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Extrudieren ist Reaktionskinetik

Extruder bearbeiten Rohstoffe effizienter als viele andere Verfahren. Um die erwünschten Veränderungen zu erreichen, müssen Biopolymere durch Wärme und Scherkräfte aufgeschmolzen werden.

von Alimenta Import

Wenn ein verformbares ­Material durch eine Düse gepresst wird, handelt es sich um einen Extrusionsprozess. Der nötige Pressdruck wird durch verschieden­artige Installationen erzeugt, oft durch Förderschnecken, welche besonders geeignet sind, hochviskose Stoffe zu transportieren.
Nahtlose Metallrohre wurden schon in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts durch Extrusionsverfahren geformt. Häufig eingesetzt werden Extruder zum Formen von thermisch plastifizierbaren Kunststoffen. Erst im letzten Jahrhundert wurde damit begonnen, Extruder für die Produktion von Lebensmitteln wie Teigwaren, Frühstückszerealien, Kaugummi oder auch Pet Food einzusetzen.

Durch eine Düse pressen und formen kann man Material, welches in geeigneter Weise fliesst. Oft wird bei der Produktion von Lebensmitteln als wichtigster Rohstoff ein körniger Feststoff wie Stärke verwendet.
Folglich muss das Material vor dem Formen zuerst geschmolzen werden. Beim Austritt aus der Extruderdüse soll das Material die Form weitestgehend beibehalten. Es muss dazu schnell wieder erstarren. Sollen derartige Phasen­übergänge nur durch Erhitzen und Abkühlen erreicht werden, sind sie lang­sam, weil das Material die Wärme speichert und die Übertragung der Wärme zeitaufwendig ist.

Hohe Druck- und insbesondere Scherkräfte können ein Material ebenfalls zum Fliessen bringen. Scherkräfte verschieben dünne Materialschichten im Innern eines Stoffes gegeneinander und lockern damit den Zusammenhalt von Molekülen. Der Vorteil ist, dass bei Wegfall der Scherkräfte, also direkt nach dem Austritt aus der Extruderdüse, die Schmelze ohne oder mit geringer Verzögerung wieder erstarren kann.

Der Übergang von einem wenig flexiblen, glasartigen Zustand grosser Moleküle in einen viskos-elastischen Zustand kann durch Zusatz­stoffe, welche selber leicht fliessen, beschleunigt werden. Im Fall von Stärkemolekülen ­genügt hierfür eine geringe Wassermenge, oft verwendet man weniger als zwanzig Prozent Wasser. Zum sogenannten Plastifizieren von festen Rohstoffen wird also ein Mix aus thermischer Energie, Zusatzstoffen und Scherkräften eingesetzt.

Kalt- und Kochextrusion
Aus den thermischen Bedingungen während des Prozesses leiten sich die Kategorien Kalt- und Kochextrusion ab. Teigwaren werden bei Umgebungstemperatur, das heisst kalt, ex­trudiert. Dies ist materialschonend und reicht gerade aus, um aus Mehl und relativ viel ­Wasser einen plastischen, formbaren Teig durch Kneten auszubilden. Bei hohen Temperaturen würden die enthaltene Stärke und Proteine stark verändert werden. Kochextru­sionsverfahren sind beispielsweise zum Verspinnen von Fisch- oder Sojaproteinen zu ­faserigen, texturierten Lebensmitteln geeignet.

Dosieren der mechanischen Energie
Ein weiteres Mass für den Vergleich von Extrusionsverfahren ist der für eine bestimmte Produktmenge verwendete Betrag an mechanischer Energie (SME). Es gibt für diesen ­Betrag keine Superlative. Der Energieeintrag muss die erwünschte Stoffumwandlung bewirken. Hohe Scherkräfte werden in Bio­materialien mit geringem Wassergehalt (unter zwanzig Prozent) und bei hohen Drehzahlen der Extruderschnecken erzeugt. Leistungs­fähige Maschinen erreichen Schneckendrehzahlen von mehr als 1000 Umdrehungen pro Minute. Das entspricht einem eher zu hohen Energieeintrag für die Lebensmittelproduktion. Nicht essbares, stabiles Biomaterial, wie bioabbaubare Folien aus Stärke, benötigt hingegen oft einen höheren Energieeintrag, um die Polymere ausreichend zu vernetzen.

Expandierte Produkte
Fast täglich kommen Konsumenten mit so­genannten direkt expandierten Produkten in Berührung. Das sind beispielsweise knusprige Frühstückszerealien. In der Stärkeschmelze ist während des Extrudierens immer freies Wasser vorhanden. Unter hohem Druck im Ex­truder kann das Wasser auch bei Temperaturen von 150 °C und mehr nicht verdampfen. Direkt nach dem Austritt aus der Extruderdüse, wenn die Stärkeschmelze noch verhältnismässig gut verformbar ist, kann das Wasser aufgrund des schlagartigen Druckabfalls verdampfen und bläht die Stärkeschmelze auf. Das Wasser benötigt zum Verdampfen etwa 2200 Kilojoule Energie/kg.
Diese Energie entzieht das Wasser der Poly­merschmelze, die folglich abkühlt, erstarrt und gleichzeitig trocknet. Das ist ein komplexer Vorgang, der sowohl für die mecha­nische als auch die mikrobiologische Stabilität expandierter Frühstückszerealien wichtig ist.

Der Extruder als Reaktor
Am letzten Beispiel erkennt man, dass Ex­trudieren wesentlich mehr ist als einfaches Verformen. Thermische Operationen wie Erhitzen, Verdampfen oder Extrahieren, mechanische Operationen wie Mischen, Zerkleinern, Komprimieren und physiko-chemische Veränderungen wie die Inaktivierung von ­Mikroorganismen und Enzymen, Schmelzen, Polymerisieren, Oxidieren oder Karamelli­sieren laufen parallel ab. Jeder dieser Prozesse hat eine eigene Kinetik. Dies bedeutet, dass die Geschwindigkeit der genannten Verän­derungen von der Zeit, der Temperatur und weiteren Randbedingungen abhängig ist. Die Kunst des Extrudierens besteht im perfekten Koordinieren der erwünschten, jedoch unterschiedlich schnell ablaufenden Stoffveränderungen.
Zwischen der Einrichtung zur Dosierung der Rohstoffe und der Extruderdüse befindet sich ein Transportkanal von meist weniger als einem Meter Länge, der als Reaktor betrachtet werden kann. Die effiziente Raum- und Energienutzung macht Extruder zu hochwirtschaftlichen Apparaten in der Massenproduktion. Der Reaktor ist zoniert, das heisst, die Reaktionsbedingungen sind in verschiedenen Bereichen unterschiedlich. In den meisten ­Zonen wird das zu bearbeitende Material zwangsweise nur in eine Richtung befördert. In einigen Zonen lässt man auch Rückströmungen, Vermischungseffekte und längere Aufenthaltszeiten zu. Bei sehr schnellen Reaktionen kann das Material in wenigen Sekunden den Reaktor durchlaufen, bei langsamen Reaktionen sich auch im Bereich von Minuten im Reaktionskanal aufhalten. Die Konstruk­tionsart der Fördereinrichtung ist von entscheidender Bedeutung für den Materialtransport und die -umwandlung.

Twin Screw Extruder
Eine der effektivsten Bauformen sind sogenannte Twin Screw Extruder (Doppelschneckenextruder). Zwei ineinandergreifende Schne­cken drehen sich gleich oder gegenläufig mit identischer Geschwindigkeit in einem eng anliegenden Gehäuse. Die Gewindegänge sind mit dem zu bearbeitenden Material gefüllt, das durch die Rotation zumeist in einer Richtung vorwärts gepumpt wird. Dreht man
die Gangrichtung der Schnecken in einem  Teilbereich von einigen Zentimetern um, ­entsteht eine Gegendruckpumpe, welche das ­Material zwar passieren lässt, aber eine Reaktionszone mit einem hohen Druck vor der ­Gegendruckpumpe erzeugt. Das ist nur ein Beispiel, für die vielen Möglichkeiten die Reak­tionsbedingungen zu gestalten.
Um nicht nur einfache Extrusionsarten zu verstehen, wie das Formen von Raben mit einem Spritzbeutel, sondern auch die Mikroverkapselung von Aromen oder pharmazeutischen Wirkstoffen in resorbierbaren Polymeren, ist ein langer Weg der angewandten Forschung zu gehen. Es gibt keine universell einsetzbare Standardmaschine, kein Standardverfahren und keinen Standardrohstoff. In der Kombination ist jedes Verfahren und jedes Produkt einzigartig. Selbst wenn durch Empirik gute Produkte am Markt sind, ist ­exaktes Wissen über die Reaktionsbedingun­gen und physikalisch-chemischen Stoffver­änderungen in einzelnen Extrusionszonen bislang eher die Ausnahme.

*?Der Autor ist Dozent für Lebensmittelverfahrenstechnik an der Hes-so Wallis.