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Extrusion
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Extruder-Grundlagen

Extruder sind Schneckenpressen, die nach dem Funktionsprinzip des Fleischwolfes feste bis dickflüssige Massen unter hohem Druck und hoher Temperatur (je nach Produkt von (10 bis zu 300 (700) bar) und 120 bis 300° C) gleichmäßig aus einer Öffnung herauspressen.
Es gibt Extruder mit einer oder auch zwei Schneckenwellen. Die Förderung und der Druckaufbau werden bewirkt durch die Friktion der mit der Schnecke rotierenden Masse an der stehenden Gehäusewand(Zylinder). Die so in der Rotation zurückbleibende Masse wird von den wendelförmigen Schneckegängen zur Auslassdüse geschoben.

Als Ursprung der Extrudertechnik ist die Herstellung nahtloser Bleirohre mittels einer handbetriebenen Kolbenpresse durch Joseph Bramah 1797 in England anzusehen. 1845 wurden bereits warmplastische Massen auf den ersten, nach dem Prinzip der Archimedischen Schraube arbeitenden Schneckenpressen verarbeitet, die ca. 10 Jahre später mit einem mechanischem Antrieb versehen wurden.

1873 wurden bei den Phönix - Gummiwerken zur Herstellung nahtloser Überseetelefonkabel Einschneckenextruder eingesetzt, 1869 soll bereits der erste Doppelschneckenextruder zur industriellen Wurstwarenfabrikation verwendet worden sein. Damit war der Schritt getan, neben der Kunststofftechnologie auch der Lebensmitteltechnologie die Extrudertechnik zu erschließen. Ein weiterer Schritt zur Anwendung der Extrudertechnik auch in der Getreidetechnologie war die industrielle Teigwaren- Produktion durch Lühotzky 1935 sowie die Herstellung direkt expandierter Maiscollets 1936. Die daraus entwickelten "Erdnussflips" kamen nach dem 2. Weltkrieg durch die Adams Corp. in den Vereinigten Staaten von Amerika auf den Markt.

Entstehung und Anwendung der Extrudertechnik

Definitionsgemäß ist die Extrusion "die Formgebung von plastischen oder weichen Substanzen, die mittels zwingender Kraft -gegebenenfalls nach vorhergehender Erhitzung des verarbeiteten Rohstoffes- durch eine speziell geformte Düsenöffnung hindurch gepresst werden". Demnach ist der Extruder eine Maschine, die Materialien unterschiedlichster Zusammensetzung knetet, presst und formt. In Verbindung mit einer Wärmeentwicklung kann auch von einem thermodynamischem Reaktor, im Bereich der Lebensmittel- Technologie von einem biochemischem Reaktor gesprochen werden.

Als Ursprung der Extrudertechnik ist die Herstellung nahtloser Bleirohre mittels einer handbetriebenen Kolbenpresse durch Joseph Bramah 1797 in England anzusehen. 1845 wurden bereits warmplastische Massen auf den ersten, nach dem Prinzip der Archimedischen Schraube arbeitenden Schneckenpressen verarbeitet, die ca. 10 Jahre später mit einem mechanischem Antrieb versehen wurden. 

1873 wurden bei den Phönix - Gummiwerken zur Herstellung nahtloser Überseetelefonkabel Einschneckenextruder eingesetzt, 1869 soll bereits der erste Doppelschneckenextruder zur industriellen Wurstwarenfabrikation verwendet worden sein. Damit war der Schritt getan, neben der Kunststofftechnologie auch der Lebensmitteltechnologie die Extrudertechnik zu erschließen. Ein weiterer Schritt zur Anwendung der Extrudertechnik auch in der Getreidetechnologie war die industrielle Teigwaren- Produktion durch Lühotzky 1935 sowie die Herstellung direkt expandierter Maiscollets 1936. Die daraus entwickelten "Erdnussflips" kamen nach dem 2. Weltkrieg durch die Adams Corp. in den Vereinigten Staaten von Amerika auf den Markt.

1945 wurden durch die Zusammenarbeit italienischer Teigwaren- Produzenten und der Schweizer Bühler AG erstmals Extruderanlagen zur kontinuierlichen großtechnischen Teigwaren- Produktion aus angefeuchtetem Weichweizengrieß entwickelt.

Viele Zweige der Nahrungs- und Futtermittelindustrie machten sich seitdem die Extrudertechnik zunutze. Dabei wurde die Urform des Extruders, die Kolbenpresse, immer mehr zuruckgedrängt. Sie wird heute nur noch vereinzelt außerhalb dieses Industriezweiges eingesetzt. In der Lebens- und Futtermittelindustrie kommen dagegen Ein- und Zweischneckenextruder zur Anwendung, wobei jeweils verschiedene Schneckenformen und -anordnungen möglich sind.

 

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Der notwendige Druckaufbau der Masse vor deren Düsenaustritt wird durch die Bildung von in sich geschlossenen, von der Extruderschnecke einerseits und dem Extrudergehäuse andererseits begrenzten Räumen erreicht, die durch die Drehung der Schneckenwelle zur Düse hin immer kleiner werden.

 

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Dies kann bei einem Einschneckenextruder durch ein konisch ausgerichtetes Gehäuse sowie durch einen abnehmenden Steigungswinkel oder durch einen zunehmenden Kerndurchmesser der Extruderschnecke erfolgen. Zweischneckenextruder werden sowohl mit konstanten Gehäuse- und Schneckendurchmessern als auch in konischen Bauformen eingesetzt, wobei die beiden Schnecken ganz, teilweise oder gar nicht ineinander greifen sowie gleich- oder gegenläufig drehen können.

Dabei sind Einschneckenextruder aufgrund ihrer einfacheren Bauform sowohl in der Anschaffung als auch im Unterhalt wesentlich kostengünstiger als Zweischneckenextruder und zeichnen sich durch eine hohe Robustheit aus. Allerdings ist deren Handhabbarkeit eingeschränkt.

Die Inhaltstoffe der in der Lebensmitteltechnologie verwendeten Rohstoffe, wie zum Beispiel Stärke, Zucker und Proteine, können bei deren Gelatinisierung beziehungsweise Denaturisierung an der sich nicht selbstreinigenden Extruderschnecke haften bleiben, was zu Verbrennungen und zu einem pulsierenden Produktausstoß führen kann. Daraus können schwankende Produktqualitäten sowie Reinigungsprobleme bei einem Produktwechsel oder einem Produktionsstop entstehen.

Ein zu hoher Feingutanteil des zu extrudierenden Rohstoffes verursacht bei einem Einschneckenextruder eine unstetige Masseförderung, was sich in einer inhomogenen Produktstruktur äußert. Deshalb kann zum Beispiel reine Stärke nur schwer extrudiert werden. Mit Einschnecken- Extrudern werden daher meist Rohstoffmischungen verarbeitet, denen zur Verbesserung des Einzugsverhaltens Fließmittel zugesetzt werden und die vor der Extrusion konditioniert wurden, da das Material im Extruder kaum gemischt wird.

Durch die Verwendung von Zweischneckenextrudern mit tangierenden Doppelschnecken wird eine Verbesserung der Mischwirkung erzielt. Noch vorteilhafter ist die Verwendung ineinander greifender Doppelschnecken mit hoher Gangtiefe, die neben der verbesserten Mischwirkung auch eine gute Selbstreinigung aufweisen und durch ihre sehr gute Produktförderung auch die Verarbeitung von pulverförmigen Rohstoffen, wie zum Beispiel Mehlen und Stärken, und von pastösen Massen ermöglichen.

Daneben kann bei Zweischneckenextrudern die Dosierung von Schüttwasser und anderen Zusatzstoffen an beliebiger Stelle des Verfahrensteiles erfolgen. Der Aufbau einer Extruderschnecke ist in drei Zonen einteilbar, wie dies am Beispiel der kernprogressiven Schnecke eines Einschneckenextruders dargestellt ist.

 

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In der Einzugszone, die direkt unterhalb des Produkteinlaufes liegt, weist die Extruderschnecke eine relativ hohe Gangtiefe auf, um das pulverförmige Rohstoffmaterial aufzunehmen. 

In der anschließenden Kompressionszone werden durch die Verringerung der Gangtiefe der Massedruck erhöht und hohe Scherkräfte erzeugt, die zu einer Dissipation der mechanischen Antriebsenergie in Wärme führen. In dieser Zone finden die thermisch oder mechanisch induzierten Aufschluss- und Vernetzungsreaktionen statt.

Die abschließende Druckaufbauzone wird durch eine Düse, die dem austretendem Extrudat die gewünschte Form gibt, begrenzt. Dadurch erfolgt eine weitere Erhöhung des Massedruckes und der Massetemperatur, sodass der zuvor plastifizierte Rohstoff in einen viskoelastisch - thermoplastischen Zustand übergeht.

Wenn dazu bei wasserhaltigen Mischungen der Massedruck vor der Düse höher ist als der zur Massetemperatur bei Normaldruck gehörende Wasserdampfpartialdruck, kommt es nach dem Düsenaustritt der Masse durch den Druckausgleich zu einer Entspannung des Wasserdampfes und damit zu einer Expansion des Produktes.

Durch eine Schneideinrichtung an der Düse kann der Extrudatstrang in die gewünschten Abschnitte unterteilt werden. Dabei werden zu Scheibchen geschnittene Extrudate in nicht expandierter Form als Pellets, in expandierter Form als Collets bezeichnet.

Bei der Produktförderung vom Produkteinlauf zur Düse treten verschiedene Strömungen auf. In die Richtung der Düse weist dabei der Schleppstrom. Er wird durch die Reibung zwischen dem Produkt einerseits sowie der Schnecken- und Gehäuseoberfläche andererseits bestimmt und tritt vorwiegend bei Einschneckenextrudern auf. Der Massedruck, das Drehmoment an der Schnecke, der Massestrom und die Verweilzeit der Masse im Extruder sind dabei voneinander abhängige Größen.

Bei Zweischneckenextrudern mit ineinandergreifenden Schnecken tritt an die Stelle des Schleppstromes ein Zwangsstrom. Daher ist diese Art von Extruder auch nicht so stark von der Profilierung der Gehäuseinnenfläche (Buchse) abhängig. Der Druckaufbau, das Drehmoment an der Schnecke und der Massestrom können unabhängig voneinander geregelt werden. Das Material wird mit geringen Scherkräften gefördert.

Dem Schleppstrom entgegengerichtet ist der Staustrom. Er entsteht durch den Druckaufbau und Rückstau der Masse im Extruder vor der Düse.

Der durch den Spalt zwischen der Extruderschnecke und dem sie umgebenden Gehäuse fließende Leckstrom wird im allgemeinen aufgrund seiner geringen Bedeutung vernachlässigt.

Die Wirkung des Extrusionsprozesses auf die verarbeitete Rohstoffmischung wird durch die Faktoren Druck, Temperatur und Verweilzeit der Masse im Verfahrensteil sowie durch die eingebrachten Scherkräfte bestimmt. Sie können durch eine Vielzahl von Prozessvariablen in einem sehr großem Bereich verändert werden. Die Klassifizierung des Extrusionsprozesses kann dabei nach mehreren Gesichtspunkten erfolgen. 

 

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Die thermodynamische Einteilung unterscheidet dabei autogene, isotherme und polytrope Extruder.

Die autogenen Extruder arbeiten adiabatisch, autotherm oder exotherm. Sie besitzen keine äußere Zylinderheizung und benötigen daher keine externe Energiezufuhr. Die erforderliche Wärmeeinleitung erfolgt ausschließlich durch die Dissipation der mechanisch eingebrachten Energie aufgrund einer Friktionswärmebildung im Extruderreaktionsraum. Die Einhaltung der gewünschten Arbeitstemperatur kann durch eine Zylinderkühlung gewährleistet werden. Ein Einsatzgebiet für autogen arbeitende Extruder ist die Herstellung stark expandierter Collet - Snacks.

Die isotherm arbeitenden Extruder werden ausschließlich extern temperiert, um eine konstante Temperatur über die gesamte Verfahrenslänge zu erreichen. Die gewünschte Temperatur kann dabei durch Heizen oder Kühlen des Extrudergehäuses oder durch eine Dampfinjektion zur Direkterwärmung des Rohstoffes erreicht werden. Dieser Prozess wird vorwiegend zum Formen weicher Massen eingesetzt, zum Beispiel in der Teigwaren- und Süßwarenindustrie.

In den meisten Anwendungsfällen arbeitet ein Extruder außerhalb der beiden zuvor genannten Zustände als polytroper Extruder. Dabei erfolgt die Wärmezufuhr sowohl durch externe thermische Energieeinleitung als auch durch die Friktionswärmebildung im Extruder.

Eine weitere Unterscheidungsmöglichkeit der verschiedenen Extrusionsprozesse kann aufgrund der Prozessparameter durch die Einteilung in Kalt-, Warm- und Heißextrusion erfolgen.

Der Prozess der Kaltextrusion wird hauptsächlich in der Teig- und Süßwarentechnologie angewandt und erfordert einen hohen Mischungswassergehalt bei niedriger Schneckendrehzahl. Charakteristisch für diesen Prozess sind niedrige Drücke, Temperaturen und Scherkräfte.

Die Wärmextrusion arbeitet mit Mischungen, die einen mittleren Feuchtigkeitsgehalt aufweisen. Der Druck der Masse im Extruder unterscheidet sich kaum von dem der Kaltextrusion, wogegen die Temperatur im Vergleich dazu wesentlich höher liegt. Daher wird diese Extrusionsart auch als Kochextrusion bezeichnet. Mit diesem Verfahren werden vorzugsweise pelletförmige Halbfabrikate hergestellt, die nach einer Trocknung und ent-sprechender Konditionierung durch Erhitzen im Ölbad expandieren.

Der sowohl mit hoher Temperatur als auch mit hohem Druck arbeitende Prozess der Heißextrusion wird meist als HTST (Hochtemperatur - Kurzzeit-) Extrusion bezeichnet. Er arbeitet mit einem niedrigem Mischungswassergehalt sowie mit großen Scherkräften und Drücken, sodass das Produkt eine hohe Energieeinleitung erfährt. Auf dem Gebiet der Lebensmittelproduktion Zählt die HTST- Extrusion zu den am häufigsten angewendeten Extrusionsverfahren.

Die Einteilung der Extrusionstechnologie aufgrund von Prozessparametern wird in der folgenden Tabelle dargestellt, aus der auch die entsprechenden Anwendungsgebiete hervorgehen.

 

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Die Haupteinsatzgebiete der Extrudertechnik sind heute die Herstellung von Haustierfutter („pet food“), die Gewinnung verschiedenster vorgekochter Cerealien- Produkte für Frühstücks- und Früchtemischungen sowie die Herstellung von Snackprodukten.

Weitere Einsatzgebiete der Extrudertechnik innerhalb der Lebensmitteltechnologie sind die Umwandlung pflanzlicher und tierischer Proteine zu texturierten, strukturierten und geformten Lebensmitteln („Engeneered Foods“) sowie die Herstellung neuer Brottypen, wie zum Beispiel Flachbrot („crisp Bread“).

Dazu kommen eine Vielzahl von weiteren Anwendungsmöglichkeiten der Extrudertechnik, bei denen das Ziel hauptsächlich eine Strukturveränderung der Stärke ist. Dazu wird das Extrudat nach dem Durchlaufen der Produktionseinheit Extruder/Trockner/Kühler vermahlen und zum Beispiel in der Stärkeindustrie weiterverarbeitet. Zu diesem Bereich gehört auch die Herstellung von Instant Trockensuppen und Paniermehl mittels Extruder.

Dabei vergrößern sich die Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere die der HTST- Extrusion, zunehmend, wofür eine Reihe von Vorteilen verantwortlich sind. Extruder decken die Verfahrensschritte Mischen, Aufschließen, Kochen und Formen sowie Strukturieren und Sterilisieren ab und sind im Vergleich zu konventionellen Verfahren sehr kostengünstig.

Durch die Vielzahl ihrer Prozessvariablen und die Möglichkeit der Steuerung über dem System innewohnende Größen sind Extruder für unterschiedlichste Rohstoffe vielseitig einsetzbar. Die Herstellungskapazität ist bei niedrigem Platzbedarf hoch, und die Haltbarkeit der Produkte gut.

Aufgrund der geschilderten Eigenschaften der Extrudertechnik ist im Bereich der Getreidetechnologie für die zukünftige Entwicklung besonders der expandierende Markt der Snackprodukte interessant.

Neben den Snacks der zweiten Generation, die durch direkte Expansion bei der Heißextrusion hergestellt werden, gewinnen Snackprodukte der dritten Generation zunehmend an Bedeutung, die zunächst als Halbprodukte mittels Warmextrusion hergestellt und anschließend frittiert werden.