Success Story: Coperion installiert vielseitigen ZSK-Extruder in Hybrid-Design

Seit über 25 Jahren bietet das Forschungs- und Entwicklungsunternehmen Foodwest Ltd. mit Sitz in Seinäjoki, Finnland, die ideale Umgebung für die Erprobung und Entwicklung innovativer Lebensmittel sowie für die Herstellung und Verpackung von Lebensmitteln im Produktionsmaßstab. Das Know-how des Unternehmens deckt alle Bereiche des Lebensmittelsektors ab, von Snacks und Backwaren bis hin zu einem der am schnellsten wachsenden Marktsegmenten – den pflanzlichen Lebensmitteln. Um eine hohe Flexibilität bei der Entwicklung ihrer Produkte zu erreichen, hat das Unternehmen sein Technikum mit einem Coperion Food-Extruder ZSK 27 in Hybrid-Ausführung erweitert.

Dank des modularen Aufbaus des Extruders können auf der Anlage texturiertes Pflanzenprotein (TVP), Fleischanaloga mit hohem Wasseranteil (HMMA, High Moisture Meat Analogues) und zahlreiche weitere Extrudate wie Snacks und Cerealien hergestellt werden. Der Extruder eignet sich mit Durchsätzen von bis zu 80 kg/h insbesondere für die Forschung und Entwicklung und ermöglicht dank der konstanten Prozessparameter innerhalb der gesamten ZSK-Extruderbaureihe ein sicheres Scale-up auf höhere Durchsatzbereiche. Neben dem Extruder umfasst das Coperion-System einen hochgenauen gravimetrischen Coperion K-Tron Doppelschnecken-Dosierer für Trockenpulver, eine Zentrische Food-Granulierung ZGF von Coperion Pelletizing Technology sowie eine Kühldüse.

TVP wird sowohl als Fleischanaloga oder veganes Fleisch als auch als Ergänzung von Fleischprodukten verwendet. Es kann in verschiedenen Größen und Formen produziert werden, beispielsweise in Form von kleineren Granulaten oder größeren Stücken, zerkleinert oder gemahlen. TVP ist ein trockenes, expandiertes Produkt mit langer Lagerdauer unter normalen Umgebungsbedingungen. TVP muss vor der Verwendung in Wasser/Flüssigkeiten rehydriert werden.

Bei der Herstellung von TVP wird am Haupteinzug des Extruders kontinuierlich Rohproteinmaterial mithilfe hochpräziser Differentialdosierer und Nachfüllsystemen von Coperion K-Tron hinzugegeben. Anschließend wird Wasser mithilfe von Flüssigkeitsdosierer eingespritzt. In bestimmten Fällen kann auch die direkte Dampfinjektion im Verfahrensteil erfolgen. Innerhalb des Verfahrensteils werden die Materialien gemischt, geknetet und gekocht. Das Produkt wird anschließend durch eine Düsenplatte aus dem Extruder herausgefördert, durch die es seine schaumige Porenstruktur mit gerichteten Fasern erhält. Der angebrachte Messer-Rotor der Coperion ZGF-Granulierung schneidet das Produkt in die entsprechende Größe. Die TVP-Granulate werden anschließend getrocknet, um langfristige Produktstabilität zu ermöglichen.

Alternativ zu texturiertem Pflanzenprotein TVP wird HMMA in erster Linie als hochwertiges Fleischanalogprodukt in Fertiggerichten verwendet. Durch die Anpassung von Rezeptur und Prozessparametern können die Strukturen von verschiedenen Fleischarten mit verblüffender Ähnlichkeit zum Original hergestellt werden. Der Feuchtigkeitsgehalt von HMMA liegt zwischen 50 und 80 %, sodass Kühlung erforderlich ist. Als Proteinquellen für die Herstellung hochwertiger HMMA werden in erster Linie Hülsenfrüchte wie Soja, Lupinen oder Erbsen verwendet. In bestimmten Fällen, beispielsweise bei der Herstellung von Streckmitteln für Fleischprodukte, werden geringere Mengen an echtem Fleisch oder Fischprodukten hinzugefügt.

Für das HMMA-Verfahren wird das lose Rohproteinmaterial in den Extruder zudosiert. Anschließend erfolgt die Zugabe von Wasser. Im Verfahrensteil des ZSK Food-Extruders wird diese Masse vollständig vermischt und geknetet. Der Austrag erfolgt mithilfe eines Kühl-Spritzkopfs, der eine Art „eingefrorene“ fleischartige Textur erzeugt. Das Ergebnis ist ein fester Strang mit einer Faserstruktur ähnlich wie bei Fleisch; der Strang wird anschließend in den nächsten Verarbeitungsschritt gefördert. (Schauen Sie sich das Video über die Herstellung von HMMA im Coperion Technikum an)

Der gelieferte Coperion K-Tron Dosierer ist ein gravimetrischer Doppelschnecken-Differentialdosierer. Bei der Entwicklung und Konstruktion einer kontinuierlichen Extrusionslinie ist die präzise Zufuhr der einzelnen Inhaltsstoffe in den Extrusionsprozess entscheidend für die Stabilität und Qualität des Endprodukts. Aus diesem Grund sind hochpräzise gravimetrische Dosiervorrichtungen die bevorzugte Dosiermethode, da sie das Gewicht des zuzuführenden Materials messen und die Dosierleistung so anpassen, dass der gewünschte Sollwert eingehalten wird. Im Gegensatz dazu messen volumetrische Dosierer den Durchfluss nicht; sie dosieren ein bestimmtes Materialvolumen pro Zeiteinheit, aus dem eine gewichtsbasierte Dosierleistung durch das Kalibrierverfahren abgeleitet wird.

Die beliebteste Art von gravimetrischer Dosiervorrichtung, die in kontinuierlichen Verfahren verwendet wird, ist der Differentialdosierer (Loss-in-Weight Feeder). Dieser besteht aus einem Trichter und einer Dosiervorrichtung, die vom Verfahren isoliert sind, sodass das gesamte System kontinuierlich gewogen werden kann. Differentialdosierer sind entweder auf Waagen oder auf Lastzellen montiert. Die Coperion K-Tron Lastzelle ist ein hochpräzises Messinstrument, das speziell für die Anforderungen an Dosierleistung und Genauigkeit in dynamischen Dosieranwendungen entwickelt wurde. Sie bietet eine sehr hohe Auflösung von 1:8.000.000 in 20 ms. Während der Dosierer das Material dosiert, verringert sich das Systemgewicht. Die Drehzahl des Dosierers wird so geregelt, dass der Gewichtsverlust pro Zeiteinheit der gewünschten Dosierleistung entspricht. (Video Funktionsprinzip Differentialdosierer)

In jeder Stufe des Produktionsprozesses führen unerkannte Fehler bei Dosierleistung und Proportionierung zur Verschwendung von Inhaltsstoffen und erhöhen die Produktionskosten. Beispielsweise kann bei der empfindlichen Herstellung von HMMA eine Dosierer-Ungenauigkeit zur gesamten Abschaltung der Linie führen, sodass der Extruder und der spezielle Spritzkopf, der die faserartigen Materialmerkmale erzeugt, wieder gereinigt und neu gestartet werden müssen.

Da viele der Zutaten, die in der Lebensmittelverarbeitung verwendet werden, schlechte Fließeigenschaften aufweisen und klebrig sein können, bietet Coperion K-Tron eine Vielzahl an Optionen bei Schneckenkonfigurationen, Konstruktion der Dosierer sowie innovative Lösungen wie die ActiFlowTM Schüttgut-Fließhilfe an. Bei ActiFlow handelt es sich um eine intelligente Fließhilfe, die zusammen mit der Differentialdosierer-Steuerung und den Lastzellen arbeitet. Die Dosierwaage bei Foodwest ist mit einem Trichter mit Halterung für die ActiFlow-Einheit ausgestattet, falls diese in der Zukunft nachgerüstet werden muss. Dadurch erhöht sich die Gesamtflexibilität des Systems. (Schauen Sie sich eine Animation von ActiFlow an)

Mit nur minimalem Umrüstaufwand kann Foodwest mit seinem ZSK Food-Extruder in Hybrid-Ausführung sowohl TVP als auch HMMA entwickeln und herstellen. Dosierung und Verfahrensteil sind für beide Anwendungen weitestgehend identisch. Der Austrag unterscheidet sich hingegen maßgeblich. Während sich für die Herstellung von TVP die ZGF Granulierung an das Verfahrensteil anschließt, um das Produkt direkt an der Düsenplatte zu schneiden, wird HMMA über eine spezielle Kühldüse ausgetragen, die einen Produktstrang mit einer Textur erzeugt, die echtem Fleisch sehr ähnelt. Dank einer von Coperion entwickelten Adapterlösung kann der Austrag des ZSK Food-Extruders bei Foodwest jetzt in kürzester Zeit von einer ZGF auf eine Kühldüse umgestellt werden. Umgekehrt funktioniert der Tausch genauso schnell, wenn vom HMMA-Prozess auf TVP umgestellt werden soll.

In Kombination mit dem selbstreinigenden Profil und dem modularen Aufbau der Extruder-Doppelschnecken kann Foodwest auf dem ZSK-System neben Fleischersatz auch zahlreiche weitere Produkte entwickeln und testen. Dazu zählen beispielsweise Snacks und Cerealien, für deren Herstellung Foodwest den Extruder sowie sein umfangreich verfügbares Peripherie-Equipment individuell konfiguriert. Dabei profitiert das Unternehmen von den sehr hohen Hygienestandards des Extruders, von dessen intensiver Dispergierleistung, seiner schonenden Produktbehandlung und seiner allgemeinen Vielseitigkeit.

Ein ideales und vielseitiges Paket für Produktentwicklung und Herstellung
Harri Latva-Mäenpää, PhD, Innovation Director bei Foodwest: „Die Extrusion ist eine der interessantesten Technologien, die wir unbedingt in unsere neue Lebensmittelentwicklungs- und Pilotanlage in Finnland integrieren wollten. Das vielseitige Paket und das Know-how von Coperion haben uns überzeugt, diese Investition zu tätigen. Wir können den ZSK-Extruder für die Verfahrens- und Produktentwicklung nutzen und ihn auch mit anderen Herstellungs- und Verpackungstechnologien für Lebensmittel kombinieren. Damit sind wir in der Lage, auf unserer nach höchsten Standards der Lebensmittelsicherheit zugelassenen Anlage gemeinsam mit unseren Kunden in aller Welt marktreife Lösungen zu entwickeln.“

Stefan Gebhardt, General Manager Sales & Strategy, Business Unit Food & Pharma bei Coperion, ergänzt: „Es freut uns sehr, ein so renommiertes Unternehmen wie Foodwest mit einem ZSK Food-Extruder in Hybrid-Design auszustatten. Wir sind davon überzeugt, dass der ZSK-Extruder mit seiner großen Flexibilität in der Konfiguration und seinem sicheren Scale-up auf weitere Extruderbaugrößen die optimale Technologie für eine große Bandbreite an Produktversuchen, Forschung und Entwicklung ist. Darüber hinaus freuen wir uns verkünden zu können, dass zukünftig mit dem Foodwest-Technikum in Finnland auch Coperion-Kunden ein Versuchsraum für die Herstellung von Fleischanaloga und weiterer Produkte zur Verfügung steht.“