Herstellung von 18 µm Kakaomasse in zwei Vermahlungsstufen

Zur Herstellung sehr dunkler Schokoladen mit hohem Kakaoanteil werden Kakaomassen mit Schokoladenendfeinheit von 18 μm direkt in die Conchen gegeben. Um die­se Endfeinheit zu erreichen, erfolgt ­traditionell die Vermahlung in einem drei- oder sogar vierstufigen Mahlverfahren, bestehend aus einer Vormühle, gefolgt von zwei oder drei Kugelmühlen (Abbildung 1). Dabei kommt es aufgrund des niedrigen Durchsatzes, der erforderlich ist, um die hohen Feinheiten zu erzeugen, zu erhöhtem Verschleiß bei den Kugelmühlen und in der Folge davon zu einem hohen Eiseneintrag in das Produkt.
Das neu entwickelte zweistufige Tango®-System von Netzsch besteht im Unterschied dazu aus nur einer Schlagmessermühle MasterNibs, einer Pumpe und nur einer horizontalen Kugelmühle MasterRefiner. Zwischenbehälter und dazugehörende Pumpen sind nicht erforderlich.
Zur Herstellung von 18 μm-Kakao­masse in zwei Vermahlungsstufen mit Eisengehalten < 150 mg/kg wird die Kakaomasse direkt aus der MasterNibs kommend, ohne Zwischentank, über eine Pumpe in den horizontalen MasterRefiner gefördert und dort auf Endfeinheit vermahlen.
Das bringt folgende Vorteile mit sich:

• Weniger zu wartende Komponenten.
• Weniger installierte elektrische Leis­­tung
• Weniger Rohrleitungen
• Weniger Platzbedarf
• Gute Zugänglichkeit bei Wartungs- und Reinigungsarbeiten.

Kakaomassen-Feinheiten, hergestellt auf dem zweistufigen Tango®-System
Welche Kakaomassen-Endfeinheiten mit dem Tango®-System in Abhängigkeit der benötigten Energie erzielt werden, zeigen die beiden fol­genden Diagramme (Abb. 2 und 3). Dabei wurden Kakaomassen aus alkalisierten und nicht alkalisierten Nibs jeweils auf MasterNibs mit 0,10 und 0,25 mm Spaltsieben vorvermahlen und im MasterRefiner bei verschie­denen Durchsatzleistungen in einer Mahlstufe feinvermahlen. Dabei wurden Endfeinhei­ten bis 100 % < 75 μm erreicht.
Die beiden am weitesten links lie­genden Graphen − und somit die energetisch günstigsten − zeigen den spezifischen Energiebedarf bei der Vermahlung alkalisierter Nibs. Dabei werden ca. 35 % weniger Energie benötigt als bei nicht alkalisierten. Zur Herstellung der Kakao-Standardfeinheit von 99,5 % < 75 μm werden bei alkalisierten Kakaonibs 85–90 kWh/t benötigt, bei nicht alkalisierten 120–125 kWh/t. Der Einfluss der Feinheit der Vorvermahlung ist in beiden Fällen geringfügig.
Erst bei Erreichen höherer Feinheiten von 99,8 % oder gar 99,9 % < 75 μm wird der Vorteil einer feineren Vorvermahlung, insbesondere bei nicht alkalisierten Nibs, sichtbar. Bei Vorvermahlung auf einer MasterNibs mit 0,10 mm Spaltsieb und anschließender Feinvermahlung in einer Passage auf MasterRefiner werden 135 kWh/t zur Erzeugung einer Kakaomasse mit 99,8 % < 75 μm benötigt.
Beim Einsatz eines Siebes mit 0,25 mm Spaltweite in der Vormühle werden für die gleiche Feinheit 150 kWh/t benötigt. Das sind 9 % mehr. Bei der Herstellung einer Mas­se mit 99,9 % beträgt der Unterschied 153 kWh/t bzw. 168 kWh/t. Üblicherweise werden Feinheiten bei Kakao über den prozentualen Anteil der Teilchen < 75 μm durch Naßsiebung ermittelt. Bei der Feinheitsbeschreibung von Kakaomassen mit Schokoladenendfeinheit ist der 75 μm-Wert zu grob. In diesem Fall wird die Feinheit mit dem D90-Wert beschrieben. Auch hier zeigt sich deutlich der niedrigere Energiebedarf bei feiner vorvermahlenen Kakaomassen.

Korngrößenverteilung bei feiner und gröberer Vemahlung

• Bild 4 und Bild 5 zeigen den für auf Schlagmessermühlen vorvermahlenen Kakaomassen typischen Grobgutsockel, der bei Verwendung eines 0,25er Siebes noch deutlicher ausgeprägt ist als bei Verwendung eines 0,10er Siebes. Der Anteil der Teilchen < 75 μm liegt bei 97 % (Sieb mit 0,10 mm Spaltweite) bzw. 90 % (Sieb mit 0,25 mm Spaltweite).
• Das Bild 6 zeigt die Fertigmasse, hergestellt aus der in Bild 4 dargestellten, feiner vorvermahlenen Masse (D90 = 17,9 μm–100 % < 50 μm).
• Das Bild 7 zeigt die endvermahlene Masse, hergestellt aus der in Bild 5 dargestellten, gröber vorvermahlenen Kakaomasse (D90 = 21,7–99,9 % < 75 μm).
• Das im Bild 6 dargestellte Produkt schließlich, das auf MasterNibs mit einem 0,10 mm weiten Spaltsieb vorvermahlen und danach auf MasterRefiner in einer Passage feinvermahlen ist, zeigt eine asymmetrische Verteilungsglocke mit einem starken Grobgutabfall und eine insgesamt engere Kornverteilung.

Verteilungen dieser Art sind aus zwei Gründen anzustreben:

• Die Erzeugung von Feinstteilen
• < 5 μm, die unwünscht sind, erfordert viel Energie.
• Der Anteil an Teilchen > 15–18 μm soll so gering wie möglich sein.

Fazit
Für die Herstellung von Kakaomassen mit Schokoladenendfeinheit ist eine feine Vorvermahlung auf einer MasterNibs mit einer Spaltsiebweite von 0,10 mm zu empfehlen.

Eisen-, Wolfram- und Kobalt­gehalte der Kakaomassen
Bereits der Kakaokernbruch hat Eisengehalte von ca. 30 mg/kg. Dies ist durch den Verschleiß der Mahlwerkzeuge beim Brechen der Kakaobohnen sowie durch Verschleiß an Rohrbögen und -weichen bei der pneumatischen För-
derung zu erklären. Bei der Vorvermahlung erhöht sich der Eisengehalt um 15–20 mg/kg, je nach erzeugter Feinheit durch Wahl der Siebspaltweiten. Die stärkste Zunahme an Eisen erfolgt bei der Feinvermahlung durch die Kugelmühle. Diese Zunahme beträgt, je nach Endfeinheit des Produktes, bis zu 100 mg/kg. Zur Minimierung des Stahl-/Eiseneintrages werden zunehmend häu­figer Mahlwerkzeuge aus Hartmetall verwendet. Üblicherweise eingesetzte Mahl­werkzeuge aus Hartmetall sind die Schlagleisten der Schlagmessermüh­len, die Rührarme und -scheiben bei Kugelmühlen. Aber auch Hartmetall verschleißt und die Bestandteile Wolf­ramcarbid (ca. 85 %) und Kobalt (ca. 15 %) gelangen in das Produkt.
Es sei hier darauf hingewiesen, dass bei den Mühlen der Tango®-Anlage kein Hartmetall zum Einsatz kommt, weder bei den Schlagleisten der MasterNibs noch bei den Mahlscheiben des MasterRefiner. Die Wolfram- und Kobaltgehalte liegen demzufolge bei Wo: < 0,01 mg/kg und Co: < 0,01 mg/kg.
Die spezielle Konstruktion der MasterNibs mit Antrieb des Rotors von oben ermöglicht einen Wechsel der Mahlwerkzeuge innerhalb einer halben Stunde. Durch die Möglichkeit, den Rotor aus dem heißen Mahlraum heraus zu schwenken, kann der Austausch der Schlagmesser sofort, ohne eine län­gere Abkühlungszeit vorgenommen werden.
Durch die kurze Stillstandszeit entfällt die Notwendigkeit, Hartmetall- statt Stahlleisten zu verwenden. Dadurch unterbleibt die Kontamination mit Wolfram und Kobalt.

Wie erklären sich die niedrigen ­Eisengehaltzunahmen von nur 60–100 mg/kg bei der Fein­vermahlung?
Bei vertikalen Kugelmühlen befindet sich das Kugelpaket im Ruhezustand und bei niedrigen Durchsätzen aufgrund der Schwerkraft im unteren Bereich des Mahlbehälters, wie im Bild 8, links dargestellt. Bei hohen Durchsätzen ist der hydraulische Druck größer als die Schwerkraft, und das Kugelpaket wird nach oben gedrückt (Bild 8, links). Eine homogene Kugelverteilung über die gesamte Höhe des Mahlbehälters ist nur in ­einem engen Durchsatzbereich gegeben, der aber schwierig einstellbar ist. Wie ist das kontrollierbar? Vor allen Dingen aber ist der Durchsatz kein frei wählbarer Parameter, sondern wird durch die zu erzielende Endfeinheit des Produkts festgelegt. Der verstärkte Verschleiß im unteren Bereich des Mahlbehälters bei vertikalen Kugelmühlen ist durch die Kompaktierung des Kugelpakets zu erklären. Diese Kompaktierung erzeugt nicht nur Verschleiß am Mahlbehälter, sondern auch an den Mahlkugeln selbst. Die Folge davon sind hohe Eisen-Gehalte bei feinvermahlener Kakaomasse in vertikalen Kugelmühlen – im Unterschied zu der Mahl­körperverteilung bei einer horizontalen Kugelmühle (Abb. 9).
Mit dem neu entwickelten zweistufigen Tango®-System, bestehend aus der Schlagmessermühle MasterNibs, Pumpe und der Kugelmühle MasterRefiner, werden hochfeine Kakaomassen mit Schokoladenendfeinheit 18 μm mit nur einer Feinvermahlungs-Passage erzeugt. Dazu ist aufgrund des niedrigeren Energiebedarfs eine feine Vorvermahlung auf der Schlagmessermühlen mit 0,10 mm Spaltweite empfehlenswert. Der Eisengehalt dieser Kakaomassen liegt bei maximal 150 mg/kg. Bei der Herstellung von Kakaomassen mit Standardfeinheit von 99,5 % < 75 μm ist der Einfluss der Feinheit der Vorvermahlung von geringerem Einfluß.
 

Zur Netzsch Gruppe mit Firmensitz im oberfränkischen Selb gehören die drei Geschäftsbereiche „Analysieren und Testen”, „Mahlen und Mischen“ sowie „Pumpen und Systeme”.