DE2450515B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Vorkristallisieren von kakaobutterhaltigen Massen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Vorkristallisieren (Temperieren) von zu verarbeitenden, kakaobutterhaltigen Massen, insbesondere Schokolade, bei dem die Masse von einer über ihrer höchsten Schmelztemperatur liegenden ersten Temperatur, insbesondere etwa 45 bis etwa 50° C, schonend auf eine zweite Temperatur, insbesondere etwa 28 bis etwa 29°C, bei der eine Vorkristallisierung eingeleitet wird, abgekühlt und danach ohne Überhitzen schonend auf eine dritte Temperatur, insbesondere etwa 33 bis etwa 34°C, erwärmt wird, bei der die Masse verarbeitbar ist. Die Erfindung bezieht sich ferner auf Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es hat sich in der Praxis als schwierig herausgestellt, dieses beispielsweise aus der DE-AS 16 07 802 bekannte Verfahren genau zu steuern. Wird nämlich die im Einzelfall vorbestimmte zweite Temperatur (Minimum), bei der die Vorkristallisierung eingeleitet wird, unterschritten, so treten unerwünschte Kristallmodifikationen auf, die den Oberflächen der Produkte schlechten Glanz, schlechte Temperaturbeständigkeit und Neigung zu Fettreifbildung verleihen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie Vorrichtungen zu dessen Durchführung zu schaffen, mit denen der optimale Zeitpunkt für die Beendigung des Abkühlens in bequemer und zuverlässiger Weise bestimmt und auch selbsttätig eingehalten werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß beim Abkühlen die Abkühlgeschwindigkeit der Masse überwacht wird und beim Auftreten einer eine Wärmeabgabe in der Masse anzeigenden Verkleinerung der Abkühlgeschwindigkeit das Abkühlen beendet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren macht sich die Erscheinung zunutze, daß bei zu langem oder zu tiefem Abkühlen der Masse Veränderungen in der Masse eintreten, die mit einer Wärmeproduktion einhergehen. Es wird vermutet, daß es sich dabei um die Bildung von Kristallen unerwünschter Kristallmodifikation handelt, so daß das Einsetzen der Wärmeproduktion direkt ein Anzeichen dafür ist, daß bei der Vorkristallisation Kristallkeine unerwünschter Kristallmodifikation entstehen. Als eine solche unerwünschte Kristallmodifikation wird die sogenannte Beta'-Modifikation angesehen, die einen um einige Grade niedrigeren Schmelzpunkt als die Kristalle der erwünschten Beta-Modifikation haben soll. Es sei an dieser Stelle jedoch ausdrücklich betont, daß die Erfindung und die mit ihr erzielbaren Vorteile nicht von der Richtigkeit irgendwelcher theoretischer Vorstellungen abhängig sind. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Auftreten einer Wärmeproduktion in der Masse als Signal für das Beenden des Abkühlvorganges verwendet, und es leuchtet ohne weiteres ein, daß man unter Verwendung dieses Signals auch eine auotmatische Beendigung des

Abkühlens leicht erzielen kann, wobei in jedem Fall das Beenden des Abkühlens am einfachsten dadurch erfolgt, daß in die Erwärmung zur dritten oder Verarbeitungstemperatur weitergeschaltet wird. Mit dem orfindungsgemäßen Verfahren ist es somit möglich, die Abkühlung gerade so weit zu treiben, daß in der Masse eine maximale Konzentration an Kristallisationskeimen erwünschter Kristallmodifikationen vorliegt, jedoch nur wenig oder gar keine Kristallisationskeime unerwünschter KristallnOdifikationen vorhanden sind. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind die Zufälligkeiten, die bei der bisherigen empirischen Festlegung der zweiten Temperatur unvermeidlich waren, grundsätzlich ausgeschaltet, und es lassen sich auch Einflußgrößen automatisch berücksichtigen, insbesondere die Zusammensetzung der Masse, die früher in jedem Einzelfall anhand von Versuchen empirisch berücksichtigt werden mußten.

Zwar ist es bekannt (»Süßwaren « 1968, S. 775, 778; »Food Engineering« 1951, S. 147, 155, 156), daß das Temperieren von kakaobutterhaltigen Massen mit Kristallisationsvorgängen verbunden ist und daß beim langsamen Abkühlen temperierter Massen Abkühlungskurven auftreten, die einen Rückschluß auf deren Kristallisationszustand gestatten. Durch Versuchsreihen an unterschiedlich temperierten Proben einer Masse versucht man diejenigen Verfahren auszusonde-n, die für diese Masse weniger geeignet sind. Das bekannte Verfahren eignet sich nur zur labormäßigen und gesonderten Untersuchung bereits temperierter Massen. Auf im Temperierungsverfahren befindliche Massen läßt es sich nicht anwenden, weil es zum einen zur Gewinnung der Abkühlungskurven besondere Abkühlungsbedingungen vorschreibt und weil zum anderen charakteristische Partien der Abkühlungskurve in dem beim Temperieren unbedingt zu meidenden Untcrkühlungsbereich liegen. Es kommt hinzu, daß die erfindungsgemäß als Zeichen für die Erreichung des tiefsten Abkühlpunkts beim Temperieren verwendete Wärmeproduktion in der Masse im Stand der Technik als Anzeichen für Übertemperierung gewertet wird (DE-AS 16 07 802, Spalte 3, ab Zeile 15), während die Erfindung dies als Vorurteil erkannt hat und die Wärmeproduktion lediglich als Zeichen drohender Übertemperierung wertet.

Besondere Vorteile bietet das erfindungsgemäße Verfahren bei Massen, deren Aufbereitungsvorgänge so geleitet wurden, daß sie bei der dritten Temperatur über lange Zeit mit praktisch unveränderlicher Viskosität aufbewahrt werden können. Diese verhältnismäßig lange Aufbewahrung der Masse ist insbesondere bei Überziehmaschinen erforderlich, bei denen die Masse im Überschuß im Kreislauf geführt und nur dip auf den überzogenen Stücken haftengebliebenden Mengen durch Zufuhr entsprechender Ergänzungsmengen ersetzt werden. Bei verhältnismäßig langen Aufbewahrungszeiten können Kristallkeime unerwünschter Kristallmodifikationen, die zunächst nur in geringer Menge vorgelegen haben, zur Bildung größerer und/oder weiterer Kristalle der unerwünschten Modifikation Anlaß geben, und dadurch könne sich die Verarbeitungs- und Erstarrungseigenschaften mit der Zeit etwas verschlechtern, obwohl die Viskosität der Masse im wesentlichen unverändert geblieben ist. Die genannten Verfahren zur Herstellung einer Masse, die bei der Verarbeitungstemperatur ihre Viskosität lange Zeit praktisch unverändert beibehält, arbeiten mit mehreren Abkühlschritten, in denen jeweils die Masse mit einem

Wärmeaustauschmittel gekühlt wird, dessen Temperatur nur wenig niedriger ist als die Eridiemperatur der Masse in der betreffenden Kühlstufe, wobei vorzugsweise ein einziger Abkühlvorgang mit zwei aufeinander folgenden Kühlstufen verwendet wird; bei dieser bevorzugten Verfahrensweise ist ein mehrmaliges Aufwärmen nicht erforderlich, und die Masse kann überdies bei einer verhältnismäßig hohen dritten Temperatur von etwa 33 bis etwa 34° C in dünnflüssigem Zustand verarbeitet werden. Bei solchen Aufbereitungsverfahren mit mehreren Abkühlschritten wird aas erfindungsgemäße Verfahren in der Weise angewendet, die die wärmeproduzierenden Vorgänge in der letzten Kühlstufe erfaßt werden.

Den Idealfall, das Auftreten von Wärmeproduktion gänzlich zu vermeiden, kann man dadurch anstreben, daß man einen geringen Anteil oder Teilstrom der Masse in der gleichen Weise wie die Hauptmenge behandelt, jedoch jeweils mit einer Temperatur, die geringfügig, insbesondere etwa 0,5°C, niedriger ist als die in der Hauptmenge jeweils vorliegende Temperatur. Man überwacht dann nur diese Teilmenge bzw. den Teilstrom auf das Auftreten von wärrneproduzierenden Vorgängen, und sobald diese erfaßt werden, schaltet man die Hauptmenge, die noch um die vorgegebene Temperaturdifferenz wärmer ist als die Teilmenge oder der Teilstrom, weiter in die Erwärmung zur dritten oder Verarbeitungstemperatur. Diese Arbeitsweise erfordert verhältnismäßig aufwendige Einrichtungen, insbesondere zur Einhaltung der Temperaturdifferenz zwischen der Hauptmenge und der Teilmenge bzw. dem Teilstrom. Man wird deshalb in der Praxis meist andere Ausführungsformen vorziehen, die das Auftreten von wärmeproduzierenden Vorgängen direkt in der Hauptmenge erfassen; dabei ist es naturgemäß nicht möglich, die wärmeproduzierenden Vorgänge ganz zu vermeiden, doch hat die Praxis gezeigt, daß die auf diese einfachere Weise erzielten Ergebnisse durchaus zufriedenstellend sind.

Das Auftreten von wärrneprcduzierenden Vorgängen kann in verschiedener Weise erfaßt werden, wobei im allgemeinen die dadurch hervorgerufenen Temperaturänderungen die bequemste erfaßbare Zustandsgröße darstellen werden. Eine besonders einfache Ausgestaltung der Erfindung ist in dieser Hinsicht dadurch gekennzeichnet, daß zum Erfassen wärmeproduzierentler Vorgänge in einer Endphase der Abkühlung, insbesondere bei Erreichen einer Temperatur der Masse, die etwa 2°C über der erwarteten zweiten Temperatur liegt, die Masse mit einem Wärmeaustauschmittel von konstanter Temperatur gekühlt wird, die Abkühlgeschwindigkeit der Masse überwacht wird und beim Auftreten einer ein Wärmeprodiiktion in der Masse anzeigenden Verkleinerung der Abkühlgeschwindigkeit das Abkühlen beendet wird. Es versteht sich, daß auch die übrigen Verfahrensparameter, insbesondere die Umwälz- und Rührleistungen, zweckmäßig unverändert bleiben. Die konstante Temperatur des Wärineaustauschmittels in der Endphase der Abkühlung kann dabei diejenige Temperatur sein, die auch sonst bei der Aufbereitung in dieser Verfahrensstufe angewandt wird; bei üblichen Schokoladenmassen und bei Verwendung des beschriebenen besonders vorteilhaften Aufbereitungsverfahrens, bei dem mit einer zweistufigen Kühlung gearbeitet wird, kann demgemäß diese konstante Temperatur in der Endphase der Abkühlung zu etwa 26°C gewählt werden. Entsprechend der auch sonst geübten Verfahrenstech-

nik kann es im Einzelfall zweckmäßig sein, diese konstante Temperatur des Wärmeaustauschmittels in der Endphase der Abkühlung geringfügig abweichend zu wählen, je nach den im Einzelfall angewendeten speziellen Verfahrensparametern, wobei besonders die -, Zusammensetzung der Masse und speziell der Kakaobuttergehalt der Masse als Einflußgrößen zu nennen sind.

Die Überwachung und das Auftreten einer ungewöhnlichen Verkleinerung der Abkühlgeschwindigkeit _lü bedeutet letztlich eine meßtechnische Erfassung einer zeitlichen Änderung der Abkühlgeschwindigkeit, also des zweiten Differentialquotienten der Temperatur der Masse nach der Zeit. Derartige Meßeinrichtungen können beispielsweise einen elektrischen Temperatur- ü fühler, insbesondere ein Widerstandsthermometer oder ein Thermo-Element, aufweisen, der ein der Temperatur der Masse proportionales elektrisches Temperatursignal liefert, ferner zwei in Reihe geschaltete Differenzierstufen, die aus dem Temperatursignal ein dessen zweiter Ableitung nach der Zeit entsprechendes Ausgangssignal liefern, und eine nachgeschaltete Schaltstufe, die bei Erreichen eines vorgegebenen Wertes der zweiten Ableitung des Temperatursignals einen Schaltvorgang auslöst, bei dem es sich insbesondere um die 2^r> Weiterschaltung von der Abkühlung der Masse in die Erwärmung zur dritten oder Verarbeitungstemperatur handelt. Bei dieser Schaltung ergibt sich ein besonderer Vorteil daraus, daß innerhalb der betrachteten kleinen Temperaturdifferenzen die exponentiell Abkühlkurve »1 mit guter Annäherung durch eine Gerade approximiert werden kann (solange keine wärmeproduzierenden Vorgänge stattfinden) so daß die Temperaturänderungsgeschwindigkeit eine Konstante ist und somit die zweite Ableitung der Temperatur nach der Zeit r, normalerweise annähernd Null ist. Nur beim Auftreten des wärmeproduzierenden Vorganges wird die annähernde Linearität der Abkühlkurve deutlich gestört, so daß ein endlicher Wert der zweiten Ableitung der Temperatur der Masse nach der Zeit auftritt. Es wird w deshalb bei der beschriebenen Art der Erfassung mit Hilfe des zweiten Differentialquotienten normalerweise genügen, wenn die im Ausgang angeordnete Schaltstufe einfach dann anspricht, wenn überhaupt ein endlicher Wert des zweiten Differentialquotienten auftritt. Trotz dieser grundsätzlichen Einfachheit ergeben sich bei der praktischen Realisierung einer derartigen Anordnung Schwierigkeiter weil die betrachteten Vorgänge innerhalb sehr eiger Temperaturbereiche sehr langsam ablaufen und demgemäß in einer Meßschaltung sehr -,» kleine Signale in Differenzierstufen mit sehr großen Zeitkonstanten zu verarbeiten sind. So kann beispielsweise bei einem normalen Aufbereitungsvorgang eine Abkühlgeschwindigkeit von 0,05⁰C pro Minute vorliegen, und beim Auftreten einer Wärmeproduktion kann sich dieser Wert um beispielsweise 0,01°C/min pro Minute verändern, so daß der zweite Differentialquotient nach der Zeit dementsprechend nur 0,01°C/min-² beträgt Es sind also zwar die relativen Änderungen der Abkühlgeschwindigkeit beim Auftreten einer Wärme- u> produktion verhältnismäßig groß, doch sind die absoluten Werte der zu erfassenden Temperaturänderungen und Änderungsgeschwindigkeiten verhältnismäßig klein.

Wegen dieses Sachverhalts ist es in weiterer bs Ausgestaltung der Erfindung zweckmäßig, nur die Abkühlgeschwindigkeit selbst, also den ersten Differentialquotienten der Temperatur der Masse nach der Zeit, zu erfassen und das Abkühlen zu beenden, wenn die Abkühlgeschwindigkeit der Masse einen vorgegebenen Wert unterschreitet. Wegen der schon erwähnten Tatsache, daß die relativen Änderungen der Abkühlgeschwindigkeit beim Auftreten einer Wärmeproduktion verhältnismäßig groß sind, bereitet die Diskriminierung des Signals des ersten Differentialquotienten keine ernstlichen Schwierigkeiten. Wenn beispielsweise in der Endphase der Abkühlung die Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmeaustauschmittel und der Masse zu einem bestimmten Zeitpunkt 4°C betrug und dabei eine Abkühlgeschwindigkeit von 0,04°C pro Minute vorlag und bei Erreichen einer Temperaturdifferenz von 3°C die Abkühlgeschwindigkeit nur noch 0,02°C pro Minute beträgt statt der erwarteten 0,03⁰C pro Minute, so ist dies ein sehr deutliches Anzeichen dafür, daß eine Wärmeproduktion in Gang kommt. Bei einer gegebenen Einrichtung ist die damit aufzubereitende Menge der Masse eine feste Größe, und auch die anzuwendenden Temperaturen, Temperaturdifferenzen und übrigen Verfahrensparameter unterscheiden sich auch bei verschieden zusammengesetzten Massen nur wenig. Demgegenüber ist die Auswirkung der in der Masse einsetzenden Wärmeproduktion auf die Abkühlgeschwindigkeit verhältnismäßig groß, und man kann deshalb meistens für eine gegebene Apparatur und Füllmenge einen festen Schwellenwert der Abkühlgeschwindigkeit vorgeben, bei dessen Unterschreiten das Abkühlen durch Übergang auf die Erwärmung zur dritten Temperatur beendet wird. Die Wahl des Schwellenwertes wird im übrigen von den vorliegenden Verfahrensparametern abhängen, also beispielsweise von der Füllmenge, die Kühlleistung, der Zusammensetzung der Masse usw., wobei die wesentlichen Verfahrensparameter bei ein und derselben Apparatur und Füllmenge ohne weiteres als feste Größen vorgegeben werden können. Die Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Masse wird dagegen nur bei erheblichen Verschiedenheiten in der Zusammensetzung in Erscheinung treten, da es ja gerade eine Eigenart des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, nach einer Bezugsgröße, nämlich der auftretenden Wärmeproduktion, gesteuert zu werden, in der sich die von der Zusammensetzung der Masse bestimmten Eigenschaften der Masse ausdrücken.

Es versteht sich, daß der vorgegebene oder Schwellenwert der Abkühlgeschwindigkeit, bei dem das Abkühlen beendet wird, in Beziehung steht zu der Abkühlgeschwindigkeit, die ohne Wärmeproduktion in der Masse zu erwarten wäre, oder, mit brauchbarer Näherung, von der Abkühlgeschwindigkeit, die vor dem Einsetzen der Wärmeproduktion vorlag. Da sich in der ohne Wärmeproduktion einstellenden Abkühlgeschwindigkeit die wesentlichen Verfahrensparameter ausreichend widerspiegeln, genügt es meistens, den Schwellenwert einfach als Bruchteil der ohne Wärmeproduktion zu erwartenden Abkühlgeschwindigkeit zu wählen insbesondere als etwa die Hälfte dieser Abkühlgeschwindigkeit Bei Aufbereitungseinrichtungen, die nui eine geringe Kühlleistung haben, was im Interesse dei erwünschten schonenden Kühlung meist der Fall sein wird, kann die in der Masse einsetzende Wärnieproduktion sogar ein Absinken der Abkühlgeschwindigkeit bis auf etwa Null hervorrufen. In solchen Fällen ist es besonders einfach, wenn man den Schwellenwert dei Abkühlgeschwindigkeit zu Null wählt NaturgemäO bedeutet dies, daß man das Abkühlen verhältnismäßig spät beendet also zu einem Zeitpunkt, zu dem die

wärmelieferndcn Kristallisationsvorgänge schon verhältnismäßig weil fortgeschritten sind. Im allgemeinen wird man daher trotz des etwas größeren Aufwandes einen endlichen Schwellenwert der Abkühlgeschwindigkeit wählen. ι

Die Verwendung der Abkühlgeschwindigkeil als Maß für die Wärmeproduktion in der Masse bietet den grundsätzlichen Vorteil, daß es sich um eine verhältnismäßig leicht erfaßbare Größe handelt, die von dem absoluten Wert der Temperatur weitgehend unabhän- m gig ist. Da die Abkühlgeschwindigkeit aber natürlich der treibenden Temperaturdifferenz proportional ist, also bei tieferer Temperatur des Wärmeaustauschmittels auch eine entsprechend höhere Abkühlgeschwindigkeit auftritt, ist es zweckmäßig, den Schwellenwert in r, Abhängigkeit von der gewählten konstanten Temperatur des Wärmeaustauschmittels in der Endphase der Abkühlung zu wählen.

Wie bereits aus den vorstehenden Darlegungen hervorgeht, ergibt sich eine besonders einfache Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn man nur den ersten Differentialquotienten der Temperatur erfaßt. Demgemäß enthält eine erfindungsgi-mäße Vorrichtung dieser Art als charakteristische Bestandteile eine das Signal eines Temperaturfühlers differenzierende Differenziereinrichtung und eine vom Ausgangssignal der Differenziereinrichtung gesteuerte Schwellenwertschaltung, die bei Erreichen eines einem vorgegebenen Wert der Abkühlgeschwindigkeit entsprechenden Ausgangssignalwertes die to Beendigung des Abkühlens veranlaßt. Eine derartige Vorrichtung kann ohne weiteres aus üblichen elektrischen Bauteilen zusammengestellt werden. Statt dessen kann vorteilhafterweise eine Fühleinrichtung verwendet werden, die die Temperaturänderungsgeschwindig- r> keit unmittelbar erfaßt.

Eine solche Fühleinrichtung, die insbesondere für die Anwendung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet ist, kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung grundsätzlich so aufgebaut sein, daß zwei Temperatur-Fühlstelien über Wärmeleiter mit verschiedenen Zeitkonstanten mit dem Medium, also hier der Masse, wärmeleitend verbunden sind, und daß eine Temperaturdifferenz-Fühleinrichtung die zwischen den beiden Fühlstellen vorliegende Temperaturdifferenz erfaßt und ein entsprechendes Ausgangssignal abgibt, das als Maß der Temperaturänderungsgeschwindigkeit verwendet wird. Bei einer derartigen Vorrichtung wird kein Ausgangssignal auftreten, wenn die Masse eine konstante Temperatur aufweist, weil dann die beiden Fühlstellen sich auf die Temperatur der Masse erwärmen werden. Besonders genau wird dies dann der Fall sein, wenn die Fühleinrichtung in die Masse eingetaucht ist, also Wärmeverluste von den Temperaturfühlern nach außen nicht möglich sind. Wenn das Medium, d.h. also hier die Masse, seine Temperatur ändert, wird derjenige Fühler, der über dem Wärmeleiter mit der niedrigen Zeitkonstante mit dem Medium verbunden ist, seine Temperatur rascher der Temperatur des Mediums nachführen als der andere Tempera- t>o turfühler, und die auftretende Temperaturdifferenz stellt dann ein Maß für die Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur der Masse dar. Die unterschiedliche Zeitkonstante der beiden Fühlstellen kann beispielsweise durch ein verschiedenes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen oder durch Verwendung von Material verschiedener Wärmeleitfähigkeit verwirklicht werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine stark schematisierte Vertikalschnilt-Darstellung einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Aufbereitungseinrichtung,

F i g. 2 eine grafische Erläuterung der Auswirkung eines wärmeproduzierenden Vorgangs auf die Abkühlkurve,

F i g. 3 eine der F i g. 2 entsprechende grafische Darstellung für einen anderen Abkühlvorgang, F i g. 4 ein Blockschema einer Auswertschaltung,

Fig.5 ein Blockschema einer abgewandelten Auswertschaltung,

F i g. 6 ein Blockschema einer anderen Auswertschaltung,

F i g. 7 ein ausführlicheres schematisches Blockschaltbild einer Auswertschaltung der in F i g. 5 dargestellten Art,

F i g. 8 eine der F i g. 7 entsprechende Teildarstellung einer abgewandelten Ausführungsform einer Auswertschaltung,

F i g. 9 ein Blockschema einer anderen Ausführungsform einer Auswertschaltung,

Fig. 10—13 schematische Schnitt-Darstellungen verschiedener Ausführungsformen von Fühleinrichtungen.

Fig. 1 erläutert in einem ganz schematischen vertikalen Längsschnitt den Aufbau einer Aufbereitungseinrichtung. Diese enthält als wesentlichen Bestandteil einen Temperierkessel 2 in vertikaler Aufstellung. Ein Vorrat von Masse 4 ist in einem Innenbehälter 6 vorhanden und steht mit einem Wärmeaustauschmittel, vorzugsweise Wasser, in Wärmeaustausch, das in einen Mantelraum 8 zwischen dem Innenbehälter 6 und einem Außenbehälter 10 umgepumpt wird. In dem Mantelraum 8 ist eine Leitwendel 12 vorgesehen, um die Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeaustauschmittels und damit die Gleichmäßigkeit der Wärmeübertragung zu erhöhen, so daß örtliche Temperaturunterschiede innerhalb der Masse 4 nach Möglichkeit vermieden werden.

Ein abhebbarer Deckel 14, der ebenfalls doppelwandig ausgeführt und mit dem Wärmeübertragungsmittel beschickt sein kann (nicht dargestellt), schließt den Kessel 2 ab und trägt ein Rührwerk 16, daß von einem Getriebemotor 18 antreibbar ist, einen in die Masse 4 eintauchenden Sondenkörper 20, der zur Messung der Temperatur der Masse und gegebenenfalls anderer Zustandsgrößen dient, sowie ferner weitere Einrichtungen, falls erforderlich, die in F i g. 1 nicht dargestellt sind.

Die Masse 4 wird während und nach der Aufbereitung ständig umgewälzt, und zwar von einer Entnahmeleitung 22 über ein erstes Dreiwegeventil 24, eine Massenpumpe 26, eine Umwälzleitung 28, ein zweites Dreiwegeventil 30 und eine Rückführleitung 32.

Alle diese Teile sind ebenso wie der Kessel 2 mit Mantelräumen 34 umgeben, durch die das Wärmeaustauschmittel umläuft, und eine Wärmeisolierung 36 umgibt den Kessel 2 und die genannten Teile, um Störungen des Aufbereitungsvorgangs durch äußere Temperatureinslüsse und Wärmeverluste möglichst auszuschalten. Zur Beschickung des Kessels 2 ist eine beheizte Speiseleitung 38 vorgesehen. Zum Entleeren des Kessels dient ein Auslaß 40 fiber das Dreiwegeventil 24, und zur Entnahme von aufbereiteter Masse ist eine Ausgabeleitung 42 vorgesehen, die durch entsprechende Einstellung des zweiten Dreiwegeventils 30 beschickbar ist

Das Wärmeübertragungsmittel, vorzugsweise Was-

ser, dient zum Heizen und zum Kühlen der Masse. Ks läuft in einem eigenen Kreislauf um: Aus dem Ausgang einer Umwälzpumpe 44 wird eine Wärmeaustauschmittel-Zuführleitung 46 gespeist, die über mehrere Austrittsöffnungen 48 im unteren Bereich des Mantelrau- -, nies 8 des Kessels 2 mündet. Das Wärmeaustauschmittel strömt in dem Kessel-Mantelraum aufwärts, geführt von der Leitwendel 12, und strömt dann über ein Überlaufgefäß 50 durch die Mantelräume 34 des zweiten Dreiwegeventils 30 der Massenpumpe 26 und χι des ersten Dreiwegcventils 24 sowie durch eine an diese Mantelräume 34 angeschlossene Wärmeaustauschmittel-Rückleitung 52 zurück in den Eingang der Umwälzpumpe 44. Zur Einspeisung oder zum Ablassen von Wärmeaustauschmitteln ist eine Speiseleitung 54 mit r, einem Absperrventil 56 vorgesehen.

In der Wärmeaustauschmittel-Zufuhrleitung 46 ist eine Heiz- und Kühleinrichtung 58 vorgesehen, und es sich Wärmeaustauschmittel-Temperaturfühler 60 und 62 stromauf von der Umwälzpumpe 44 bzw. stromab von der Heiz- und Kühleinrichtung 58 angeordnet, die über Leitungen 64 bzw. 66 an eine zentrale Steuereinrichtung 68 angeschlossen sind. Diese steuert über eine Verbindung 70 die Heiz- und Kühleinrichtung 58 so, daß die Temperatur des Wärmeaustauschmittels nach einem vorgegebenen Programm geregelt wird.

Die Ausbildung der Heiz- und Kühleinrichtung 58 wird hier nicht näher erläutert; es versteht sich, daß diese Einrichtung beispielsweise zwei Wärmeaustauscher aufweisen kann, die mit warmem bzw. kaltem to Wasser gespeist sind und über Regelventile gesteuert werden.

Außer der schon erwähnten Meßsonde 20 können weitere Meß- und Überwachungseinrichtungen vorgesehen sein, so insbesondere ein (nicht dargestellter) π Niveaufühler für die Füllhöhe der Masse 4 in dem Kessel 2, ein gesonderter Temperaturfühler 72, der über eine Verbindung 74 ebenfalls an die zentrale Steuereinrichtung 68 angeschlossen ist. Ferner sind normalerweise Anzeigegeräte (nicht dargestellt) für die Temperatur mi der Masse, die Temperatur des Wärmeaustauschmittels und andere Zustandsgrößen vorgesehen.

Mit der in Fig. 1 dargestellten Aufbereitungseinrichtung kann ein typischer Aufbereitungsvorgang mit Hilfe der zentralen Steuereinrichtung 68 beispielsweise wie folgt ablaufen:

Zu Beginn des Aufbereitungsvorganges ist die Masse 4 mit Hilfe des entsprechend erwärmten Wärmeaustauschmittels auf eine konstante Temperatur von etwa 50°C aufgeheizt, und die Masse wird bei dieser sii Temperatur kontinuierlich mit Hilfe der Massenpumpe 26 umgewälzt. Die Temperatur des Wärmeaustauschmittels beträgt ebenfalls 50°C. In diesem Zustand liegt die Massentemperatur über dem Schmelzpunkt der höchstschmelzenden Kakaobutter-Kritallmodifikation, so daß die Masse keinerlei Kakaobutterkristalle enthält. Diese aufgeschmolzene und durch das Umwälzen homogene Masse wird nun dadurch abgekühlt, daß das umlaufende Wärmeaustauschmittel zunächst verhältnismäßig rasch, etwa im Verlauf einer halben Stunde, auf t>o eine nicht zu niedrige Zwischentemperatur abgekühlt wird, beispielsweise etwa 33" C. In dieser ersten Kühlstufe kühlt sich die Masse mit entsprechender Verzögerung ab. Die Temperatur der Masse wird an die zentrale Steuereinrichtung 68 gemeldet, beispielsweise von dem Temperaturfühler 72. Sobald die Masse die gewünschte Zwischentemperatur erreicht hat, was beisDielsweise nach etwa 2 Stunden der Fall sein kann.

wird die Temperatur des Wärmeaustauschmittels weiter bis auf etwa 26°C erniedrigt, und die Masse kühlt sich dementsprechend in einer zweiten Kühlstufe weiter ab. Sobald die Masse eine bestimmte zweite Temperatur erreicht hat, wird das Wärmeaustauschmittel auf etwa 34°C erwärmt, und die Temperatur der Masse folgt, bis schließlich die Masse eine konstante dritte Temperatur von ebenfalls etwa 34°C erreicht; bei dieser Temperatur ist die Masse verarbeitungsfertig und kann aus der Ausgabeleitung 42 entnommen werden.

Als zweite Temperatur der Masse, bei der die Weiterschaltung in die Erwärmung zur dritten Temperatur erfolgt, wird diejenige Temperatur der Masse angesehen, bei der sich durch unerwünschte Kristallisationsvorgänge in der Masse eine Wärmeproduktion ergibt. Die dadurch verursachte Abnahme der Abkühlgeschwindigkeit der Masse wird meßtechnisch erfaßt und in einen Schaltbebehl, der die Erwärmung zur dritten Temperatur einleitet, umgewandelt.

F i g. 2 zeigt ganz schematisch in einem Temperatur-Zeit-Diagramm eine Abkühlkurve für die Masse, wobei angenommen ist, daß die Abzesse der Temperatur des Wärmeaustauschmittels entspricht. Zunächst ergibt sich eine normale exponentiell Abkühlkurve 76. Ohne das Auftreten wärmeproduzierender Vorgänge würde diese Kurve mit zunehmender Zeit weiter den gestrichelt dargestellten Verlauf 78 nehmen. Durch das Auftreten einer Wärmeproduktion wird jedoch die Abkühlung verlangsamt, so daß zu einer bestimmten Zeit ti die Abkühlgeschwindigkeit nur noch einen vorgegebenen Bruchteil der zu diesem Zeitpunkt normalerweise zu erwartenden Abkühlgeschwindigkeit darstellt. In Folge der Wärmeproduktion hat die Temperatur der Masse nicht den gestrichelt dargestellten Verlauf 78, sondern den Verlauf 80. In Fig. 2 ist angenommen, daß die Kühlleistung verhältnismäßig gering ist, so daß die Abkühlgeschwindigkeit der Masse infolge der einsetzenden Wärmeproduktion bis etwa auf den Wert Null abfallen kann. Es wird jedoch schon vorher, nämlich zu dem genannten Zeitpunkt f2, zu dem die Masse die Temperatur T2 hat, der Abkühlvorgang beendet, indem in die Erwärmung zur dritten oder Verarbeitungstemperatur weitergeschaltet wird.

F i g. 3 zeigt in ähnlicher Darstellung wie F i g. 2 einen typischen Temperaturverlauf der Masse bei zweistufiger Kühlung. Zum Zeitpunkt t2 wird die Temperatur des als Wärmeaustauschmittel verwendeten Wassers rasch abgesenkt, und die noch höhere Massentemperatur folgt entsprechend nach und nähert sich exponentiell der neuen, niedrigeren Wassertemperatur an. Die Abkühlkurve der Masse nimmt jedoch schließlich nicht den gestrichelt dargestellten Verlauf 78, sondern den durch eigene Erwärmung bedingten Verlauf 80, so daß wiederum zu einer Zeit /2, bei der die Masse die Temperatur T2 hat, die Abkühlgeschwindigkeit der Masse stark verringert ist; sobald diese Verringerung vorliegt, wird in die Erwärmung zur dritten Temperatur weitergeschaltet.

Fig.4 erläutert die grundsätzliche Möglichkeit, aus der Messung der Massentemperatur einen Schaltbefehl für das Beenden des Abkühlens zu gewinnen. Von einem in die Masse eintauchenden Sondenkörper 20 wird über eine Verbindungsleitung 82 ein Temperatursignal an einen ersten Verstärker Kl geliefert Als Wandler kann in dem Sondenkörper 20 beispielsweise ein Thermoelement, eine Thermobatterie oder ein Widerstandsthermometer vorgesehen sein. Der erste Verstärker Vt liefert ein entsprechend verstärktes elektrisches Aus-

gangssignal an eine Differenzierstuffe D1, die in bekannter Weise als wirksame Bestandteile eine /?C-Kombination aus einem Kondensator C1 und einem Widerstand R 1 enthält. Die Differenzierstufe D 1 liefert an einen Zwischenverstärker V2 ein Signal, das s der ersten zeitlichen Ableitung der Temperatur der Masse proportional ist. Das Ausgangssignal des Zwischenverstärkers V2 wird in einer zweiten Differenzierstufe D 2, die als wirksame Bestandteile den Kondensator C2 und den Widerstand R2 enthält, m erneut differenziert, und das Ausgangssignal, das somit der zweiten zeitlichen Ableitung der Temperatur der Masse entpsricht, wird über einen Schaltverstärker V3 auf eine Schaltstufe S1 gegeben. Im Eingang des Schaltverstärkers tritt nur dann ein Signal auf, wenn sich ι ·, die Anderungsgeschwindigkeit der Massentemperalur ändert, und das Auftreten eines solchen Signals löst in der Schaltstufe S 1 einen Schaltvorgang aus, durch den die zentrale Steuereinrichtung 68 (vgl. Fig. 1) veranlaßt wird, die Temperatur des Wärmeaustauschmiitels zu in erhöhen und dadurch die Erwärmung der Masse auf die dritte oder Verarbeitungstemperatur einzuleiten.

Fig. 5 erläutert eine vereinfachte Möglichkeit, bei der die zweite Differenzierstufe D2 weggelassen ist. In diesem Fall muß der Schaltverstärker V3 oder die 2s Schaltstufe Sl eine Diskriminatorwirkung haben, d.h. bei einem bestimmten Niveau des aus der Differenzierstufe D 1 kommenden Ausgangssignals den gewünschten Schaltvorgang auslösen. Dazu kann man beispielsweise einen Schmitt-Trigger verwenden. Eine derartige jo Einrichtung kann aber auch entfallen, wenn man beispielsweise in der Schaltstufe S 1 einfach ein Relais abfallen läßt und dadurch den Schaltvorgang auslöst, wenn der aus dem Ausgang des Schaltverstärkers V'3 gelieferte Erregerstrom für dieses Relais einen be- ^ stimmten Wert unterschreitet.

Fig.6 erläutert eine Ausführungsmöglichkeit mit digitaler Auswerteinrichtung. Dabei wird das von dem Sondenkörper 20 über die Verbindungsleitung 82 gelieferte elektrische Temperatursignal in einer Ein- w gangsstufe 86 in ein Digitalsignal umgewandelt, und das Digitalsignal wird nach Maßgabe eines Taktgebers 84 periodisch, beispielsweise alle 15 Sekunden, in einen Speicher 88 und eine Verzögerungseinrichtung 90 eingegeben. Die Verzögerungseinrichtung 90 bewirkt eine Verzögerung um eine Taktperiode oder mehrere Taktperioden. Die Ausgänge des Speichers 88 und der Verzögerungseinrichtung 90 werden periodisch in einem Vergleicher 92 verglichen, und das im Ausgang des Vergleichers 92 erscheinende digitale Differenzsignal steuert eine Schaltstufe S1.

Fig.7 erläutert in einem etwas genaueren Blockschaltbild eine Auswertschaltung nach Art der Fig. 5. Der Sondenkörper enthält ein Widerstandsthermometer in Form eines Widerstandes R 3. Über die zweiadrige Verbindungsleitung 82 liegt der Widerstand Λ 3 in einer Brückenschaltung, deren andere Zweige von Widerständen R 4, R 5, R 6 und R 7 gebildet werden. Der Widerstand R 6 ist ein Stellwiderstand und dient der Einstellung des Nullpunktes. Die Brücke wird über die Anschlüsse 94 und 96 mit Versorgungsspannung gespeist. Die an der Brückendiagonale abgenommene Meßspannung liegt entsprechend dem in F i g. 5 dargestellten Schema am Eingang eines Spannungsverstärkers Vl, dessen Ausgang über die aus dem ts Kondensator Ci und dem Widerstand R 1 bestehende Differenzierstufe D1 auf den Eingang eines Schahverstärkers V3 geschaltet ist Der Ausgang des Schaltverstärkers arbeitet über eine aus dem Widerstand R 8 und dem Kondensator C3 bestehende Siebkette auf die Schaltstufe Sl. Mit dem Schalter S2 kann der Kondensator Cl der Differenzierstufe Dl überbrückt werden; dann erscheint am Ausgang des Verstärkers V 3 ein der Temperatur der Masse direkt entsprechendes Ausgangssignal. Der Schalter S2 kann auch dazu benutzt werden um die Auswertschaltung erst dann in Bereitschaft zu setzen, wenn die Masse eine Temperatur erreicht hat, die nur wenig oberhalb der erwarteten zweiten Temperatur liegt.

Dies kann auch automatisch erfolgen, beispielsweise dadurch, daß der Schalter S2 von einem vom Ausgang des Schaltverstärkers V3 gesteuerten Relais geöffnet wird, wenn die genannte Temperatur dicht oberhalb der erwarteten zweiten Temperatur erreicht ist. Die Rückstellung des Schalter S2 in die geschlossene Stellung kann von der Schaltstufe Sl bei deren Auslösung bewirkt werden.

F i g. 8 erläutert eine abgewandelte Ausführungsform der Schaltung nach Fig. 7, bei der dem Eingang des Schaltverstärkers V3 eine einstellbare Grundspannung auf einem Spannungsteiler /?9, R10 vorgegeben werden kann; damit läßt sich der Schaltpunkt, bei dem die Schaltstufe S1 ausgelöst wird, verändern.

Die Empfindlichkeit der Differenzierstufe ist um so größer, je größer die Zeitkonstante des /?C-Gliedes ist. Wegen der Langsamkeit und geringen Größe der erfaßten Temperaturänderungen ist es zweckmäßig, die Zeitkonstante möglichst groß zu wählen; eine Begrenzung ergibt sich durch die Forderung, daß die Ansprechgeschwindigkeit nicht zu gering werden darf. Bei üblichen Aufbereitungsvorgängen ist eine Zeitkonstante in der Größenordnung von einer Minute zweckmäßig. Diese kann beispielsweise mit einem Kondensator von 6 μΡ und einem Widerstand von lOMOhm verwirklicht werden. Es versteht sich, daß man erforderlichenfalls auch Umschalteinrichtungen vorsehen kann, um rasch verschiedene Zeitkonstanten durch Wahl verschiedener Kondensatoren Cl und/oder Widerstände R 1 einzustellen.

Im übrigen mach die Dimensionierung einer für die Praxis geeigneten Schaltung nach Fi g. 7 dem einschlägigen Fachmann keine Schwierigkeiten. Für die Verstärker Vl und V3 können im Handel erhältliche Operationsverstärker verwendet werden, deren Verstärkungsfaktoren sich nach den in der Schaltstufe Sl erforderlichen Schallleistungen zu richten haben. Zur Stabilisierung können die Verstärker gegengekoppelt werden; derartige Schaltungseinzelheiten sind in den F i g. 7 und 8 nicht dargestellt. Der Widerstand R 3 kann beispielsweise 100 Ohm-Platin-Widerstandsthermometer sein; dementsprechend können die übrigen Widerstände der Brücke etwa folgende Werte haben: Ä5 = 100Ohm, #4=100Ohm, /?6 = 50Ohm, R7 = 100 Ohm. Die Siebkette irn Ausgang des Schaltverstärkers V3 kann je nach Art der möglichen Störungen, die unterdrückt werden soll, verschieden dimensioniert werden; es versteht sich, daß die Zeitkonstante dieser Siebkette klein gegen die Zeitkonstante der Differenzierstufe DX sein soll. Wenn beispielsweise die Zeitkonstante der Differenzierstufe DX etwa eine Minute beträgt, kann etwa RS = 50 kOhm und C3 = 50 μΡ gewählt werden, was einer Zeitkonstante von 2,5 see. entspricht.

F i g. 9 zeigt in einer den F i g. 4 und 5 entsprechenden schematischen Block-Darstellung den grundsätzlichen Aufbau einer Auswerteinrichtung, wenn in dem

Sondenkörper 20 eine direkt cjf die Temperaturgeschwindigkeit der Masse ansprechende Fühleinrichtung vorgesehen ist, so daß bereits das in die Verbindungsleitung 82 eingespeiste Primärsignal direkt der Temperaturänderungsgeschwindigkeit entspricht. Auf Differenzierstufen kann dann verzichtet werden, und es genügen grundsätzlich ein Verstärker V1 mit einer nachgeschalteten Schaltstufe S1, um die gewünschten Wirkungen zu erzielen.

Die Fig. 10—13 erläutern verschiedene einfache Möglichkeiten, um direkt ein der Temperaturänderungsgeschwindigkeit der Masse entsprechendes Signal zu gewinnen. Nach Fi g. 10 tauchen in die Masse 4 zwei Fühlkörper 98 und 100 ein, die aus Material verschiedener Wärmeleitfähigkeit bestehen und jeweils in ihrer Mitte ein Temperatur-Fühlelemeni aufweisen, das über eine Leitung 102 bzw. 104 ein elektrisches Temperatursignal liefert. Wegen der verschiedenen Wärmeleitfähigkeiten des Materials der beiden Fühlkörper 98, 100 ergeben sich auch verschiedene Zeitkonstanten für den Wärmetransport von der Masse 4 zu den Temperatur-Fühlelementen, und die Differenz der über die Leitungen 102 und 104 abgegebenen Signale ist somit ein Maß für die Temperaturänderungsgeschwindigkeit der Masse 4. Eine etwas andere Möglichkeit zeigt Fi g. 11. Dort sind Fühlkörper 106 und 108 vorgesehen, die aus gleichem Material bestehen, jedoch verschieden große Massen haben. Im übrigen sind auch in diesen Fühlkörpern Fühlelemente angeordnet, die über Leitungen 110 bzw. 112 elektrische Temperatursignale abgeben, deren Differenz ein Maß für die Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur der Masse 4 ist.

κι Fig. 12 erläutert die Möglichkeit, zwei Fühlkörper 114, 116 zu verwenden, die verschiedene Verhältnisse Oberfläche zu Volumen haben; auch dadurch ergibt sich eine Verschiedenheit der Zeitkonstanten. Besonders wirkungsvoll ist der Aufbau nach Fig. 13. Ein

is Sondenkörper 20 hat zwei in die Masse 4 eintauchende Fühlkörper 118 und 120, von denen der Fühlkörper 118 mit einer Wärmeisolierung 122 umgeben ist, die einen bestimmten Wärmewiderstand zwischen der Masse 4 und dem Fühlkörper 118 darstellt. Der Fühlkörper 120 taucht direkt in die Masse 4 ein. Man erkennt ohne weiteres, daß sich dadurch ein großer Unterschied der für die beiden Fühlkörper maßgebenden Zeitkonstanten erzielen läßt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Vorkristallisieren (Temperieren) von zu verarbeitenden, kakaobutterhaltigen Massen, insbesondere Schokolade, bei dem die Masse von einer über ihrer höchsten Schmelztemperatur liegenden ersten Temperatur, insbesondere etwa 45 bis etwa 50° C, schonend auf eine zweite Temperatur, insbesondere etwa 28 bis etwa 29° C, bei der eine Vorkristallisierung eingeleitet wird, abgekühlt und danach ohne Oberhitzen schonend auf eine dritte Temperatur, insbesondere etwa 33 bis etwa 34° C, erwärmt wird, bei der die Masse verarbeitbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß beim Abkühlen die Abkühlgeschwindigkeit der Masse überwacht wird und beim Auftreten einer eine Wärmeabgabe in der Masse anzeigenden Verkieinerung der Abkühlgeschwindigkeit das Abkühlen beendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mehrere Abkühlschritte angewandt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlgeschwindigkeit nur während des letzten Abkühlschritts überwacht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse vor dem Abkühlen in eine kleinere und eine größere Teilmenge aufgeteilt wird, daß die kleinere Teilmenge beim Abkühlen auf einer geringfügig, insbesondere etwa 0,5° C, niedrigeren Temperatur als die größere Teilmenge gehalten wird, daß die Überwachung der Abkühlgeschwindigkeit nur in der kleineren Teilmenge vorgenommen wird und daß das Abkühlen beim Auftreten einer Verkleinerung der Abkühlgeschwindigkeit in der kleineren Teilmenge in beiden Teilmengen gleichzeitig beendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Messen der Abkühlgeschwindigkeit in der Endphase der Abkühlung, insbesondere bei Erreichen einer Temperatur der Masse, die etwa 2°C über der erwarteten zweiten Temperatur liegt, die Masse mit einem Wärmeaustauschmittel von konstanter Temperatur gekühlt wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 —4, mit einer Heiz- und Kühleinrichtung zum Erwärmen und Kühlen der Masse, einem die Temperatur der Masse erfassenden Temperaturfühler und einer Steuereinrichtung zum Steuern der Heiz- und Kühleinrichtung in Abhängigkeit vom Signal des Temperaturfühlers, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (68) eine das Signal des Temperaturfühlers (72) differenzierende Differenziereinrichtung (D 1) sowie eine vom Ausgangssignal der Differenziereinrichtung gesteuerte Schwellenwertschaltung (D 2, 51) aufweist, die bei Erreichen eines einem vorgegebenen Wert der Abkühlgeschwindigkeit der Masse entsprechenden Ausgangssignalwertes die Heiz- und Kühleinrichtung (58) zur Beendigung des Abkühlens veranlaßt.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 —4, mit einer Heiz- und Kühleinrichtung zum Erwärmen und und Kühlen der Masse, einem die Temperatur der Masse erfassenden Temperaturfühler und einer Steuereinrichtung zum Steuern der Heiz- und Kühleinrichtung in Abhängigkeit vom Signal des Temperaturfühlers, gekennzeichnet durch eine Temperaturfühleinrich

tung mit zwei Temperatur-Fühlstellen (98,100; 106, 108; 114, 116; 118, 120), die über Wärmeleiter mit verschiedenen Zeitkonstanten mit dem Medium wärmeleitend in Verbindung bringbar sind, und einer Temperaturdifferenz-Fühleinrichtung, die die zwischen den beiden Fühlstellen vorhandene Temperaturdifferenz als Maß der Temperaturänderungsgeschwindigkeit erfaßt.