem Extruderkühlwerkzeug strömt, wobei das Kühlwerkzeug die Strömung eines Kühlmittels durch einen oder mehrere Kühlmittelströmungskanäle von einem Kühlmitteleinlasspunkt zu einem Kühlmittelauslasspunkt verwendet, wobei zumindest einer der Kühlmittelströmungskanäle in thermischer Nähe zu zumindest einem dazugehörigen Produktkühlkanal angeordnet ist, um ein Kühlen des Extrudats von einer Extrudateinlasstemperatur auf eine Extrudatauslasstemperatur zu bewirken.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Extrusion von Nahrungsmittelprodukten, insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Regeln der Strömung eines Extrudats, das in den Kanälen eines mehrkanaligen Kühlwerkzeugs strömt.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

In der kommerziellen Nahrungsmittelherstellung, insbesondere in der kommerziellen Tiernahrungsmittelherstellung, ist es häufig erwünscht, eine kostengünstige Fleischnachbildung zum Einschließen in eine Nahrungsmittelmatrix herzustellen, um zu gewährleisten, dass das Nahrungsmittel eine authentische, "fleischartige" Erscheinung hat, ohne dass die hohen Rohmaterialkosten auftreten, die mit Muskelfleisch verbunden sind. Ein besonders effektives Verfahren zum Herstellen derartiger Fleischnachbildungen ist in der WO 00/69276 von Effem Foods Pty Ltd. offenbart. Das dort beschriebene Verfahren umfasst die Verwendung eines Kühlwerkzeugs, um eine allmähliche Verfestigung eines hochfeuchten, auf Eiweiß basierenden Extrudats herbeizuführen, wodurch eine "faserige", innere Struktur erzeugt wird.

Die kommerzielle Verwendung von Kühlwerkzeugen in hochfeuchten Extrusionsanwendungen ist natürlich dadurch begrenzt, dass derartige Kühlwerkzeuge dazu tendieren, größere Extrudatströmungsraten nicht bewältigen zu können, die benötigt werden, wenn ein kommerziell brauchbares Nahrungsmittelprodukt hergestellt wird, z. B. eine Extrudatströmungsrate von mehr als 200 kg eines Produktes pro Stunde und pro Extrusionseinheit.

Um dieses Problem zu lösen, wurde es daher notwendig, die Gesamteffizienz von Extrudatkühlwerkzeugen zu verbessern. Eine derartig verbesserte Entwicklung ist in der WO 01/49474 von Effem Foods Pty Ltd. offenbart. Diese Druckschrift offenbart ein mehrkanaliges Kühlwerkzeug, mit dem ein texturiertes, hochfeuchtes Extrudat bei Gesamtmassenströmungsraten von ungefähr einer Tonne pro Stunde und pro Extrusionseinheit hergestellt werden kann.

Ein mögliches Problem tritt jedoch bei mehrkanaligen Kühlwerkzeugen auf, wenn ein einzelner Produktstrom, der den Extruder verlässt, in eine Vielzahl von einzelnen Strömen bei Eintritt in das Kühlwerkzeug aufgeteilt wird. Die Produktqualität, die in jedem der Extrudatkühlkanäle erreicht werden kann, hängt zu einem großen Teil davon ab, in wieweit eine relativ gleichmäßige Verteilung von Strömungsraten zwischen jedem der einzelnen Kanäle und innerhalb jedes einzelnen Kanals gewährleistet ist. Während des Betriebs eines mehrkanaligen Werkzeugs, das gemäß der WO 01/49474 hergestellt worden ist, ist bemerkt worden, dass Variationen der Extrudatströmungsrate in jedem einzelnen Kanal des Kühlwerkzeugs dazu tendieren können, zu variieren, insbesondere wenn große Strömungsraten verwendet werden. Dies liegt daran, dass, wenn die Strömung eines Extrudats in einem der Kanäle reduziert ist, dieses Extrudat eine zusätzliche Kühlung erfährt, wodurch die Viskosität zunimmt und die Strömungsrate weiter abnimmt. Der zusätzliche Staudruck, der in diesem Kanal erzeugt wird, tendiert dazu, eine erhöhte Strömungsrate in anderen Kanälen zu verursachen. Dies bedeutet, dass das Extrudat, das in diesen anderen Kanälen strömt, einen Mangel an Kühlung erfährt, und die Viskosität dieses Extrudats nimmt ab, wodurch wiederum eine weitere Erhöhung der Strömungsrate ermöglicht wird. Dies tendiert dazu, ein inhärent instabiles System zu erzeugen.

Dies kann die Produktqualität negativ beeinflussen. Ein Extrudat, das zu langsam durch das Werkzeug hindurch strömt, könnte das Ziel, die gewünschte innere Struktur zu entwickeln, nicht erreichen, da die zu starke Kühlung zu einem Extrudat führt, das zu dicht ist, weniger gestreift ist und als Konsequenz weniger "fleischartig" aussieht. Ein Extrudat, das zu schnell durch das Werkzeug hindurch strömt, könnte das Ziel, ausreichend gekühlt zu werden, nicht erreichen, und könnte in der Konsequenz beim Austritt aus dem Kühlwerkzeug "aufgeblasen" werden, wobei wegen der zu stark erweiterten inneren Struktur eine weniger "fleischartige" Struktur hergestellt wird, was zu einer "rauhen" Erscheinung mit höheren Feinegraden führt. Eine inkonsistente Strömung kann zu einer inakzeptablen Variation der Schnittlänge der Extrudatstücke beim Austreten aus dem Kühlwerkzeug führen. Wenn sich ein Extrudat langsam bewegt, ergeben sich kurze Klumpen oder Stücke mit vermehrten feinen Strukturen. Wenn sich ein Extrudat in den Kanälen schnell bewegt, ergeben sich übermäßig große Stücke.

Ein bekanntes Verfahren, die Strömung von Fluidmaterialien zu regulieren, ist, deren Volumen- oder Massenströmungsrate dynamisch zu messen, mit einem vorbestimmten Sollwert zu vergleichen und den Fluidstrom unmittelbar physikalisch zu beeinflussen, um jede Abweichung zu korrigieren, bspw. mit einem Steuerventil.

Wenn Nahrungsmittelextruder und Kühlwerkzeuge angewendet werden, kann dieser Ansatz sehr schwierig zu implementieren sein. Eine Messung der Strömung eines Materials, das sich allmählich verfestigt, bei einer erhöhten Temperatur und einem erhöhten Druck, kann nicht auf eine Art erfolgreich durchgeführt werden, die eine wirtschaftlich sinnvolle Anwendung auf eine Nahrungsmittelextrusion erlauben würde. Dies trifft besonders im Zusammenhang mit einem mehrkanaligen Kühlwerkzeug zu, bei dem jeder Kanal möglicherweise eine eigene Kontrolle und Steuerung benötigt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines praktikablen Verfahrens zum Ausführen einer aktiven Strömungssteuerung für das Extrudat, das durch ein mehrkanaliges Kühlwerkzeug hindurch strömt, um einige oder alle Probleme, die oben genannt worden sind, anzugehen.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Modulieren der Strömung eines fluiden Extrudats, wenn es durch einen oder mehrere Produktkühlkanäle in einem Extrudatkühlwerkzeug strömt, bereitgestellt, wobei das Kühlwerkzeug die Strömung eines Kühlmittels durch einen oder mehrere Kühlmittelströmungskanäle verwendet, von einem Kühlmitteleinlasspunkt zu einem Kühlmittelauslasspunkt, und wobei zumindest einer der Kühlmittelströmungskanäle in thermischer Nähe zu zumindest einem dazugehörigen Produktkühlkanal angeordnet ist, um ein Abkühlen des Extrudats von einer Extrudateinlasstemperatur zu einer Extrudatauslasstemperatur zu bewirken, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Messen der Temperatur des Kühlmittels an dem Kühlmittelauslasspunkt,
Vergleichen dieser Temperatur mit einem vorbestimmten Erwartungswert, der eine Funktion von zumindest einem der folgenden Größen ist: Extrudatströmungsrate, Extrudateinlasstemperatur, Kühlmitteleinlasspunkttemperatur und Kühlmittelströmungsrate,
Bewirken, dass zumindest eine Variable nach oben oder nach unten justiert wird, um die Extrudatströmungsrate zu modulieren, um den vorbestimmten Erwartungswert zu erreichen, wobei die Variable entweder die momentane Kühlmittelströmungsrate oder die Kühlmitteleinlasspunkttemperatur ist.

Bevorzugt wird das Kühlmittel bei einer im Wesentlichen konstanten Einlasspunkttemperatur zugeführt, und die Kühlmittelströmungsrate wird nach oben oder nach unten justiert, um die Extrudatströmungsrate zu modulieren, um den vorbestimmten Erwartungswert zu erreichen.

Alternativ kann das Kühlmittel mit einer im Wesentlichen konstanten Strömungsrate zugeführt werden, und die Kühlmitteleinlasspunkttemperatur wird nach oben oder nach unten justiert, um die Extrudatströmungsrate zu modulieren, um den vorbestimmten Erwartungswert zu erreichen.

Ein Vorteil dieses Verfahrens ist, dass es ermöglicht, ein gewisses Maß an Extrudatströmungssteuerung auszuüben, insbesondere in jedem einzelnen Produktkühlkanal oder alternativ in einer Gruppe derartiger Kanäle, ohne dass die tatsächliche Strömungsrate in jedem derartigen Kanal, eine Viskosität oder eine andere rheologische Eigenschaft des Extrudats direkt gemessen werden müssen, was sehr schwierig oder nicht praktikabel sein kann. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Wirkung des Kühlwerkzeugs dazu führt, dass sich das Extrudat an dem Austrittspunkt des Werkzeugs zumindest teilweise verfestigt, wodurch eine konventionelle Strömungsmessung sehr schwierig wird.

Dies wird mittels der erfinderischen Erkenntnis ermöglicht, dass die Temperatur des Kühlmittels, das benachbart zu einem Extrudatströmungskanal (d. h. zu einem Produktkühlkanal) strömt, dazu tendiert, mit der Strömungsrate des Extrudats in jedem gegebenen derartigen Kanal in Beziehung zu stehen.

Die Erfindung ermöglicht es daher dem Extruder-/Kühlwerkzeugsteuerungssystem, zu detektieren, wo in einem oder mehreren Extrudatkühlkanälen aufgrund einer Blockade oder ähnlichem eine schwache Extrudatströmung vorhanden ist, die durch eine niedrige Kühlmittelauslasstemperatur für den jeweiligen dazugehörigen Kühlmittelströmungskanal oder für die jeweiligen dazugehörigen Kühlmittelströmungskanäle charakterisiert ist, oder wo in einem oder mehreren Extrudatkühlkanälen aufgrund eines Strömungsanstiegs eine starke Extrudatströmung vorhanden ist, die durch eine hohe Kühlmittelauslasstemperatur charakterisiert ist. Des Weiteren gibt das erfindungsgemäße Verfahren eine Lösung für diese Situationen an, wobei durch eine zunehmende Kühlmittelströmung oder durch eine abnehmende Kühlmitteltemperatur in einem oder mehreren Kühlmittelströmungskanälen, die dazu bestimmt sind, jeweils einen gegebenen Produktkühlkanal zu kühlen, die Extrudatverfestigung unterstützt werden kann, wodurch die übermäßige Strömung des Extrudats in dem oder den Kanälen, in denen das Extrudat strömt, vermindert wird, oder wobei durch eine abnehmende Kühlmittelströmung oder durch eine zunehmende Kühlmitteltemperatur eine Verfestigung des Extrudats eingeschränkt werden kann, wodurch die Extrudatströmung erhöht wird.

Für Anwendungen, bei denen eine Strömungssteuerung in jedem einzelnen Produkt(Extrudat)-Kühlkanal logistisch schwierig oder unerschwinglich teuer ist, wird eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung bereitgestellt, wobei, wenn ein mehrkanaliges Kühlwerkzeug mit einer großen Anzahl von Extrudatkanälen vorhanden ist, einzelne Kühlmittelströme für eine vorbestimmte Anzahl von einzelnen Kühlwerkzeugzonen bereitgestellt werden, wobei jede Zone eine vorbestimmte Anzahl von einzelnen Extrudatkanälen enthält und wobei das erfinderische Verfahren auf jede Zone mittels ihres jeweiligen Kühlmittelstromes angewendet wird. Eine derartige Anordnung ermöglicht Extrudatströmungen, die in weiten Bereichen des Werkzeugs relativ angeglichen sind. Natürlich kann es sein, dass Ströme entlang einzelner Extrudatkühlkanäle innerhalb jedes Bereiches nicht angeglichen sind, aber diese Ausführungsform ermöglicht eine gute Gesamtsteuerung der Extrudatströmung, ohne das möglicherweise teure und unpraktische Erfordernis, eine große Anzahl von einzelnen Produktkühlkanälen zu steuern.

Beispielsweise kann es bei einem mehrkanaligen Kühlwerkzeug, das 24 einzelne Extrudatkühlkanäle aufweist, sinnvoll sein, ein Kühlmittelströmungskanalsystem oder -gitter bereitzustellen, um sechs Gruppen von vier benachbarten Kanälen zu kühlen und um das erfinderische Verfahren unabhängig auf jede der sechs Gruppen anzuwenden. Alternativ kann jede geeignete Kombination verwendet werden, wie bspw. vier Gruppen von jeweils sechs Kanälen, acht Gruppen von jeweils drei Kanälen etc..

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein mehrkanaliges Kühlwerkzeug bereitgestellt, das eine Anordnung zum Modulieren einer Extrudatströmung aufweist, die einer der oben beschriebenen Anordnungen entspricht.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein System zum Modulieren der Extrudatströmung bereitgestellt, das das erfindungsgemäße Verfahren ausführt.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung stellt die Erfindung ein extrudiertes Nahrungsmittelprodukt bereit, das mit Hilfe eines Kühlwerkzeugs hergestellt worden ist, das eine Anordnung zum Modulieren einer Extrudatströmung aufweist, das einer der oben beschriebenen Anordnungen entspricht.

Jetzt wird anhand eines speziellen, nicht einschränkenden Beispiels eine bevorzugte, erfindungsgemäße Ausführungsform eines Verfahrens zum Modulieren einer Extrudatströmung in einem mehrkanaligen Kühlwerkzeug beschrieben. Ausgehend von der folgenden Beschreibung sind weitere bevorzugte und optionale Merkmale der Erfindung offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Draufsicht auf ein aus dem Stand der Technik bekanntes, mehrkanaliges Kühlwerkzeug, auf das die vorliegende Erfindung angewendet werden kann.
2 ist ein Querschnitt des Kühlwerkzeugs aus 1 entlang der Linie A-A, der Details des Kühlfluidpfades an der Endplatte (Kühlmittelverteilungsplatte) des Kühlwerkzeugplattenstapels zeigt.
3 ist ein Querschnitt des Kühlwerkzeugs aus 1 entlang der Linie B-B, der die Anordnung von Extrudatströmungskanälen und die Kühlmittelströmungslöcher zeigt.
4 ist eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Steuerungsanordnung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1 zeigt ein mehrkanaliges Kühlwerkzeug von einer Art, die gestapelte Platten aufweist, zum Befestigen an einem Nahrungsmittelextruder, das dem in der WO 01/49474 von Effem Foods Pty Ltd. offenbarten Kühlwerkzeug entspricht.
Die Werkzeuganordnung 10 umfasst im Wesentlichen einen mehrteiligen Werkzeugkörper 12, der aus einer Vielzahl (hier 18) von scheibenförmigen, dicken, identisch ausgebildeten Metallplatten 14 aufgebaut ist, eine Kühlmitteleinlass- (d. h. Kühlfluideinlass) -Kopfplatte (oder -Verteilungsplatte) 16 an dem axialen Einlassende des Werkzeugkörpers 12, eine Kühlmittelauslass-Kopfplatte (oder -Verteilungsplatte) 18 an dem axialen Auslassende und Verbindungs- und Übergangsstrukturen, um das Werkzeug 10 an einen Aufnahmeflansch an dem Extruderauslass (fiktiv durch eine gestrichelte Linie 11 dargestellt) zu befestigen und um die einzelnen Platten 14 des Werkzeugkörpers zusammenzuspannen.
Insgesamt vierundzwanzig Extrudatströmungskanäle erstrecken sich axial und parallel zueinander zwischen dem Einlassende des Werkzeugkörpers 12 und dem Auslassende desselben, wobei Teilabschnitte der Extrudatströmungskanäle durch Löcher oder "Teilkanäle" gebildet sind, die sich durch jedes der Plattenteile 14 hindurch erstrecken, die den Werkzeugkörper 12 bilden. 3 zeigt im Querschnitt eine der Kühlwerkzeugplatten 14, die, wenn sie gestapelt und zusammengespannt sind, den Kühlwerkzeugkörper 12 bilden. Die Löcher, die die Extrudatströmungskanäle bilden, sind mit 20 bezeichnet. Die Extrudatströmungskanäle 20 weisen einen identischen Querschnitt auf, der näherungsweise rechtwinklig mit abgerundeten Kanten (oder in der Form von langen bzw. länglichen Löchern) ausgebildet ist. Die Hauptabmessung oder Höhe des Kanals 20 erstreckt sich in einer im Wesentlichen radialen Richtung ausgehend von der zentralen Achse des Werkzeugkörpers 12 und ist zumindest 2.5 mal so groß wie die Breite derselben. Die vierundzwanzig Extrudatströmungskanäle sind in Umfangsrichtung der Plattenteile 14 äquidistant angeordnet.
Wie sich der 3 des Weiteren entnehmen lässt, ist eine Vielzahl von Löchern 22 in jeder Werkzeugkörperplatte 14 in einem regelmäßigen Muster eingearbeitet, wobei sich die Löcher durch jede Werkzeugkörperplatte 14 hindurch erstrecken und zwischen benachbarten Extrudatströmungskanälen 20 angeordnet sind und wobei insgesamt vier Löcher pro Reihe radial beabstandet voneinander angeordnet sind. Wenn die einzelnen Werkzeugplatten 14 gestapelt sind, bilden diese Löcher 22 eine Vielzahl von Kühlmittelströmungskanälen, die sich parallel zueinander zwischen dem Produkteinlassende und dem Produktauslassende des Werkzeugkörpers 12 erstrecken.
Wie oben bemerkt, sind an jedem Ende des Kühlwerkzeugkörpers 12 Kühlfluidkopfplatten 16, 18 (d. h. Kühlmittelkopfplatten) angeordnet, die die Abschlussenden für die Kühlmittelströmungskanäle 22 an der Produkteinlasseite und an der Produktauslassseite der Werkzeuganordnung 10 bilden. Diese sind im Wesentlichen spiegelbildlich gleich zueinander, wobei der einzige Unterschied ihre Position bezügl. der Extrudatströmung durch das Kühlwerkzeug hindurch, d. h. durch die Einlassendplatte und die Auslassendplatte hindurch, ist. Da diese Endplatten 16, 18 außerdem die Funktion ausüben, ein Kühlmittel ausgehend von einer einzelnen Quelle auf die einzelnen Kühlmittelströmungskanäle 22 der Werkzeugplattenanord nung 12 zu verteilen oder ein derartiges Kühlmittel aufzunehmen, werden sie hier auch als Verteilungs(end)platten 16, 18 bezeichnet.
In 2, die schematisch und im Querschnitt eine derartige Kühlmittelkopfplatte 16 zeigt, sind insgesamt vierundzwanzig sich radial erstreckende Kühlmittel-Zuführ-/Ausström-Löcher 24 dargestellt, die sich von den jeweiligen Verbindungsarmaturen 25, die in regelmäßigen Abständen entlang der Umfangsfläche der scheibenförmigen Verteilerplatte 16 angeordnet sind, in Richtung der Mitte derselben erstrecken und die beabstandet von derselben enden. Jedes Zuführ-/Ausström-Loch 24 steht mit insgesamt vier Kühlmittelströmungslöchern 22' in Strömungsverbindung, die nur von einer Seite axial in die Verteilerplatte 3 eingearbeitet sind. Die Blindlöcher 22' sind so geformt, dass sie dem Querschnitt, dem Anordnungsmuster und der Position der Kühlmittelströmungskanäle 22 entsprechen, die in den Kühlwerkzeugplatten 14 ausgebildet sind (vergleiche 3), mit denen sie ausgerichtet sind, wenn die Platten 14, 16, 18 gestapelt sind.
Wie des Weiteren in 2 zu sehen ist, weist auch die Verteilerplatte 16 (genauso wie 18) vierundzwanzig Langlöcher 20' auf, die in einem Muster angeordnet sind und eine Größe aufweisen, die dem Muster und der Größe der Extrudatströmungskanäle 20 der Kühlwerkzeugplatte 14 (und des Kühlwerkzeugkörpers 12) entsprechen, mit denen sie ausgerichtet sind, wenn das Werkzeug zusammengebaut ist.
Im Stand der Technik weist eine Kühlmittelmehrfachverteilerstruktur 26 insgesamt zwölf Verbindungsarmaturen 27 auf, die an einem gemeinsamen Zuführ-/Ausströmrohr 29 befestigt sind. Das Rohr 29 ist mittels einer Klammer 30 an der oberen Seite der Verteilungsplatte 16 (und 18) oder an einer anderen geeigneten Komponente der Kühlwerkzeuganordnung befestigt. Insgesamt vierundzwanzig Kühlmittelleitungen 28 verbinden die Verbindungsarmaturen 25 und 27, wodurch eine Mehrfachzuführung eines Kühlmittels durch einen einzelnen Einlass zu vierundzwanzig einzelnen Kühlmittelzuführrohren 24 an der Einlassendplatte 16 ermöglicht wird. Die gleiche Konfiguration ist an der Auslassendeverteilerplatte 18 vorhanden.
Während die Produktionsvorrichtung betrieben wird, strömt geschmolzene Lava (d. h. ein Extrudat) von dem Extruder durch den Extruderauslass hindurch in ein Befestigungsflanschstück 13 und durch eine Extrudatverteilungsplatte 15 (d. h. durch eine Extrudatübergangsplatte) hindurch, bevor es durch die Kühlmittelverteilungs(end)platte 16 hindurch und in das erste der Kühlplattenteile 14 hinein strömt. Die Extrudatströmung ist über alle Produktkanäle 1 gleichmäßig verteilt, da jeder Produktpfad die gleiche Länge aufweist. Wenn das Extrudat in die erste der gestapelten Kühlplatten 14 hineingeströmt ist, strömt es durch die Extrudatströmungskanäle 20 hindurch, die durch die einzelnen aneinander befestigten Kühlplatten ausgebildet sind, bevor es das Kühlwerkzeug durch die Auslasskühlfluidverteilungsplatte 18 verlässt. Die Gesamtanzahl an Kühlungsplatten 14 kann entsprechend der Wärmeübertragungsfläche, die für das spezielle Produkt erforderlich ist, variieren.
Es ist offensichtlich, dass die thermische Nähe der Extrudatströmungskanäle zu den Kühlmittelströmungskanälen, d. h. ihre physikalische Nähe und ihre Trennung durch einen relativ kleinen Bereich eines thermisch leitenden Materials, zu der Wärmeübertragung von dem Extrudat zu dem Kühlmittel beiträgt. Dies führt dazu, dass, einhergehend mit einem Anstieg der Kühlmitteltemperatur, die Extrudattemperatur fällt. Effektiv wird die Energiemenge, die das Extrudat entlang der Länge des Extrudatkanals verloren hat näherungsweise gleich der Energiemenge sein, die die thermisch benachbarten Kühlmittelströme gewonnen haben.
Der Erfinder hat des Weiteren bemerkt, dass, wenn ein Extrudat in dem Extrudatkanal mit einer konstanten Rate F_E strömt, bei einer Temperatur T_EI einströmt und bei einer Temperatur T_EO ausströmt, in thermisch benachbarten Kühlmittelkanälen ein damit einhergehender Anstieg der Kühlmitteltemperatur von T_CI nach T_CO für eine gegebene konstante Kühlmittelströmung F_C vorhanden ist. Es ist außerdem bemerkt worden, dass die Energiemenge, die von dem Extrudat in dem Werkzeug selbst transferiert werden kann, zum Teil von der Zeitdauer abhängt, die jedes gegebene Extrudatelement in thermischer Nähe zu dem Kühlmittel verbleibt, was wiederum von F_E abhängt.
Wenn die Strömungsrate des Extrudats durch den Kanal F_E vermindert ist, dann wird das Extrudat länger in thermischer Nähe zu dem Kühlmittel bleiben, wobei T_EO reduziert wird. Dies führt dazu, dass die Energieübertragungsrate zu dem Kühlmittel abnimmt, da die Temperaturantriebskraft zwischen T_E und der Kühlmitteltemperatur T_C reduziert ist. Daher wird T_CO abnehmen. Wenn die Extrudatströmungsrate durch den Kanal F_E erhöht ist, dann verbleibt das Extrudat eine kürzer Zeit in thermischer Nähe zu dem Kühlmittel und T_EO wird erhöht werden. Dies führt dazu, dass die Energieübertragungsrate zu dem Kühlmittel ansteigt, da die Temperaturantriebskraft zwischen T_E und T_C erhöht ist. Dies verursacht, dass T_CO erhöht wird. Dieses Prinzip ermöglicht, dass die Strömungsveränderung des Extrudats in einzelnen Kanälen detektiert wird. Es ist außerdem bemerkt worden, dass ein Anstieg der Strömung von Kühlwasser, die Energieübertragungsrate von dem Extrudat erhöht, aber dass der Kühlwassertemperaturanstieg aufgrund der reduzierten Zeit, die das Kühlwasser in thermischer Nähe zu dem Extrudat verbleibt, niedriger ist. Dies wird dazu tendieren, eine niedrigere Kühlmitteltemperatur entlang der Länge des Kühlmittelstromes beizubehalten. Daher wird eine zunehmende Kühlmittelströmungsrate dazu tendieren, eine schnelle Verfestigung des Extrudats zu verursachen, wenn es durch das Werkzeug fließt, was wiederum dazu tendieren wird, F_E zu reduzieren.
Es ist daher jetzt möglich, F_E durch Anheben oder Senken von F_E als Antwort auf Veränderungen von T_CO zu modulieren.
Dies kann praktisch in einem arbeitsfähigen mehrkanaligen Kühlwerkzeug gemäß des schematischen Flussdiagramms, das in 4 gezeigt ist, implementiert werden. In diesem Beispiel ist ein Kühlmittel gezeigt, das entgegengesetzt zur Extrudatströmung strömt.
Temperatursensoren, die an dem Kühlmittelauslass angeordnet sind, detektieren für jeden Kühlmittelstrom T_CO. Wenn der Wert für T_CO einen Sollwert übersteigt, wodurch ein Anstieg der Extrudatströmung F_E angezeigt wird, betätigt eine Steuerungseinrichtung, wie bspw. eine programmierbare Logiksteuerung (engl. programmable logic controller, PLC), einen Strö mungssteuerungsmechanismus FC, wie bspw. ein Magnetventil, das in dem Kühlmittelstrom vor der Stelle angeordnet ist, an der das Extrudat in das Kühlwerkzeug eintritt, um die Kühlmittelströmung F_C zu erhöhen. Dies fördert ein Abnehmen von F_E. Wenn T_CO unterhalb eines Sollwertes liegt, wodurch eine Abnahme der Extrudatströmung F_E angezeigt wird, betätigt die Steuerungseinrichtung die Strömungssteuerungseinrichtung, damit die Kühlmittelströmung F_C abnimmt, wodurch eine Zunahme von F_E gefördert wird.
Es werden natürlich experimentelle Standarddaten benötigt, um den Zielwert für T_CO zu bestimmen. Es ist offensichtlich, dass dieser Wert für jeden einzelnen Satz von Prozessbedingungen unterschiedlich sein wird, da er notwendiger Weise mit Veränderungen von F_E, F_C, T_CI und möglicher Weise mit Veränderungen von thermodynamischen Eigenschaften und von Fließeigenschaften unterschiedlicher Materialien variieren wird.
Es ist bspw. gefunden worden, dass für das Kühlen von Extrudatmaterial von der Art, wie sie in WO 01/49474 offenbart ist, mittels einer Einrichtung, die darin offenbart ist, der Zielwert für T_CO nährungsweise 50 C° sein wird, wenn die Prozessbedingungen durch folgende Werte gegeben sind:
F_E = 42 kg/h
F_C = 70 kg/h
T_CI = 20 °C
In einer alternativen Ausführungsform, insbesondere wenn die Anwendung einzelner Steuerungsschleifen auf jeden Extrudatkanal schwierig oder unökonomisch ist, ist es möglich, ein brauchbares Maß an Strömungssteuerung zu erhalten, wenn das gesamte Kühlwerkzeug in Steuerungszonen aufgeteilt ist, die aus einer Gruppe von Extrudatkanälen bestehen, und wenn das Verfahren zur Strömungssteuerung auf die Gruppe angewendet wird und nicht auf jeden Kanal einzeln.
Wenn bspw. 24 einzelne Extrudatströmungskanäle in einer kreisförmigen Anordnung um eine Achse des mehrkanaligen Kühlwerkzeugs vorhanden sind, kann es zufriedenstellend sein, dass Werkzeug in sechs Segmente von jeweils vier Extrudatkanälen "aufzuteilen". Eine Kühlmittelströmung, die parallel durch sechs einzelne Strömungssteuerungseinrichtungen strömt, kann auf die thermisch benachbarten Kühlmittelkanäle gerichtet sein, die zu den vier Extrudatkanälen in jedem der sechs Segmente des Werkzeugs korrespondieren. Das Kühlmittel, das einem einzelnen Segment zugeführt worden ist, kann sich, wenn es durch das Werkzeug strömt, wieder vereinigen, und T_CO kann gemessen werden. Die resultierende Temperaturmessung kann dann verwendet werden, um die Strömungssteuerungseinrichtung zu betätigen, die zu diesem bestimmten Segment des Werkzeugs korrespondiert. Natürlich weist eine derartige Anordnung nicht die Sensitivität einer Anordnung auf, bei der für jeden Extrudatkanal eine individuelle Rückkopplungssteuerungsschleife spezifiziert ist. Die praktische Erfahrung zeigt jedoch, dass ein derartiges System eine kostengünstige Alternative ist, die dennoch wesentlich zur effektiven Produktqualitätssteuerung beiträgt.
Es ist für einen Fachmann offensichtlich, dass eine erfindungsgemäße Steuerungsanordnung, die oben nur beispielhaft erläutert worden ist, auf ein arbeitsfähiges mehrkanaliges Kühlwerkzeug auf eine Vielzahl unterschiedlicher Arten angewendet werden kann, ohne den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Es gibt bspw. unzählige Möglichkeiten, Temperatursensoren, Strömungssteuerungseinrichtungen und eine Steuerungshardware auszuwählen. Das Gleiche gilt für ihre genaue Positionierung und Anordnung. Auch kann das erfinderische Verfahren auf einen weiten Bereich von mehrkanaligen Kühl- oder Heizeinrichtungen angewendet werden, die aufgrund ihrer Funktionsprinzipien geeignet sind, z. B. auf die longitudinal angeordnete Einrichtung, die in der WO 03/004251 offenbart ist. Auch kann das erfinderische Verfahren auf eine im Grunde unbegrenzte Anzahl von Extrudaten angewendet werden, die aufgrund ihrer Eigenschaften geeignet sind.
Außerdem kann, wenn das obige Beispiel die Modulation der Strömungsrate eines Kühlmittels umfasst, das bei einer im Wesentlichen konstanten Temperatur zugeführt wird, die Erfin dung gleichermaßen durch ein System verwirklicht werden, das die Zufuhr eines Kühlmittels mit einer konstanten Strömungsrate umfasst und in dem die Kühlmitteltemperatur variiert wird, um die gewünschte Wirkung auf die Fließeigenschaften eines Extrudats zu erzeugen.

Claims

Verfahren zum Modulieren der Strömung eines fluiden Extrudats, wenn es durch einen oder mehrere Produktkühlkanäle in einem Extrudatkühlwerkzeug strömt, wobei das Kühlwerkzeug die Strömung eines Kühlmittels durch einen oder mehrere Kühlmittelströmungskanäle von einem Kühlmitteleinlasspunkt zu einem Kühlmittelauslasspunkt verwendet, wobei zumindest einer der Kühlmittelströmungskanäle in thermischer Nähe zu zumindest einem dazugehörigen Produktkühlkanal angeordnet ist, um ein Kühlen des Extrudats von einer Extrudateinlasstemperatur auf eine Extrudatauslasstemperatur zu bewirken, mit folgenden Schritten: Messen der Temperatur des Kühlmittels an dem Kühlmittelauslasspunkt, Vergleichen dieser Temperatur mit einem vorbestimmten Erwartungswert, der eine Funktion von zumindest einer der folgenden Größen ist: Extrudatströmungsrate, Extrudateinlasstemperatur, Kühlmitteleinlasspunkttemperatur und Kühlmittelströmungsrate, Bewirken, dass zumindest eine Variable nach oben oder nach unten justiert wird, um die Extrudatströmungsrate zu modulieren, um den vorbestimmten Erwartungswert zu erreichen, wobei die Variable entweder die momentane Kühlmittelströmungsrate oder die Kühlmitteleinlasspunkttemperatur ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel bei einer im Wesentlichen konstanten Einlasspunkttemperatur zugeführt wird und dass die Kühlmittelströmungsrate entweder nach oben oder nach unten justiert wird, um die Extrudatströmungsrate zu modulieren, um den vorbestimmten Erwartungswert zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel bei einer im Wesentlichen konstanten Strömungsrate zugeführt wird und dass die Kühlmitteleinlasspunkttemperatur nach oben oder nach unten justiert wird, um die Extrudatströmungsrate zu modulieren, um den vorbestimmten Erwartungswert zu erreichen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Extrudatwerkzeug ein mehrkanaliges Kühlwerkzeug ist und dass einzelne Kühlmittelströme einer vorbestimmten Anzahl von einzelnen Kühlwerkzeugzonen zugeführt werden, wobei jede Zone eine vorbestimmte Anzahl von einzelnen Extrudatkanälen enthält und wobei das erfinderische Verfahren auf jede Zone mittels ihres individuellen Kühlmittelstromes angewendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mehrkanalige Kühlwerkzeug 24 einzelne Extrudatkühlkanäle aufweist, wobei die Anzahl an Zonen sechs beträgt und wobei jede Zone vier einzelne Extrudatkanäle aufweist.
Extrudatkühlwerkzeug, das angepasst ist, um das Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche auszuführen.
System zum Modulieren einer Extrudatströmung, das angepasst ist, um das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auszuführen.
Extrudiertes Nahrungsmittelprodukt, das mit Hilfe des Extrudatkühlwerkzeugs nach Anspruch 6 hergestellt ist.
Extrudiertes Nahrungsmittelprodukt, dass mit Hilfe des Systems zum Modulieren einer Extrudatströmung nach Anspruch 7 hergestellt ist.
Verfahren zum Modulieren der Strömung eines Fluidextrudats, wenn es durch einen oder mehrere Produktkühlkanäle in einem Extrudatkühlwerkzeug strömt, im Wesentlichen wie hier unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
Extrudatkühlwerkzeug, das angepasst ist, um das Verfahren nach Anspruch 10 im Wesentlichen so, wie es hier unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben ist, auszuführen.