Welche Mischgutbehandlungen eignen sich für Müsli und Cerealien, um eine Entmischung in der Verpackung zu verhindern?
Bei Müsli und Cerealien lässt sich eine Entmischung in der Verpackung am wirksamsten durch eine Kombination aus schonender Grundmischung, kurzen und kontrollierten Produktwegen sowie einer verpackungsnahen Dosierung der Komponenten vermeiden. Besonders robust ist es, kritische Komponenten – etwa Nüsse, Trockenfrüchte, Schokoladenstücke oder feine Gewürz- und Staubanteile – möglichst spät und nahe an der Mehrkopfwaage beziehungsweise der Verpackungsmaschine zusammenzuführen. So bleibt zwischen Mischung und Beutel nur wenig Zeit und Strecke, in der sich die Komponenten erneut trennen können.
Warum Entmischung entsteht
Müsli- und Cerealienmischungen sind besonders segregationsanfällig, weil ihre Komponenten oft deutlich unterschiedliche Partikelgrößen, Formen, Schüttdichten und Oberflächen aufweisen. Feine Flocken, Zucker, Pulver oder Bruchstücke können durch die Zwischenräume größerer Bestandteile nach unten rieseln. Dieser Mechanismus wird als Perkolation bezeichnet. Runde oder kompakte Komponenten können an einem Schüttkegel weiter rollen als flache Flocken oder unregelmäßig geformte Trockenfrüchte. Beim freien Fall entstehen zudem unterschiedliche Flugbahnen; Vibrationen während Förderung und Transport können die Bestandteile ebenfalls neu sortieren. Unterschiede in Größe, Form und Dichte sind wesentliche Treiber solcher Segregationseffekte.
Eine gute Mischgüte am Ende des Mischvorgangs allein reicht deshalb nicht aus. Das Gemisch kann sich beim Entleeren, in Zwischenbehältern, an Übergabestellen, auf Vibrationsförderern, in pneumatischen Förderleitungen, an Fallstrecken oder sogar während Transport und Lagerung im verschlossenen Beutel wieder entmischen. Die gesamte Prozesskette bis zum fertigen Gebinde muss daher als Teil der Mischaufgabe betrachtet werden.
Geeignete Mischgutbehandlungen
Eine erste wirksame Maßnahme ist die Harmonisierung der Partikelstruktur. Sehr feine, frei bewegliche Anteile fördern die Perkolation in groben Mischungen. Wo Rezeptur und Produktprofil es erlauben, können Feinanteile reduziert, vorgelagert agglomeriert oder an gröbere Trägerpartikel gebunden werden. Auch eine engere Partikelgrößenverteilung kann die Entmischungsneigung senken. Dies darf jedoch nicht zulasten von Mundgefühl, Instantverhalten, Sensorik oder Deklaration gehen. Eine generelle Zerkleinerung aller Bestandteile ist für Müsli meist keine Lösung, weil damit die gewünschte Stückigkeit und optische Produktqualität verloren gehen.
In geeigneten Rezepturen kann ein leichter Coating-Schritt die Mischung stabilisieren. Kleine Mengen Öl, Zuckerlösung, Sirup, Lecithin oder eines anderen lebensmittelrechtlich und sensorisch geeigneten Bindemittels können Feinpartikel an Flocken, Nüsse, Extrudate oder andere gröbere Träger anbinden. Dadurch sinkt die Zahl frei beweglicher Feinteile und die Gefahr der Perkolation kann abnehmen. Bindemittel verändern jedoch Textur, Knusprigkeit, Wasseraktivität, Haltbarkeit, Fließverhalten und gegebenenfalls die Allergen- oder Deklarationssituation. Sie sollten daher nur eingesetzt werden, wenn das Rezepturziel dies zulässt. Das gezielte Erhöhen der Kohäsion durch Flüssigkeiten oder Binder wird als Möglichkeit genannt, die Segregationsneigung von Schüttgütern zu reduzieren.
Eine weitere geeignete Behandlung ist die definierte Vormischung kritischer Kleinkomponenten. Feine Gewürze, Vitamine, Mineralstoffe, Zucker, Salz, Pulveraromen oder Farbstoffe können zunächst mit einer Teilmenge einer geeigneten Trägerkomponente homogenisiert werden. Diese Vormischung wird anschließend in den Hauptmischer eingebracht. Dadurch lässt sich verhindern, dass kleine Mengen eines feinen Bestandteils lokal konzentriert bleiben oder sich als unabhängige Feinstofffraktion im Produkt bewegen. Bei sehr empfindlichen Trockenfrüchten, Schokoladenstücken oder großen Nüssen kann es dagegen sinnvoll sein, diese erst spät und mit besonders niedriger Mischintensität zuzugeben.
Prozessführung bis zum Beutel
Für die Grundhomogenisierung eignen sich schonend betriebene Batchmischer, beispielsweise Trommel- oder andere Low-Shear-Mischer, wenn die Komponenten gut fließen und weitgehend agglomeratfrei vorliegen. Bei komplexeren Mischungen mit vielen Komponenten oder größeren Unterschieden in Dichte, Form und Partikelgröße ist ein langsam laufender konvektiver Mischer mit kontrollierter dreidimensionaler Umwälzung häufig robuster. Dabei sollten Drehzahl, Mischzeit, Füllgrad, Zugabereihenfolge und Austrag so eingestellt werden, dass die erforderliche Homogenität erreicht wird, ohne Bruch, Feingutbildung oder ein Übermischen zu verursachen.
Nach dem Mischen sollten freie Fallhöhen konsequent minimiert werden. Kaskaden, Rutschen, Rohrschüsse, Teleskoprohre oder kontrollierte Übergabestellen reduzieren die unterschiedliche Flugbahn von leichten, flachen, großen und kompakten Komponenten. Die Fördertechnik sollte möglichst geringe Vibrationen erzeugen. Große Fallstrecken, schnelle Förderbänder, starke Rüttelbewegungen und lange pneumatische Transportwege sind bei Müslimischungen besonders kritisch, weil sie Perkolation, Rollentmischung und Bruch fördern können. Das Verringern von Fördergeschwindigkeit und Fallhöhe ist eine etablierte Maßnahme zur Begrenzung der Entmischung.
Pufferbehälter, Silos und Trichter sollten für Massenfluss ausgelegt sein. Beim Massenfluss bewegt sich das Material über den gesamten Behälterquerschnitt in Richtung Austrag. Dadurch werden Zonen mit langer Verweilzeit, Kanal- oder Schachtfluss und eine selektive Austragung bestimmter Komponenten reduziert. Wichtige Parameter sind ausreichende Wandneigung, geeignete Wandmaterialien, ein ausreichend großer Auslauf, eine strömungsgünstige Geometrie und ein passendes Austragsorgan. Massenflussbehälter können segregationsbedingte Probleme wesentlich verringern.
Bei einer kontinuierlichen Herstellung kann ein kontinuierlicher Mischer mit gravimetrisch dosierten Einzelkomponenten sinnvoll sein, sofern die Mischung ohne große Zwischenpuffer direkt zur Verpackung weitergeführt wird. Das reduziert Verweilzeit und die Zahl der Umfüllvorgänge. Für viele hochwertige Müsli- und Cerealienprodukte ist jedoch die getrennte, verpackungsnahe Dosierung die sicherste Methode. Die Hauptkomponenten werden dabei über eine Mehrkopfwaage oder ein vergleichbares Kombinationswiegesystem portionsweise zusammengestellt und erst unmittelbar vor dem Beutel zusammengeführt. Einzelne Komponenten können dabei separat gewogen und gezielt kombiniert werden. Solche Lösungen werden in der Cerealienindustrie eingesetzt, um unterschiedliche Teilkomponenten kontrolliert zu dosieren und verpackungsnah zusammenzuführen.
Qualitätskontrolle
Die Wirksamkeit sollte nicht allein durch eine Probe aus dem Mischer bewertet werden. Sinnvoll sind zeitlich gestaffelte Untersuchungen des Austrags sowie Proben aus Beuteln vom Anfang, aus der Mitte und vom Ende eines Verpackungslaufs. Je nach Rezeptur können die Anteile kritischer Komponenten gezählt, gewogen oder über Bildanalyse und Markeranalytik bestimmt werden. Geeignete Kennzahlen sind der Variationskoeffizient einzelner Zutaten, die Spannweite von Minimum und Maximum sowie eine visuelle Beurteilung von Schichtbildung, Bruchanteil und Feinanteilanreicherung.
KoneSlid® für stabile Müslimischungen
Müsli- und Cerealienmischungen bestehen häufig aus Komponenten mit stark unterschiedlichen Partikelgrößen, Formen und Schüttdichten. Flocken, extrudierte Cerealien, Nüsse, Trockenfrüchte, Zucker, feine Gewürze und Stäube neigen deshalb dazu, sich nach dem eigentlichen Mischen beim Austrag, an Fallstrecken, in Puffern oder auf dem Weg zur Verpackungsmaschine wieder zu entmischen. Der amixon® KoneSlid®-Mischer KS verbindet eine schonende, aktiv erzeugte Produktumwälzung mit kurzen Misch- und Austragszeiten. Ergänzend können spezielle Benetzungsvorrichtungen eingesetzt werden, um feine Stäube gezielt an größere Trägerpartikel anzubinden und die Entmischungsneigung der Rezeptur zu reduzieren.
Der KS ist für empfindliche, unterschiedlich strukturierte Schüttgüter ausgelegt, etwa für Instantgetränkepulver, Trockenmilchderivate, Instantsuppen, Müsli, Tee, sprühgetrocknete Produkte, wirbelschichtgranulierte Produkte, bandgetrocknete Produkte oder Bestandteile von Tiefkühlprodukten. Das zentrale Mischwerkzeug erzeugt eine dreidimensionale Zwangsumschichtung. Das Produkt wird im wandnahen Bereich nach oben gefördert, fließt im Zentrum unter Schwerkrafteinfluss abwärts und wird dort durch einen konischen Verdrängerkörper wieder in Richtung der äußeren Mischzone geführt. Dadurch wird das gesamte Chargenvolumen kontinuierlich erfasst und räumlich verteilt.
Nach rund vier Werkzeugumdrehungen kann das Gesamtvolumen einmal vollständig umgeschichtet sein. Je nach Rezeptur, Füllgrad, Partikelstruktur und gewünschter Homogenität kann die technisch ideale Zufallsmischung nach ungefähr 20 bis 40 Umdrehungen erreicht werden. Die dafür erforderliche Mischzeit und die tatsächliche Mischgüte müssen mit Originalprodukt geprüft werden. Die kontrollierte, vergleichsweise niedertourige Produktbewegung begrenzt den mechanischen Energieeintrag und kann helfen, empfindliche Flocken, Agglomerate, Coatings und grobe Bestandteile in ihrer Struktur zu erhalten.
Ein zentraler Baustein gegen Entmischung ist die gezielte Benetzung feiner Bestandteile. amixon® Müsli- und Cerealienmischer können mit speziellen Benetzungsvorrichtungen ausgestattet werden. Diese dosieren kleine Mengen eines geeigneten flüssigen Bindemittels – beispielsweise Öl, Zuckerlösung, Sirup, Lecithin oder eine andere rezepturkonforme Flüssigkeit – fein und möglichst gleichmäßig in die bewegte Mischung. Feinstäube, Zuckeranteile, Gewürzpulver oder kleine Bruchstücke können dadurch an gröbere Trägerpartikel wie Flocken, Extrudate, Nüsse oder Trockenfrüchte anhaften. Die Anzahl frei beweglicher Feinpartikel sinkt, wodurch insbesondere die Perkolation von Feingut durch die Zwischenräume großer Komponenten verringert werden kann.
Die Benetzung muss präzise auf Produkt und Rezeptur abgestimmt werden. Zu wenig Flüssigkeit kann die gewünschte Bindewirkung verfehlen; zu viel Flüssigkeit kann lokale Klumpen verursachen, Knusprigkeit und Fließverhalten verändern, die Wasseraktivität erhöhen oder die Haltbarkeit beeinträchtigen. Neben Menge und Zusammensetzung des Bindemittels sind Tropfengröße, Sprühbild, Dosierposition, Zugabezeitpunkt, Produkttemperatur und Mischdauer nach der Zugabe entscheidend. Der Mischer sorgt dafür, dass das Bindemittel möglichst gleichmäßig verteilt wird, ohne empfindliche Komponenten übermäßig zu beanspruchen. Die Anbindung von Feinanteilen durch geeignete Bindemittel ist ein anerkannter Ansatz zur Verringerung der Segregationsneigung granularer Mischungen.
Im Unterschied zu Freifall- und Taumelmischern wie Doppelkonus- oder V-Mischern erzeugt der KS eine aktive und definierte Produktbewegung. Freifallsysteme arbeiten über wiederholtes Anheben und Zurückfallen der Schüttung. Sie können für gut fließende und hinsichtlich Partikelmerkmalen ähnliche Komponenten geeignet sein, benötigen für komplexe Mischungen jedoch häufig längere Mischzeiten und bieten nur begrenzte Möglichkeiten zur gezielten Einarbeitung kleiner Flüssigkeitsmengen. Bei starken Unterschieden in Partikelgröße, Form oder Schüttdichte kann außerdem die Entmischung während des Mischens oder vor allem beim Entleeren zunehmen. Der KoneSlid® ermöglicht dagegen eine kontrollierte konvektive Umwälzung und eine gezielte Flüssigkeitseinmischung.
Auch der Austrag ist für die Stabilität der Mischung wichtig. Beim KS kann sich das zentrale Verschlusssystem absenken und einen großen Austragsquerschnitt öffnen. Für ausreichend rieselfähige Müslimischungen kann die Charge in wenigen Sekunden entleert werden. Der kurze Austragsvorgang kann die Zeit reduzieren, in der Feinteile nach unten rieseln, grobe Bestandteile rollen oder sich Komponenten an einem Schüttkegel sortieren. Eine Restentleerung von bis zu 99,98 Prozent oder besser ist jedoch immer auf das konkrete Produkt, den Füllgrad und die Apparateausführung bezogen. Für stark kohäsive, feuchte, klebrige oder sehr ungleich strukturierte Mischungen können Restmenge und Entleerzeit abweichen. Auch die Aussage einer vollständig entmischungsfreien Entleerung muss für jede Rezeptur durch zeitlich gestaffelte Austragsproben nachgewiesen werden.
Nach dem Mischen bleiben die Prozesswege bis zum Beutel entscheidend. Fallhöhen, Vibrationsförderer, Schüttkegel in Puffern, lange Transportstrecken und wiederholtes Umfüllen können eine Rezeptur trotz optimaler Mischung erneut entmischen. Daher sollten der Auslauf, Übergabestellen, Fördertechnik und Verpackungsmaschine mit minimalen Fallhöhen, möglichst kurzen Wegen und einem massenflussorientierten Materialtransport ausgelegt werden. Bei Rezepturen mit besonders unterschiedlichen Komponenten kann eine verpackungsnahe, getrennte Dosierung der Bestandteile über eine Mehrkopfwaage sinnvoll sein. Das verkürzt den Weg zwischen Zusammenführung und Beutel und begrenzt die Gelegenheit zur Re-Segregation.
Der KS kann für hygienisch und sicherheitstechnisch anspruchsvolle Lebensmittelanwendungen projektspezifisch ausgeführt werden. Dazu gehören ein für ATEX Zone 20 ausgelegter Mischraum sowie Optionen für Vakuum oder Inertisierung. Eine Ausführung nach EHEDG, FDA- oder 3-A-Anforderungen ist abhängig von der vereinbarten Konstruktion möglich. Fugenfrei verschweißte und verschliffene Oberflächen, ein nur oben gelagertes Mischwerk, große CleverCut®-Inspektionstüren mit OmgaSeal®-Dichtungen, totraumarme Auslauforgane und integrierte Waschlanzen verbessern Zugänglichkeit, Reinigung und die Voraussetzungen für einen schnellen Produktwechsel. Trocken- und Nassreinigung können abhängig von Gewürzen, Allergenen, Zucker- oder Fettanteilen validierbar ausgelegt werden.
Vor der Investition können Misch- und Verpackungsversuche mit Originalprodukt im amixon® Technikum durchgeführt werden. Am Stammsitz Paderborn stehen mehr als 30 Testanlagen in unterschiedlichen Baugrößen bereit; ergänzend bestehen Technika in Japan, Indien, Thailand, China, Südkorea und den USA. Untersucht werden Mischgüte, Bruchrate, Feingutanteil, Benetzung, Bindung von Feinanteilen, Coating-Verteilung, Austragsverhalten, Entmischungsstabilität, Reinigbarkeit und Reproduzierbarkeit. Partikelgrößenanalysen vor und nach dem Versuch sowie zeitlich gestaffelte Proben aus dem Austrag und der Verpackung liefern die Grundlage, um Mischer, Benetzung, Austrag und Verpackungslinie passend auszulegen.