Stärke und Stärkeaufbereitung

Stärke wurde im Altertum aus Weizen gewonnen und als Zusatz zu Arzneien und als Kleister verwendet.

Vor tausenden Jahren hat man gereiftes Getreide in Wasser eingeweicht, mit Steinen zu einem Getreidebrei zerstampft, mit klarem Wasser vermischt und nach einer Ruhezeit die aufschwimmenden Bestandteile abgegossen. Das helle Sediment auf dem Gefäßboden war hauptsächlich Stärke. Dieser Bodenbelag wurde abschließend in der Sonne getrocknet. Ähnlich sind unsere Vorfahren später vorgegangen um Kartoffellestärke aus zerriebenen Kartoffeln zu gewinnen. In Europa entwickelte sich die Stärkeindustrie als landwirtschaftliches Begleitgewerbe. Man operierte mit einfachsten Vorrichtungen, die erst im Zuge der Industrialisierung zu verfahrenstechnischen Spezialmaschinen weiterentwickelt wurden. So verbesserten sich Reinheitsgrad, Ausbeute und Kostenstruktur.

Historie Stärke

ca. 3500 vor Chr.

Stärke wird als Kleb- und Glättstoff für Papyrusblätter genutzt

ca. 200 vor Chr.

Schriftliche Überlieferung einer Verfahrensbeschreibung zur Stärkegewinnung aus Getreide aus Griechenland und Ägypten

700 - 1300

Stärke wird zur Aufhellung und Glättung in bei der Papierherstellung genutzt

1400

Stärke dient als Bügelhilfe zur Versteifung von Kleidungstücken

1600

Stärke ist Basispulver für Puder, Schminke und Haarfärbemittel

1700

Stärke wird in den USA aus Mais und Kartoffeln gewonnen

1770

Stärkekleber wird zur Schlichtung von Garnen genutzt

1811

Chemische Modifizierung/ Stärkeverzuckerung durch Säurekatalyse

1890

In Deutschland gibt es ungefähr 250 Betriebe die Stärke herstellen

heute

In Deutschland arbeiten ca. 2600 Personen in der Stärkeindustrie in 14 Fabriken. Stärkeproduktion in Europa ca. 12 Millionen t.


Rohstoffe zur Stärkegewinnung sind innerhalb Europas Kartoffeln, Weizen und Mais, wohingegen außerhalb Europas die Stärke auch aus den Feldfrüchten Tapioka und Reis gewonnen wird. Das Handelsprodukt Stärke (C6H10O5)n darf heute maximal 3% Fremdstoffe enthalten. So hat sich im internationalen Stärkemarkt durchgesetzt, dass der Rohproteingehalt von Getreidestärke max. 0,58 % in der Trockenmasse betragen darf, in der Kartoffelstärke 0,13 %.

 

durchschnittlicher Stärkegehalt in Gewichtsprozent

Amyloseanteil in der Stärke

Weizen

60-70

20-26

Mais

62-70

0-85

Markerbsen

30-40

50-80

Reis

70

0-25

Gerste

60-70

60-70

Kartoffel

10-20

20-28

Kartoffel gentechnisch verändert

10-20

0

Nutzpflanzen mit ihren ungefähren Stärke- und Amyloseanteilen 

Proteinarme Weizenstärke wird für diätetische Nährmittel gewonnen (z.B. Zöliakie). Der Codex alimentarius (internationales Regelwerk für Lebensmittel) definiert Stärke als glutenfrei, wenn der Proteingehalt (Gluten) weniger als 20 mg/kg beträgt. Heutige Analyseverfahren können Restproteingehalte unter 5 mg/kg nachweisen.

Stärke besteht ausschließlich aus Glukose und ist der eigentliche Energieträger der allermeisten Pflanzen. Sie wird durch Fotosynthese mit Glukcose als

n C6H12O6 – (n-1) H2O   –>    (C6H10O5)n

 Glukose                                    Stärke  

Zwischenstufe gebildet und in den Pflanzenknollen und -samen in Form von Stärkekörnern deponiert. Tausende Glukose Moleküle vernetzen miteinander in Form einer Helix und bilden ein Stärkemolekül, die das wiederum im Stärkekorn eingebettet werden wird.

Enzyme bestimmen den Aufbau und die Struktur der Stärkekörner. Sie können die Glukose-Moleküle als einen langen Strang glykosidisch binden. Dieser Aufbau wird Amylose genannt. Werden Seitenketten an den Strang angegliedert spricht man von Amylopektin.

Interessant ist die molekulare Ähnlichkeit der Stärke- und der Zellulosemoleküle. Die Stärke ist das Energiedepot der Pflanzen, wohingegen die Zellulose das Zellgerüst der Pflanzen bildet - mit beeindruckend hoher Festigkeit und Elastizität, denken wir an Holz oder 4 m hohe Hanfhalme.

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Je nachdem, ob die anomere OH-Gruppe des Zuckers A in α- (= unten) oder β-Stellung (= oben) vorliegt, bildet sich eine α-glykosidische Bindung oder eine β-glykosidische Bindung.

Die Zahlen 1,4 und 1,6 weisen auf die jeweiligen C-Atome im Glukosemolekül hin.

Stärke entsteht aus der α-Bindung.

Jedes Glukosemolekül hat verschiedene Seitengruppen. Diese OH-Gruppen benachbarter Moleküle gehen zusammen. Es wird Wasser abgeschieden. So entsteht die Verbindung zwischen zwei Glukosemolekülen. Stärkegranulate bestehen aus tausenden glykosidisch verbundener Glukosemoleküle.

 

Cellulose entsteht aus der β-Bindung.

Wenn sich gegenüberliegende OH-Gruppen miteinander verbinden, entsteht ein linearer Strang von Glukoseeinheiten. Diese Form des Moleküls finden wir in der Cellulose, den Stabilisatoren aller Pflanzen. 

Blog Artikel: Komplexe Anlagentechnik in der Celluloseaufbereitung 

Ähnlichkeit der Molekülstruktur von Cellulose und Stärke

Je nach Stärkeart sind die Stärkekörner unterschiedlich groß. Die Durchmesser der Stärkepartikel in Kartoffeln können über 100 µm betragen, die des Weizens betragen 2 bis 35 µm, die vom Mais 5 bis 25 µm und vom Amaranth nur 0,5 bis 3 µm. Bei Weizenstärke liegt eine bimodale Verteilung der Stärkekörner vor (Häufigkeitsverteilung mit 2 Maxima). Dieses macht man sich zu nutze, um zum einen eine hochreine A-Weizenstärke (20 – 35 µm) und zum anderen eine kleinkörnige B-Weizenstärke (2 – 10 µm) mit höherer Verunreinigung zu produzieren.   

Stärke weist normalerweise je nach Ursprung einen Amyloseanteil von 14 % bis 27 %, sowie einen Amylopektinanteil von 73 % bis 86 % auf. Spezielle Pflanzenzüchtungen bringen aber auch Stärkearten hervor, die bis zu 99 % Amylopektin oder bis zu 85 % Amylose enthalten.  

 

Amylose

Amylopektin

Jodbindevermögen

20%

0 bis 1%

Farbe der Jodkomplexe

tiefblau

rot-violett

Lösungsstabilität

instabil

stabil

Dickungsleistung

gering

hoch

Retrogradation; Rückbildung zuvor verkleisterter Stärke

irreversibel

reversibel

Gelbbildung/ Vernetzung

stark und schnell

gering und langsam 

Unterscheidungsmerkmale der beiden Stärkebestandteile: Amylose und Amylopektin

In kaltem Wasser ist Stärke nicht löslich, aber die Stärkekörner können reversibel leicht quellen, so dass sich deren Volumen bis 28 % erhöht. Wird der Stärke Wasser entzogen, geht die Quellung zurück.

Native Stärke kann Wasser oder feuchte Güter gut binden, aber zumeist nicht dauerhaft und auch insbesondere nicht bei variierenden Temperaturen. Stärke wird daher modifiziert um deren Verkleisterung zu beschleunigen, zu steuern oder zu stabilisieren, Flüssigkeiten zu versteifen und deren Konsistenz unabhängig von Wärme-Kälteeinflüssen oder bei Rührbewegung zu stabilisieren. 

Modifizierte Stärken können hydrophile, aber auch hydrophobe Eigenschaften aufweisen. So wird die Stärke an die Bedürfnisse der Produzenten angepasst. Im Lebensmittelbereich sind dieses insbesondere Convenience-Produkte und die Backmittelindustrie mit den Prozessschritten Garen, Backen, Rösten, Schockgefrieren, Auftauen, Beeinflussung der Maillard-Reaktionen. 

© by amixon GmbH

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Chargenweises Mischen versus kontinuierlichem Mischen. Welche Vorteile und Nachteile haben die Verfahren?

Grundsätzlich gestattet ein Chargenmischbetrieb mehr Flexibilität als eine Kontinuierlich-Mischanlage. Das ist einer der Gründe dafür, dass Chargenmischbetriebe weitaus häufiger anzutreffen sind.

Beim Chargenmischer – links – erfolgt die Arbeitsweise absatzweise. Erst wenn die einzelnen Komponenten eingefüllt worden sind, beginnt das Mischwerkzeug zu rotieren. Durch dreidimensionales Verströmen der Güter verändert der Mischer die Position aller Partikel zueinander. Der Zustand ändert sich von „ungemischt“ in „technisch ideal gemischt“. Dann erfolgt die Entleerung.

Beim kontinuierlichen Mischen – rechts - werden dem Mischer die beteiligten Komponenten kontinuierlich im richtigen Masseanteil zugeführt. Die Stoffströme werden im Mischer homogenisiert und das gemischte Gut wird kontinuierlich ausgetragen.

Die eigentliche Mischaufgabe ist hier etwas einfacher, weil die sogenannte kontinuierliche Kesselströmung bereits eine homogene Mischgutbasis erzeugt hat. Die eingetragenen Stoffströme sind vergleichsweise klein im Verhältnis zum bereits homogenisierten Gefäßinhalt. Die durchschnittliche Verweildauer kann 0,5 bis 3 Minuten betragen.

Ist nicht die Dosiertechnik die Schlüsseltechnologie im Hinblick auf Mischgüte und Reproduzierbarkeit beim kontinuierlichen Mischen?

Ja, das ist zweifelsfrei das entscheidende Verfahren, das nicht kompensiert werden kann. Kontinuierlich arbeitende Mischanlagen haben sich etabliert, seitdem es genau arbeitende Pulverdosierer gibt, die hohe „Kurzzeit-Genauigkeiten“ aufweisen. Bei der Auswahl der Dosiersysteme sollte man den gravimetrischen Dosierern den Vorrang einzuräumen.

Je nach Produkt und Branche hat jeder Mischbetrieb seine individuellen Merkmale. Welche Kriterien sollte man beachten, wenn man zwischen dem kontinuierlichen Mischen und dem chargenweisen Mischen auswählen möchte?

Ein kontinuierlicher Mischprozess ist vorteilhaft,

  • wenn eine kurze definierte Verweildauer gefordert ist; z. B. definierte Desagglomeration, spontane Aufbaugranulation während der Flüssigstoffzugabe, oder wenn spontane chemische Reaktion stattfinden, die möglicherweise exotherm verlaufen
  • wenn die Rezeptur aus wenigen Komponenten besteht
  • wenn die Rezepturen standardisiert sind und die Qualitäten der Komponenten gesichert sind
  • wenn große Mengen des gleichen oder eines ähnlichen Produktes hergestellt werden, möglicherweise sogar dreischichtig (Massengüter wie Basisnährmittel in Getreide-Mühlen, chemische Basis-Wirkstoffe, Waschpulver, Kunststoffe, Baustoffe)
  • wenn die gemischten Güter ohne Zwischenlagerung direkt verpackt werden sollen

 Ein Chargenmischbetrieb ist dann vorteilhaft,

  • wenn es sich um komplexe Aufbereitungsvorgänge handelt z. B. Multistep-Mischvorgänge, oder Mischvorgänge mit Überdruck oder Vakuumanlegung stattfinden
  • wenn vor der Abfüllung eine Labor-Analyse stattfinden muss
  • wenn die Qualitätssicherung auf Chargenkontrolle besteht und
  • wenn nach jedem Ansatz eine Reinigung erfolgen muss
  • wenn viele Komponenten beteiligt sind. Das ist der Fall bei Babynahrung, diätetischen Nährmitteln, Backmittel, Gewürzzubereitungen, Stabilisatoren, Instant Food, Seasonings, ….
  • wenn es sich um Auftragseinzelfertigungen handelt mit immer anderen Rezepturen (Nahrungsergänzung, Gewürzaufbereitungen für Fleischbetriebe, Aromen für die Lebensmittelindustrie, Instantgerichte, Instantgetränke,…)


Der oben dargestellte Konusmischer kann beide Mischverfahren komfortabel durchführen, wenn er auf Wägezellen ruht. Voraussetzung für kontinuierliche Mischen ist, das Vorhandensein der Dosiersysteme.

Kommen Sie gern mit Ihren Produkten nach Paderborn. Wir führen Ihnen die Mischprozesse gerne vor!

Man unterscheidet 3 wesentliche Arten des Modifizierens

Physikalisch:

  • durch Wärmebehandlung, Vermahlung, Vorverkleisterung, Walzentrocknung, Extrusion oder Agglomeration. Diese Behandlung ist für Nahrungsmittel nicht deklarierungspflichtig. Je nach angestrebter Kaltlöslichkeit kommt die kostengünstige Walzentrocknung oder aber die teurere Sprühtrocknung zum Einsatz. Letztere wird zumeist mit einer Wirbelschichtagglomeration kombiniert, wenn die Stärke besonders gute Instanteigenschaften aufweisen soll.

Chemisch:

  • Stärke wird in einem Rührkessel in Wasser suspendiert und nach Zugabe geringer Säure- oder Laugenmengen vorsichtig erwärmt, ohne dass die Verkleisterungs-temperatur erreicht wird. Nach Einstellung eines spezifischen pH-Wertes wird ein Modifizierungsreagenz zugegeben. Nach der Neutralisation, Waschung, Filtration und Trocknung liegt die Stärke mit völlig veränderten Eigenschaften vor. Wird Stärke chemisch umgesetzt, abgebaut, dextrinisiert, verestert, verethert oder oxidiert, dann ist sie in Nahrungsmitteln als Zusatzstoff mit einer E-Nummer zu deklarieren oder als modifizierte Stärke auszuweisen.
  • Soll trotz wirkungsvoller Modifikation die kristalline Struktur der Stärkekörner weitgehend erhalten bleiben, kann die Methode der chemischen Vernetzung der Stärkemolekülgruppen mit Hilfe geeigneter Hydroxyle wie Ethylen oder, Propylenoxid oder Dicarbonsäure zur Anwendung kommen. So wird die Löslichkeit der Stärke verringert, die Verkleisterungstemperatur erhöht und je nach Vernetzungsgrad die Retrogradation eliminiert.

Enzymatisch:

  • Enzymatisches Hydrolysieren von Stärke ist ein hocheffektives Verfahren mit der dem Stärke zu Süßstoff verzuckert werden kann. So wie Enzyme die Molekülstrukturen organisieren und binden, Molekülketten und Seitenketten ausbilden, genau so können Enzyme solche Stärkemoleküle auch spalten. Enzymkatalytisches Hydrolysieren von Stärke findet im Gegensatz zur chemischen Spaltung zwar langsamer statt, aber auch bei geringerer Erwärmung. Entsprechende Enzyme können aus Schimmelpilzen, Bakterien oder der Bauchspeicheldrüse von Rindern gewonnen werden. Nach der Umsetzung werden die Enzyme restlos aus dem Stärkederivat herausgewaschen oder inaktiviert. Der Grad des Stärkeabbaues kann genau eingestellt werden, so dass eine Vielzahl von Erzeugnissen verfügbar ist (Stärkesirup). Eine Deklarierungspflicht besteht für diese Modifikationsform nicht. Alternativ kann die Stärke auch mit einer Säure gespalten werden (Säurehydrolyse).
  • Maltodextrin, beispielsweise für Instantgetränke, Gewürzaufbereitungen, Fruchtzubereitungen und Speiseeis, kann auf diese Weise effektiv gewonnen werden. Stärke wird in Wasser mit alpha-Amylase bei langsamer Rührbewegung suspendiert und langsam erwärmt. Definierte Rühr- und Verweilzeiten finden bei verschiedenen Temperaturstufen statt um eine möglichst vollständige enzymatische Aufspaltung zu begünstigen. Dann wird die Suspension mehrfach gewaschen, zentrifugiert und getrocknet.
  • Eine besonders schonende und wirkungsvolle Art des Kontakttrocknens findet im vertikalen Vakuum-Mischtrockner statt. Bei besonders niedrigen Temperaturen und sanfter Umschichtungsströmung werden extrem schnell hohe Trocknungsgrade erzielt.

© by amixon GmbH

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Mischer, Synthesereaktor, Vakuumtrockner

Was sind typische Kriterien um herauszufinden ob das System einen flachen Boden oder einen konischen Boden aufweisen sollte?

Das Produkt, das am Ende aus dem Apparat ausgetragen wird soll entweder ein Pulver oder eine Flüssigkeit sein. Die Frage lässt sich nicht generell beantworten. Prinzipiell sind beide Systeme ähnlich leistungsstark.

Beide Systeme erzielen erstklassige Mischgüten – egal welche Stoffkonsistenz vorliegt. Während der Synthesereaktion oder während der Vakuumtrocknung können verschiedenste Stoffeigenschaften auftreten. Die Stoffeigenschaften können sich massiv ändern; von

a.           suspendiert-pumpbar zu
b.           zähplastisch-hochviskos bis hin zu
c.           granulatig-klumpig und dann zu
d.           pulvrig-rieselfähig.

All das findet komfortabel in beiden Systemen statt. Die Antriebsdrehmomente können je nach Stoffeigenschaft groß sein.

  • Ist der vertikale Bauraum begrenzt, dann ist der Flachboden-Reaktor vorzuziehen.
  • Ist das resultierende Mischgut freifließend und besonders gut rieselfähig, dann wird der Konus-Reaktor wahrscheinlich bessere Restentleereigenschaften aufweisen.
  • Sind die Produkte abrasiv oder besonders korrosiv, dann muss regelmäßig eine Kontrolle im Inneren stattfinden. Soll ein Synthesereaktor, Vakuumtrockner zuweilen von Personen begangen werden - zum Zweck der Instandsetzung oder Schweißaufpanzerung - dann ist das Flachbodensystem zu bevorzugen. In Großapparaten kann man aufrecht stehen.
  • Schwanken Schüttdichten und die Füllgrade während der Synthesereaktion massiv, dann ist dem Konussystem der Vorzug einzuräumen, weil ein Konusmischer sehr große Füllgraddifferenzen tolerieren kann.
  • Sind Preisabwägungen „Kosten pro m³-Nutz-Volumen“ dominant, dann wird sich wahrscheinlich eher das Flachbodensystem anbieten.
  • Liegen besonders hohe Drücke im Innern des Reaktors vor, dann könnte das Konussystem Vorteile bieten
  • Sollen maximal große Wärmetauscher-Flächen (m²/m³) im Trockner/ Reaktor bereitgestellt werden, ist ebenfalls der Konusapparat vorteilhaft.
  • Sollte das Endprodukt eine zähfließende, pastöse Masse sein, dann bietet der Konusreaktor die bessere Möglichkeit des Produktaustrages.

Diese Aufzählung können wir weiter fortgesetzt, wenn wir Ihre Anforderungen und Produkte kennen.

Sprechen Sie uns gerne an, oder besuchen Sie uns mit Ihren Mischgütern. Wir führen die Reaktionen und Vakuumtrocknungen gerne vor.

Die Unversehrtheit einer naturbelassenen (nativen) Stärke kann einfach nachgewiesen werden, wenn die Stärkekörner bei polarisiertem Licht mikroskopisch betrachtet werden. Die Doppelbrechung lässt native Stärkekörner schillernd mit einem dunklen Kreuz erscheinen während behandelte Stärkekörner einfarbig ohne Kreuz erkennbar sind – offensichtlich, weil deren kristalline Struktur zerstört ist.

Erhitzt man Stärke als wässrige Suspension, dann wird das Stärkekorn ab einer bestimmten Temperatur zerstört, die Quellung nimmt weiter zu und Amylose tritt aus dem Korn aus. Diesen Vorgang nennt man Verkleisterung. Die Viskosität nimmt zu, ebenso wie die Klarheit des Stärke-Wassergemisches und dessen elektrische Leitfähigkeit. Es handelt sich um eine strukturviskose Lösung, deren Viskosität sich umso mehr verringert je stärker die Lösung gerührt oder geschert wird. Im Zuge des Abkühlens klart die Lösung auf, die Glukoseketten richten sich parallel aus und bilden neue Wasserstoffbrücken. Je nach Art der Stärke bildet sich ein mehr oder minder stabiles Gel aus.

Dieses strukturviskose Verhalten ist genau gegensätzlich zum Anfangszustand. Nasse Stärke (Wasser -in Stärke-Suspension) ist nämlich dilatant. Je höher der Scherstress stattfindet, desto mehr steigt die Viskosität. In besonderen Fällen können Antriebskomponenten und Mischwerkzeuge sogar wegen der Blockadewirkung brechen oder plastisch verformen. 

Stärkeart

Verkleisterungstemperatur [°C]

Quellvermögen (-fach)

Kartoffel

56 - 66

1 000

Mais

75 - 80

24

Weizen

80 - 85

21

Reis

61 - 78

20

Wachsmais

63 - 72

64

Verkleisterung von Stärke hat hohe Bedeutung bei verschiedenen industriellen Anwendungen

© by amixon GmbH

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Mit einem „Viscograph“ oder einem „Rapid-Visco-Analyzer“ verfügt man über eine anschauliche Messtechnik, wenn man die Verkleistungscharakteristik verschiedener Stärken miteinander vergleichen will. Dabei wird eine Stärke-Wasser-Suspension unter ständigem Rühren erwärmt und gekühlt. Der Rührwiderstand wird kontinuierlich gemessen und über die Zeit aufgetragen.

Stärkesuspensionen sind manchmal schwer fließend, weil sich ihre Viskosität erhöht, wenn man die Stärkesuspension agitiert. Mit dem vorstehend gezeigten Synthesereaktor / Vakuumtrockner können Sie sogar hoch komplexe Rezepturen aufbereiten. Die ideale Vermischung ist in der Regel immer gut möglich.

Sie können Ihre Stärke in verschiedenster Form modifizieren, mischen, thermisch behandeln und unter Vakuumanlegung thermisch trocknen. Das Vakuumtrocknen funktioniert besonders schnell insbesondere bei niedrigem Temperaturniveau. 

Weitergehende Eigenheiten von verflüssigter Stärke sind Textur (Schleimigkeit) und Trübung, Filmbildung, Gelbildung und Retrogradation. Egal wo Stärke in der Lebensmittelindustrie zur Anwendung kommt, sie soll geschmacksneutral sein und sie soll die Endanwendung im Sinne des Verbrauchers verbessern. Darüber hinaus soll sie das Mundgefühl passend zur jeweiligen Speise positiv unterstützen.

  • eine Tortenaufstrichmasse soll kalt quellend und schnell erstellbar sein, den sahnigen Geschmack unterstützen, aber beim Schneiden der Tortenstücke dauerhaft Elastizität und Formstabilität aufweisen
  • eine sprühgetrocknete Säuglingsnahrung soll gute Instanteigenschaften aufweisen und eine geeignete Flüssigkonsistenz aufweisen
  • ein milchbasiertes Früchtedessert oder ein Joghurt sollen sich im Mund erfrischend, kühlend, aber keinesfalls klebrig oder pelzig anfühlen, sich aber andererseits in der Hochleistungs-Abfüllmaschine gut dosierbar und nachtropffrei verhalten.
  • eine Grillsoße soll sich komfortabel aus der Flasche dosieren lassen und das Grillgut dickschichtig bei hoher Viskosität trotz Wärmeeinwirkung benetzen, im Mund aber während des Kauens die Gewürzaromen auf natürliche Art entfalten.
  • eine mit Stärke gepuderte Panade oder ein Backteig soll das Gargut gleichmäßig benetzen und fest anhaften. Egal ob die Speise umgehend verspeist oder zunächst tiefgefroren, verpackt und gelagert wird.
  • ein Instantgetränkepulver soll auch nach langer Lagerzeit schnell und klumpenfrei in der Flüssigphase dispergieren  
  • in einem mehrstufigen Wirbelschichtverfahren können sogar flüchtige oder oxidationsgefährdete Flüssigkeiten mit Hilfe von Stärke mikroverkapselt werden.

Retrogradation ist meistens unerwünscht. Zuvor gebundenes Wasser wird zeitverzögert wieder freigesetzt. Gele können sich verflüssigen. Solche Vorgänge werden besonders sichtbar, wenn Temperaturänderungen stattfinden wie Abkühlung nach dem Kochen oder Auftauen einer gefrorenen Ware. Man kann unerwünschte Retrogradation reduzieren, wenn man modifizierte Stärken verwendet oder auch wenn man geeignete Emulgatoren zusetzt.

Die Stärkeverkleisterung findet endotherm statt – ähnlich als wenn Kristalle in Lösung gehen. Somit ist entsprechend Wärme zuzuführen. In Deutschland sind die meisten Stärkearten untereinander austauschbar; insbesondere, wenn sie modifiziert zur Anwendung kommen. Die Kartoffelstärke ist zumeist teurer als Getreidestärke, weil die Kartoffelknollen nur saisonal verfügbar sind und bei der Herstellung wenige Koppelprodukte anfallen. Momentan nimmt das Angebot an Weizenstärke zu, weil insbesondere dem Weizenkleber als Koppelprodukt wachsende Bedeutung beigemessen wird. Weizenkleber / Weizeneiweiß war schon immer ein geschätztes Begleitprodukt, dass man in getrockneter Form für die Backwarenindustrie oder für die Tierernährung verfügbar gemacht hatte. Heute dient der Weizenkleber auch als Basis für Fleischersatzprodukte und ist vergleichsweise teuer geworden. Das macht die Stärkegewinnung aus Weizen zunehmend interessant.

Der Gesamtverbrauch an Stärke beträgt in Europa ungefähr 12 Millionen t, wobei die Steigerung ungefähr 2% pro Jahr beträgt. In den USA beträgt die Steigerung ungefähr 4%, in Südamerika ca. 4,5% und in Asien sogar 7% pro Jahr. Ungefähr 10% der weltweit produzierten Stärke wird in der chemischen Industrie verwendet, ungefähr 30% in der Papier- und Wellpappenindustrie, 30% in der Lebensmittelindustrie und etwa gleichviel wird modifiziert oder verzuckert für die Getränke- und Süßwarenindustrie. Es wird davon ausgegangen, dass der Bedarf an Stärke und deren Derivaten in allen Industriebereichen weiter steigen wird.

Soll die Stärke oder das Stärkederivat als Pulver in den Markt gelangen, dann bestehen die großen verfahrenstechnischen Herausforderungen in der Fest-Flüssigtrennung. Das geschieht im ersten Schritt mechanisch in horizontal drehenden Schälzentrifugen oder vertikal drehendenden Separatoren. Die Trennung erfolgt aufgrund der differierenden Dichte zwischen Wasser und Feststoff. Dann schließt sich der thermische Trocknungsschritt an. Hier kommen zumeist Konvektionstrockner wie Stromtrockner, Ringtrockner oder auch Mahltrockner zum Einsatz. Das Wasser wird von heißer Luft ausgetragen, wobei die feuchte Stärke pneumatisch verwirbelt und gefördert wird. Die thermische Trocknung ist ein besonders kostenintensiver Prozessschritt.

An dieser Stelle sei kurz die Vakuum-Kontakt-Mischtrocknung erwähnt, wenn es um die schonende Trocknung hochwertiger Derivate geht, wie beispielsweise Traubenzucker. Sämtliche Flächen des Apparates sind erwärmt. Wird das Vakuum auf 200 mbar Absolutdruck justiert, verdampft das Wasser bereits bei 60 °C. Die thermische Belastung ist also extrem niedrig. Die Vertikalbauweise weist viele Vorteile auf, wie besonders gute Restentleerung und besonders schonende Verströmung der Güter bei niedrigen Drehfrequenzen.
https://www.youtube.com/watch?v=gVzx8jOgFF0  und https://www.youtube.com/watch?v=StPGmvy-i4E 


© by amixon GmbH

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Die vorstehend dargestellten Mischer bieten viele Anwendervorteile: sie mischen schnell – unabhängig vom Füllgrad, sie entleeren weitgehend restlos, sie sind besonders bequem reinigbar/ inspizierbar, sie haben große Inspektionstüren. Die Wendel-Mischwerkzeuge sind nur oben angetrieben und gelagert. 

Bei den Mischsystemen HM, KS, AM und VM handelt es sich um Präzisionsmischer mit sehr kurzen Mischzeiten. Sie werden zumeist mit Chargenvolumina von 1000 Liter bis 7000 Liter gefertigt. Diese Mischer können nahezu für alle Arten trockener, feuchter und suspendierter Feststoffe verwendet werden. Der Typ HM ist ein Doppelwellenmischer mit höchster Effizienz, dessen Mischzeit extrem kurz ist: je nach Aufgabenstellung ca. 0,5 bis 5 Minuten. Die Mischsysteme AM und VM sind Einwellenmischer. Ihre Mischzeiten betragen je nach Aufgabenstellung ca. 4 bis 7 Minuten. Die erzielbaren Mischgüten der Mischer entsprechen immer einer idealen Homogenität, die in der Praxis nicht mehr verbessert werden kann. Das Mischsystem GM ist ein Großvolumen-Homogenisiermischer, der nicht verwendet wird wenn man eine Kleinstkomponente in der Gesamtcharge verteilen will. Das würde sehr lange dauern.

Haben die Mischsysteme HM und KS die gleichen Eigenschaften?

Die Eigenschaften sind ziemlich gleich in Bezug auf die sanfte, schonende Arbeitsweise. Beide Systeme gewährleisten höchste Effizienz. Die Bauart KS wird dann eingesetzt, wenn die Mischzeit extrem kurz ist und wenn die restlose Entleerung in wenigen Sekunden stattfinden soll. Das KS-System realisiert Taktzeiten von 1 bis 4 Minuten (Taktzeit ist die Summe der Zeiten fürs Befüllen, Mischen Entleeren und Armatur verschließen). Der Mischer kann auch dosierend oder portionierend entleeren.

Das Mischsystem GM ist eine Neuentwicklung für klassische Homogenisieraufgaben, beispielsweise, wenn eine großvolumige Grundgesamtheit homogenisiert werden soll.

Was sind typische Aufbereitungsaufgaben, wenn große Mengen Rohstoff angeliefert werden?

Massenware wie Tee, Kräuter, Gewürze, Tabak oder chemische Rohstoffe werden oft im 40 Fuß-Hochseecontainer aus Übersee angeliefert. Man muss davon ausgehen, dass die Güter im Container verschiedenste Qualitäten, Partikelgrößen, Schüttdichten, Feuchtegrade, Farb- und Geschmackseigenschaften, etc. aufweisen. Eine Qualitätsbestimmung kann nur stattfinden, wenn eine statistisch gesicherte Probe entnommen und analysiert wird.

Eine Probenentnahme aber macht nur dann Sinn, wenn die Gesamtmasse homogenisiert worden ist. Das Mischsystem KS kann große Mengen schonend homogenisieren. Seine Motorleistung ist gering. Das Mischwerk rotiert langsam. Das Mischwerkzeug wird totraumfrei entlang der Zylinderwandung mit einem definierten Abstand zur Zylinderwandung geführt. Seine Mischzeit ist je nach Motorleistung und Drehfrequenz einstellbar. Dieser Großraummischer ist besonders kompakt und erfüllt höchste Hygieneanforderungen.

Kann man das Mischsystem KS testen?

Ja, im Technikum steht auch dieses Mischsystem für Versuche bereit. Wir empfehlen die Versuche im 2 m³ - Maßstab durchzuführen. Ein Scale-Up auf andere Baugrößen wie 20 m³ oder 70 m³ ist sicher gewährleistet.

Die Lebensmittelindustrie ist ein großer Treiber für die Anwendung und die Weiterentwicklung von Stärkederivaten

  • als Additive für Instant Nährmittel  
    Whitepaper: amixon® Mischer für Instant Food
  • als Füllstoff für Tabletten für Nahrungsergänzungsmittel
  • als Viskositätseinsteller und Trübungsadditiv für Instantgetränke
  • zur Steigerung der Cremigkeit bei der Dessertherstellung
  • zur Konditionierung von Soßen für tiefgefrorene Fertiggerichte
  • als Basismasse für Oleoresine bei der Aromen- und Gewürzveredelung
  • zur Steigerung des Wasserbindevermögens bei der Wurst- und Fleischverarbeitung
  • als Bindemittel in Großküchen und Kantinen
  • als Füllstoff für Geschmacksverstärker
  • als Additiv zu Zucker zum Ummanteln der Partikel mit Fett
  • als Additiv für Backmittel und backfertige Mehle
  •  als Konditionierungsmittel für Panaden
  •  

So facettenreich wie Stärke und ihre Derivate in der Lebensmittelindustrie verwendet werden, so mannigfaltig kommt sie auch in der pharmazeutischen Industrie zum Einsatz.

  • als Gleitpulver für medizinische Handschuhe
  • als Füllstoff um Tabletten eine handliche Größe zugeben
  • als Überzugs- und Sprengmittel für Tabletten
  • als Basismasse für medizinische Puder und Deodorants
  • als Trägerstoff um medizinische Wirkstoffe anzuhaften
  • um kosmetisches Rouge zu strecken
  • als Trenn- und Gleitmittel um Tablettenpressen störungsfrei arbeiten zu lassen
  • als Puderungsmasse um klebrige Partikel dauerhaft voneinander zu trennen
  • als Viskositätseinsteller für Cremes, Emulsionen, Salben und sogar für Aerosole
  •  

Auch in der Prozess- und Schwerindustrie werden verschiedenste Stärkederivate verwendet.

Beispielweise     
amixon® Mischer und Reaktoren für die Herstellung von Waschmittel und Metallseifen

Beispielweise

  • zur Herstellung von Flockungsmitteln und Schaumunterdrücker für die Wasseraufbereitung
  • bei der Herstellung von Kühl-Schmierstoffen bei Tunnel- und Erdbohrungen
  • zur Einstellung der Fließfähigkeit von Beton für Betonpumpen
  • zur Konditionierung von Formsanden in der Gießereiindustrie
  • zur Glättung von Baumwollfäden um sie verschleißfrei verweben zu können in der Textilherstellung
  • als Klebemittel für Briefmarken und Wellpappen
  • zur Herstellung von Holzleimen
  • als Glätt- und Konditioniermittel in der Papierherstellung

 

In den allermeisten Fällen sind Stärken und Stärkederivate in pulvriger Form unersetzliche Beigaben zur Herstellung von Pulvermischungen für die vorbenannten Produkte. Dabei ist der Mischer prozessbestimmend. Er muss in kurzer Zeit - ohne die Mischgüter zu erwärmen - eine ideale Mischgüte erzeugen, die in der Praxis nicht mehr verbessert werden kann. Dieser Vorgang wird erschwert, wenn Flüssigstoffbeigaben an den Rezepturen beteiligt sind, was meistens der Fall ist. Stärken und ihre Derivate sind in der Regel sehr feindispers, staubend, stauend und schlecht fließend. Als Produkte organischen Ursprungs sind sie darüber hinaus mäßig bis besonders staubexplosiv. Oft haben sie die Neigung an den Mischwerkzeugen und an den Wandungen des Mischraumes anzuhaften.  

Wenn Stärke und Stärkederivate als Träger für Flüssigaromen, Oleoresine, Lebensmittelfarben, Backextrakte, Öle und Fette dienen, bedarf es großer Erfahrung schnell und homogen eine strichreine Benetzung herbeizuführen. Denn das wichtigste Ziel muss lauten, dass die Energieeintragung so gering wie möglich sein soll. Je kälter die Gesamtmischung die Mischanlage verlässt, desto besser funktioniert später die Abfüllung, die Lagerung, der Qualitätserhalt und die Frischekonsistenz. Oftmals handelt es sich in der Aromen- und Geschmackstoffaufbereitung, Instantfood, Suppen, Dips und Soßen um Multi-Stepp-Operationen. Spezifische Ummantelungseffekte sollen die Flüssigwirkstoffe umschließen und schützen. Dabei gibt es einen großen Zielkonflikt, eine möglichst hohe Flüssigstoffbeladung einerseits und die bestmögliche Fließfähigkeit der Fertiggemische andererseits zu erhalten.
 amixon ® Industriemischer für die Pulveraufbereitung von Aromen  

Es ist unbestritten, dass die Technologie des Mischens Trendsetter für neue verfahrenstechnische und hygienische Standards ist. Insofern können die Mischergebnisse nahezu aller anderen Mischergattungen reproduziert werden und meistens auch verbessert werden.  Oft müssen im Rahmen von Produktentwicklungen neue Verfahrensabläufe etabliert werden. Für dreierlei Pilotierungen halten wir ideal konstruierte Präzisionsmischer bereit.

Diese verfügen über vertikal gelagerte Wendel-Mischwerkzeuge und können bei verschiedensten Füllgraden verwendet werden. Nach wenigen Umdrehungen erzeugt die Mischwerkhelix ideale Homogenität für nahezu alle Arten trockener, feuchter und nasser Feststoffe und Pasten. Vertikal - Mischer sind weltweit etabliert und dafür bekannt, dass sie besonders hygienisch konstruiert sind und einen Entleerungsgrad bis zu 99,98% aufweisen. Große Inspektionstüren sind nach dem Clever-Cut® und OmgaSeal® Verfahren gefertigt. Sie dichten dauerhaft, absolut gasdicht und totraumfrei und gestatten gleichermaßen die manuelle Trockenreinigung als auch die automatische Nassreinigung; wobei die schnelle und gründliche Trocknung besonders wichtig ist. Im Technikum stehen über 30 verschiedene vertikale Wendelmischer und Baugrößen bereits von 10 Liter bis 2000 Liter Chargengröße zur Verfügung. Ein Versuchstag im Technikum beschert den Versuchsdurchführenden hohen Erkenntnisgewinne und erstklassige Versuchsergebnisse, die auf verschiedenste Baugröße übertragbar sind.

© by amixon GmbH

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Was hat Sie veranlasst einen solchen konischen Pulvermischer Typ KS zu entwickeln?

Diese Mischergattung wurde für die Vermischung von besonders empfindlichen Komponenten entwickelt. Dazu zählen die Güter, die aus der Gefriertrocknung hervorgehen oder die im Sprühturm und Agglomerator produziert wurden. Es handelt sich vornehmlich um Instantnährstoffe oder agglomerierte Medizinwirkstoffe mit hervorragenden Instanteigenschaften. Im Idealfall würden diese Güter direkt aus der Anlage verpackt: in Sachets, in Tüten, in Folienbeutel, Faltkartons oder in Dosen.

Geht es um Mischprodukte, deren Inhaltstoffe nicht erwärmt werden dürfen?

Ja genau darum geht es. Oft sind Komponenten dabei, die der thermischen Behandlung eines Sprühturmes oder eines Agglomerators nicht ausgesetzt werden dürfen, wie Vitamin B2, Probiotika, Präbiotika, Omega-3-Fettsäure oder Omega-6-Fettsäure. Dann ist ein finaler Mischvorgang nach dem Sprühprozess unumgänglich. Während des Mischens dürfen diese Stoffe nur sehr sanft - kam spürbar - agitiert werden.

In diesen Fällen aber kommt es doch auf allerhöchste Mischgüte an. Ist das nicht ein Zielkonflikt - einerseits homogen zu mischen, andererseits die Partikel in ihrer bestehenden Granulometrie zu erhalten? Auch der Vorgang des Austragens aus dem Mischer kann die Mischgüter stressen. Insbesondere wenn die Mischgüter schnell und restlos aus dem Mischer ausgetragen werden sollen?

Es mag unlogisch erscheinen, aber es ist tatsächlich möglich solche Mischgüter adäquat zu homogenisieren und restlos auszutragen. Das erfolgt durch dreidimensionales Umschichten. Eine besonders geformte Mischwerkwendel rotiert mit geringer Drehfrequenz und fördert die Güter in der Peripherie des Mischraumes aufwärts. Die Güter fließen im Zentrum abwärts. Dabei werden sie vom inneren Konus wieder nach außen geleitet. Die ideale Mischgüte liegt nach wenigen Umdrehungen vor. Die Homogenität entspricht einer bestmöglichen Verteilung und kann in der Praxis nicht mehr verbessert werden.

Ist es richtig, dass eine hohe Mischgüte nur dann erreicht wird, wenn das Mischwerkzeug hochtourig dreht?

Das mag für andere Mischsysteme zutreffen. Für die hier vorgestellte Mischergattung gilt das das Gegenteil. Der gesamte Inhalt des Mischraumes wird nach ungefähr 4-5 Umdrehungen einmal vollständig gefördert und umgeschichtet. Das geschieht unabhängig von der Drehfrequenz. In der Regel wird die ideale Mischgüte schon nach 8 bis 20 Umdrehungen erreicht. Dann senkt sich das konische Verschlusselement und die Güter fließen innerhalb weniger Sekunden aus.

Ist es dann nicht egal ob das Mischwerkzeug mit niedriger oder höherer Drehfrequenz den Mischprozess durchführt?

Die Überlegung ist in der Tat naheliegend. Man muss jedoch bedenken, dass sich die Phänomene Verschleiß und Abrieb nicht linear zur Relativgeschwindigkeit einstellen. Oftmals entwickeln sie sich sogar quadratisch. Dieser Sachverhalt liegt vor, wenn das Mischwerkzeug die Partikel agitiert und wenn die Partikel relativ zueinander verströmen und aneinander reiben und „verrunden“. Dann kann Feinanteil entstehen. Insofern kommt der langsamen Drehbewegung der Mischwerkwendel eine hohe Bedeutung zu.

Gibt es noch andere Gründe, die für den Einsatz eines solchen vertikalen Mischers sprechen?

Ja die gibt es zweifellos. Es sind die profanen Dinge, die den betrieblichen Alltag dominieren können, beispielsweise wenn es um die Restlosentleerung geht. Je besser eine Mischanlage entleert, desto effektiver arbeitet der Mischbetrieb. Das bedeutet für den hier beschriebenen Mischer praktisch:

  • nahezu keine Produktverschleppung durch zurückbleibende Mischgutreste
  • wahlweise dosierende oder sekundenschnelle Entleerung der gemischten Güter
  • nahezu keine Mischgutreste, die entsorgt werden müssen, wenn ein Rezepturwechsel durchzuführen ist
  • Alle Rohstoffe, die eingesetzt werden, werden als hochwertige Verkaufsware umgesetzt

Nachhaltigkeit wird immer wichtiger mit Sicht auf unsere Ressourcen und die Akzeptanz der Verbraucher!

Es gibt praktisch keine Kontaminationsquellen. Das Mischwerkzeug ist nur oben angetrieben und gelagert. Die hochwertige PTFE-Lippendichtung dichtet nur gegen Staub und unterliegt praktisch keinem Verschleiß. Eine klassische Lippendichtungs-Luftspülung kann vorgesehen werden, aber muss nicht vorhanden sein. Es wird insofern im Mischraum kaum Staub erzeugt.

Anmerken möchten wir and dieser Stelle auch, dass es für den Anlagenfahrer sehr viel motivierender ist, eine Anlage zu betreiben, die exzellent ergonomisch einsehbar ist. Er wird sie in der Regel gerne nutzen und pflegen. Das ist sinnhaft in Ansehung der langen Lebensdauer dieser Mischer. Sie arbeiten oft mehr als 30 Jahre.

KoneSlid Mischer können direkt über Abfüllanlagen installiert werden. Sie arbeiten wahlweise kontinuierlich oder chargenweise, genau und extrem schnell. Sie können als End-of- the-Line-Mischer am Ende einer Prozesskette über der Abfüllmaschine installiert sein.

Versuche mit Ihren Originalprodukten beseitigen Zweifel und Unsicherheit. Kommen Sie zu uns ins Technikum nach Paderborn und bringen Sie Ihre Mischgüter mit. Konusmischer in verschiedenen Baugrößen stehen hier zu ihrer Verfügung. Auf Wunsch können Sie unsere Test-Maschinen auch ausleihen. Diese Vorgehensweise empfehlen wir immer dann, wenn sich ein frisch erzeugtes Pulver im Verlaufe der Lagerzeit verändert.

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Großvolumige Mischer, die nur geringe elektrische Anschlussleistungen erfordern, sind immer dann interessant, wenn eine effiziente und sanfte Homogenisierung gewünscht wird. Ist hier keine kurze Mischzeit gefordert, sondern ein kostengünstiges Homogenisiergerät, das eine hohe Mischgüte gewährleistet – unabhängig von der Beschaffenheit der Mischgüter, dann empfiehlt sich der Einsatz des hier gezeigten Gyraton Mischers.

Die Mischwerkwendel rotiert und fördert die Mischgüter aufwärts. Neben der Rotation vollzieht die Mischwerkwelle über dem Boden des Mischraums eine Kreisbahn. Der Pivotpunkt der Welle liegt in der Ebene der Kopfplatte. Die gesamte Zylinderfläche wird von der Mischwerkwendel tangiert. Die Vermischung erfolgt totraumfrei.

Die Mischwerkwelle ist nur oben gelagert und angetrieben. Die Wellendurchführung ist dauerhaft gasdicht und hygienisch ausgeführt. Der hier gezeigte Apparat kann 70m³ Mischgut homogenisieren. Diese Mischerbauart beansprucht nur sehr wenig Bauraum.

Der Mischer kann wahlweise einen oder mehrere Austragsstutzen aufweisen.


Alle Komponenten der Apparate entstammen der Eigenfertigung in Paderborn, wo mit hoher Automatisation nach einem Regime der effektiven Auftragseinzelfertigung produziert wird. Erfahren Sie hier mehr!

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