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Die Erfindung betrifft ein Extrudierverfahren zur Her-
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stellung eines Produktes, insbesondere eines Produktes aus der Gruppe
der expandierten Stärkeprodukte oder der strukturierten Proteinprodukte, wobei in
einem Schneckenextruder auf ein zugeführtes Gut durch Druck, Reibung und eventuell
Wärme eingewirkt wird.
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Diese Produkte sind - besonders problematisch, insbesondere wenn sie
relativ trocken verarbeitet werden, weil ihre Verflüssigung nicht an einem eindeutigen
Punkt stattfindet, wie dies bei Kunststoffen üblich ist, sondern in einem relativ
breiten Bereich.
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Ein solches Verfahren ist aus der DE-AS 12 17 190 bekannt. Bei ihm
ist von. Vorteil, dass Gut mit handelsüblichem Feuchtigkeitsgehalt behandelt werden
kann. Damit entfällt eine spätere Trocknung, oder sie kann auf jeden Fall mit einem
viel geringeren Energieverbrauch erfolgen. Durch eine Kompressionsschnecke wird
das Gut einem ansteigenden Druck unterworfen, wobei im Verlauf der Drucksteigerung
Zonen abfallenden Druckes eingeschaltet werden können.
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Die Zonen abfallenden Druckes erlauben eine gewisse Homogenisierung,.
Vor der Auspressdüse herrscht jedoch ein Druckmaximum, wodurch Instabilitäten des
Druckaufbaus, insbesondere Palsationen entstehen: Die Koppelung vom Druckaufbau
im Extruder und von der Düsencharakteristik ist stark von den Reibungsverhältnissen
in den verschiedenen Aggregatzuständen abhängig, was zu dauernden Wanderungen bzw.
Pendeln der Verflüssigungszone entlang des
Extruders und zu Dimensions
- Variationen des extrudierten Stranges führt. Für ein gegebenes Produkt gibt es
keine Linearität wischen Durchsatzmenge und Drehzahl, sondern eine Kurve, die bei
größerer Drehzahl immer tiefer unter der gewünschten Gerade liegt. Die Qualität
des Produktes ist nicht immer gewährleistet, weil das Jerweilzeitspektrum beträchtliche
Unterschiede für verschiedene Partikel des Produktes aufzeigt: Die grossenVerweilzeitur,terschlede
zwischen schnellen und langsamen Partikeln beruhen darauf, dass im flüssigen Teil,
neben der erwünschten Schleppströlung eine unerwünschte Rückströmung zwischen den
Schneckengängen und dem Gehäuse stattfindet, was für die Homogenität nachteilig
ist.
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Das £rfindungsgemässe Verfahren hat die Aufgabe, bei guter Wirtschaftlichkeit
eine Verbesserung der Qualität und der Konstanz des Produktes zu erreichen. Es soll
eine stabile Strömung durch Vermeidung von Druckpulsationen, ein enges Verweilzeitspektrum,
ein hoher Durchsatz bei relativ kleinem Anlagenaufwand erreicht werden. Ferner soll
das Verfahren als Basis für die Herstellung neuer Produkte dienen.
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Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten
Teil des Extruders der Druck im Gut rasch aufgebaut wird und in einem zweiten Teil
vor der Auspressdüse der Druck zwecks Mischen und Homogenisieren des Gutes weitgehend
verbraucht wird. Es ist vorteilhaft, wenn der maximale Druck im noch nicht verflüssigten
Gut, oder allenfalls kurz nach der Verflüssigung erreicht wird.
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Günstig ist ein maximaler Druck von 100 bis 500 bar, vorzugsweise
200 bis 300 bar,und ein Druck vor der Auspressdüse von 10 bis 100 bar, vorzugsweise
40 bis 60 bar.
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Weil ein Bereich abnehmenden Druckes vor der Auspressdüse vorgesehen
ist, werden Druckpulsationen vermieden. Der rasche Druckaufbau erfolgt im ersten
Teil, wo das Gut noch aus festen Partikeln besteht, so dass hier keine Rückströmung
über die Schnekkengänge entsteht. Im zweiten Teil, wo das Gut verflüssigt ist, gibt
es eine Propfenströmung, weil der Druck'in Richtung fler Auspressdüse abnimmt und
somit keine Rückströmung entsteht.
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Weil der Druckaufbau auf dem kürzesten Weg erfolgt, bleibt der Extruder
kurz. Ein grosser Teil (bis 70 %) der für die Produktumwandlung (Gelatinisierung
oder Strukturierung) erforderlichen Energie wird kurz nach dem Guteinlauf in das
Gut eingebracht, so dass ein relativ kleiner Extruderdurchmesser genügt.
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Weil der Druck in der Einzugszone die Förderung bestimmt, wird die
Charakteristik Drehzahl - Durchsatz linear.
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Der Druckverlauf erlaubt es, im zweiten'Teil des Förderers Flüssigkeit
und/oder Fett zuzugeben, wobei eine viel bessere Homogenisierung als beim bisherigen
Zugeben in die Schnecke oder gar in die Auspressdüse erreicht wird. Dabei können
viel grössere Mengen zugegeben werden, weil im zweiten Teil keine grosse Förderwirkung
des Rotors notwendig ist, so dass eine Herabsetzung des Reibungskoeffizienten des
Gutes keine nachteilige Wirkung auf die Förderung hat.
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Wenn im zweiten Teil des Extruders das Gut in einem schmalen Ringraum
zwischen Rotor und Gehäuse behandelt, in zylindrischer Form extrudiert und nach
dem Austreten aus diesem zylindrischen Raum zu Flocken geschnitten bzw. gebrochen
wird, kann ein viel stärkerer Stärkeaufschluss als z.B. bei gewalzten Flocken
erreicht
werden. Beim neuen Extrudierverfahren entstehen neuartige Flocken, deren Stärkeaufschluss
80 bis 95 % und mehr, vorzugseise 90 % beträgt, und die somit eine beträchtlich
verbesser Verdaulichkeit haben.
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Die Erfindung betrifft auch eine Extrudieranlage mit einem Extruder,
der einen in einem Gehäuse drehenden, vorwiegend als Schnecke gestalteten Rotor
aufweist. Um das erfindungsyemässe Verfahren auszuüben, ist der Rotor vom Guteinlauf
bis zur Auspressdise in mindestens zwei Zonen unterteilt, und zwar in eine Druckaufbauzone
zum raschen Druckaufbau und in eine Druckverbrauch.'one zum Mischen und Homogenisieren
des Gutes vor der Auspressdüse. Zum Druckaufbau ist ein Schneckenteil mit abnehmende
Gangtiefe oder mit abnehmender Gang steigung oder eine Kombination davon vorgesehen.
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Mit Vorteil ist zwischen der Druckaufbauzone und der Druckverbrauchzone
eine Zwischenzone vorgesehen, in welcher im Sinne der Druckaufrecherhaltung wirkende,
- vorzugsweise am Rotor angebrachte Mittel vorhanden sind. Die Zwischenzone erlaubt
es, verschiedene Produkte zu verarbeiten, deren Verflüssigungszonen nicht am gleichen
Ort liegen. Damit werden die Einsatzmöglichkeiten einer Maschine erweitert.Für diese
Zwischenzone ist der Rotor vorteilhaft als Schnecke mit gleichmässiger Gangtiefe
und Gangsteigung ausgebildet.
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Vorteilhaft beträgt das Verhältnis l/d der Länge des Rotors zum inneren
Durchmesser des Gehäuses in der Druckaufbauzone von 2 bis 4, vorzugsweise 3.
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Somit ist dieser Teil relativ kurz. Auch für die Druckverbrauchzone
und die Zwischenzone kann das Verhältnis l/d 2 bis 4, vorzugsweise 3 betragen. Beim
Einhalten dieser Dimensionierungsregeln liegt das Verhältnis l/d für den ganzen
Rotor vom Ende des Gutseinlaufes bis zu Auspressdüse zwischen 4 (ohne Zwischenzone)
und 12. An der Drltckverbrauchzone können ZufUhrmittel für Flüssigkeit und/oder
Fett angeordnet sein.
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Für die Druckverbrauchzone können verschiedene vorteilhafte Ausbildungen
vorgesehen werden, die je nach hauptsächlicher Anwendung der Extrudieranlage vorgesehen
werden: Zum Beispiel kann in der Druckverbrauchzone der Rotor aus einem Stück bestehen,
dessen Querschnitt ein Polygon, vorzugsweise ein Dreieck ist, das an den Kanten
abgeschnitten und dort entsprechend dem Querschnitt des Gehäuses durch Kreisbögen
begrenzt ist.
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In einer weiteren Variante kann in der Druckverbrauchzone der Rotor
zylindrisch mit längs angeordneten Sacknuten ausgeführt sein, wobei die Richtung
der Sacknuten alterniert und wobei die Höhe der Wandung zwischen. einer auf der
Seite des Einlaufs geöffneten, Sacknut und einer auf der Seite. der Auspressdüse
geöffneten Sacknut leicht vermindert ist, um den Uebergang des Gutes von der ersten
zur zweiten Sacknut zu erlauben.
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In einer weiteren Variante kann in der Druckverbrauchzone der Rotor
aus einem zylindrischen Teil bestehen, der mit unterbrochenen Schneckengängen bestückt
ist.
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In einer weiteren Variante kann in der Druckverbrauchzone der Rotor
schneckenförmig mit grosser Ganghöhe ausgebildet sein, wobei zwischen den Schneckengängen
runde Aufsätze am Rotor befestigt sind.
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In einer weiteren Variante kann in der Druckverbrauchzone der Rotor
aus einem zylindrischen Teil bestehen, der viereckige Aufsätze trägt.
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In einer weiteren Variante kann in der Druckverbrauchzone der Rotor
aus Scheiben bestehen, die abwechselnd einen größeren und einen kleineren Durchmesser
aufweisen.
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Eine vorteilhafte Anwendung der Extrudieranlage für expandierte Futtcrmittel
ergibt sich, wenn die Oeffnungen der Auspressdüse durch einen beweglichen Teil begrenzt
sind, der einerseits einer Vorspannung, anderseits dem Druck des Gutes ausgesetzt
ist, derart, dass der Querschnitt der Oeffnungen veränderbar ist und den Druck reguliert.
Eine solche Auspressdüse ist in der schweizerischen Patentanmeldung Nr. 6 721/79-0
vom 19. Juli 1979 beschrieben worden
Für die Herstellung von Flocken kann in der Druckverbrauchzone der Rotor zylindrisch
sein und einen schmalen zylindrischen Spalt mit dem Gehäuse bilden. Die Konstruktion
ist besonders einfach, wenn das Ende des Gehäuses und das Ende des Rotors eine ringförmige
Auspressdüse bilden und wenn eine Brech- bzw.
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Schneidvorrichtung, vorzugsweise ein nach der Auspressdüse am Rotor
befestigtes Messer vorhanden ist.
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Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung
beschrieben; in dieser zeigt: Fiur 1 einen Längsschnitt durch eine erste Variante
des Extruders, Figur 2 eine Draufsicht des Endes des Extruders, Figur 3 einen Schnitt
entlang der Linie III-III der Fig. 1 Figur 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV
der Fig. 1 Figur 5 ein Diagramm des Verlaufs des längs des Extruders der -Fig. 1
im Vergleich mit dem Druckverlauf in einem bekannten Extruder Figur 6 eine Variante
der Druckverbraucherzone des Extruders, Figur 7 zeine Schnitt entlang der Linie
VII-VII der Fig. 6 Figur 8, 9, 10, 11 vier weitere Varianten der Druckverbrauchzone
und Figur 12 einen Längsschnitt durch eine Variante des Extruders, die für die Herstellung
von Flocken verwendet wird.
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Der Extruder 1 der Fig. 1 bis 4 weist ein zylindrisches Gehäuse 2,
auf, in welchem ein Rotor 3 umläuft, der das Gut vom Guteinlauf 5 bis zur Auspressdüse
7 fördert. Zur Bildung dieser Düs,e 7 sind im Gehäuse 2 Schlitze 8 angebracht, in
welchen Rippen 9 axial beweglich sind. Die Rippen 9 sind an einem Kolben 10 befestigt,
der einerseits unter dem Einfluß der Vorspannung von Federn 11 und andererseits
unter dem Einfluß des Druckes des GuteS bei der Düse steht. DUsenöffnungen 12 sind
durch den
Abstand zwischen den Rippen 9 ünd dem^^Enae der SChlitze
8 gebildet.
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Der Rotor 3wird durch nicht dargestellte Mittel am Antriebsvierkant
14 angetrieben. Er ist mit einem Dichtungszylinder 15 versehen. Nach dem Guteinlauf
5 weist der Rotor 2 eine Druckaufbauzone 16 a-wf, die in der dargestellten Ausführungsform
eine Schnecke mit ,ewindegängen 17 ist, bei der dieGangtiefe 18 wegen der Vergrösserung
des Durchmessers des Schneckenkerns 19 in Förderrichtung abnimmt. In dieser Druckaufbauzone
16 sind am Gehäuse 2 Längsnuten 20 zur Erhöhung der Reibung angebracht. Es wäre
möglich, die Kompression in der Druckaufbauzone 16 durch eine abnehmenden Schneckensteigung
zu bewirken oder zu unterstützen.
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Der Druckaufbauzone 16 schliesst sich eine Zwischenzone 22 an, in
welcher der Rotor 2 als Schnecke mit Schneckengängen 24 ausgebildet ist. Der Durchmesser
des Schneckenkerns 25 und die Schneckensteigung bleiben aber in der Zwischenzone
22 konstant, so daß dort keineweitere Kompression des Gutes stattfindet.
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Die Schneckengänge 24 unterstützen jedoch weiter die Förderung und
wirken im Sinne der Druckaufrechterhaltung.
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Vom Ende der Zwischenzone 22 bis zu den Düsenöffnungen 12 erstreckt
sich eine Druckverbraucherzone 27, in welcher der Rotor 3 in . einen Fortsatz 28
mit dreieck-förmigem Querschnitt ausgebildet ist. Er ist an den Kanten abgeschnitten
und dort entsprechend dem Querschnitt des Gehäuses durch Kreisbogen 29 begrenzt.
Der Fortsatz 28 erstreckt sich über die Düsenöffnungen 12 hinweg, und dient bei
diesen Düsenöffnungen 12 als Innenmesser zum Abschneiden von Einzelstücken 30 des
extrudierten Produktes.
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Der Druck des Gutes wirkt auf den Kolben 10. Steigt dieser Druck,
dann wird der Kolben 10 gegen die Vorspannkraft der Federn 11 nach rechts verschoben,
und der Querschnitt der Düsenöffnungen 12 wird größer. Hierdurch nimmt der Druck
des Gutes vor den Düsenöffnungen 12 ab und wird somit durch die Auspressdüse 7 reguliert.
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Die Funktion des Extruders 1 kann mittels Fig. 5 verfolgt werden.
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Die Abszisse 31 gibt die'axiale Lage im Extruder 1 an und die Lage
der Druckaufbauzone 16, der Zwischenzone 22 und der Druckverbrauchzone 27 ist gezeigt.
Die Ordinate 32 gibt den Druck p an.
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Die ausgezogene Druckkurve 33 zeigt den Druckverlauf im Extruder der
Figur 1.längs der Abszisse 31 sind die Lage des festen Bereiches 35,des Verflüssigungsbereiches
36 und des flüssigen Bereiches 37 eines so behandelten Gutes angegeben.
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In der Druckaufbauzone 16 steigt der Druck des festen Gutes steil
an. Er erreicht sein Maximum am Anfang der Zwischenzone 22, währenddem das Gut noch
fest oder zumindest nur zu kleinem Teil verflüssigt ist. Aufgrund der fortschreitenden
Verflüssigung nimmt der Reibungskoeffizient im Gut ab und somit auch der Druck.
Am Ende der Zwischenzone 22, wo die Schneckengänge 24 dem Druckabfall entgegegenwirken,
wird das Gut in die Druckverbrauchzone 27 überführt, in welcher es durch den dreieckigen
Fortsatz 28 des Rotors 3 gemischt und homogenisiert wird. Vor den Düsenöffnungen
12 erreicht der Druck ein Minimum, z.B. 50 bar, was noch zur Extrusion genügt.
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Druch die Schneidwirkung des Fortsatzes 28 wird das Gut vor den Düsenöffnungen
12 zerschnitten und entweicht portionsweise unter
Bildung von Produktstücken
30, die in Fig. 1 im expandierten Zustaiid dargestellt sind.
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Die gestrichelte Kurve 40 zeigt den Druckaufbau in einem konventionellen
Extruder, der wie üblich bis zur Auspressdüse stetig zunimmt. Weil der Druck hier
am größten ist, pflanzen sich Schwankungen des Extrudiervorganges durch die Auspreßdüse
in den ganzen Extruder fort.
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Beim erfindungsgemäßen Extruder kann die Lage des Druckmaximums je
nach Kompressionsverhalten der verarbeiteten Produkte und je nach Schneckenfüllgrad
variieren. Dieser Schneckenfüllgrad kann z.B. durch Regelung der Speisung eingestellt
werden. Es können trotzdem Produkte sehr verschiedener Beschaffenheit verarbeitet
werden, weil die Zwischenzone 22 den größten Tiel des Verflüssigungsbereiches 36
kontrolliert.
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Mit dem Extruder 1 kann ein vorgeschlateter Dampf-Speiseapparat zusammengebaut
werden. In diesem, ähnlich einem kontinuierlichen Mischer für körniges Gut gebauten
Apparat, kann das zu verarbeitende Gut mit Dampf konditioniert werden.
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Die dargestellte Auspressdüse 7 ist besonders vorteilhaft für die
Herstellung stückiger, expandierter Produkte. Für andere Produkte können selbstverständlich
andere Typen von Auspressdüsen verwendet werden, z.B. solche mit einer oder mehreren
axialen öffnungen.
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In der Druckverbrauchzone der Variante der Fig. 6, 7, weist der zylindrische
Rotor 3 Sacknuten 45,46 auf, deren Richtung alterniert. Die Höhe der Wandung 47
zwischen einer auf der Seite des Guteinlaufs 5 geöffneten Sacknut 45 und einer auf
der Seite der Auspressdüse 7 geöffneten Sacknut 46 ist leicht vermindert, um den
Uebergang des Gutes von der ersten zur zweiten Sacknut zu gestatten.
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Bei der Druckverbrauchzone nach der Variante der Fig. 8 besteht der
Rotor 53 aus einem zylindrischen Teil , der mit unterbrochenen Schneckengängen 55
bestückt ist.
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Bei der Druckverbrauchzone nach der Variante der Fig. 9, ist der Rotor
63 schneckenförmig mit grosser Schneckensteigug ausgebildet, wobei zwischen den
Schneckengängen 65 runde Aufsätze 66 am Rotor 63 befestigt sind.
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Bei der Druckverbrauchzone nach der Variante der Fig. 10, besteht
der Rotor 73 aus einem zylindrischen Teil der viereckige Aufsätze 75 trägt: Bei
der Druckverbrauchzone nach der Variante der Fig. 11, besteht der Rotor 83 aus Scheiben
85,86, die abwechselnd einen grösseren und einen kleineren Durchmesser aufweisen.
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Bei der Druckverbrauchzone können das Gehäuse und der Rotor sich konisch
erweiternd ausgebildet werden, was zu einer Vergrösserung der Scherkräfte führen
würde. Der Oeffnungswinkel kann O bis 900 betragen, vorzugsweise 600.
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Beim Extruder 91 nach der Variante der Fig. 12, ist in der Druckverbrauchzone
27 der Rotor 93 zylindrisch und bildet
einen schmalen zylindrischen
Spalt 94 mit dem Gehäuse 92. Das Ende 95 des Gehäuses 92 und das Ende 96 des Rotors
93 bilden eine ringförmige Auspressdüse 97.
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Nach dieser Auspressdüse 97 dient ein am Rotor 93 befestigtes Messer
98 als Brech- bzw. Schneidvorrichtung für den expandierten Produktzylinder, den
er zu Flocken zerkleinert. Mit diesem Extruder 91 können Flocken mit sehr hohem
Stärkeaufschluss hergestellt werden.
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Es werden noch einige Arbeitsbeispiele angegeben, bei denen ein Extruder
mit einer Gehäusebohrung von 80 mm, einer Druckaufbauzone von 240 mm Länge, einer
Zwischenzone von 240 mm Länge und einer Druckverbrauchzone von 240 mm Länge, insgesamt
also 720 mm aktiver Länge verwendet wurde.
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Beispiel 1 Ausgangsprodukt war ein ungedämpftes Vollkornmaismehl,
das auf Körnerabmessungen kleiner als 5 mm gemahlen worden war.
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Die Schüttdichte betrug 0,5 kg pro dm3. Erhalten wurde ein expandiertes
Produkt mit einer SchAttdichte von 0,1 kg pro dm3 und einem Stärkeaufschluß von
85 %. Der Gleichförmigkeitsgrad des Durchsatzes war von einem früheren - Variationskoeffizienten
von 15 % auf 3 % verbessert. Das Pulsieren des Produktstromes wurde dank der Ausbildung
mit Druckaufbauzone und Druckverbrauchzone verhindert. Der Durchsatz betrug 400
kg pro Stunde.
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Beispiel 2 Ausgangsprodukt war eine rohfaserreiche Ferkelspezialmischung,
die auf eine Körnung kleiner als 4 mm gemahlen worden war und 40 % Hafer, 40 % Gerste,
15 % Weizenkleie und 5 % diverse ZusatzstoffeS wie Vitamine und Mineralstoffe enthielt.
Wie im Beispeil 1 war dieses Produkt ungedämpft.
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Das Endprodukt hatte einen Stärkeaufschluß von über 75 t.
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Der Durchsatz war 450 kg pro Stunde.
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Beispiel 3 Ausgangsprodukt war eine Nerzfuttermischung, mit 45 % Fischmehl,
10 % Kartoffelpulpe, sowie ZO % verschiedener Zusatzstoffe. Dank der Wirksamkeit
der Förderung in der. Druckaufbauzone war es möglich, die restlichen 25 % der Mischung
als Fettzugabe direkt in die Druckverbrauchzone hineinzugeben.
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Somit ist es möglich, ein solches Produkt mit sehr hohem Fettgehalt
zu extrudieren. Der Durchsatz bei dieser ebenfalls ungedämpften Mischung betrug
340 kg pro Stunde.
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Bei der erfindungsgemäßen Extrudieranlage ist somit der Rotor 3 vom
Guteinlauf 5 bis zurAuspressdüse 7 des Extruders 1 in reine Druckaufbauzone 16,
eine Zwischenzone 22 und eine Druckverbrauchszone 27 unterteilt. Die Druckverbrauchzone
27 dient zum Mischen und Homogenisieren des Gutes vor dem Extrudieren durch die
Auspressdüse 7.
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Es werden Produkte aus der Gruppe der expandierten Stärkeprodukte
oder der strukturierten Proteinprodukte behandelt.
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Der maximale Druck wird im noch nicht verflüssigten Gut oder kurz
nach der Verflüssigung erreicht.
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Weil in der Druckaufbauzone 16 das Gut noch im festen Zustand vorliegt,
und der abfallende Druck in der Druckverbrauchzone 27 abnimmt, gibt es keine ungewünschte
Rückströmung im Extruder 1. Die Zwischenzone 22 fängt Unterschiede in der Lage des
Verflüssigungsbereiches verschieden-r Produkte auf.