Blog

Jun 17, 2023

Überlegungen beim Mischen von Mikrozutaten

Rene Meira Medina, Executive Vice President, Gericke USA | 11. Okt. 2021 Ich erhielt kürzlich eine Angebotsanfrage für einen Mixer von einem Lebensmitteltechnologen, der mit der Entwicklung einer neuen Version eines Bestsellers beauftragt war

Rene Meira Medina, Executive Vice President, Gericke USA | 11. Okt. 2021

Kürzlich erhielt ich eine Angebotsanfrage für einen Mixer von einem Lebensmitteltechnologen, der die Aufgabe hatte, eine neue Version eines meistverkauften Produkts zu entwickeln, jedoch mit einem saubereren Etikett und rein natürlichen, funktionellen Inhaltsstoffen. Das neue Rezept erforderte mehrere dieser Zutaten in Mengen von 20 % bis nahezu 1 % oder weniger, und der Mixer im Testlabor war nicht in der Lage, durchgängig eine homogene Mischung zu erzeugen. Wenn sich die Zutatenmengen 20 % der Mischung nähern – was oft als Nebenzutaten bezeichnet wird – oder nahe oder unter 1 % sinken – sogenannte Mikrozutaten –, haben viele Mischertypen häufig Probleme mit der Gleichmäßigkeit des Endprodukts. Doch es ist nicht nur schwierig, diese Mikrozutaten gleichmäßig zu vermischen, sondern sie kosten in der Regel auch mehr als herkömmliche Zutaten, und ihre empfindlichen, empfindlichen Eigenschaften erfordern oft besondere Berücksichtigung bei der Verarbeitung. Leider lernen immer mehr Produktentwicklungsexperten in der Lebensmittel-, Getränke- und Ernährungsindustrie diese Probleme durch kostspielige Versuche und Irrtümer kennen.

Während die meisten pharmazeutischen Hersteller viele Jahre in das Mischen sehr kleiner Mengen an Wirkstoffen (API) und Aromen mit einer Vielzahl viel größerer Mengen an Hilfsstoffen investiert haben, hat der Anstieg der Verbrauchernachfrage nach Nahrungsergänzungsmitteln und gesünderen Lebensmitteln und Getränken Unternehmen mit weniger Erfahrung dazu gebracht, Unternehmen mit weniger Erfahrung anzutreiben Verarbeitung von Mikroinhaltsstoffen, um neue Produkte zu entwickeln, die diesem Bedarf gerecht werden. Diese Probiotika, Kräuter, Gewürze, Spurenelemente und/oder anderweitig gesünderen Inhaltsstoffe, die medizinische oder präventive Gesundheitsvorteile (zusammen mit entscheidenden Marketingvorteilen) bieten können, werden typischerweise in sehr kleinen Mengen als Mikroinhaltsstoffe verwendet, ohne die gewünschte Funktionalität zu beeinträchtigen. Allerdings müssen viele dieser Zutaten, wie Leinsamen und Sojaprotein, aufgrund ihres Geschmacks und ihrer Textur oft durch die Hauptzutaten maskiert werden. Selbst eine geringfügig höhere Menge in der Mischung könnte sich negativ auf die Verbraucherakzeptanz auswirken.

Wenn ein Rezept das Mischen einer oder mehrerer Mikrozutaten erfordert, sind einige Mixertypen aufgrund ihrer Konstruktion einfach besser in der Lage, diese gleichmäßig zu vermischen als andere. Mischer, die gleichzeitig eine radiale Verteilung durch Rotation und eine Kombination aus axialer Strömung (die sich parallel zu einem Mischrotor bewegt) und radialer Strömung (die sich senkrecht zu einem Mischrotor bewegt) erzeugen, erzeugen die Turbulenzen, die erforderlich sind, um die Zutaten von den Seiten sowie von oben und unten anzusaugen die Oberfläche und leiten sie durch die Mischzone, ohne dass die wertvollen Mikrobestandteile an den Außenkanten verloren gehen. Diese Turbulenzen müssen jedoch sorgfältig kontrolliert werden, um eine zu starke Scherung zu vermeiden, die die empfindlichen Mikrobestandteile beschädigen könnte.

Ein Mischkonzept, das diese gegensätzlichen Kräfte anwendet und die Scherung minimiert, verwendet gegenläufig rotierende, horizontale Doppelwellen-Mischrotoren, um ein Wirbelbett zu erzeugen. Dadurch können sich die sich vermischenden Produktströme in einer Suspension treffen, wodurch ein großer Teil der Oberfläche jedes Partikels für die Vermischung freigelegt wird und hohe Partikelaustauschwerte erzielt werden. Gleichzeitig leiten die Mischwerkzeuge den Materialfluss kontinuierlich durch die Mischkammer, trennen ihn dann und kehren zurück, um eine intensive Mischwirkung zu erzielen. Diese Art des Mischens wird in Batch-Mischsystemen angewendet und ergibt typischerweise innerhalb von 30 Sekunden eine homogene Mischung, unabhängig von der Anzahl der eingegebenen Zutaten. Das gleiche Konzept der optimalen Kombination von Dispergierung mit radialer und axialer Strömung wird auch beim kontinuierlichen Mischen angewendet. Die Drehung des Mischschneckenwerkzeugs erzeugt eine Vorwärtsbewegung, die eine Fluidzone zwischen Schnecke und Zylinder bildet und so eine intensive Mischwirkung vergleichbar mit einer Chargenmischung erzeugt.

Im Gegensatz dazu üben Bandmischer sowohl radiale als auch axiale Kräfte aus, ihnen fehlt jedoch die Vorwärts- und Rückwärtsbewegung, die durch die radiale Dispersion entsteht, die zum Erreichen maximaler Homogenität erforderlich ist. Planetenmischer eignen sich häufig hervorragend zum Mischen dicker Materialien, die eine hohe Scherkraft erfordern und den Reißkräften standhalten können oder bei denen die endgültige Partikelgröße und -form nicht kritisch sind.

Obwohl diese und andere Mischkonzepte für viele Mikrozutaten-Mischanwendungen nicht ideal sind, können sie je nach Zutaten, Partikelgröße und -form, Feuchtigkeitsgehalt und anderen Faktoren effektiv sein.

Es ist verlockend, sich auf die Entwicklung des idealen Mischers für die neue Formulierung zu konzentrieren, aber selbst der perfekte Mischer wird Schwierigkeiten haben, eine homogene Mischung zu erreichen, wenn er eines der vielen möglichen Probleme überwinden muss, die im Vorfeld auftreten können.

Auf dem Weg von der Lagerung bis zum Mixer müssen beispielsweise viele Mikrozutaten vor Kontamination geschützt werden. Der Kontakt mit der Anlagenumgebung während des Pulvertransfers kann zu einer Kontamination durch Feuchtigkeit, Umgebungsstaub, Schädlinge und andere Quellen sowie zu einer Kreuzkontamination durch andere in Maschinen verbleibende Inhaltsstoffe führen. Auch das manuelle Tragen und Entleeren von Säcken durch Arbeiter in einen Mischer stellt eine Gefahr für die Produktreinheit dar. Wenn eine kleine Menge Abfall oder andere Schadstoffe eine Hauptzutat in einem Rezept verunreinigen, beispielsweise Weizenmehl, kann das Problem mit einer typischen Chargenmenge problemlos behoben werden. Wenn jedoch die gleiche kleine Menge an Abfall oder anderen Schadstoffen einen Mikrobestandteil verunreinigt, kann die proportionale Auswirkung die Eigenschaften erheblich verändern und die gesamte Charge ruinieren. Um die Reinheit dieser Inhaltsstoffe zu gewährleisten, spezifizieren viele Verfahrenstechniker geschlossene Förderer wie pneumatische Fördersysteme, die das Schüttgut automatisch vom Lager entweder direkt zum Mischer oder zunächst zu einem Sieb und/oder Zuführer transportieren, ohne dass Menschen in Kontakt kommen oder dem Risiko einer Exposition ausgesetzt sind Pflanzenumgebung. Diese geschlossenen Pulvertransfersysteme verhindern außerdem Produktzersetzung und -verlust und stellen sicher, dass das gesamte Materialvolumen sicher zur Zufuhr in den Mischer gelangt.

Die relativ geringen Mengen an Mikrozutaten erfordern ein hochpräzises Wiegen, Abmessen und Einspeisen in den Mischer, typischerweise unter Verwendung einer Differenzialdosierwaage. Dieser gravimetrische Dosierer von Gericke eignet sich für Lebensmittel-, Pharma- und andere Hygieneprozesse. Die Zuführung von Mikrozutaten birgt mehrere Herausforderungen, die bewältigt werden müssen, damit der Mischer mit höchster Effizienz arbeitet. Bei der Zufuhr großer Mengen wichtiger Zutaten kann bei den Messungen des Volumens, des Gewichts und/oder der Zufuhrrate angesichts des relativen Risikos nachteiliger Folgen beim Mischen ein angemessener Spielraum gelassen werden. Doch die relativ geringe Menge einer Mikrozutat erfordert eine präzise Dosierung und Abwiegung. Selbst kleinste Fehler können aufgrund der proportionalen Auswirkung auf das geringe Volumen zu großen Abweichungen zwischen den Soll-Qualitätsvorgaben und dem tatsächlich aus dem Mischer ausgetragenen Produkt führen. Der häufigste Schuldige ist menschliches Versagen. Während Arbeiter in der Regel die Hauptzutaten mit ausreichender Genauigkeit messen, um die Qualitätsspezifikationen zu erfüllen, kommt es bei der manuellen Messung von Mikrozutaten zu Fehlern, die dazu führen können, dass eine Charge als Abfall entsorgt wird. Die Beträge sind zu gering und die Folgen zu groß, als dass man das Risiko eingehen könnte, diese Aufgabe selbst den erfahreneren Arbeitern zu überlassen.

Um sicherzustellen, dass dem Mischer genau die erforderlichen Mengen an Mikrozutaten zugeführt werden, setzen viele Verarbeitungsbetriebe auf automatische Gewichtsverlustdosierer (LIW) mit fortschrittlicher Steuerungstechnologie. Diese gravimetrischen Dosierer mit integrierten Wägezellen wiegen eine voreingestellte Materialmenge genau und dosieren sie dann sanft in den Mischer. Für kontinuierliche Prozesse können die Dosierer auch so eingestellt werden, dass sie das Material kontinuierlich mit einer voreingestellten Rate in den Mischer dosieren. Diese können für die Verarbeitung von 100 g/h bis über 30 tn/h ausgelegt sein. Bei der Zufuhr von regulierten Materialien wie Mikrobestandteilen, wie APIs für die Herstellung von Arzneimitteln oder Vitaminen (in einigen Ländern), sorgt diese Computersteuerung sowohl für die Zufuhrgenauigkeit zur Sicherstellung der Produktqualität als auch für die Dokumentation, um die gesetzlichen Anforderungen für die Führung von Aufzeichnungen zu erfüllen. Darüber hinaus kann die Zufuhr von Hauptbestandteilen zwar mithilfe von am Mischer angebrachten Gewichtszunahmedosierern (Gain-in-Weight, GIW) gemessen werden, die großen Mengen, die im Mischer abgewogen werden, machen es jedoch schwierig, die verhältnismäßig geringeren Mengen an Mikrozutaten genau zu erkennen. Es ist üblich, dass mehrere LIW- und GIW-Dosierer mehrere Zutaten in einen einzigen Mischer einspeisen, um jede Zutat mit der erforderlichen Genauigkeit zuzubereiten.

Rene Meira Medina ist Executive Vice President von Gericke USA (Somerset, NJ). Das 1894 gegründete Unternehmen entwickelt und fertigt eine Reihe von Mischern, Klumpenbrechern, pneumatischen Fördersystemen und anderen Pulververarbeitungsgeräten. Für weitere Informationen rufen Sie 855-888-0088 an, senden Sie eine E-Mail an [email protected] oder besuchen Sie www.gerickegroup.com

Weitere Informationen zu Textformaten

Schauen Sie sich das Hauptverzeichnis der Pulver- und Schüttgutindustrie an.