Zerkleinern von Feststoffen Flashcards
Ziele der Zerkleinerung von Feststoffen und was ist es
Zerkleinern ist die Zerteilung eines Feststoffes unter Einwirkung mechanischer Kräfte
- Entnahme innerer Bestandteile
- Verminderung der Teilchen- oder Korngröße
Welche Arten der Zerkleinerung gibt es
- Hartzerkleinerung
- für organische und anorganische kristalline Stoffe, aber auch spröde / zähe Stoffe
-> dient zur Erzeugung feiner oder trockener Endprodukte (Pulver) - Zerkleinerung mittelharter Lebensmittel
organische Stoffe faseriger oder heterogener Struktur mit geringem Wassergehalt (14 - 16 %) - Weichzerkleinerung
- organische weiche Stoffe mit hohem Wassergehalt (60 - >80%) und plastischem Verhalten
- meist Erhaltung der Mikrostruktur gewünscht
→ Zerkleinerung oder Trennung durch Schneidvorgänge
Was kann auf Gut wirken (5)
◼ Schlag der Arbeitsfläche gegen das Korn
◼ Druck auf das Korn zwischen zwei Arbeitsflächen
◼ Prall des Korns gegen Arbeitsflächen oder Nachbarkörner
◼ Scherung (Schub oder Reibung) zwischen zwei Arbeitsflächen
◼ Schnitt mit schneideförmigen Arbeitsflächen
Bruchvorgang
- Korn zerfällt in unterschiedlich große Bruchstücke
-> es entstehen: - ein oder zwei kegelförmige Bereiche, in denen Material in sehr kleine Stücke zerkleinert wird (Feingutkegel)
- Rest des Korns zerfällt in grobe Splitter
- Charakteristische Korngrößenverteilung; tritt nicht auf bei Scherung oder Schnitt
Wofür dient der Zerkleinerungsgrad
Maß für die erreichte Zerkleinerung
-> je feiner die Zerkleinerung, desto größer ist der Zerkleinerungsgrad (n)
Was ist die spezifische, freie Oberflächenenergie (σ0)
die zur Vergrößerung einer Oberfläche erforderliche Arbeit bezogen auf die zusätzlich entstandene Oberfläche
Wovon ist die theoretische molekulare Zerreißspannung abhängig
-> abhängig von der spezifischen freie Oberflächenenergie, der Elastizität des Feststoffes und der Reichweite der Energie (Spaltlänge)
Was sind Kerbstellen
- sind Risse, Hohlräume, Fremdstoffeinschlüsse an der Kornoberfläche
- stehen unter Eigenspannung
- Eigenspannung von Kerbstellen wird durch Quelldruck von Wasser erhöht
→ geringerer Arbeitsbedarf bei Nassvermahlung
Was bestimmt die Kerbstellendichte
-> bestimmt Zerkleinerungsgrad
- Wirksamkeit der Kerbstellen nimmt mit zunehmender Zerkleinerung ab
→ Anstieg der Zerkleinerungsarbeit
Was ist die Zerkleinerungsarbeit
Die Nutzarbeit der Zerkleinerung W0 ist gleich der freien Grenzflächenenergie der zusätzlich geschaffenen Oberfläche:
◼ Die aufzuwendende Arbeit beträgt tatsächlich ein Vielfaches des Zuwachses an Grenzflächenenergie
Was ist der Energetische Wirkungsgrad und was geht damit einher
-> der energetische Wirkungsgrad beträgt nur 0,1 - 1%
damit geht einher:
- Energieverluste:
● nicht-elastische Deformation sowie andere Strukturveränderungen des Gutes
● Kinetische Energie der Bruchstücke
● Reibung der Körner untereinander
● Innere Reibung der beanspruchten Feststoffe
● Verschleiß der Arbeitsflächen (z.B. Walzenriffel)
=> Verlustarbeit fällt vorwiegend als Wärme an
Energetischer Wirkungsgrad:
was beeinflusst die entstehende Wärme aus der Verlustarbeit
● Eigenschaften des zu zerkleinernden Gutes (Dispersitätszustand, Fertigkeits- und
Bruchverhalten)
● Prozessbedingungen (Art, Intensität und Geschwindigkeit der Beanspruchung)
● Es dominieren Verluste für die nicht elastische Deformation und Reibung
● Nicht-elastische Deformation ist nur beschränkt beeinflussbar über
Beanspruchungsgeschwindigkeit und Beanspruchungstemperatur (z.B. Zerkleinerung
unter flüssigem Stickstoff)
Energetischer Wirkungsgrad:
was beeinflusst die Reibungsverluste
● durch die Kornzahlkonzentration im Prozessraum (damit auch durch die Korngrößenverteilung)
● durch die Wechselwirkungskräfte zwischen den Körnern selbst und dem umgebenden Medium (Luft, Flüssigkeit)
● durch die Beanspruchungsgeometrie
Zerkleinerungsverfahren:
Welche Korngröße wird beim brechen und mahlen erreicht
Brechen: > 5 bis 50 mm
Mahlen: > 0,005 bis 5 mm
Welche Maschinen gibt es zum brechen bzw. zum mahlen
Brecher: Hammerbrecher, Backenbrecher und Kegelbrecher
Mühlen: Kollergang, Scheibenmühle und Reibmühle
Wodurch werden Partikel beim Hammerbrecher bzw. Backenbrecher zerkleinert
Hammerbrecher
- Prall
- Reibung
- Scherung
Backenbrecher:
- Prall
- Schlag
Wodurch werden Partikel beim mahlen zerkleinert
- Scherung
- Reibung
Welche Bedeutung hat das Kaltmahlverfahren in der Lebensmittelindustrie
-> wie und warum Kühlverfahren
Bedeutung:
- Reduzierung der Erwärmung des Mahlgutes
- Verhinderung des Verdampfens von Aromastoffen
- Versprödung von weich-zähem oder elastischem Mahlgut
Kühlverfahren:
- Abkühlung mit flüssigem Stickstoff ( - 196 °C)
● zusätzliche Kühlung durch Verdampfung des flüssigen Stickstoffs; dadurch inerte Atmosphäre
● Verhinderung von Bränden und Staubexplosionen
Was sind die Feinheitsparameter
Feinheitsparameter d’
- Maß für Feinheit des Haufwerks
- ergibt sich bei einer Durchgangssumme von D = 63,2 %
-> hat die Bedeutung eines statistischen Korngrößenmittelwerts
Feinheitsparameter n
- hat die Bedeutung einer Gleichmäßigkeitszahl (Streuung um Mittelwert)
- je größer n, desto gleichkörniger ist das Haufwerk
- Bestimmung im Körnungsnetz durch Parallelverschiebung zum Pol
-> ablesen von n auf dem ersten Randmaßstab
Spezifische Oberflächen:
was ist die volumenbezogene spezifische Oberfläche Sv
-> wie wirdsie berechnet
Funktion des Kornmittelwertes d’ und der Gleichmäßigkeitszahl n
-> Division der abgelesenen Kennzahl durch d’ und Multiplikation mit dem Formfaktor φ des betroffenen Feststoffs
Verarbeitungsschritte der Getreidereinigung mit Zielen
Vorreinigung (Schwarzreinigung):
- Entfernen von Fremdkörpern -> Unkrautsamen, Steinchen und Staub
Konditionierung:
- Besetzung und Abstehen vor dem Vermahlen
Hauptreinigung (Weißreinigung):
- Entfernung unerwünschter Bestandteile an der Kornoberfläche
Verarbeitungsschritte der Ausmahlung von Weizenmehlen (5 Schritte + Ziele)
- Schroten -> erste Zerkleinerung
- Sortieren durch Sieben: nach Teilchengröße: Schrotmehl, Dunste, Grieße und Überschlag
- Putzen: Reinigen der Grieße aus Schrotungen für Speisegrieß
- Auflösen der Grieße: Zerkleinern der Grieße zu Dunst und Mehl
- Ausmahlen: Feinstzerkleinerung von Dunst zu Mehl
Zerkleinerung im Weizenstuhl
- Horizontale paarweise Anordnung der Walzen
- gegenläufige Rotation
Zerkleinerung: - Riffelwalzen: über Schneid-, Druck- und Scherwirkung
- Glattwalzen: über Druck- und Scherwirkung
Was ist Voreilung
Bedeutet, dass sich Walzen beim Mahlen unterschiedlich schnell drehen (-> für Scherwirkung)
-> beim Weizen 1 : 2,5
-> beim Roggen 1: 3
Was sind Parameter für die Zerkleinerung im Walzenstuhl
Abhängigkeit des Zerkleinerungsvorganges:
● Einzugsbedingungen des Mahlgutes
● Länge der Mahlzone (Walzendurchmesser 250 - 350 mm)
● Mahlspalt
● Voreilung
● Mahlgutdurchsatz
Was ist der Ausmahlungsgrad
Anteil des Korn am Mehl
-> je höher, desto mehr des ursprünglichen Korns sind erhalten (-> steigender Aschegehalt)
Was ist Schneiden
- Verfahren des mechanischen Teilens eines fest-weichen, stückigen, nicht spröden Körpers
- mittels eines Werkzeuges
- Bewegung unter Einwirkung von mehreren Kräften
- Eindringen der Schneide in den Körper nur in einer Richtung -> Schnittrichtung
Zerteilungsprozesse an nicht spröden Stoffen
- Zerschneiden:
Teile ohne definierte Form, auch in breiter Größenverteilung - Schneiden:
Teile mit definierter Form und geringer Größenverteilung (Würfel, Scheiben)
=> Einsatz von Schneidemaschinen
Unterscheidung der Zerteilungsprozesse
- Messerschnitt
Teilen erfolgt linienförmig senkrecht zur Schneidkante - Scherschnitt
Teilen erfolgt durch entgegenwirkende Schneiden in einer Scherfläche (z.B. Wolf) - Manuelles Schneiden
Messer oder Schere - Maschinelles Schneiden
Aufschneidemaschinen, Kutter, Wolf
Merkmale des Schneidens
- kritische Beanspruchungsgeschwindigkeit beim Schneiden muss über Relaxationsgeschwindigkeit des Systems liegen
- Schneidedruck -> Wirkung ständig nur auf einer sehr kleinen Berührungsfläche mit Flächenpressung
- Aufzuwendende Kraft für den Schnitt:
Kraft, die der Schneidekraft entgegen wirkt (struktureller Aufbau des Lebensmittel)
2 Schnittarten
Orthogonalschnitt:
Messer wird senkrecht angesetzt und durch gedrückt
Tangentialschnitt:
Messer wird schräg von oben durch das Gut gezogen
Was ist ein Maß für die Tangentialkomponente des Schnittes
der Aufstellwinkel der Schneidekarte
Wovon ist der Arbeitsaufwand beim schneiden abhängig
von Schnittwinkel und Schnittgeschwindigkeit
Wonach wird der manuelle Schnitt unterschieden
Unterteilung nach Zügigkeit des Schnittes:
- drückender Schnitt
- ziehender Schnitt
- stechender Schnitt
Woraus wird die Zügigkeit des Schnittes gebildet
Verhältnis aus tangentialer Geschwindigkeit zur normalen Geschwindigkeit
Physikalische Charakteristika: Drückender Schnitt
Physikalische Charakteristika:
- geringe Flächenpressung
- hohe Schubspannung
- exakte Schnittformen
Physikalische Charakteristika: Ziehender Schnitt
Physikalische Charakteristika:
- geringe Flächenpressung
- hohe Zügigkeit des Schnittes
Physikalische Charakteristika: stechender Schnitt
Physikalische Charakteristika:
- bedingt niedrige Flächenpressung gegenüber glatter Schneide
- hohe Zügigkeit des Schnittes erforderlich
Was ist das ultraschallgestütztes Schneiden
Trennvorgang, bei dem der relativen Vorschubbewegung zwischen Schneidewerkzeug und Schneideprodukt eine hochfrequente Schwingungsbewegung überlagert ist
Vorteile des ultraschallgestütztes Schneiden
● Trennvorgang ist vielfach deformationsärmer
● die Gesamtschneidkräfte sind geringer
● die Schneidarbeit ist häufig vermindert
Prinzip des ultraschallgestützten Schneidens
- hochfrequente Anregung der speziellen Schneidmesser:
● kleinste Bewegungen im Nano- bis Mikrometerbereich an der Schneidenkante und den Messerfasen und -flanken
● Wechsel von Ablöse- und Kontaktphasen zwischen Trennwerkzeug und Schneidgut
Schneiden mit Hochdruck-Flüssigkeitsstrahl
- Bestandteile einer Wasserstrahl-Schneidanlage:
● Druckerzeuger
● Schneidkopf mit integrierter Schneiddüse
● Strahlauffangsystem (Catcher) - Funktionsweise:
● Druckerzeuger: Schneidflüssigkeit wird unter Druck von bis zu 4000 bar gesetzt
● Schneiddüse: die potenzielle Energie der Schneidflüssigkeit wird in kinetische Energie
umgewandelt
Verfahrensvarianten mit Hochdruck-Flüssigkeitsstrahl
Flüssigkeitsstrahl-Schneiden (Wasser, Öl oder Kakaomilch)
Abrasiv-Strahl-Schneiden:
Wasserstrahl mit Zusatz von Schleifmitteln
Vorteile des Hochdruck-Flüssigkeitsstrahl Schneiden
- kaum Entstehung von Abfall (bedingt durch geringen Schnittbreite)
- keine Verklebung mit dem Schneidwerkzeug
- keine Produktquetschungen und Verformung
Nachteile:
- Schneiden von inhomogenen Gut
-> Wasserstrahl kann festeren Teil aufweichen oder z.B. Knochen zersplittern
Was ist das Wolfen
Zerkleinerung durch: kontinuierliches Pressen, Quetschen und Schneiden
-> Anwendung: Fleisch, Fisch, Gemüse
Funktionsweise des Wolfes
- Schnecke fördert das Schneidgut geradlinig der Druckschnecke zu
- Schneidprozess unter Druckanstieg
Kuttern: Anwendung, wozu dient es und wie wird es reguliert
- Anwendung
● insbesondere bei der Wurstherstellung
● andere schneidbare Lebensmittel
-> dient zugleich dem Zerkleinern (Tangentialschnitt) und Mischen
- Regulation von Messerwellen und Kutterschüsseldrehzahl unabhängig voneinander:
● schnelles Rotieren der Messerwelle → Schneiden
● langsames Rotieren der Messerwelle → Mischen
Unterschiedliche Wurstarten und Bedutungen
- Rohwurst:
keine Wärmeeinwirkung
Qualität muss auch ohne Wärmebehandlung genießbar sein - Brühwurst:
wenig Wärmeeinwirkung (keine Denaturierung der Proteine)
Wasser soll viel gebunden werden (Knacken) - Kochwurst:
viel Wärmeeinwirkung
-> nicht nur Fleisch des Tieres wird verwendet
Merkmale von Brühwürsten
● geruchlich und geschmacklich intensiv wahrnehmbares Aroma nach gepökelter, gewürzter und “gebrühter” Fleischmasse
● bissfeste oder knackige Kaubarkeit
● Saftigkeit
● unter der Wursthülle darf kein Fett- oder Jusabsatz sichtbar sein
Zerkleinerungsvorgang mit jeweiligem Rohstoff(en)
Brechen -> Kakaobohnen
Schroten -> Röstkaffee, Ölsaaten
Malen -> Zucker (Kristall-), Kakaokerngut, Obst, Gemüse
Walzen -> Getreide
Quetschen -> Haferschrot, Beerenobst, Trauben
Zerreißen -> Zuckerrohr
Zerschneiden -> Fleisch, Fisch
Kuttern -> Fleischstücke
Raspeln -> Zuckerrüben
Schnitzeln -> Kartoffeln
