Technologie zur Margarineproduktion

Technologie zur Margarineproduktion

ZUSAMMENFASSUNG

Lebensmittelunternehmen legen heute wie andere produzierende Betriebe nicht nur Wert auf die Zuverlässigkeit und Qualität ihrer Anlagen, sondern auch auf die vielfältigen Dienstleistungen, die der Anlagenlieferant erbringen kann. Neben den von uns gelieferten effizienten Verarbeitungslinien begleiten wir Sie von der ersten Idee oder Projektphase bis zur Inbetriebnahme – inklusive des wichtigen After-Market-Services.

Shiputec verfügt über mehr als 20 Jahre Erfahrung in der Lebensmittelverarbeitungs- und Verpackungsindustrie.

EINFÜHRUNG IN UNSERE TECHNOLOGIE

VISION UND ENGAGEMENT

Das Segment Shiputec entwickelt, produziert und vermarktet über seine weltweiten Niederlassungen Prozesstechnik- und Automatisierungslösungen für die Milchwirtschaft, Lebensmittel-, Getränke-, Schifffahrts-, Pharma- und Körperpflegeindustrie.

Wir unterstützen unsere Kunden weltweit dabei, die Leistung und Rentabilität ihrer Produktionsanlagen und -prozesse zu steigern. Dafür bieten wir ein breites Spektrum an Produkten und Lösungen – von technischen Komponenten bis hin zur Planung kompletter Prozessanlagen. Dabei stützen wir uns auf weltweit führende Anwendungs- und Entwicklungskompetenz.

Wir unterstützen unsere Kunden dabei, die Leistung und Rentabilität ihrer Anlage während der gesamten Lebensdauer zu optimieren, und zwar mit individuell auf ihre Bedürfnisse zugeschnittenen Supportleistungen durch ein koordiniertes Kundendienst- und Ersatzteilnetzwerk.

KUNDENORIENTIERUNG

Shiputec entwickelt, fertigt und installiert moderne, hocheffiziente und zuverlässige Prozesslinien für die Lebensmittelindustrie. Für die Herstellung kristallisierter Fettprodukte wie Margarine, Butter, Brotaufstriche und Backfette bietet Shiputec Lösungen an, die auch Prozesslinien für emulgierte Lebensmittel wie Mayonnaise, Saucen und Dressings umfassen.

Margarineproduktion

Margarine und verwandte Produkte enthalten eine Wasser- und eine Fettphase und können daher als Wasser-in-Öl-Emulsionen (W/O) charakterisiert werden, in denen die Wasserphase in Form fein verteilter Tröpfchen in der kontinuierlichen Fettphase vorliegt. Je nach Anwendungszweck des Produkts werden die Zusammensetzung der Fettphase und das Herstellungsverfahren entsprechend gewählt.

Neben der Kristallisationsanlage umfasst eine moderne Produktionsanlage für Margarine und verwandte Produkte typischerweise verschiedene Tanks zur Öllagerung sowie zur Emulgator-, Wasserphasen- und Emulsionsherstellung; Größe und Anzahl der Tanks richten sich nach der Kapazität der Anlage und dem Produktportfolio. Zur Anlage gehören außerdem eine Pasteurisierungsanlage und eine Umschmelzanlage. Der Herstellungsprozess lässt sich somit grundsätzlich in folgende Teilprozesse unterteilen (siehe Abbildung 1):

VORBEREITUNG DER WASSERPHASE UND DER FETTPHASE (ZONE 1)

Die Wasserphase wird oft chargenweise im Wasserphasentank aufbereitet. Das Wasser sollte eine gute Trinkwasserqualität aufweisen. Ist die Trinkwasserqualität nicht gewährleistet, kann das Wasser einer Vorbehandlung, z. B. mittels UV- oder Filteranlage, unterzogen werden.

Die Wasserphase kann neben dem Wasser aus Salz bzw. Salzlake, Milcheiweiß (Tafelmargarine und fettarme Brotaufstriche), Zucker (Blätterteig), Stabilisatoren (fettreduzierte und fettarme Brotaufstriche), Konservierungsstoffen und wasserlöslichen Aromen bestehen.

Die Hauptbestandteile der Fettphase, der Fettmischung, bestehen üblicherweise aus einer Mischung verschiedener Fette und Öle. Um Margarine mit den gewünschten Eigenschaften und Funktionalitäten herzustellen, ist das Verhältnis von Fetten und Ölen in der Fettmischung entscheidend für die Leistung des Endprodukts.

Die verschiedenen Fette und Öle, entweder als Fettmischungen oder als Einzelöle, werden in Öllagertanks gelagert, die sich typischerweise außerhalb der Produktionsanlage befinden. Diese werden bei einer stabilen Lagertemperatur oberhalb des Schmelzpunkts des Fettes und unter Rühren gehalten, um eine Fraktionierung des Fettes zu vermeiden und eine einfache Handhabung zu ermöglichen.

Neben der Fettmischung besteht die Fettphase typischerweise aus kleineren fettlöslichen Zutaten wie Emulgator, Lecithin, Aroma, Farbstoff und Antioxidantien. Diese kleineren Zutaten werden vor der Zugabe der Wasserphase, also vor dem Emulgierungsprozess, in der Fettmischung gelöst.

EMULSIONSHERSTELLUNG (ZONE 2)

Die Emulsion wird durch Einfüllen verschiedener Öle und Fette bzw. Fettmischungen in den Emulsionstank hergestellt. Üblicherweise werden zuerst die hochschmelzenden Fette bzw. Fettmischungen, gefolgt von den niedrigschmelzenden Fetten und dem flüssigen Öl, hinzugefügt. Um die Fettphase fertigzustellen, werden der Fettmischung der Emulgator und weitere öllösliche Nebenbestandteile zugegeben. Sobald alle Zutaten der Fettphase gut vermischt sind, wird die Wasserphase hinzugefügt und die Emulsion unter intensivem, aber kontrolliertem Mischen hergestellt.

Zur Dosierung der verschiedenen Emulsionsbestandteile können unterschiedliche Systeme eingesetzt werden, von denen zwei chargenweise arbeiten:

Durchflussmesssystem

Wiegetanksystem

Ein kontinuierliches Inline-Emulgiersystem ist eine weniger bevorzugte, aber dennoch eingesetzte Lösung, z. B. in Hochleistungsanlagen, in denen nur begrenzt Platz für Emulsionstanks zur Verfügung steht. Dieses System nutzt Dosierpumpen und Massendurchflussmesser, um das Verhältnis der zugegebenen Phasen in einem kleinen Emulsionstank zu regeln.

Die oben genannten Systeme lassen sich alle vollautomatisch steuern. Einige ältere Anlagen verfügen jedoch noch über manuell gesteuerte Emulsionsaufbereitungssysteme. Diese sind jedoch arbeitsintensiv und aufgrund der strengen Rückverfolgbarkeitsvorschriften heutzutage nicht mehr zu empfehlen.

Das Durchflussmesssystem basiert auf der chargenweisen Emulsionsherstellung, bei der die verschiedenen Phasen und Inhaltsstoffe beim Transfer aus den verschiedenen Phasenherstellungstanks in den Emulsionstank mittels Massendurchflussmessern gemessen werden. Die Genauigkeit dieses Systems beträgt +/-0,3 %. Es zeichnet sich durch seine Unempfindlichkeit gegenüber äußeren Einflüssen wie Vibrationen und Schmutz aus.

Das Wiegetanksystem basiert wie das Durchflussmesssystem auf der chargenweisen Emulsionsherstellung. Hier werden die Mengen der Zutaten und Phasen direkt in den Emulsionstank gegeben, der auf Wägezellen montiert ist, die die dem Tank zugeführten Mengen steuern.

Typischerweise wird zur Herstellung der Emulsion ein Zwei-Tank-System verwendet, um die Kristallisationslinie kontinuierlich betreiben zu können. Jeder Tank fungiert als Vorbereitungs- und Puffertank (Emulsionstank). So wird die Kristallisationslinie aus einem Tank gespeist, während im anderen eine neue Charge vorbereitet wird und umgekehrt. Dieses System wird als Flip-Flop-System bezeichnet.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Emulsion in einem Tank vorzubereiten und anschließend in einen Puffertank zu überführen, von wo aus die Kristallisationslinie versorgt wird. Dieses System wird als Vormisch-/Puffersystem bezeichnet.

PASTEURISIERUNG (ZONE 3)

Vom Puffertank wird die Emulsion normalerweise kontinuierlich entweder durch einen Plattenwärmetauscher (PHE) oder einen Niederdruck-Kratzwärmetauscher (SSHE) oder einen Hochdruck-SSHE zur Pasteurisierung gepumpt, bevor sie in die Kristallisationslinie gelangt.

Für Vollfettprodukte wird typischerweise ein PHE verwendet. Für fettärmere Varianten, bei denen eine relativ hohe Viskosität der Emulsion erwartet wird, und für wärmeempfindliche Emulsionen (z. B. Emulsionen mit hohem Proteingehalt) wird das SPX-System als Niederdrucklösung oder das SPX-PLUS als Hochdrucklösung empfohlen.

Der Pasteurisierungsprozess bietet mehrere Vorteile. Er hemmt das Bakterienwachstum und das Wachstum anderer Mikroorganismen und verbessert so die mikrobiologische Stabilität der Emulsion. Eine Pasteurisierung nur der Wasserphase ist möglich, die Pasteurisierung der gesamten Emulsion ist jedoch vorzuziehen, da sie die Verweilzeit vom pasteurisierten Produkt bis zur Abfüllung oder Verpackung des Endprodukts minimiert. Zudem wird das Produkt in einem Inline-Prozess von der Pasteurisierung bis zur Abfüllung oder Verpackung des Endprodukts behandelt, und die Pasteurisierung jeglicher Nachbearbeitungsmaterialien ist durch die Pasteurisierung der gesamten Emulsion gewährleistet.

Darüber hinaus gewährleistet die Pasteurisierung der gesamten Emulsion, dass diese bei konstanter Temperatur der Kristallisationsanlage zugeführt wird, wodurch konstante Verarbeitungsparameter, Produkttemperaturen und eine konstante Produkttextur erreicht werden. Darüber hinaus wird die Bildung vorkristallisierter Emulsion in der Kristallisationsanlage verhindert, wenn die Emulsion ordnungsgemäß pasteurisiert und der Hochdruckpumpe bei einer Temperatur zugeführt wird, die 5–10 °C über dem Schmelzpunkt der Fettphase liegt.

Ein typischer Pasteurisierungsprozess umfasst nach der Herstellung der Emulsion bei 45–55 °C eine Erhitzungs- und Haltephase der Emulsion bei 75–85 °C für 16 Sekunden und anschließend einen Abkühlprozess auf 45–55 °C. Die Endtemperatur hängt vom Schmelzpunkt der Fettphase ab: Je höher der Schmelzpunkt, desto höher die Temperatur.

KÜHLEN, KRISTALLISIEREN UND KNETEN (ZONE 4)

 

Die Emulsion wird mittels einer Hochdruckkolbenpumpe (HPP) zur Kristallisationslinie gepumpt. Die Kristallisationslinie zur Herstellung von Margarine und verwandten Produkten besteht typischerweise aus einem Hochdruck-SWEA, der mit Ammoniak- oder Freon-Kühlmitteln gekühlt wird. Stiftrotormaschinen und/oder Zwischenkristallisatoren sind oft in der Linie integriert, um die Knetintensität und -zeit bei der Herstellung von Kunststoffprodukten zu erhöhen. Ein Ruherohr bildet den letzten Schritt der Kristallisationslinie und ist nur bei verpackten Produkten integriert.

Das Herzstück der Kristallisationslinie ist der Hochdruck-SSHE, der die warme Emulsion unterkühlt und an der Innenfläche des Kühlrohrs kristallisiert. Die Emulsion wird durch rotierende Schaber effizient abgeschabt und so gleichzeitig gekühlt und geknetet. Wenn das Fett in der Emulsion kristallisiert, bilden die Fettkristalle ein dreidimensionales Netzwerk, das Wassertropfen und flüssiges Öl einschließt. Dadurch entstehen Produkte mit plastisch-halbfesten Eigenschaften.

Abhängig von der Art des herzustellenden Produkts und der Art der für das jeweilige Produkt verwendeten Fette kann die Konfiguration der Kristallisationslinie (d. h. die Reihenfolge der Kühlrohre und der Stiftrotormaschinen) angepasst werden, um die optimale Konfiguration für das jeweilige Produkt bereitzustellen.

Da die Kristallisationslinie in der Regel mehr als ein spezifisches Fettprodukt herstellt, besteht der SSHE oft aus zwei oder mehr Kühlabschnitten oder Kühlrohren, um den Anforderungen einer flexiblen Kristallisationslinie gerecht zu werden. Bei der Herstellung verschiedener kristallisierter Fettprodukte aus unterschiedlichen Fettmischungen ist Flexibilität erforderlich, da die Kristallisationseigenschaften der Mischungen unterschiedlich sein können.

Der Kristallisationsprozess, die Verarbeitungsbedingungen und die Verarbeitungsparameter haben großen Einfluss auf die Eigenschaften der fertigen Margarine- und Brotaufstrichprodukte. Bei der Planung einer Kristallisationslinie ist es wichtig, die Eigenschaften der auf der Linie herzustellenden Produkte zu identifizieren. Um die Investition auch für die Zukunft zu sichern, sind Flexibilität der Linie sowie individuell steuerbare Verarbeitungsparameter erforderlich, da sich das Produktspektrum und die Rohstoffe mit der Zeit ändern können.

Die Kapazität der Linie wird durch die verfügbare Kühlfläche des SSHE bestimmt. Es stehen Maschinen unterschiedlicher Größe zur Verfügung, von Anlagen mit geringer bis hoher Kapazität. Zudem sind verschiedene Flexibilitätsgrade von Einzelrohranlagen bis hin zu Mehrrohranlagen verfügbar, wodurch hochflexible Verarbeitungslinien entstehen.

Nach der Kühlung im SSHE gelangt das Produkt in die Stiftrotormaschine und/oder Zwischenkristallisatoren. Dort wird es eine bestimmte Zeit und mit einer bestimmten Intensität geknetet, um die Bildung des dreidimensionalen Netzwerks, das makroskopisch die plastische Struktur darstellt, zu fördern. Soll das Produkt verpackt vertrieben werden, gelangt es erneut in den SSHE, bevor es sich vor dem Verpacken im Ruherohr absetzt. Für die Abfüllung in Becher ist in der Kristallisationslinie kein Ruherohr vorgesehen.

VERPACKEN, ABFÜLLEN UND UMSCHMELZEN ( ZONE 5 )

Auf dem Markt sind verschiedene Verpackungs- und Abfüllmaschinen erhältlich, die in diesem Artikel nicht näher beschrieben werden. Die Konsistenz des Produkts ist jedoch sehr unterschiedlich, je nachdem, ob es zum Verpacken oder Abfüllen hergestellt wird. Es liegt auf der Hand, dass ein verpacktes Produkt eine festere Textur aufweisen muss als ein abgefülltes. Ist diese Textur nicht optimal, wird das Produkt in die Umschmelzanlage umgeleitet, geschmolzen und zur Wiederaufbereitung in den Puffertank gegeben. Es stehen verschiedene Umschmelzanlagen zur Verfügung, die am häufigsten verwendeten sind jedoch PHE- oder Niederdruck-SSHE-Anlagen.

AUTOMATISIERUNG

 

Margarine wird, wie andere Lebensmittel auch, heute in vielen Fabriken unter strengen Rückverfolgbarkeitsverfahren hergestellt. Diese Verfahren, die typischerweise die Zutaten, die Produktion und das Endprodukt abdecken, führen nicht nur zu einer erhöhten Lebensmittelsicherheit, sondern auch zu einer konstanten Lebensmittelqualität. Rückverfolgbarkeitsanforderungen können im Steuerungssystem der Fabrik implementiert werden. Das Steuerungssystem von Shiputec ist darauf ausgelegt, wichtige Bedingungen und Parameter des gesamten Herstellungsprozesses zu kontrollieren, aufzuzeichnen und zu dokumentieren.

Das Steuerungssystem ist passwortgeschützt und zeichnet alle Parameter der Margarineverarbeitungslinie auf, von der Rezeptur bis zur Bewertung des Endprodukts. Die Datenerfassung umfasst Kapazität und Leistung der Hochdruckpumpe (l/h und Gegendruck), Produkttemperaturen (inkl. Pasteurisierungsprozess) während der Kristallisation, Kühltemperaturen (bzw. Kühlmediendrücke) des SSHE, Drehzahl des SSHE und der Stiftrotormaschinen sowie die Belastung der Motoren der Hochdruckpumpe, des SSHE und der Stiftrotormaschinen.

Steuerungssystem

Während der Verarbeitung werden Alarme an den Bediener gesendet, wenn die Verarbeitungsparameter für das jeweilige Produkt die vor Produktionsbeginn im Rezepteditor festgelegten Grenzwerte überschreiten. Diese Alarme müssen manuell bestätigt und die entsprechenden Maßnahmen ergriffen werden. Alle Alarme werden in einem Alarmverlaufssystem zur späteren Einsichtnahme gespeichert. Wenn das Produkt die Produktionslinie in geeigneter Verpackung oder Abfüllung verlässt, wird es neben dem Produktnamen üblicherweise mit Datum, Uhrzeit und Chargennummer zur späteren Rückverfolgung gekennzeichnet. Die vollständige Historie aller Produktionsschritte wird somit zur Sicherheit des Herstellers und des Endverbrauchers, des Verbrauchers, archiviert.

KVP

CIP-Reinigungsanlagen (CIP = Cleaning in Place) gehören ebenfalls zu einer modernen Margarineproduktionsanlage, da diese regelmäßig gereinigt werden sollte. Für herkömmliche Margarineprodukte ist eine wöchentliche Reinigung üblich. Für empfindliche Produkte wie fettarme (wasserreiche) und/oder proteinreiche Produkte sind jedoch kürzere CIP-Intervalle empfehlenswert.

Grundsätzlich kommen zwei CIP-Systeme zum Einsatz: CIP-Anlagen, die das Reinigungsmedium nur einmal verwenden, oder die empfohlenen CIP-Anlagen, die mit einer Pufferlösung des Reinigungsmediums arbeiten, wobei Medien wie Lauge, Säure und/oder Desinfektionsmittel nach Gebrauch in die einzelnen CIP-Lagertanks zurückgeführt werden. Letzteres Verfahren ist vorzuziehen, da es umweltfreundlich und im Hinblick auf den Reinigungsmittelverbrauch und damit die Kosten wirtschaftlich ist.

Bei mehreren Produktionslinien in einem Werk ist der Aufbau paralleler Reinigungsstrecken oder CIP-Satellitensysteme möglich. Dies führt zu einer deutlichen Reduzierung der Reinigungszeit und des Energieverbrauchs. Die Parameter des CIP-Prozesses werden automatisch gesteuert und zur späteren Nachverfolgung im Leitsystem protokolliert.

SCHLUSSBEMERKUNGEN

Bei der Herstellung von Margarine und verwandten Produkten ist zu beachten, dass nicht nur die Zutaten wie die verwendeten Öle und Fette oder die Rezeptur die Qualität des Endprodukts bestimmen, sondern auch die Anlagenkonfiguration, die Verarbeitungsparameter und der Zustand der Anlage. Bei unzureichender Wartung der Anlage oder der Ausrüstung besteht das Risiko, dass die Anlage nicht effizient arbeitet. Für die Herstellung hochwertiger Produkte ist daher eine gut funktionierende Anlage unerlässlich. Ebenso wichtig sind die Wahl einer Fettmischung mit Eigenschaften, die dem Endprodukt entsprechen, sowie die korrekte Konfiguration und Wahl der Verarbeitungsparameter der Anlage. Nicht zuletzt muss das Endprodukt entsprechend der Endverwendung temperaturbehandelt werden..