DE9311324U1

DE9311324U1 - Cooking extruders for the production of thermally treated biopolymers

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Publication number: DE9311324U1
Application number: DE9311324U
Authority: DE
Original assignee: Schaaf Technologie GmbH
Current assignee: Schaaf Technologie GmbH
Priority date: 1993-07-29
Filing date: 1993-07-29
Publication date: 1995-01-05
Anticipated expiration: 2003-07-30

Description

S*4713 Lw/Ge
"Quirl"S*4713 Lw/Ge
"Whisk"

Kochextruder zur Herstellung von
thermisch behandelten BiopolymerenCooking extruder for the production of
thermally treated biopolymers

Die Erfindung betrifft einen Kochextruder mit Beschickungstrichtar, einer einzigen Schnecke sowie Düse zur Herstellung von expandierten Biopolymeren.The invention relates to a cooking extruder with a feed hopper, a single screw and a nozzle for producing expanded biopolymers.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Maßnahme zum Kochextrudieren von Biopolymeren zur Herstellung von thermisch behandelten Nahrungsmittelgranulaten, Snackprodukten, Cerealien oder dergleichen.The invention also relates to a measure for cooking-extruding biopolymers for producing thermally treated food granules, snack products, cereals or the like.

Solche Kochextruder sind bekannt (siehe beispielsweise
EP 0 221 913 Bl) .Such cooking extruders are known (see for example
EP 0 221 913 Bl).

Allgemeine Ausführungen über Kochextruder finden sich im übrigen in Judson M. Harper "Extrusion of Foods", 1981, CRC Press,'Inc. Boca Raton, Florida, USA, sowie Mercier, Linko, Harper "Extrusion Cooking", 1989, American Association of Cereal Chemists, Inc. St. Paul, Minnesota, USA.General information on cooking extruders can be found in Judson M. Harper "Extrusion of Foods", 1981, CRC Press,'Inc. Boca Raton, Florida, USA, and Mercier, Linko, Harper "Extrusion Cooking", 1989, American Association of Cereal Chemists, Inc. St. Paul, Minnesota, USA.

Die Anforderungen an einen Kochextruder für Biopolymere lassen sich wie folgt zusammenfassen:The requirements for a cooking extruder for biopolymers can be summarized as follows:

hohe Durchsatzleistung gepaart mit hoher Produktqualität, die bestimmt wird durch konstante Verfahrensbedingungen, gute Homogenisierung (Vermischung), definierte Temper a tür führung, gute Ausformbarkeit des Teiges sowie geringe Investitionskosten,high throughput combined with high product quality, which is determined by constant process conditions, good homogenization (mixing), defined temperature control, good formability of the dough and low investment costs,

geringe ünterhaltskosten und flexible Verfahrensgestaltung und schließlich gute Steuerbarkeit bei schneller Reaktionszeit und einfacher Handhabung, insbesondere bei der Inbetriebsetzung, Demontage und Reinigung.low maintenance costs and flexible process design and finally good controllability with fast response times and easy handling, especially during commissioning, dismantling and cleaning.

Gegenüber DoppelSchneckenextrudern haben Einschneckenextruder, ein solcher wird auch hier vorgestellt, erhebliche Vorteile, da erstere kompliziert im Aufbau sind, erheblich mehr Verschleißteile aufweisen und somit zu höheren Unterhaltskosten beitragen.Compared to twin-screw extruders, single-screw extruders, one of which is also presented here, have considerable advantages, as the former are complicated in construction, have considerably more wearing parts and thus contribute to higher maintenance costs.

Demgegenüber sagt man Einschnecken-Maschinen geringere Flexibilität nach, insbesondere wird vielfach unreproduzierbare Temperaturführung und schlechtere Mischwirkung/Homogenisierung kritisiert. In contrast, single-screw machines are said to be less flexible, and in particular they are often criticized for their unreproducible temperature control and poorer mixing effect/homogenization.

Bei Kochextrudern der eingangs genannten Art liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Verhalten eines solchen Kochextruders überraschend hinsichtlich der Homogenisierung sowie hinsichtlich der Textur des Endproduktes, die gleichmäßiger sein soll, hinsichtlich ausreichender und steuerbarer Expansion sowie steuerbarkeit der Temperatur mittels des Verhältnisses Massestrom/-Schneckendrehzahl, zu verbessern. Auch soll der häufig negative Einfluß von Fett und/oder Zucker in der Rohstoffmischung auf die Textur des Endproduktes vermindert werden.In the case of cooking extruders of the type mentioned at the beginning, the invention is based on the task of surprisingly improving the behavior of such a cooking extruder with regard to homogenization and the texture of the end product, which should be more uniform, with regard to sufficient and controllable expansion and controllability of the temperature by means of the mass flow/screw speed ratio. The often negative influence of fat and/or sugar in the raw material mixture on the texture of the end product should also be reduced.

Erreicht wird dies erfindungsgemäß bei einem Kochextruder mit Beschickungstrichter, einer einzigen Schnecke sowie Düse zur Herstellung von thermisch behandelten Biopolymeren durch wenigstens eine Spachtelpumpe zwischen Schnecke und Düse, die je aus einer Lochmatrize und wenigstens einem zugeordneten Spachtelelement (als Spachtelpumpe definiert) besteht bzw. bestehen.This is achieved according to the invention in a cooking extruder with a feed hopper, a single screw and a nozzle for the production of thermally treated biopolymers by at least one spatula pump between the screw and the nozzle, each of which consists of a perforated matrix and at least one associated spatula element (defined as a spatula pump).

Bei einer einzigen Spachtelpumpe wird bei dem Einschneckenextruder ausgenutzt, daß die Gangenden am Ausgang der Schnecke keilförmig gestaltet werden und die Schnecke mit geringem Abstand zuWith a single spatula pump, the single-screw extruder takes advantage of the fact that the flight ends at the exit of the screw are wedge-shaped and the screw is positioned at a small distance from

einer Lochplatte rotieren gelassen wird. Die Kombination mit der Maßnahme nach der Erfindung löst die oben genannte Aufgabe.a perforated plate is rotated. The combination with the measure according to the invention solves the above-mentioned problem.

Vorzugsweise sind wenigstens zwei solcher Spachtelpumpen zwischen Schnecke und Düse zwischengeschaltet.Preferably, at least two such spatula pumps are interposed between the screw and the nozzle.

Dadurch, daß man einen konventionellen kurzen Einschneckenextruder, beispielsweise mit einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser L:D von z.B. 2:1, dessen Schnecken-Stirnfläche bereits
spachteiförmig ausgebildet ist und über eine Lochplatte
streicht, durch eine oder mehrere Spachtelpumpen der oben definierten Art ergänzt, die jeweils aus einem oder mehreren Spachtelelementen und einer Lochplatte bestehen, wird überraschend nicht nur die oben genannte Aufgabe erfüllt, es wird auch folgendes erreicht:By using a conventional short single-screw extruder, for example with a length to diameter ratio L:D of 2:1, whose screw face is already
is spatula-shaped and has a perforated plate
by one or more spatula pumps of the type defined above, each consisting of one or more spatula elements and a perforated plate, surprisingly not only the above-mentioned task is fulfilled, the following is also achieved:

Die Homogenisierung wird verbessert, die Textur des Endproduktes wird gleichmäßiger.Homogenization is improved and the texture of the final product becomes more uniform.

Der Teig tritt gleichmäßiger aus den Düsen aus.
Trotz sehr geringer Verweilzeit (kleiner 8 Sekunden) kann erheblich mehr Fett und/oder Zucker verarbeitet werden bei ausreichender Expansion (üblicherweise führt das Vorhandensein von Fett und/oder Zucker zu stark verminderter Expansion).
Die Steuerbarkeit der Temperatur mittels des Verhältnisses der Prozessvariablen Massestrom: Schneckendrehzahl wird erheblich vergrößert, d.h. eine höhere Schneckendrehzahl, bei konstantem Massestrom liefert eine deutlich höhere Teigtemperatur als bei vergleichbarem Gerät ohne zusätzliche Spachtelpumpe und umgekehrt, bzw. eine Erhöhung des Massestroms, bei konstanter
Schneckendrehzahl führt zu einer deutlich niedrigeren Teigtemperatur als bei vergleichbarem Gerät ohne zusätzliche Spachtelpumpe und umgekehrt.The dough comes out of the nozzles more evenly.
Despite a very short residence time (less than 8 seconds), considerably more fat and/or sugar can be processed with sufficient expansion (usually the presence of fat and/or sugar leads to greatly reduced expansion).
The controllability of the temperature by means of the ratio of the process variables mass flow: screw speed is increased considerably, ie a higher screw speed at a constant mass flow delivers a significantly higher dough temperature than with a comparable device without an additional spatula pump and vice versa, or an increase in the mass flow at a constant
Screw speed leads to a significantly lower dough temperature than with comparable devices without an additional spatula pump and vice versa.

Die Durchsatzleistung liegt mit mindestens einer zusätzlichen Spachtelpumpe, bei gleicher Produktqualität um bis zu 50 % höher als bei einer Maschine ohne zusätzliche Spachtelpumpe.
Durch die materialgeschmierte Zentrierung der ExtruderschneckeWith at least one additional spatula pump, the throughput is up to 50% higher than with a machine without an additional spatula pump, while maintaining the same product quality.
Due to the material-lubricated centering of the extruder screw

am Durchgang durch die Lochmatrize werden die Radialkräfte auf genommen und durch die bessere Zentrierung Kontakt zwischen Schnecke und Extruderzylinder verhindert. Der Verschleiß dieser Teile wird somit verringert.The radial forces are absorbed at the passage through the hole die and contact between the screw and the extruder cylinder is prevented by the better centering. The wear on these parts is thus reduced.

Die Bauteile für eine solche Spachtelpumpe sind sehr einfach im Aufbau, preiswert herzustellen und nur geringem Verschleiß unterworfen .The components for such a spatula pump are very simple in construction, inexpensive to manufacture and subject to only minimal wear.

Durch Anordnung mehrerer Spachtelpumpen-Stufen hintereinander können die Prozeßbedingungen sehr flexibel den Produkterfordernissen angepaßt werden.By arranging several spatula pump stages one after the other, the process conditions can be adapted very flexibly to the product requirements.

Der Zusammenbau, die Demontage und die Reinigung dieser Teile ist sehr einfach und schnell.The assembly, disassembly and cleaning of these parts is very simple and quick.

Die Gestaltung der Elemente "Spachtelkopf¹¹ (Breite und Anstellwinkel der Spachtelfläche zur Lochmatrize) und "Lochmatrize" (Anzahl und Durchmesser der Bohrungen sowie die Dicke der Platte) gemäß den bekannten Regeln der Strömungslehre führt zu beliebigen spezifischen Konfigurationen entsprechend den erforderlichen Prozeßbedingungen (Rohstoff-Feuchte, Temperatur, Viskosität, Verweilzeit, erforderlicher Druck zur Düsenpassage etc.) und dies in kostengünstiger Weise.The design of the elements "spatula head ¹¹ " (width and angle of the spatula surface to the hole matrix) and "hole matrix" (number and diameter of the holes and the thickness of the plate) according to the known rules of fluid mechanics leads to any specific configurations according to the required process conditions (raw material moisture, temperature, viscosity, residence time, required pressure for the nozzle passage, etc.) and this in a cost-effective manner.

Die Konzeption der Lochmatrizen bringt es mit sich, daß eine große Gesamtoberfläche der mit dem Medium in Kontakt kommenden Metallflächen vorhanden ist. Diese gegenüber konventionellen Extruderbauweisen (meist ausschließlich über den Extruderzylinder) größere Oberfläche ist von großem Vorteil für eventuell gewünschte Wärmeübertragung (Kühlen oder Heizen), beispielsweise durch in der Lochmatrize vorhandene Kanäle, durch welche z.B. Dampf/Kühlwasser oder Wärmeträger-Öl geleitet wird.
Durch das überraschende Verhalten der Spachtelpumpen kann gezeigt werden, daß sich die Extruderschnecke in ihrer Funktion auf eine einfache Zufuhrschnecke zur Vorverdichtung reduzieren läßt, auf die Extruderschnecke vielleicht sogar ganz verzichtet werden kann, wenn beispielsweise der Spachtelextruder vertikal angeordnet wird und der Rohstoff direkt einer vorzugsweise mehr-The design of the perforated dies means that there is a large total surface area of the metal surfaces that come into contact with the medium. This larger surface area compared to conventional extruder designs (usually only via the extruder cylinder) is a great advantage for any heat transfer that may be required (cooling or heating), for example through channels in the perforated die through which steam/cooling water or heat transfer oil is passed.
The surprising behaviour of the spatula pumps shows that the extruder screw can be reduced in its function to a simple feed screw for pre-compaction, and that the extruder screw can perhaps even be dispensed with completely if, for example, the spatula extruder is arranged vertically and the raw material is fed directly to a preferably multi-

stufigen Spachtelpumpe zugeführt wird.stage spatula pump.

Die Spachtelelemente können über eine Welle miteinander und mit der Schnecke verbunden werden. Sofern die Eigenschaften des Teigs eine druckseitige Rotationsabdichtung erlauben, ist sogar ein von der Schnecke unabhängiger Antrieb einer oder mehrerer Spachtelpumpen möglich.The spatula elements can be connected to each other and to the screw via a shaft. If the properties of the dough allow a rotary seal on the pressure side, it is even possible to drive one or more spatula pumps independently of the screw.

Die Extruderschnecke kann nach einem vorzugsweisen Merkmal der Erfindung nunmehr eine andere Funktion haben, nämlich als einfache Zufuhrschnecke lediglich mit Vorverdichtung betrieben werden.According to a preferred feature of the invention, the extruder screw can now have a different function, namely be operated as a simple feed screw only with pre-compression.

Interessant ist, daß der Kochextruder nur aus einer Aneinanderreihung sog. Spachtelpumpen aufgebaut sein kann, wenn nur der Spachtelextruder im wesentlichen vertikal angeordnet ist. Man kann somit ganz auf die Extruderschnecke verzichten.It is interesting that the cooking extruder can only be constructed from a series of so-called spatula pumps if only the spatula extruder is arranged essentially vertically. This means that the extruder screw can be dispensed with entirely.

Ein ganz wichtiger Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die Extruderwerkzeuge, insbesondere der Extrusionszylinder, gegebenenfalls die Schnecke, die Lochmatrize, die Spachtelelemente sowie die Düse etc. aus Stahl, Gußeisen oder einem anderen nahrungsmittelmäßig unbedenklichen Material bestehen können, also nicht die zum Härten und Verschleißschutz üblichen Schwermetalle und Zusätze enthalten.A very important advantage of the invention is that the extruder tools, in particular the extrusion cylinder, if necessary the screw, the perforated die, the spatula elements and the nozzle etc. can be made of steel, cast iron or another material that is harmless to foodstuffs, i.e. they do not contain the heavy metals and additives that are usually used for hardening and wear protection.

Nach einer besonderen konstruktiven Ausführungsform der Erfindung, die entscheidende Vorteile bildet, können die Lochmatrizen anströmseitig als Kugelkalotte und das oder die zugeordnete(&eegr;) Spachtelelement(e) komplementär der Kugelkalotte unmittelbar gegenüberstehend und ihrer Kontur folgend ausgebildet sein.According to a special design embodiment of the invention, which provides decisive advantages, the hole matrices on the upstream side can be designed as a spherical cap and the associated spatula element(s) can be designed to be complementary to the spherical cap and directly opposite it and following its contour.

Gegenstand der Erfindung ist auch das oben genannte Verfahren, bei dem nach dem Extrudieren der Extrudatstrang vor Formgebung in der Düse durch mindestens zwei Spachtelpumpen geführt wird.The invention also relates to the above-mentioned method in which, after extrusion, the extrudate strand is guided through at least two spatula pumps before being shaped in the nozzle.

Vorzugsweise kann mit einem Prozeßvolumen von nur etwa 200 cm³ pro Spachtelpumpenstufe bei einem Massenstrom von 200 bis 350 kg/h und einer hieraus folgenden Verweilzeit von 2 bis 4 Sekunden gearbeitet werden.Preferably, a process volume of only about 200 cm ³ per spatula pump stage can be used at a mass flow of 200 to 350 kg/h and a resulting residence time of 2 to 4 seconds.

Entscheidend ist, daß nach Passieren jeder Lochmatrize einer Spachtelpumpenstufe dem Material ein Druck entgegengesetzt wird, der das Material zu einer flüssigen Masse verdichtet.What is crucial is that after passing through each hole matrix of a spatula pump stage, the material is subjected to pressure that compacts the material into a liquid mass.

Bekannt sind zwar sog. Pelletpressen, die zur Verdichtung von mehlförmigen, granulierten oder faserförmigen Stoffen eingesetzt werden und Pellets, also ein verdichtetes granuliertes Material erzeugen. Diese werden schon mit rotierenden Ringmatrizen, aber auch mit feststehenden Ringmatrizen und rotierenden Werkzeugen oder scheibenförmigen Matrizen und kegelförmigen oder zylindrischen Preßrollen gebaut. Dies hat jedoch mit dem Gebiet, auf dem die Erfindung liegt, nichts zu tun, da erfindungsgemäß keine Pellets hergestellt werden sollen. Solche Pelletpressen vermeiden natürlich tunlichst einen Druckaufbau nach Durchgang durch die erste Preßstufe. Ziel ist ja ein verdichtetes Granulat und nicht wie bei der Kochextrusion eine möglichst homogene Masse, welche dann gegebenenfalls durch Verdampfen von Wasser eine poröse knusprige Textur erhält.So-called pellet presses are known, which are used to compact flour-like, granulated or fibrous materials and produce pellets, i.e. a compacted granulated material. These are built with rotating ring dies, but also with fixed ring dies and rotating tools or disc-shaped dies and conical or cylindrical press rollers. However, this has nothing to do with the area in which the invention lies, since the invention does not aim to produce pellets. Such pellet presses naturally avoid pressure build-up after passing through the first pressing stage. The aim is to produce compacted granules and not, as with cooking extrusion, a mass that is as homogeneous as possible, which then acquires a porous, crispy texture through the evaporation of water.

Erfindungsgemäß wird dem Material bei Austritt aus der Matrize ein Druck entgegengesetzt, der das Material zu einer flüssigen Masse verdichtet, diese Masse wird gegebenenfalls einer weiteren Spachtelstufe (wegen der nunmehr fluiden Eigenschaft des Materials ist die Bezeichnung "Pumpe" bevorzugt) zugeführt - Prozeß gegebenenfalls mehrfach wiederholbar - entweder um durch die Verarbeitung eine weitere Vermischung/Homogenisierung zu erreichen oder um höhere Enddrücke auf das Durchdrücken durch Düsen aufzubauen.According to the invention, the material is subjected to pressure when it exits the die, which compresses the material into a liquid mass. This mass is optionally fed to a further filling stage (due to the now fluid nature of the material, the term "pump" is preferred) - the process can be repeated several times if necessary - either in order to achieve further mixing/homogenization through processing or in order to build up higher final pressures when pushed through nozzles.

Entscheidend also ist der Druck zwischen mindestens zwei hintereinander geschalteten Spachtelpumpenstufen bzw. zwischen einem dem Spachtelkopf ähnlich ausgebildeten Ende der Extruderschnecke und einer Lochmatrize und einer weiteren Spachtelstufe.The decisive factor is therefore the pressure between at least two spatula pump stages connected in series or between an end of the extruder screw designed similarly to the spatula head and a perforated die and another spatula stage.

Zweckmäßig ist es, im Bereich der Lochmatrize das verflüssigte Material in oszillierende Bewegung zu versetzen. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, daß nach Vorbeistreichen des Spachtelelements durch den ausgangsseitigen hohen Druck ein Teil des in den fluiden Zustand überführten Materials wieder zurückströmt. Zumindest kann man sich dies so vorstellen.It is advisable to set the liquefied material in an oscillating motion in the area of the perforated matrix. This is achieved, for example, by the fact that after the spatula element has passed, part of the material that has been converted into a fluid state flows back again due to the high pressure on the output side. At least that is how you can imagine it.

Zwischen der ersten und der zweiten "Spachtelstufe" befindet sich also noch komprimiertes, im Aggregatzustand "fast flüssig" oder "flüssig" befindliches Material, welches zwar noch Feststoff partikel oder Feststoffschlieren enthalten kann, dessen Hauptphase jedoch flüssig ist.Between the first and second "filler stage" there is still compressed material in the "almost liquid" or "liquid" state, which may still contain solid particles or solid streaks, but whose main phase is liquid.

Zweckmäßig wird zwischen der ersten und zweiten Stufe ein Druck aufrecht erhalten, der mit mehr als 10 bar anzugeben ist.It is advisable to maintain a pressure of more than 10 bar between the first and second stages.

Ist nur eine Stufe vorhanden, so ist die Matrize nicht gleich Düse, vielmehr sind weitere Stauelemente sowie die Düse notwendig, um den geforderten Druck aufzubauen.If there is only one stage, the die is not the same as the nozzle; instead, additional retaining elements and the nozzle are necessary to build up the required pressure.

Die erkannten Wechselwirkungen können in einen sinnvollen Bezug zu den Prozeß- und Produkterfordernissen gesetzt werden.The identified interactions can be meaningfully related to the process and product requirements.

Form der Spachtelfläche: diese kann gerade, gekrümmt, aber auch z.B. zylindrisch oder kugelförmig oder profiliert rotierend sein. Unter rotierend wird eine beispielsweise quirlartige Ausbildung verstanden, wobei um beispielsweise eine Achse der Quirl rotiert und die Quirlarme selbst (senkrecht zur Antriebsachse) sich drehen, beispielsweise in Form von Walzenkörpern.Shape of the spatula surface: this can be straight, curved, but also e.g. cylindrical or spherical or profiled rotating. Rotating is understood to mean, for example, a whirlpool-like design, where the whirlpool rotates around an axis, for example, and the whirlpool arms themselves rotate (perpendicular to the drive axis), for example in the form of roller bodies.

Anstellwinkel der Spachtelflache zur Lochmatrize: wird kleiner als 90° und größer als 0° gewählt. Nimmt man einen kleinen Winkel , so ergibt sich ein geringer Durchsatz und hoher Druck,
bei großem Winkel ergibt sich ein großer Durchsatz und ein geringer Druck. Die Oberflächenbeschaffenheit der Spachtelfläche, wenn optimale Förderung gewünscht ist, ist dann möglichst glatt, gegebenenfalls beschichtet. Dadurch stellt sich eine geringere Reibung, wenn nicht Gleiten ein. Im Gegensatz dazu ist dann die Oberfläche der Lochmatrize möglichst rauh, was zu hoher Reibung führt. Dies wird bereits durch die Bohrungen erreicht, kann jedoch darüber hinaus durch geeignete Maßnahmen verstärkt werden. Angle of the spatula surface to the hole matrix: is chosen to be less than 90° and greater than 0°. If a small angle is chosen, this results in a low throughput and high pressure,
a large angle results in a high throughput and low pressure. The surface finish of the spatula surface, if optimal conveying is required, is then as smooth as possible, coated if necessary. This results in less friction, if not sliding. In contrast, the surface of the hole matrix is then as rough as possible, which leads to high friction. This is already achieved by the holes, but can be further increased by suitable measures.

Dicke der Lochplatte/Lochmatrize: wird eine große Dicke gewählt, so ergibt sich ein großer Fließwiderstand, eine hohe Materialscherung, eine hohe Energiedissipation sowie eine hohe Teigtemperatur und umgekehrt.Thickness of the perforated plate/perforated die: if a large thickness is selected, this results in a high flow resistance, high material shear, high energy dissipation and a high dough temperature and vice versa.

Anzahl der Bohrungen: viele Bohrungen bedeuten geringen Widerstand und hohen Durchsatz an der Lochmatrize.Number of holes: many holes mean low resistance and high throughput on the hole die.

Durchmesser der Bohrungen: großer Durchmesser bedeutet geringen Widerstand und hohen Durchsatz. Kleiner Durchmesser bedeutet hohen Widerstand, größere Produktscherung/Homogenisierung/Mischwirkung an der Lochmatrize.Diameter of the holes: large diameter means low resistance and high throughput. Small diameter means high resistance, greater product shear/homogenization/mixing effect at the hole die.

Querschnitt der Bohrungen/Lochmatrize: dieser kann sich gegebenenfalls über die Länge ändern. Er kann konisch sich verengend oder erweiternd oder beides sein. Spezielle rheologische Effekte sind denkbar. Eine Venturidüsenform ist möglich.Cross-section of the holes/hole matrix: this can change over the length if necessary. It can be conical, narrowing or widening, or both. Special rheological effects are conceivable. A Venturi nozzle shape is possible.

Form der Lochplatte: diese kann in der einfachsten Form, nämlich eben ausgeführt sein. Dem Verhalten der Spachtelelemente und dem gewünschten Produktfluß angepaßt kann sie aber auch mit Oberflächenprofilierung, z.B. kegel- oder kugelförmig erweiterndShape of the perforated plate: this can be designed in the simplest form, namely flat. Adapted to the behavior of the spatula elements and the desired product flow, it can also be designed with surface profiling, e.g. conical or spherical expansion

oder verengend sein.or constricting.

Winkel der Bohrungen: zur Spachtelebene ist rechtwinklig oder geneigt, konzentrisch zur Drehachse oder gezielt unsymmetrisch, zur Drehrichtung geneigt oder entgegengesetzt zu wählen.Angle of the holes: perpendicular or inclined to the spatula plane, concentric to the axis of rotation or deliberately asymmetrical, inclined to the direction of rotation or opposite to it.

Anzahl der Stufen (Spachtelpumpen hintereinander): diese wird ausgewählt abhängig vom erforderlichen Extrusionsdruck, von der notwendigen bzw. nicht zu überschreitenden Verweilzeit, der mechanischen Energieeinleitung,, wie sie für die Behandlung des Materials notwendig ist: es kann sich auch um eine oder mehrere in Gegenrichtung fördernde Spachtelpumpen für besondere Misch- und Knetwirkungen, falls erforderlich, handeln.Number of stages (spatula pumps in series): this is selected depending on the required extrusion pressure, the necessary or not to be exceeded dwell time, the mechanical energy input, as required for the treatment of the material: it can also be one or more spatula pumps conveying in the opposite direction for special mixing and kneading effects, if required.

Der Spachtelextruder gemäß der Erfindung liefert aber aufgrund der Tatsache, daß nahrungsmittelmäßig bedenkliche Materialien wie Chrom, Nickel, Titan-Carbide verzichtbar werden, weitere Vorteile. Legerierungszuschläge, um Verschleiß an Werkzeugen zu verhindern, fallen weg.However, the filler extruder according to the invention offers further advantages due to the fact that materials that are harmful to foodstuffs such as chromium, nickel and titanium carbides are no longer required. Alloy additives to prevent wear on tools are no longer necessary.

Konstuktiv bedingt sind ja die mechanischen Anforderungen an die einzelnen Elemente geringer als bei den üblichen Schnecken und Zylindern. Zum anderen beeinflußt ein auftretender Verschleiß die Prozeßbedingungen nicht in dem Maße nachteilig wie bei konventionellen Extrudern, bei welchen bereits änderungen von wenigen zehntel Millimetern erheblichen Einfluß auf den Prozeß nehmen können.Due to the design, the mechanical requirements for the individual elements are lower than with conventional screws and cylinders. On the other hand, any wear that occurs does not have as negative an effect on the process conditions as with conventional extruders, where changes of just a few tenths of a millimeter can have a significant impact on the process.

Schließlich wird erfindungsgemäß noch eine Maßnahme zum Kochextrudieren von Biopolymeren für die Herstellung von Nahrungsmittelgranulaten, Snackprodukten oder Cerealien angegeben, das sich dadurch auszeichnet, daß Biopolymeres zwei Spachtelstufen zugeführt und nach Druckaufbau vor der Düse durch die Düse ausgepreßt wird, wobei der Vorgang insbesondere vertikal durchgeführt wird. Revolutionär ist bei diesem Vorschlag, daß auf dieFinally, the invention also provides a measure for cooking-extruding biopolymers for the production of food granules, snack products or cereals, which is characterized in that biopolymer is fed to two spatula stages and, after pressure has been built up in front of the nozzle, is pressed out through the nozzle, whereby the process is carried out vertically in particular. What is revolutionary about this proposal is that the

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Extruderschnecke verzichtet werden kann.Extruder screw can be dispensed with.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Diese zeigen inExamples of embodiments of the invention will now be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. These show in

Figur 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung im schematischen Längsschnitt; Figure 1 shows a first embodiment of the invention in schematic longitudinal section;

Figur 2 eine zweite Ausführungsform im schematischen Längsschnitt; Figure 2 shows a second embodiment in schematic longitudinal section;

Figur 3 einen Schnitt quer durch eine Spachtelpumpenstufe;
Figur 4 eine dritte Ausführungsform im schematischen Längsschnitt; Figure 3 shows a cross-section through a spatula pump stage;
Figure 4 shows a third embodiment in schematic longitudinal section;

Figur 5 einen Schnitt durch eine Spachtelpumpenstufe der Figur 4. Figure 5 shows a section through a spatula pump stage of Figure 4.

Nach Figur 1 ist der aus Beschickungstrichter 14, Extrusionszylinder 12 und Zufuhrschnecke 10 bestehende Teil eines Kochextruders an sich konventionell, wenn man davon absieht, daß der Schnecke erfindungsgemäß eine anderen Funktion als beim Stand der Technik erteilt wird. In Verlängerung der Achse der Schnecke 10 befindet sich eine Welle 18, auf der Lochmatrizen 22 und
Spachtelelemente 24 sitzen. Jede aus Spachtelelement 24 und Lochmatrize 22 bestehende Anordnung wird "Spachtelpumpe" oder "Spachtelstufe" genannt. Die erste Stufe kann man sich auch als durch die Zufuhrschnecke 10 und die Lochmatrize 22 gebildet
vorstellen, vorausgesetzt, der Kopf der Schnecke ist spachteiförmig ausgebildet, d.h. ist unter einem Winkel von mehr als 0°
bis 90° angestellt.According to Figure 1, the part of a cooking extruder consisting of the feed hopper 14 , extrusion cylinder 12 and feed screw 10 is conventional per se, if one ignores the fact that the screw is given a different function according to the invention than in the prior art. In the extension of the axis of the screw 10 there is a shaft 18 on which perforated dies 22 and
Spatula elements 24 are seated. Each arrangement consisting of spatula element 24 and perforated die 22 is called a "spatula pump" or "spatula stage". The first stage can also be thought of as formed by the feed screw 10 and the perforated die 22.
provided that the head of the snail is spatula-shaped, ie is at an angle of more than 0°
set to 90°.

Im Beispiel handelt es sich um im wesentlichen gerade Löcher der Lochmatrize. Beim Spachtelelement 24 handelt es sich um Elemente ähnlich von Propellern, die unter einem Winkel von beispielsweise 60" gegen die Horizontale angestellt sind und die Lochmatrize unter Abstand überstreichen. Nach jeder Lochmatrize hatIn the example, these are essentially straight holes in the hole matrix. The spatula element 24 is an element similar to propellers, which is set at an angle of, for example, 60" to the horizontal and sweeps over the hole matrix at a distance. After each hole matrix,

sich ein beachtlicher Druck aufgebaut. Die Düse 16 wirkt in ihren Zuführungswänden als Stauelement, bis dann schließlich das Extrudieren an der Düsenöffnung 26 erfolgt.a considerable pressure has built up. The nozzle 16 acts as a dam in its feed walls until finally the extrusion takes place at the nozzle opening 26.

Nach einer zweiten in Figur 2/3 dargestellten Ausführungsform erhalten in der Funktion gleiche Teile gleiche Bezugszeichen. Beschickungstrichter 14, Schnecke 10 und Zylinder 12 sind ähnlich wie in Figur 1. In Verlängerung der Achse der Zuführschnecke 10 ist wieder die Welle 30 angeordnet, auf der aber nunmehr sitzen: eine Lochmatrize 122, der ein rotierfähiges Spachtelelement 32 beachtlicher Länge folgt. Dieses streicht gegen eine zylindrisch ausgebildete Lochmatrize 34 (hutförmige Ausbildung), deren öffnungen aber nicht wie bei der Lochmatrize 122 axial, sondern radial nach außen gerichtet sind. Es baut sich also nach Austritt aus der Lochmatrize im Zwischenraum 36 (Kanal) ein beachtlicher Druck auf. Das Material geht dann
{Querschnittsverminderung) infolge Stauwirkung in den hochviskosen oder flüssigen Zustand im Vorraum 38 der Düse 16 über, bevor es den Kochextruder an der Düsenöffnung 26, wo es expandiert , verläßt. DasAccording to a second embodiment shown in Figure 2/3, parts that are functionally identical are given the same reference numerals. The feed hopper 14, screw 10 and cylinder 12 are similar to those in Figure 1. The shaft 30 is again arranged in the extension of the axis of the feed screw 10, but on it are now located: a perforated die 122, which is followed by a rotating spatula element 32 of considerable length. This strokes against a cylindrically designed perforated die 34 (hat-shaped design), the openings of which, however, are not directed axially as in the perforated die 122, but radially outwards. After exiting the perforated die, a considerable pressure builds up in the intermediate space 36 (channel). The material then passes
{cross-sectional reduction) due to the damming effect in the highly viscous or liquid state in the antechamber 38 of the nozzle 16 before it leaves the cooking extruder at the nozzle opening 26, where it expands. The

Spachtelelement 32 ist bei Figur 3 genauer gezeigt und nach Art eines Flügelrads mit vier Armen 40 und Abkröpfungen 42 an den vier Armen versehen. Das Flügelrad überstreicht aufeinanderfolgend die Lochmatrizenöffnungen der zylindrischen Lochmatrize 34. Die Laufrichtung des Spachtelelements ist angedeutet. Die Gestalt des Spachtelelements ist nicht kritisch. Je nachdem gewünschten Druck jenseits der Lochmatrize genügt auch gegebenenfalls eine angestellte Fläche, wenn sie nur die Lochmatrize 34 überstreicht.The spatula element 32 is shown in more detail in Figure 3 and is designed like an impeller with four arms 40 and offsets 42 on the four arms. The impeller successively sweeps over the hole matrix openings of the cylindrical hole matrix 34. The direction of travel of the spatula element is indicated. The shape of the spatula element is not critical. Depending on the desired pressure beyond the hole matrix, an inclined surface may also be sufficient if it only sweeps over the hole matrix 34.

Die Figuren 4 und 5 zeigen eine dritte Ausführungsform, bei der die zweite Lochmatrize 50 in Form eines hohlen Kegelstumpfes, das Spachtelelement 52 innerhalb der Spachtelkammer 54, das zusammen mit der Lochmatrize 50 die Spachtelstufe bildet, kegelstumpf förmig ausgebildet ist. Die Flügel 56 des SpachtelelementsFigures 4 and 5 show a third embodiment in which the second hole matrix 50 is in the form of a hollow truncated cone, the spatula element 52 within the spatula chamber 54, which together with the hole matrix 50 forms the spatula step, is truncated cone-shaped. The wings 56 of the spatula element

sind gering gegen die Achse 26 (spitzer Winkel um 30° gegenüber der Mittelachse) angestellt. Ira dargestellten Beispiel verlaufen die Löcher 58 der Lochmatrize 122, aber auch die der Lochmatrize 50, gerade und achsparallel. Das Durchpressen durch die Löcher 58 geht gegen einen Gegendruck im kegelstumpfförmigen Hohlraum 60, bevor das Material, gestaut durch die schrägen Wandungen der Düsenöffnung 26, zugeführt wird.are slightly inclined towards the axis 26 (acute angle of 30° to the central axis). In the example shown, the holes 58 of the hole die 122, as well as those of the hole die 50, are straight and parallel to the axis. The pressing through the holes 58 is against a counterpressure in the truncated cone-shaped cavity 60 before the material, dammed by the slanted walls of the nozzle opening 26, is fed.

Claims

S*4713 Lw/Ge "Quirl" PROTECTION CLAIMS

1. Cooking extruder with feed hopper, a single screw and nozzle for producing thermally treated biopolymers, characterized by at least one spatula pump between screw and nozzle, each consisting of a perforated die and an associated spatula element (defined as spatula pump).

2. Cooking extruder according to claim 1, characterized by at least two so-called spatula pumps between the screw and the nozzle.

3. Cooking extruder according to claim 1, characterized in that the front surface of the nozzle-side end of the screw is spatula-shaped and is designed such that it coats a perforated plate.

4. Cooking extruder according to one of the preceding claims, characterized in that the spatula pumps, each consisting of a perforated plate and a spatula element, are mounted on a shaft with and in extension of the screw.

5. Cooking extruder according to one of the preceding claims, characterized in that the spatula pumps have independent drives.

6. Cooking extruder according to one of the preceding claims, characterized in that the hole matrices, which are equipped with good heat transfer due to the numerous holes, have channels for steam/cooling water or heat transfer oil.

7. Cooking extruder according to one of the preceding claims, characterized in that the extruder screw is operated as a simple feed screw with pre-compression.

8. Cooking extruder with feed hopper and nozzle, characterized in that the cooking extruder consists only of a series of so-called spatula pumps, whereby the spatula extruder is arranged vertically.

9. Cooking extruder according to one of the preceding claims, characterized in that the spatula surface is straight, curved or profiled and rotating.

10. Cooking extruder according to one of the preceding claims, characterized in that the angle of attack of the spatula surface to the perforated die is between 0 and 90°.

11. Cooking extruder according to one of the preceding claims, characterized in that the surface of the spatula surface is as smooth as possible, i.e. of low friction, and the surface of the hole matrix is as rough as possible, i.e. of high friction.

12. Cooking extruder according to one of the preceding claims, characterized in that these extruder tools, in particular extrusion cylinders, optionally screw, nozzle, etc., are made of steel, cast iron or another food-safe material.

13. Cooking extruder according to one of the preceding claims, characterized in that the spatula stages are each designed as a module.

14. Cooking extruder according to one of the preceding claims, characterized in that the individual spatula stages in the

I &idigr; &idiagr; * · ·I &idigr;&idigr; * · ·

Modular system that can be combined.

15. Cooking extruder according to one of the preceding claims, characterized in that the hole matrices on the upstream side are designed as spherical caps and the associated spatula element(s) are complementary to the spherical cap and are directly opposite and follow its contour.

16. Cooking extruder according to one of claims 1 to 14, characterized in that a flat perforated matrix with, in particular, axially parallel holes with an inflow-side expansion is arranged on an axis extending the screw with the screw end designed as a spatula head.

17. Cooking extruder according to claim 16, characterized in that following this perforated matrix, three further spatula stages, each consisting of a perforated matrix (22) and a spatula element, (24) are arranged, wherein the spatula element is designed as a rotating impeller.

18. Cooking extruder according to claim 16, characterized in that a hat-shaped, internally hollow annular hole die (34) is arranged following this hole die, which forms a hollow spatula chamber (20), within which a rotating spatula element (40) is arranged, which coats the annular die.

19. Cooking extruder according to claim 16, characterized in that a conical perforated die (50) with, in particular, axially parallel openings (58), optionally provided with widenings on the inflow side, is arranged on this shaft, wherein in the spatula chamber (54) formed by the hollow conical perforated die, a frustoconical spatula element (52) is arranged which fills the spatula chamber (54) and which sweeps over the openings (58) of the perforated die (50) on the inside.