Mit Simulation zum perfekten Schokoladenriegel

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Kit Kat, Aero, Crunch. Schaut man in Forschung, Design und Herstellung von Schokoladenriegeln bei Nestlé, kommen einem unweigerlich Assoziationen zur Welt von Willy Wonka aus „Charlie und die Schokoladenfabrik“. Zwar scheinen hier keine Oompa Loompas die Schokoladenproduktion zu überwachen, aber es wird dennoch viel „Denkarbeit“ in die Perfektion des Prozesses gesteckt.
Ooompa Loompas gibt es denn auch unter den Mitarbeitern des Nestlé Product Technology Centre in York, UK, nicht. Die Ingenieure arbeiten unter anderem an der Forschung und Entwicklung dreier verschiedener Produkte: einer Schokoladendressiermaschine zur Herstellung von Schokoriegeln, einer Waffelbackplatte und einem Extruder, mit dem man Getreideflocken gleichzeitig kochen und sortieren kann. Das PTC York ist zentraler Forschungs- und Entwicklungsstandort von Nestlé in Sachen Süßwarenprodukte. Hier verlassen sich die Ingenieure insbesondere auf multiphysikalische Simulationen, um den Produktionsprozess zu optimieren und zu verbessern.

F&E für die Schokoladenproduktion

Die verschiedenen Schokoladeriegel stellt Nestlé mittels Schokoladendressieranlagen her. Diese Maschine, die ein bisschen an eine Spritzgussmaschine erinnert, füllt eine Form mit geschmolzener Schokolade. Die flüssige Schokolade wird über eine Leitung am oberen Teil des Dressierers zugeführt und gelangt zu den Düsenspitzen (Bild1).
„Um sicherzustellen, dass die Schokoladenmenge in jedem Riegel gleich ist, müssen die Strömungsrate und der Druck der Schokolade an jeder Düse genau gleich sein“, erklärt Prozessingenieur William Pickles. „Wir müssen nicht nur wegen der Kosteneffizienz und der Standardisierung sicherstellen, dass jeder Schokoriegel das gleiche Gewicht aufweist, wir müssen auch garantieren, dass die Gewichts- und Kalorienangaben auf der Verpackung stimmen. Nur dann können wir Produkte mit exakten Angaben zu ihren Inhaltsstoffen liefern, die in den ausgeglichenen Ernährungsplan unserer Kunden passen.“
Um den Standards zu genügen, müssen also Druck und Strömungsgeschwindigkeit an jeder Düse im Rahmen einer engen Toleranz liegen. Um die gewünschte Konsistenz zu erreichen, verwendet Nestlé in der Entwicklung eine Kombination aus Modellierung und Simulation. Die Schokoladendressieranlage wurde zunächst in der Software Solidworks konstruiert. Die CAD-Geometrie diente der Simulationssoftware Comsol Multiphysics als Grundlage und wurde importiert, um die Anlage zu analysieren.
Mittels Simulation haben die Ingenieure für die relevanten Geometrieausschnitte die mechanische Spannung untersucht, die thermischen Eigenschaften analysiert und die Strömung optimiert.
„Jeder Schokoladenhersteller hat sein eigenes spezielles Rezept zur Herstellung seiner Produkte mit einzigartigen Eigenschaften“, kommentiert Pickles. „Mittels einer Simulation sind wir in der Lage, das nicht-Newtonsche Verhalten der Nestlé-Schokolade vollständig zu modellieren, indem wir eine experimentell ermittelte Funktion des Verhältnisses von Schergeschwindigkeit zu Scherspannung der Flüssigkeit in die Software importieren. Auf diese Weise können wir sicher sein, dass wir die Schokolade mit den gleichen Flüssigkeitseigenschaften modellieren, wie sie das reale Produkt aufweist.“
Mit Hilfe der Simulation konnte das Team Bereiche mit hohen und niedrigen Strömungsraten identifizieren und die Strömungsunterschiede zwischen den einzelnen Dressierdüsen bestimmen. Auswertungen der numerischen Daten in den Strömungskanälen und an den Düsenspitzen wurden verwendet, um die vorherrschenden Konditionen an bestimmten Stellen der Geometrie zu untersuchen.
„Durch die Optimierung des Dressieranlagendesigns waren wir in der Lage, an allen Düsen eine einheitliche Strömungsrate zu erreichen, die maximal um ein Zehntel-Prozent vom gewünschten Wert abweicht“, sagt Pickles.

Der Extruder kocht und sortiert

Produkte wie Cheerios, Nesquik und viele andere werden bei Nestlé mit einem Extruder hergestellt. „Der verwendete Hochtemperatur-Extruder zur Herstellung bestimmter Frühstücksflocken presst Teig in eine Form. Der Druck und die Reibung, die durch diesen Prozess entstehen, führen dazu, dass der Teig durch die viskose Erwärmung ausgebacken wird“, erklärt Pickles (Bild 2). „Extruder sind weit verbreitet, da sie eine kompakte und kosteneffiziente Herstellungsmethode für diese Produkte darstellen.“
Pickles arbeitet am Design eines Gehäuses für ein Viskosimeter, das innerhalb des Extruders platziert werden soll. Das Viskosimeter misst nun die Viskosität des Teigs beim Eintreten in die Form, um eine durchgängige Qualität des Teiges sicherzustellen. Damit lässt sich der Backvorgang genau vorhersagen. „Bei unserem Design mussten wir sichergehen, dass das Viskosimetergehäuse dem hohen Druck innerhalb der Anlage standhält“, erklärt Pickles.
Im ursprünglichen Extruderdesign war der Druck für das Viskosimetergehäuse zu groß. „Wir haben das Gehäuse überarbeitet, und das neue Design hat geholfen, den Druck zu reduzieren. Anschließend konnten wir sicherstellen, dass die Fließspannung beim vorhandenen Backformdesign nicht überschritten wird und das Viskosimeter sicher darin untergebracht werden konnte“, resümiert Pickles.
Darüber hinaus wurde die Simulation auch zur Konsistenzüberprüfung der Extruder-Verschiebungen genutzt. So konnten unterschiedliche Verschiebungen der Anlage, die zu unebenen Formen und Größen der produzierten Getreideflocken führen würden, vermieden werden (Bild 3).

Die Rettung des Knusper-Effekts

Was wäre ein Kit-Kat-Riegel ohne knackende Waffeln? Beim Backen einer Waffel kann schon eine ungleichmäßige Erwärmung innerhalb der Waffel zu einer unterschiedlichen Konzentration von Feuchtigkeit führen und so ihre knusprige Struktur ruinieren oder sogar einen spontanen Bruch verursachen.
Beim Backprozess der Waffel verwendet Nestlé zwei Backplatten, die den Teig zusammenpressen – ähnlich einem Waffeleisen (Bild 4). Während des Backprozesses werden die Platten über eine Reihe von etwa 40 Flammen geführt. „Hier nutzen wir die Simulation, um das Design der Backplatten zu optimieren. Dafür sehen wir uns den heißen Luftstrom unter den und um die Platten an, um sicherzustellen, dass wir über den gesamten Oberflächenverlauf der Platten ein gleichmäßiges Temperaturprofil haben“, beschreibt Pickles. „Unser Ziel in dieser Studie ist die Korrektur der Brennerleistung und -orientierung, um die bestmögliche Waffel zu produzieren, während gleichzeitig möglichst wenig Energie verbraucht wird.“ Dies entspricht einer Richtlinie von Nestlé, laut der das Unternehmen bei allen Herstellungsprozessen kontinuierlich Effizienzverbesserungen anstrebt.
Die Flammen unter den Backplatten wurden als heiße Luftströme modelliert, so dass die Wärme sich durch Konvektion ausbreitet (Bild 5).
„Wir konnten unser Modell durch Versuche mit Backplatten validieren und stellten dabei eine gute Übereinstimmung mit den Simulationsergebnissen fest“, sagt Pickles. Die Ergebnisse zeigen darüber hinaus, wie durch Wärmeleitung an Haltebolzen, die die Platten verbinden, an einigen Punkten wärmere Stellen auftreten. „Der nächste Schritt wird die Optimierung dieses Designs sein. Damit wollen wir eine gleichmäßigere Wärmeverteilung über den oberen Teil der Platte erreichen, um so Temperaturspitzen zu minimieren“, sagt Pickles.

Multiphysik bei Nestlé

Bei Nestlé nimmt die Simulation einen großen Teil des Designprozesses ein. „Wir sind von unseren Simulationsergebnissen überzeugt und wissen, dass sie uns dabei helfen, die besten und sichersten Designs zu erstellen. Dies wiederum ermöglicht es uns, auch auf lange Sicht schmackhafte und gesunde Produkte zu liefern.“ jbi |

Alexandra Foley ist Teamleiterin in der technischen Redaktion bei Comsol.

  • Nestlé-Manager bei der Inbetriebnahme einer Waffelproduktion für den Kit-Kat-Riegel in UK.
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