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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Extrusionsverfahren zur
Herstellung von gekochten Getreideprodukten oder von trockenem Tierfutter, eine
Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens und auf ein Produkt:, das mit diesem Verfahren
erhalten werden kann.
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Die
US5997934 (Geromini et al.)
offenbart ein Verfahren zur Herstellung von gekochten Getreideprodukten
oder getrocknetem Tierfutter, das das Zubereiten einer Mischung
aus Wasser und einer trockenen Vormischung, die hauptsächlich aus
Getreidemehl oder -grieß besteht,
das Kochen der Mischung und das Extrudieren derelben, bei dem sie mit
Hilfe einer Zahnradpumpe durch ein Strangpresswerkzeug gepresst
wird, umfasst.
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Die
US5667833 (Juengling et
al.) offenbart ein Verfahren und eine Ausrüstung zur Herstellung von Teigwaren,
die das Zubereiten einer Mischung aus Getreidemehl und Wasser mit
einem Wassergehalt von 25-40%, Kneten der Mischung und Extrudieren
derselben, bei dem sie mit Hilfe einer Zahnradpumpe durch ein Strangpresswerkzeug
gepresst wird, umfasst.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Extrusionsverfahren
und eine Vorrichtung zur Verfügung
zu stellen, die die Molekularstruktur der Stärke erhalten, um ein Produkt
mit Eigenschaften herzustellen, die denen eines traditionell walzengetrockneten
Produkts nahe kommen und die denen eines auf herkömmliche
Weise gekochten und extrudierten Produkts überlegen sind.
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Tatsächlich wurde
ein traditionell walzengetrocknetes Produkt während seines gesamten Herstellungsverfahrens
in keiner Weise mechanischer Beanspruchung unterzogen, weil ein
traditionelles walzengetrocknetes Produkt erhalten wurde, indem ein
gekochter Brei, der hauptsächlich
Getreidemehl und 40–45%
Wasser enthielt, auf walzengetrocknet wurde, wobei der Brei in einem
Bottich gekocht wurde und der Trocknungseffekt durch einen reinen
Wärmetransfer
von der Walze auf den Breifilm, der auf ihre Oberfläche aufgetragen
wurde, erzielt wurde.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein gekochtes Getreideprodukt oder
trockenes Tierfutter, das mit einem Extrusionsverfahren erhalten
wird und einen Geliergrad von zumindest 85%, vorzugsweise von 90%
oder mehr hat und das ein Stärkeprofil
aufweist, das durch entsprechende Anteile von 40–70% Amylopektin, 5–22% Intermediate
und 15–35%
Amylose gekennzeichnet ist.
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Zusätzlich weist
das vorliegende Produkt vorzugsweise einen Expansionsgrad von 1,5
bis 10, stärker
bevorzugt von 2 bis 6 auf.
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Andererseits
wurde ein herkömmliches
gekochtes und extrudiertes Produkt während seines Herstellungsverfahrens
großen
Scherkräften
unterzogen, da es starkem Druck und starker Reibung ausgesetzt war,
während
es in dem Extruder gekocht wurde.
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Das
oben erwähnte
Verfahren von Geromini et al. umfasst in der Tat das Extrusionskochen
der Mischung aus Wasser und Mehl, bevor sie mit Hilfe einer Zahnradpumpe
durch ein Strangpresswerkzeug durchgepresst wird.
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Im
Gegensatz dazu wird das gesamte, oben erwähnte Verfahren von Juengling
et al. durchgeführt,
während
die Temperatur der Mischung aus Wasser und Mehl oder Grieß unter
55°C gehalten wird,
so dass eine rohe Teigware erhalten wird, ohne gelieren des Mehls
oder des Grießes.
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Das
Verfahren zur Herstellung von gekochten Getreideprodukten oder trockenem
Tierfutter gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst das Zubereiten einer Mischung aus Wasser und einer
trockenen Vormischung, die hauptsächlich Getreidemehl oder -grieß umfasst,
und Pressen der Mischung mit Hilfe einer Zahnradpumpe, zunächst durch
einen Wärmetauscher,
wobei es gekocht wird, und dann durch ein Strangpresswerkzeug.
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Entsprechend
umfasst die Vorrichtung zur Herstellung von gekochten Getreideprodukten
oder trockenem Tierfutter gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Mischvorrichtung, eine Zahnradpumpe, einen Wärmetauscher
und ein Strangpresswerkzeug, die in Reihe geschaltet sind.
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In
der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen bedeutet der Ausdruck „hauptsächlich umfassend
Getreidemehl oder -grieß" durchweg umfassend
zumindest 50% oder vorzugsweise zumindest 70% Getreidemehl oder
-grieß.
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In ähnlicher
Weise bedeutet der Ausdruck „eine
Mischung aus Wasser und einer trockenen Vormischung" „entweder eine Mischung aus
Wasser und trockener Vormischung oder eine Mischung aus Dampf, Wasser
und trockener Vormischung".
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Es
wurde überraschenderweise
beobachtet, dass es mit einem solchen Verfahren und einer solchen
Vorrichtung möglich
ist, die Molekülstruktur
der Stärke
zu erhalten, um ein gekochtes Getreideprodukt oder trockenes Tierfutter
mit Eigenschaften herzustellen, die denen eines traditionell auf
Walze getrockneten Produkts nahe kommen und den auf herkömmliche
Weise gekocht-extrudierten Produkten überlegen sind.
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Diese
Tatsache kann hauptsachlich beim Vergleichen der entsprechenden
Geliergrade und Stärkeprofile
beobachtet werden.
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Der
Geliergrad zeigt die Effizienz des Wärmetauschers an und, wie gut
das Produkt gekocht wurde. Typischerweise zeigt eine Gelierung von
zumindest 85%, vorzugsweise 90% oder mehr ein ausreichend gekochtes
Getreide an. Das Stärkeprofil
beschreibt die Verteilung der zwei funktionellen Stärkemoleküle, Amylose
und Amylopektin, die direkt wichtige Eigenschaften des Endprodukts
beeinflussen (zum Beispiel Viskosität, Textur, Löslichkeit
und Klebeverhalten). Mechanische Belastung, wie sie bei herkömmlichen
Einzel- und Doppelschrauben-Extrusionen ausgeübt wird, zerstört hauptsächlich die Amylopektinfraktion,
wodurch die Viskosität
reduziert und die Löslichkeit
und die Klebrigkeit erhöht
wird. Das ist der Grund, warum die bestehenden Produkte, die mit
Technologien mit geringen Scherkräften (Walzentrocknen, Kochen
mit viel Flüssigkeit)
hergestellt wurden, durch Extrusion nicht genau nachgeahmt werden
können.
Daher versucht das vorliegende Verfahren, das anfängliche
Stärkeprofil
beizubehalten, indem die Scherung reduziert wird. Dies ist die Vorbedingung,
um Produkte zu erhalten, deren Eigenschaften ähnlich denen der auf Walzen
getrockneten oder in viel Flüssigkeit
gekochten Produkte sind.
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Um
das vorliegende Verfahren zur Herstellung gekochter Getreide durchzuführen, ist
es möglich,
eine trockene Vormischung zuzubereiten, die aus 70–88% eines
Mehls oder Grießes
eines Getreides wie zum Beispiel Weizen, Hafer, Mais und/oder Reis
und bis zu 20% aus Zuckern wie zum Beispiel Saccharose und Dextrose
besteht, zu der weitere herkömmliche
Zutaten hinzugefügt
werden können, wie
zum Beispiel bis zu 2% Natriumchlorid, bis zu 8% Öl oder Fett,
wie zum Beispiel pflanzliches Öl
oder Fett oder Butterschmalz, bis zu 15% modifizierte Stärken wie
zum Beispiel modifizierte Mais- oder Weizenstärken, bis zu 10% Milchpulver
oder andere Proteinquellen, bis zu einigen% Kakaopulver, bis zu einigen%
Malz, bis zu 0,5% Mineralsalze, bis zu 0,5% Vitamine, bis zu 2%
Antioxidantien und möglicherweise
sogar Enzyme, die zum Beispiel die Viskosität der zuzubereitenden Mischung
reduzieren können.
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Zur
Herstellung von trockenem Tierfutter ist es möglich, eine trockene Vormischung
zuzubereiten, die zum Beispiel zumindest 50% Getreidemehl, 25–35% Fleischmehl
und tierische Nebenprodukte, 5–15%
Fett und Talg, bis zu 10% pflanzliche Nebenprodukte und bis zu 6%
Vitamine und Mineralien umfasst.
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Zur
Herstellung entweder der gekochten Getreideprodukte oder des trockenen
Tierfutters ist es mit der Mischvorrichtung möglich, eine Mischung aus Wasser
und der Vormischung derart zuzubereiten, dass die Mischung einen
Wassergehalt von 12–45 Gew.%,
vorzugsweise 12–30
Gew.% und stärker
bevorzugt von 12–22
Gew.% aufweist.
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Die
noch ungekochte Mischung wird dann mit Hilfe einer Zahnradpumpe
in den Wärmetauscher gepresst.
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Dann
wird die Zahnradpumpe mit dieser Mischung in einer kontinuierlichen,
stetigen Weise beaufschlagt, während
ein relativ geringer Druck auf sie ausgeübt wird, um beispielsweise
ungefähr
100 bis 2000 kPa stromaufwärts
der Zahnradpumpe aufzubauen.
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Es
ist dann möglich,
dass die Zahnradpumpe einen Druck von 3000 bis 25000, vorzugsweise
von 4000 bis 20000, und stärker
bevorzugt von 5000 bis 16000 kPa auf die Mischung stromaufwärts des
Wärmetauschers
ausübt.
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Da
die Verweilzeit in der Zahnradpumpe kurz ist und der mechanische
Energieeintrag niedrig ist, können
die ursprünglichen
Rohmaterialien den Wärmetauscher
ohne größeren Molekularabbau
erreichen.
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Es
ist möglich,
diese Mischung zu kochen, indem sie progressiv auf beispielsweise
90–180°C, vorzugsweise
auf 100–160°C 2 bis 15
Minuten lang entlang dem Wärmetauscher
erhitzt wird.
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Das
Kochen in dem Wärmetauscher
geschieht hauptsächlich
durch thermischen Wärmetransfer,
wodurch die ursprüngliche
Molekularstruktur erhalten bleibt. Die Eigenschaften eines solchen
gekochten Produkts werden denen eines traditionell auf einer Walze
getrockneten Produkts nahe kommen und den auf herkömmliche
Weise gekocht-extrudierten Produkten überlegen sein. Q
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Um
die Mischung durch das Strangpresswerkzeug zu drücken, ist es möglich, einen
Druck von 2000 bis 10000, vorzugsweise von 3500 bis 9000 und stärker bevorzugt
von 4000 bis 8000 kPa stromabwärts
des Wärmetauschers
und stromaufwärts des
Werkzeugs aufrecht zu erhalten. Der Druckverlust im Wärmetauscher
kann zwischen 1000 und 20000, vorzugsweise zwischen 1000 und 17000,
und stärker
bevorzugt zwischen 1000 und 12000 kPa liegen.
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Es
ist möglich,
den so erhaltenen extrudierten Strang aus der gekochten Mischung
gerade am Ausgang des Werkzeugs beispielsweise mit Hilfe einer Schneidevorrichtung
in Pellets und Quasten zu schneiden. Was die vorliegende Vorrichtung
betrifft, kann die Mischvorrichtung beispielsweise ein Hochgeschwindigkeitsschaufelmischer,
ein doppel-schraubiger miteinander verzahnter und korotierender
Mischer oder Extruder oder ein einzel-schraubiger Extruder sein.
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Der
Wärmetauscher
ist vorzugsweise ein Wärmetauscher
mit statischem Mischer. Der statische Mischer kann jeglicher geeignete
Typ sein, wie zum Beispiel der in der
US
5486049 (Boatman et al.) oder der
US 5538748 (Boatman et al.) offenbarte, oder
einer, der einen SULZER Standardröhrenwärmetauscher bestückt, wie
zum Beispiel SULZER's SMR
DN80 Typ Wärmetauscher
mit statischem Mischer.
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Die
Zahnradpumpe kann zwei Zahnräder oder
Zahnwalzen umfassen, die miteinander verzahnt sind. Die zwei Walzen
können
in einem Gehäuse
um Achsen rotieren, die in einer Ebene rechtwinklig zu der Richtung
eines Mischungsstroms liegen. Sie können gegenläufig rotieren, sodass sich
die Zähne
stromaufwärts
trennen und sich stromabwärts wieder
schließen.
Die äußere Kante
der Zähne
kann gegen eine entsprechende innere Wand des Gehäuses gleiten,
wodurch interstitielle Räume
definiert werden, die zum Transportieren der Mischung, die stromabwärts extrudiert
werden soll, dienen. Die Form der Zähne kann auf besondere Weise
geschaffen sein, um Scherung auf die Mischung so gut wie möglich zu
vermeiden.
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Das
Strangpresswerkzeug kann eine oder mehrere Extrusionsdurchlässe umfassen,
insbesondere zylindrische Durchlässe,
die allgemein in der gleichen Richtung wie der eines Stroms, beispielsweise
einer gekochten Mischung, orientiert sind, die extrudiert werden
soll. Die Form des extrudierten Strangs kann insbesondere durch
die Form der Auslassöffnung
oder -düse
der Durchlässe
bestimmt sein.
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Die
Schneidevorrichtung kann beispielsweise ein rotierendes Messer sein.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Vorrichtung werden nachfolgend als Beispiel nur
in Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, worin:
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1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Vorrichtung ist,
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2 eine schematische Ansicht eines Wärmetauschers
mit statischem Mischer ist, der in dem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung,
die in 1 dargestellt ist, verwendet
werden kann, und
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3 eine schematische Ansicht eines anderen
Wärmetauschers
mit statischem Mischer ist, der in einem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung verwendet
werden kann, die ähnlich
der in 1 dargestellten ist.
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Wie
in 1 dargestellt, umfasst die vorliegende
Vorrichtung eine Mischvorrichtung 1, eine Zahnradpumpe 2,
einen Wärmetauscher 3/4 und
ein Strangpresswerkzeug 5, die in Reihe geschaltet sind.
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Zur
Durchführung
des vorliegenden Verfahrens kann der Mischer 1 mit verschiedenen
Komponenten der Mischung durch einen Fülltrichter 6 beaufschlagt
werden. An einem stromabwärts
liegenden Ende des Mischers 1 kann eine noch ungekochte,
jedoch homogene Mischung erhalten werden. Der Zahnradpumpe 2 kann
mit dieser Mischung auf eine kontinuierliche, stetige Weise beaufschlagt
werden. Die Mischung kann mittels der Zahnradpumpe 2 zunächst durch
den Wärmetauscher 3/4 gepresst
werden (unter der Einwirkung eines Drucks p2,
der stromaufwärts
des Wärmetauschers
ausgeübt
wird), in welchem sie gekocht wird, und dann durch das Werkzeug 5 (unter
der Ausübung
eines Drucks p1, der stromabwärts des
Wärmetauschers
und stromaufwärts
des Werkzeugs aufrechterhalten wird).
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In
dem Ausführungsbeispiel,
das in 2 dargestellt ist, umfasst
der Wärmetauscher
zwei doppelwandige, beheizbare Zylinder 3 und 4,
die mit den nicht beheizbaren statischen Mischern 7 befüllt sind.
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In
dem Ausführungsbeispiel,
das in 3 dargestellt ist, umfasst
der Wärmetauscher
einen nicht beheizbaren Zylinder 8, der mit einen beheizbaren
statischen Mischer 9 befüllt ist.
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Das
Verfahren und das Produkt gemäß der vorliegenden
Erfindung werden in den nachfolgend dargestellten Beispielen detaillierter
zur Veranschaulichung beschrieben. Die Prozentanteile sind dabei als
Gewichtsprozent angegeben.
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Beispiel 1
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Es
wurde eine Vorrichtung verwendet, die dem Ausführungsbeispiel entspricht,
das in
1 dargestellt ist, die einen
Mischer in Form einer Doppelschraube mit seitlicher Zuführung, eine
Vacorex 70/70 Zahnradpumpe vom Typ MAAG, einen Wärmetauscher, wie in der
US5486049 oder
US5538748 offenbart und in
2 dargestellt ist, und ein Werkzeug in
Form einer Stahlplatte, das mit vier zylindrischen Durchlässen versehen
ist, von denen jeder eine kreisförmige
Auslassöffnung
mit 4 mm im Durchmesser hat, umfasst.
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Eine
Mischung von Reismehl und Wasser mit einem Wassergehalt von 34%
wurde in dem Mischer hergestellt, der mit 48,2 kg/h an Reismehl und
16,8 kg/h Wasser beaufschlagt wurde.
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Die
Mischung wurde mit der Zahnradpumpe durch den Wärmetauscher unter einem Druck
p2 von 12200 kPa gepresst. Die doppelwandigen
Zylinder des Wärmetauschers
wurden mit unter Hochdruck stehendem Wasser auf eine Temperatur
von 130°C erhitzt.
Die Mischung wurde somit gekocht, indem man sie in wenigen Minuten
durch den Wärmetauscher
auf 117°C
erhitzen ließ.
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Der
Druckverlust entlang des Wärmetauschers
lag bei 9800 kPa, sodass die Mischung danach unter einem Restdruck
von 2400 kPa durch das Werkzeug gepresst wurde.
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Das
auf diese Weise erhaltene Produkt hatte einen Geliergrad von 90,3%.
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Das
Produkt wies ein Stärkeprofil
auf, das durch entsprechende Anteile von 59,4% Amylopektin, 15,2%
Intermediaten und 25,4% Amylose gekennzeichnet wurde.
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Beispiel 2
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Eine
Vorrichtung, die dem Ausführungsbeispiel
entspricht, das in 1 dargestellt ist,
wurde verwendet, die einen Mischer in Form einer Doppelschraube
mit seitlicher Zührung,
eine Vacorex 70/70 Zahnradpumpe vom Typ MAAG, einen SMR DN80 Typ
SULZER Wärmetauscher
mit statischem Mischer, wie in 3 dargestellt,
und ein Werkzeug in Form einer Stahlplatte, die mit zwei zylindrischen Fülldurchlässen versehen
ist, von denen jede eine kreisförmige
Auslassöffnung
mit 4 mm im Durchmesser hat, umfasst.
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Eine
Mischung aus Reismehl und Wasser mit einem Wassergehalt von 30%
wurde in dem Mischer zubereitet, dem 51,1 kg/h Reismehl und 16,8 kg/h
Wasser zugeführt
wurden.
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Die
Mischung wurde dann mit mittels der Zahnradpumpe unter einem Druck
p2 von 12200 kPa durch den Wärmetauscher
gepresst. Der statische Mischer des Wärmetauschers wurde mit unter
Hochdruck stehendem Wasser auf eine Temperatur von 130°C erhitzt.
Die Mischung wurde auf diese Weise gekocht, indem man sie in wenigen
Minuten durch den Wärmetauscher
auf 102°C
erhitzen ließ.
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Der
Druckverlust entlang des Wärmetauschers
lag bei 6900 kPa, so dass die Mischung danach unter einem Restdruck
von 5300 kPa durch das Werkzeug gepresst wurde.
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Das
so erhaltene Produkt wies einen Geliergrad von 92,1% auf.
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Das
Produkt hatte ein Stärkeprofil,
das durch entsprechende Anteile von 65,0% Amylopektin, 16,7% Intermediaten
und 18,3% Amylose gekennzeichnet war.
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Beispiel 3
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Es
wurde die gleiche Vorrichtung verwendet wie in Beispiel 2.
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Eine
Mischung mit einem Wassergehalt von 27% wurde in dem Mischer zubereitet,
dem 51,6 kg/h einer Vormischung mit 85% Reismehl und 15% Zucker,
13,4 kg/h Wasser und 0,5 kg/h 01 zugeführt wurden.
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Die
Mischung wurde mittels der Zahnradpumpe unter einem Druck p2 von 10900 kPa durch den Wärmetauscher
gepresst. Der statische Mischer des Wärmetauschers wurde auf eine
Temperatur von 150°C
mit Wasser untebr hohem Druck erhitzt. Die Mischung wurde auf diese
Weise gekocht, indem man sie auf 118°C in wenigen Minuten durch den Wärmetauscher
erhitzen ließ.
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Der
Druckverlust entlang des Wärmetauschers
lag bei 5500 kPa, sodass die Mischung dann durch das Werkzeug unter
einem Restdruck von 5400 kPa gepresst wurde.
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Das
auf diese Weise erhaltene Produkt hatte einen Geliergrad von 93,3%.
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Das
Produkt wies ein Stärkeprofil
auf, das durch entsprechende Anteile von 57,9% Amylopektin, 20,7%
Intermediaten und 21,4% Amylose gekennzeichnet war.
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Beispiel 4
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Es
wurde die gleiche Vorrichtung wie in Beispiel 2 verwendet.
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Eine
Mischung mit einem Wassergehalt von 20,3% wurde in dem Mischer zubereitet,
dem 57,1 kg/h einer Vormischung mit 55% Reismehl, 28% Maisgrieß, 13% Zucker
und Malz und 4% Kakaopulver, 7,9 kg/h Wasser und 2,3 kg/h Öl zugeführt wurden.
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Die
Mischung wurde mittels der Zahnradpumpe unter einem Druck p2 von 13500 kPa durch den Wärmetauscher
gepresst. Der statische Mischer des Wärmetauschers wurde mit unter
Hochdruck stehendem Wasser auf eine Temperatur von 150°C erhitzt.
Die Mischung wurde auf diese Weise gekocht, indem man sie in wenigen
Minuten durch den Wärmetauscher
auf 121°C
erhitzen ließ.
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Der
Druckverlust entlang des Wärmetauschers
lag bei 6000 kPa, sodass die Mischung danach unter einem Restdruck
von 7500 kPa durch das Werkzeug gepresst wurde.
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Das
so erhaltene Produkt wies einen Geliergrad von 85% und einen Expansionsgrad
von 1,5 auf.
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Das
Produkt hatte ein Stärkeprofil,
das durch entsprechende Anteile von 51,6% Amylopektin, 20,2% Intermediaten
und 28,2% Amylose gekennzeichnet war.
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Vergleichendes Beispiel
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Zum
Zweck des Vergleichs mit dem Produkt, das im Beispiel 4 erhalten
wurde, wurde eine Vergleichsprobe aus der gleichen Startmischung
hergestellt, jedoch unter Verwendung eines Doppelschraubenextruders
vom Typ BC72H CLEXTRAL, anstatt der vorliegenden Vorrichtung.
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Der
Extruder war mit einem Werkzeug Form ausgestattet, die die Form
einer Stahlplatte hatte, ausgestattet mit sechs zylindrischen Durchlässen, von
denen jeder eine kreisförmige
Auslassöffnung mit
einem Durchmesser von 3 mm aufwies.
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Der
Extruder wurde mit einer etwa 3,5-fachen Menge der Ausgangsmischung
beaufschlagt, mit welcher der Mischer in Beispiel 4 beschickt wurde.
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Die
Extrudertrommeln wurden erhitzt, um dieselbe Produkttemperatur zu
erreichen wie in dem SULZER Wärmetauscher.
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Das
Vergleichsprodukt, das so erhalten wurde, hatte einen Geliergrad
von 84%.
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Das
Vergleichsprodukt hatte ein Stärkeprofil, das
durch entsprechende Verhältnisse
von 28,3% Amylopektin, 48,3% Intermediaten und 23,4% Amylose gekennzeichnet
war.
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So
standen die relativ geringen Anteile an Amylopektinen, die in dem
Vergleichsprodukt zurückbleiben,
und der relativ hohe Gehalt an Intermediaten, der in dem Vergleichsprodukt
gefunden wurde, in überraschend
starker Gegensatz zu dem relativ hohen Anteil an Amylopektinen,
die in dem Produkt aus Beispiel 4 erhalten bleiben, und dem relativ
geringen Gehalt an Intermediaten, der in dem Produkt aus Beispiel
4 gefunden wurde.