WS 2012/13
Masterthesis
Einfluss der Partikelform auf die rheologischen Eigenschaften von
Fettsuspensionen
Verfasser: Thorsten Wenker
Betreuer: Prof. Dr. S. Bolenz Prof. Dr. T. John
Neubrandenburg, den 05.01.2013
Danksagung
Besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr. Siegfried Bolenz für die wertvollen Gespräche und hilfreichen Ratschläge.
Des Weiteren gilt großen Dank Herrn Prof. Dr. Thomas John für seine Bereitschaft, die Zweitbegutachtung dieser Masterthesis zu übernehmen.
Für die tatkräftige Unterstützung bei der praktischen Durchführung der Versuche möchte ich mich bei Herrn Dipl.-Ing. (FH) Andre´ Manske, Herrn Rolf Kretzschmar, Frau Dipl.-Ing. Rita Schäpe, Frau Dipl.-Ing. Viola Hoffmann und Frau Dipl.-Ing. (FH) Andrea Dörnbrack bedanken. Weiterhin möchte ich mich bei meiner Familie bedanken. Bei meinen Eltern und meinem Onkel die mir mein Studium ermöglichten und mich während der Jahre meines Studiums begleitet haben.
Mein größter Dank gilt meiner Lebensgefährtin Sandra, die mir während des Studiums mit Rat und Tat zur Seite stand und mich auch in schweren Zeiten des Studiums begleitet hat.
Abstract
The influence of particle shape on flow properties of fat suspensions was analyzed within this student research project. This is very important for chocolate production, because it wasn´t analyzed as good as the influence of particle size and particle size distribution.
For analyzing sugar was ground in different ways. Therefore a roll refiner, a ball mill, a pin mill and a disk mill was used. After grinding the samples were sieve classified to get samples with similar particle size distribution. So differences in flow properties could affiliate to particle shape and not particle size or particle size distribution.
As next step the fraction with the best comparability between samples was chosen. These samples were analyzed in particle shape by using image analyses. In a last step the samples were suspended in silicone oil and flow properties were measured.
Analyse showed, that the particle shape influenced the flow properties. The result is, the higher the convexity and circularity the better the flow properties. The positive influence of elongated particles, as Windhab (2004) described, couldn’t be confirmed. The reason therefor could be, that the samples contained too much elongated particles which affected the flow properties negatively, like Windhab described. It´s also possible that the particles weren´t elongated enough, so the particles couldn´t adjust to the flow field and influence the flow properties positively.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung ... 6
2 Stand der Technik ... 7
2.1 Zerkleinerung von Schokoladenmassen ... 7
2.1.1 Zerkleinerung ... 7
2.1.2 Walzwerke ... 7
2.1.3 Rührwerkskugelmühle ... 8
2.2 Conchieren ... 9
2.3 Q-Choc-Verfahren ... 10
2.4 Einfluss verschiedener Faktoren auf die rheologischen Eigenschaften von Schokolade .. 12
2.4.1 Rheologischen Eigenschaften von Schokolade... 12
2.4.2 Einfluss der Partikelgröße ... 12
2.4.3 Einfluss der Partikelform ... 13
3 Material und Methode ... 16
3.1 Versuchsplan ... 16
3.2 Versuchsdurchführung ... 16
3.2.1 Rohstoffe ... 18
3.2.2 Zerkleinerung mit der Stiftmühle ... 19
3.2.3 Zerkleinerung mit der Planetenkugelmühle ... 20
3.2.4 Zerkleinerung mit dem Dreiwalzwerk ... 20
3.2.5 Zerkleinerung mit der Scheibenmühle ... 22
3.2.6 Siebklassierung ... 22 3.3 Analytische Messmethoden ... 23 3.3.1 Laserbeugungsspektrometer... 23 3.3.2 Bildanalyse ... 25 3.3.3 Rotationsrheometer ... 39 3.4 Statistische Methoden ... 42
4 Ergebnisse und Diskussionen ... 43
4.1 Vorversuche ... 43
4.2 Hauptversuche ... 51
4.2.1 Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung ... 51
4.2.2 Partikelanzahl ... 64
4.2.3 Ergebnisse der Bildanalyse ... 65
4.2.4 Ergebnisse der Rheologie... 69
4.3 Diskussion und Schlussfolgerung ... 74
5 Zusammenfassung ... 77 Literaturverzeichnis ... 79 Abbildungsverzeichnis ... 82 Tabellenverzeichnis ... 83 Formelverzeichnis ... 84 Anhangsverzeichnis ... 85 Anhang ... 86 Eidesstaatliche Erklärung ... 96
1
Einleitung
Bis dato wurden viele Forschungsarbeiten zum Thema Schokolade verfasst, jedoch wurden erst wenige Arbeiten zum Einfluss der Partikelform auf die rheologischen Eigenschaften einer Schokolade geschrieben. Diese Arbeit greift genau diesen Aspekt auf. Hierbei soll ermittelt werden, inwieweit die Partikelform Einfluss auf die Fließeigenschaften einer Schokolade nimmt. Schokolade ist eine Suspension aus Fett als kontinuierliche Phase und den Feststoffen Zucker, Kakao und Milchtrockenprodukte als Dispersionsphase.
Ein wichtiger Einflussparameter auf die Endproduktqualität der Schokolade ist die Partikelgröße und die Partikelgrößenverteilung. So müssen die Partikel so fein sein, dass sie sensorisch nicht wahrgenommen werden können. Jedoch dürfen sie nicht zu fein sein, da die Fließeigenschaften dadurch negativ beeinflusst werden (Tscheuschner, 2004). Um diese positiv zu beeinflussen muss des Weiteren eine optimale Partikelgrößenverteilung erzeugt werden. So ist eine bimodale Partikelgrößenverteilung gewünscht. Diese weißt zwei Maxima auf, eins im Bereich der feinen und eins im Bereich der groben Partikel. So legen sich die feinen zwischen die groben Partikel und drücken das dort vorliegende Fett heraus, was anschließend frei vorliegt wodurch die Partikel besser aneinander vorbeigleiten können (Beckett, 2008). Auf diesen Aspekt wird in Kapitel 2.4 noch näher eingegangen.
Ein weiterer Parameter der die Fließeigenschaften positiv beeinflusst ist die Partikelform.
Windhab (2004) beschreibt, dass für optimale Fließeigenschaften sowohl kugelförmige, als auch stäbchenförmige Partikel erwünscht sind. So beeinflussen erstere die Fließgrenze günstige und letztere die Grenzviskosität. Auf diesen Aspekt wird in Kapitel 2.4.3 noch näher eingegangen. Bei der Schokoladenherstellung mittels konventionellen Verfahrens mit Hilfe von Walzwerken werden Vermutungen nach flache, glatte Partikel erzeugt. Bei einem alternativen Verfahren mittels Nasszerkleinerung mit Hilfe einer Rührwerkskugelmühle, legen Vermutungen nahe, dass unregelmäßig geformte Partikel produziert werden.
Im Rahmen dieser Projektarbeit sollen jedoch nicht Schokoladenproben, sondern Suspensionen aus Kochsalz bzw. Zucker und Silikonöl auf ihre Formparameter und rheologischen Eigenschaften untersucht werden. Hierzu wird Kochsalz bzw. Zucker auf verschiedene Weisen zerkleinert und anschließend siebklassiert, um eine annähernd gleiche Partikelgrößenverteilung aller Proben zu erhalten. Dies ist erforderlich, da die Partikelgrößenverteilung maßgeblich die Fließeigenschaften beeinflusst. Bei Vorliegen vergleichbarer Partikelgrößenverteilungen zwischen den Proben können Unterschiede in den Fließeigenschaften auf Formunterschiede der Partikel zurückgeführt werden.
2
Stand der Technik
2.1
Zerkleinerung von Schokoladenmassen
2.1.1 Zerkleinerung
Die Zerkleinerung von Schokoladenmassen spielt bei der Herstellung von Schokolade eine sehr wichtige Rolle. Sie hat direkten Einfluss auf die Endproduktqualität und die Verarbeitungsfähigkeit einer Schokolade. So soll eine Partikelgröße erzeugt werden, die fein genug ist, dass beim Verzehr kein sandiges Mundgefühl auftritt. Des Weiteren soll eine Partikelgrößenverteilung erzeugt werden, die die rheologischen Eigenschaften und somit den Schmelz positiv beeinflusst (Beckett, 2008). Auf die genaue Bedeutung der Partikelgrößenverteilung wird noch in Kapitel 2.4.2 näher eingegangen.
2.1.2 Walzwerke
Bei der Herstellung von Milchschokolade wird oftmals die Zerkleinerung mittels Walzwerk eingesetzt. Diese setzt sich aus zwei Teilschritten zusammen. Im ersten Schritt wird die Schokoladenmasse, die aus Kakaomasse, Zucker, Kakaobutter und Milchtrockenprodukten besteht, mit Hilfe eines Zweiwalzwerkes vorzerkleinert. Ein solches Zweiwalzwerk besteht aus zwei horizontal nebeneinander gelagerten Walzen, die gegenläufig zueinander rotieren. So wird die Schokoladenmasse in den Spalt zwischen den Walzen gezogen und somit zerkleinert (Beckett, 2008). Des Weiteren wird ein Teil der so neu entstandenen Oberfläche mit Fett überzogen. Die Oberflächenvergrößerung hat einen Anstieg der Viskosität der Schokoladenmasse zur Folge. Die maximale Partikelgröße liegt nach diesem Verfahrensschritt zwischen 100 und 150 μm (Beckett, 2008).
Nach der Vorzerkleinerung erfolgt die Feinzerkleinerung mittels Fünfwalzwerk. Dieses besteht aus fünf horizontal übereinander gelagerten Walzen, die von innen mittels Wasser temperiert werden können (Beckett, 2008; Tscheuschner, 2004).
Durch eine hydraulische Steuerung sind die Anpressdrücke zwischen den einzelnen Walzen einstellbar. Die ersten beiden Walzen, die in einem Winkel übereinander gelagert sind, bilden die Produktaufgabe und sind in ihrem Spalt einstellbar. Des Weiteren kann die Umfangs-geschwindigkeit der zweiten Walze variiert werden. Somit ist mit Hilfe dieser beiden Parameter die Filmdicke und somit die Partikelgröße variierbar.
Die Umfangsgeschwindigkeit nimmt von Walze zu Walze zu, wodurch der Produktfilm immer an die nachfolgende Walze übertragen wird. Der Spaltbreite zwischen den Walzen nimmt nach
und nach ab, wodurch die Partikel immer weiter zerkleinert werden. Am Ende des Verfahrensschrittes ist eine Endfeinheit von etwa 20 μm erreicht (Beckett, 2008).
Abbildung 1 zeigt den schematischen Aufbau eines Fünfwalzwerkes.
Abbildung 1: schematischer Aufbau eines Fünfwalzwerkes (Beckett, 2008)
2.1.3 Rührwerkskugelmühle
Rührwerkskugelmühlen werden zur Nasszerkleinerung eingesetzt und arbeiten im Bereich der Feinst- und Kolloidmahlung. Sie bestehen aus einem vertikal oder horizontal positionierten Mahlraum, der bis zu 80 bis 90 % mit Kugeln gefüllt ist, die als Mahlkörper dienen (Schwister, 2010). In der Rührwerkskugelmühle befindet sich ein mehrstufiger Scheibenrührer oder ein Rotor-Stator-System, die die Kugeln bewegen. Diese Bewegung hat eine Zerkleinerung durch Reibung zur Folge.
Da durch diesen Vorgang eine große Menge an Reibungsenergie entsteht, ist eine Kühlung mittels Doppelmantel notwendig. In der Rührwerkskugelmühle ist eine Trennvorrichtung integriert, die die Kugeln am Austritt aus der Mühle zurückhält (Bohnet, 2004).
Abbildung 2: Rührwerkskugelmühle der Firma Lipp
2.2
Conchieren
Ein weiterer wichtiger Verfahrensschritt bei der Schokoladenherstellung ist das Conchieren. Dieser Schritt erfolgt nach der Zerkleinerung und dient der Veredelung einer Schokolade. Die Endproduktqualität, wie z.B. Schmelz und Aroma, wird durch das Conchieren maßgeblich beeinflusst. Des Weiteren werden alle Partikel mit Fett umhüllt, was die Fließeigenschaften positiv beeinflusst. Der Conchierprozess unterteilt sich in drei Phasen.
Die erste Phase wird als Trockencochierphase bezeichnet. Hierbei wird der Conche das pulverförmige Walzgut zugeführt. Dieses wird durchmischt und mit Hilfe des Doppelmantels der Conche temperiert, sodass ein Entfeuchten des Walzgutes erfolgt. Dieser Vorgang wird durch Reibung, hervorgerufen durch das Rührwerk, verbessert. Die integrierte Belüftung beschleunigt diesen Prozess weiter. Des Weiteren wird die Masse während dieser Phase entgast und unerwünschte flüchtige, aromaaktive Stoffe werden abgedampft (Beckett, 2009).
Der Feuchtigkeitsgehalt muss während dieser Phase auf unter 1 % gesenkt werden um ein Produkt mit guten rheologischen Eigenschaften zu erhalten. Einige Autoren gegen davon aus,
dass die Viskosität durch die Reduzierung der Feuchtigkeit auf 0,6 % gesenkt werden kann. Jedoch ist eine Feuchtigkeitsreduzierung auf unter 0,8 % unwirtschaftlich (Beckett, 2009). Die zweite Phase wird als pastöse Phase oder auch Verflüssigungsphase bezeichnet. Während dieser Phase wird durch die Zugabe von Kakaobutter die Viskosität der Masse herabgesetzt. Die Senkung der Viskosität wird dadurch verbessert, dass alle Nichtfettbestandteile mit Fett umhüllt werden. Schließlich wird das Aroma in dieser Phase weiterentwickelt und der Trocknungsprozess fortgeführt (Beckett, 2009).
In der dritten und letzten Phase, der flüssigen Phase werden restliche Rezepturbestandteile wie Kakaobutter und Lezithin zugegeben und die Schokoladenmasse homogenisiert (Beckett, 2009). Abbildung 3 zeigt den Aufbau einer Doppel-Überschlag-Conche im Querschnitt.
Abbildung 3: Schematische Darstellung einer Doppel-Überschlag-Conche im Querschnitt (Beckett, 2008)
2.3
Q-Choc-Verfahren
Das von der Firma Royal Wiener Lehmann entwickelte Verfahren ermöglicht die kontinuierliche Produktion von Schokolade.
Zu Beginn des Verfahrens werden die gesamten Rohstoffe (Zucker, Kakaomasse, Kakaobutter, Milchtrockenprodukte, Lecithin etc.) automatisch in einen Vormischer, der mit Wägezellen ausgestattet ist, abgewogen. Anschließend werden die Rohstoffe vorgemischt und anschließend einer Intensivmischung unterzogen. Da der Vormischer in zwei Behältereinheiten unterteilt ist, kann während dieses Schrittes bereits die folgende Charge abgewogen werden. Im nächsten Schritt wird die Masse mittels Kugelmühle auf die gewünschte Endfeinheit zerkleinert. Ist diese erreicht erfolgt der abschließende Verfahrensschritt. Dabei wird die Schokoladenmasse mit Hilfe eines Dünnschichtverdampfers behandelt, wobei zusätzlich Scherenergie eingebracht wird. Des Weiteren wird dem Verdampfer während der Behandlung der Schokoladenmasse warme Luft
zugeführt. Somit kommt es zu einem Entfeuchten der Schokoladenmasse und dem Austrag von flüchtigen Säuren und Off-Flovours (Duyvis Wiener; Lehmann, 2012).
Das Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung von Compounds und Füllmassen (van der Schaaf, 2012).
2.4
Einfluss verschiedener Faktoren auf die rheologischen Eigenschaften
von Schokolade
2.4.1 Rheologischen Eigenschaften von Schokolade
Rheologie ist die Lehre der Deformation und vom Fließen der Substanzen. Sie ist ein Teilgebiet der Physik, da die wichtigsten Messgrößen aus der Mechanik kommen. Zu ihnen gehören Kräfte, Auslenkungen und Geschwindigkeiten. Der Begriff der Rheologie kommt aus dem Griechischen: rheos - der Fluss, das Fließen, das Strömen. Somit bedeutet Rheologie also „Fließkunde“. Rheologische Untersuchungen beinhalten aber nicht nur das Fließverhalten von Flüssigkeiten, sondern auch das Deformationsverhalten von Festkörpern. Der Zusammenhang dieser beiden Bereiche liegt darin, dass durch Scherkräfte verursachte große Deformationen bei vielen Substanzen zum Fließen führen (Mezger, 2000).
Es wird zwischen newtonschen und nicht-newtonschen Flüssigkeiten unterschieden. Wasser benötigt eine geringe Scherkraft, um zum Fließen gebracht zu werden. Des Weiteren liegt zwischen Scherkraft und der resultierenden Schubspannung ein linearer Zusammenhang vor, weshalb Wasser zu den newtonschen Flüssigkeiten gehört (Czichos; Hennecke, 2004). Dies ist bei Schokolade nicht der Fall. Hierbei verändert sich die Viskosität mit steigender Scherrate. Des Weiteren muss erst eine gewisse Kraft aufgebracht werden, um die Schokolade zum Fließen zu bringen. Diese Kraft wird als Fließgrenze bezeichnet (Beckett, 2008).
Die Rheologie einer Schokolade spielt in sofern eine Rolle, dass sie die Textur und das Mundgefühl beim Verzehr beeinflusst, aber auch die Verarbeitungsfähigkeit wie z.B. das Gießen, Formen, die Pumpfähigkeit etc.. Verschiedene Parameter die die Rheologie beeinflussen werden in den folgenden Kapiteln erläutert.
2.4.2 Einfluss der Partikelgröße
Eine große Bedeutung bei der Schokolade spielt die Partikelgröße. Sie sollte unter 30 μm liegen, damit beim Verzehr kein sandiges Mundgefühl entsteht. Andererseits sollte sie jedoch mindestens 6 μm betragen, um optimale Fließeigenschaften zu erreichen (Beckett, 2009). Schokolade mit einer maximalen Partikelgröße von 20 μm hingegen erzeugt ein belagbildendes Mundgefühl (Beckett, 2008).
Aber nicht nur die Partikelgröße spielt eine Rolle, sondern auch die Partikelgrößenverteilung. Sie hat direkten Einfluss auf die Grenzviskosität der Schokolade. Um eine niedrige Grenzviskosität zu erreichen, ist eine bimodale Partikelgrößenverteilung erwünscht. Das bedeutet, dass sie zwei
Maxima aufweist, eins im Bereich der feinen und eins im Bereich der groben Partikel. So legen sich die feinen Partikel zwischen die groben und drücken das dort vorliegende Fett heraus, das nun frei vorliegt und die Viskosität senkt. Dieser Fakt wird durch Abbildung 5 verdeutlicht.
Abbildung 5: uni-, bi- und trimodale Partikelgrößenverteilung (Beckett, 2008)
Somit steigt die Packungsdichte von 65 % bei einer unimodalen Partikelgrößenverteilung auf 86 % bei einer bimodalen. Diese kann mit Hilfe einer trimodalen Partikelgrößenverteilung, die drei Maxima aufweist, auf 95 % gesteigert werden, was zu einer weiteren Senkung der Grenzviskosität führt. Eine weitere Steigerung über die Trimodalität zeigt nur noch einen sehr geringen Effekt (Servais, 2002). Optimaler Weise sollte das Verhältnis zwischen feinen und groben Partikeln bei 37% feinen und 63 % groben Partikeln liegen (Farris, 1968). Des Weiteren ist der Effekt am höchsten, wenn die groben Partikel mindestens siebenmal so groß sind wie die kleinen. Schließlich wirken die kleinen Partikel als „Schmiermittel“ für die großen Partikel und beeinflussen die Grenzviskosität somit positiv (Do etal, 2007).
Eine bimodale Partikelgrößenverteilung wird oftmals bei der Herstelllung von Schokolade mittels Walzwerk erreicht, wohingegen die Zerkleinerung mittels Kugelmühle eher zu einer unimodalen Partikelgrößenverteilung führt (Römisch, 2009).
Auf diese Weise kann die Viskosität der Schokolade ohne die Erhöhung des Fettgehaltes herabgesetzt werden.
2.4.3 Einfluss der Partikelform
Wie bereits in Kapitel 2.4.2 beschrieben nehmen die Partikelgröße und besonders die Partikelgrößenverteilung großen Einfluss auf die Fließeigenschaften einer Schokolade. Jedoch sind nicht nur diese beiden Parameter von Bedeutung, sondern auch die Partikelform. Im
Vergleich zu Forschungsarbeiten, deren Hauptaugenmerk auf der Partikelgrößenverteilung liegen, gibt es nur wenige Forschungsarbeiten, die sich mit dem Einfluss der Partikelform auf die rheologischen Eigenschaften befassen.
Bereits 1992 beschäftigte sich Houghton mit der Formanalyse von Partikeln. Dabei untersuchte er die Partikel verschiedener Proben mit Hilfe eines Mikroskops und berechnete rechnergestützt Formparameter wie die Elongation und die Zirkulariät. Da die technischen Möglichkeiten noch nicht so fortgeschritten waren wie heute, untersuchte er lediglich 25 Partikel pro Probe, was statistisch gesehen in Frage zu stellen ist, da für ein aussagefähiges Ergebnis eine repräsentative Probe in ausreichender Menge untersucht werden muss. Hierfür müssen laut Tscheuschner (2004) mindestens 300 Partikel analysiert werden.
Laut Crompton (2005) reicht bei einigen Anwendungen eine Analyse der Partikelgröße aus. Gleichen sich jedoch Proben in ihrer Partikelgrößenverteilung sehr stark ist es notwendig die feinen Unterschiede in der Partikelform zu untersuchen.
Die folgende Abbildung zeigt den Unterschied in der Partikelform zweier Proben bei gleicher Partikelgrößenverteilung.
Abbildung 6: zwei Partikelproben mit gleicher Partikelgrößenverteilung und unterschiedlicher Partikelform (Crompton, 2005)
Theoretisch ist es am besten, wenn die Partikel eine kugelförmige Form aufweisen wodurch die spezifische Oberfläche gering ist. So sind die Kontaktflächen zwischen den einzelnen Partikeln gering und in Folge dessen wird weniger Energie benötigt um die Haftreibung zu überwinden und somit die Schokolade zum Fließen zu bringen.
Des Weiteren ist die Oberflächenstruktur von Bedeutung, somit verhaken sich die Partikel ineinander wenn diese eine raue Struktur aufweisen. Hinzu kommt, dass der Anteil an gebundenem Fett steigt. Beide Effekte erhöhen sowohl die Viskosität als auch die Fließgrenze. Windhab (2004) stellte fest, dass bei einer Suspension durch Zusatz von 10-15 % faserförmiger Milchpulverteilchen, sogenanntes Spinnmilchpulver, die rheologischen Eigenschaften signifikant verbessert werden können. Der Grund hierfür liegt darin, dass die faserförmigen Partikel sich im Strömungsfeld ausrichten, der Strömungswiderstand abnimmt und somit die strömungsinduzierte Strukturbildung optimiert wird. Dieser Effekt tritt jedoch nur bei höheren Scherraten auf, wodurch kein Einfluss auf die Fließgrenze eintritt. Weiterhin stellte Windhab fest, dass die Fluidimmobilisierung eine große Rolle spielt. So ist z.B. ein Teil des Fettes in den Partikeln (Porosität) oder den Zwischenräumen von Agglomeraten gebunden, was die Feststoffvolumen-konzentration und somit die Viskosität erhöht. So zeigten Versuche, dass durch die Zerkleinerung von Agglomeraten die Viskosität gesenkt werden kann.
Der negative Einfluss von Agglomeraten auf die rheologischen Eigenschaften tritt jedoch nicht nur bei Suspensionen auf. So stellten Vivier et al. (2000) fest, dass dieser Effekt auch bei Pulvern auftritt. Dabei zeigte sich, dass ein Pulver ohne Agglomerate eine bessere Rieselfähigkeit aufweist als ein Pulver mit gleicher Partikelgrößenverteilung, das Agglomerate enthält. Diese Erkenntnis ist z.B. für die Lagerung und Förderung von Pulvern von Bedeutung, aber auch z.B. für die Tablettierung in der Pharmaindustrie.
Ein weiterer positiver Effekt der Partikelformanalyse ist, dass auf dem Gebiet der Zerkleinerung das Verständnis der Vorgänge während der Zerkleinerung verbessert wird.
3
Material und Methode
3.1
Versuchsplan
Wie bereits erwähnt, sollte mit Hilfe dieser Arbeit der Einfluss der Partikelform auf die rheologischen Eigenschaften von Fettsuspensionen untersucht werden, in Anlehnung an Schokolade.
Als Rohstoff wurde sich letztendlich für Zucker entschieden, jedoch fanden zu Beginn Versuche unter Verwendung von Kochsalz statt. Dies aus dem Grund, dass Kochsalz temperaturunempfindlicher ist als Zucker und somit die hohen Temperaturen, die bei der Zerkleinerung auf Grund der Reibung entstehen, keinen negativen Einfluss nehmen. So konnten zu Beginn erste Vorversuche stattfinden und verschiedene Einstellungen an den Zerkleinerungsmaschinen und Analysengeräten getestet werden. Hierauf wird im weiteren Verlauf der Arbeit genauer eingegangen.
Der letztendliche Versuchsplan der Hauptversuche sieht folgendermaßen aus. Zucker wurde mit Hilfe verschiedener Zerkleinerungsmaschinen trocken zerkleinert. Da bei diesen verschiedenen Techniken unterschiedliche Partikelgrößenverteilungen entstehen, wurden die Proben anschließend siebklassiert. Der Gedanke war der, dass nach der Siebklassierung die Fraktionen der Proben die auf unterschiedliche Weisen zerkleinert wurden, sich in ihrer Partikelgrößen-verteilung ähneln und somit Unterschiede in den rheologischen Eigenschaften nur noch auf die Partikelform zurückzuführen sind.
3.2
Versuchsdurchführung
Zu Beginn der Projektarbeit wurden Vorversuche durchgeführt. Hierbei wurde Kochsalz mittels Stiftmühle und Kugelmühle zerkleinert und untersucht.
Bei der Probenbereitung der Vorversuche mittels Stiftmühle wurde das Kochsalz bei einer Drehzahl von 10.000 U/min zerkleinert. Bei der Zerkleinerung mittels Kugelmühle wurde eine Drehzahl von 600 U/min gewählt und eine Zerkleinerungszeit von 4 Minuten. Anschließend wurden die Proben mittels Analysensiebe (Ø 200 mm) fraktioniert.
Um eine schärfere Trennung der einzelnen Fraktionen zu erreichen wurde ein weiterer Versuch durchgeführt, wobei das Kochsalz mittels Stiftmühle zerkleinert und anschließend mittels Aceton nassklassiert wurde. Dabei wurden Analysensiebe mit den Maschenweiten 45 μm, 63μm, 125 μm, 250 μm und 500 μm verwendet. 200 g Probe wurden mit etwa 400 ml Aceton vermischt und auf das oberste Sieb gegeben. Anschließend wurde der Siebturm für eine Dauer von 15 Minuten und einer Amplitude von 1,5 mm eingeschaltet. Während der kompletten Dauer der Klassierung
wurde über das oberste Sieb Aceton nachdosiert. Nach der Klassierung wurden die Proben unter einem Abzug zum Trocknen gestellt. Da sich die feinste Fraktion in dem eingesetzten Aceton befand und somit eine Trocknung unter dem Abzug zu zeitaufwendig gewesen wäre, wurde es mittels Rotationsverdampfer Rotavapor R-114 der Firma Büchi (Essen, Deutschland) abdestilliert. Aus Gründen die im späteren Verlauf der Arbeit noch verdeutlicht werden, wurde sich letztendlich für folgenden Versuchsplan der Hauptversuche entschieden.
Zucker wurde mit Hilfe einer Stiftmühle, einer Kugelmühle, eines Dreiwalzwerkes und einer Scheibenmühle trocken zerkleinert und anschließend mit Hilfe von Analysensieben trockenklassiert. Verwendet wurden hierbei Siebe mit den Maschenweiten 500 μm, 250 μm, 125 μm, 63 μm und 45 μm. Die Proben wurden anschließend per Laserbeugungsspektrometer, Bildanalyse und Rotationsrheometer analysiert.
Alle Versuche wurden doppelt durchgeführt um zu überprüfen, ob die Ergebnisse der Versuche wiederholbar sind.
Die folgende Tabelle zeigt den Versuchsplan der Hauptversuche und die verwendeten Einstellungen.
Tabelle 1: Einstellung der verschiedenen Zerkleinerungsmaschinen der Hauptversuche
Zerkleinerungstechnik Einstellungen
Stiftmühle 10.000 U/min
Kugelmühle 350 U/min für 1,25 min
Walzwerk 15/30 bar
Scheibenmühle 20 Durchgänge
Bei der Zerkleinerung mittels Kugelmühle musste die Drehzahl im Vergleich zu der Probenbereitung von Kochsalz reduziert werden, da sich zeigt, dass bei zu hoher Drehzahl sich der Zucker als feste Schicht an der Behälterwand absetzte. Der Grund hierfür liegt höchstwahrscheinlich in der hohen Temperatur, die während der Zerkleinerung durch die Reibung entstand.
3.2.1 Rohstoffe
In diesem Kapitel wird angegeben welche Rohstoffe für die praktischen Versuche zur Anfertigung dieser Projektarbeit verwendet wurden.
Tabelle 2: verwendeten Rohstoffe und deren Lieferanten
Rohstoff Lieferant
Kochsalz SüdKochsalz GmbH, Heilbronn, Deutschland Zucker Nordzucker AG, Braunschweig, Deutschland Silikonöl Wacker Chemie AG, München, Deutschland
Silikonöl
Im Rahmen dieser Arbeit wurden u.a. die rheologischen Eigenschaften untersucht. Dabei wurde als Dispersionsmittel hochviskoses Silikonöl verwendet. Der Grund für die Entscheidung dieses Mediums wird im späteren Verlauf der Arbeit noch verdeutlicht.
Silikone, auch Poly(organo)siloxane genannt, gehören zur Klasse der Kunststoffe. Dabei wird das Grundgerüst nicht durch miteinander verbundene Kohlenstoffatome gebildet, sondern durch abwechselnd hintereinander folgende Silizium- und Sauerstoff-Atome (Kohaupt, 1996).
Dabei sind die restlichen Valenzen durch Kohlenwasserstoffreste abgesättigt (meist Methyl-, seltener Ethyl-, Propyl-, Phenylgruppen u.a.) (Falbe, 1992).
Silikone werden aus Quarzsand gewonnen und nehmen eine Zwischenstellung zwischen den Silikaten und den Kohlenwasserstoffen ein (Kohaupt, 1996).
Silkone, die einen kettenförmigen Aufbau aufweisen gehören zu den Silikonölen die hydrophob sind. Ihre Viskosität ist von der Temperatur weitestgehend unabhängig (Hoinkis, 2001). Die Dichte der Silikonöle liegt zwischen 0,76 und 1,07 g/cm3 und ihre Viskosität zwischen 0,6 und 1.000.000 mPa·s (Falbe, 1992). Die folgende Abbildung zeigt die Strukturformel des Silikons Polydimethylsiloxan.
3.2.2 Zerkleinerung mit der Stiftmühle
Hierbei kam die Stiftmühle ZM1000 der Firma Retsch (Haan, Deutschland) zum Einsatz, welche in Abbildung 7 dargestellt ist.
Abbildung 7: Stiftmühle ZM1000 der Firma Retsch
Bei der Stiftmühle handelt es sich um eine Rotorprallmühle. Sie werden zur Fein- und Feinstmahlung von mineralischen, pflanzlichen und tierischen Stoffen eingesetzt.
Stiftmühlen bestehen aus einer rotierenden und einer stehenden Scheibe, die mit in konzentrischen Kreisen angeordneten Stiftreihen besetzt sind. Dabei greifen die Reihen der Rotorscheibe in die der Statorscheibe ein (Hager, 1998). Es gibt auch Ausführungen, die zwei gegenläufig rotierende Scheiben besitzen, wodurch sich die Aufprallgeschwindigkeit erhöht (Stieß, 1994).
Die Zerkleinerung erfolgt durch Schlag und Prall (Hager, 1998). Die Endfeinheit wird durch die Art der Bestiftung, die Anzahl der Stiftreihen, die Rotordrehzahl und den Durchsatz bestimmt (Stieß, 1994).
Die Rotorschiebe liegt horizontal, das Mahlgut wird mit Hilfe eines Trichters zentral aufgegeben und durch die Fliehkraft nach außen befördert, wobei es von der rotierenden Stiftscheibe verteilt und im stufenweisen Durchgang zerkleinert wird (Hager, 1998). Eine Klassierung ist nicht vorhanden (sieblose Ausführung) (Stieß, 1994).
3.2.3 Zerkleinerung mit der Planetenkugelmühle
Hierbei kam die Planetenkugelmühle „Pulverisette 6“ der Firma Fritsch (Idar-Oberstein, Deutschland) zum Einsatz. Diese arbeitet nach dem Prinzip der Planetenkugelmühle. Es wird eine kombinierte Umlauf- und Drehbewegung erzeugt, die für eine radial nach außen gerichtete Fliehkraft auf das Mahlgut und die Mahlkugeln sorgt. Eine weitere Fliehkraftkomponente die bei diesem Vorgang eine Rolle spielt, rührt aus der Rotationsbewegung des Mahlbechers her. Schließlich nimmt auch die Corioliskraft Einfluss. Ergebnis des Zusammenwirkens aller dieser Kräfte ist ein Kraftfeld, dem die Mahlkugeln und das Mahlgut folgen. So entstehen für die Mahlkugeln Flugbahnen, die quer durch den Mahlbecher gehen. Zu den Faktoren, die Einfluss auf die Mahlwirkung nehmen gehören unter anderem der Aufprall der Kugeln am Mahlrand und die Quetschung des Mahlgutes (Patent Fritsch, 1998). Somit erfolgt die Zerkleinerung in eine Planetenkugelmühle durch Schlag und Reibung.
Die folgende Abbildung zeigt verdeutlicht das Wirkprinzip einer Planetenkugelmühle.
Abbildung 8: Wirkprinzip einer Planetenkugelmühle (Fritsch, 2012)
3.2.4 Zerkleinerung mit dem Dreiwalzwerk
Hierbei wurde das Modell WDLH 300 der Firma F.B. Lehmann Maschinenfabrik GmbH (Aalen, Deutschland) eingesetzt.
Die Einstellung erfolgt über den Anpressdruck (dynamischer Spalt).
Bei der Zerkleinerung wird da dies dadurch, dass die zweite wird das Gut an die dritte W Schritt wird das Walzgut mit 2008).
Um bei der Schokoladenherst können die Walzen mit Hilfe v eine Temperierung eigentlich somit kein Fett auskristallisier der Wiederholung gleich zu ha Während der Zerkleinerung z blieb und nur ein kleiner Teil h Die folgende Abbildung zeigt
Abbildung 9: Schematische D
as zu walzende Gut von der ersten auf die zw Walze eine höhere Drehzahl aufweist als d Walze übertagen, die die höchste Drehzahl a t Hilfe eines Abschabemessers von der Wa
ellung ein Auskristallisieren der Schokoladen von Wasser temperiert werden. Für die Versu h nicht notwendig, da alle Proben trocken ze ren kann, jedoch wurde trotzdem temperiert alten. Hierbei wurde eine Temperatur von 45 eigte sich, dass der größte Teil des Zuckers herunter fiel.
den schematischen Aufbau des Dreiwalzwerk
arstellung eines Labor-Dreiwalzwerks
eite Walze übertragen, ie erste. Anschließend aufweist. Nach diesem alze entfernt (Beckett,
nmasse zu verhindern, uche dieser Arbeit war erkleinert wurden und
um alle Parameter bei °C gewählt.
an den Walzen haften
3.2.5 Zerkleinerung mit der Scheibenmühle
Hierbei kam die Scheibenmühle MKCA6-3 der Firma Masuko Sangyo (Kawaguchi, Japan) zum Einsatz, welche in Abbildung 10 dargestellt ist.
Abbildung 10: Scheibenmühle MKCA6-3 der Firma Masuko Sangyo
Verwendet wurden Mahlscheiben des Typs MKE, die aus Siliciumcarbid bestehen.
Bei einer Scheibenmühle wird das Mahlgut zwischen einer feststehenden Statorscheibe und einer rotierenden, axial verstellbaren Rotorscheibe zerkleinert. Das Mahlgut wird zentral durch die Statorscheibe zugeführt und nach außen zu den glatten oder geriffelten Zerkleinerungszonen der Mahlscheiben befördert, wobei deren Form und Abstand die Endfeinheit bestimmen (Hemming, 2008). Bei niedriger Rotationsgeschwindigkeit erfolgt die Zerkleinerung durch Druck- und Scherbeanspruchung, bei höheren Rotationsgeschwindigkeiten erfolgt sie über Schlag- und Scherbeanspruchung (Hager, 1998).
Je nach Mahlraum- und Scheibenform wird zwischen Prallscheiben-, Korundscheiben- und Zahnscheibenmühlen mit vertikaler oder horizontaler Rotorachse unterschieden (Hemming, 2008).
3.2.6 Siebklassierung
Die Siebklassierung dient der Erzeugung einer gewünschten Korngrößenverteilung eines Mediums. Hierbei werden Siebe unterschiedlicher Maschenweiten übereinander gestapelt, die Probe auf das oberste Sieb gegeben und anschließend der sog. Siebturm in Rotation versetzt, sodass die Probe nach und nach durch die verschiedenen Siebe fällt und dabei in ihre einzelnen Korngrößen (Fraktionen) aufgeteilt wird.
Zur Siebklassierung im Rahmen der Vorversuche wurden Analysensiebe der Firma Joachim Edinger (Leinburg, Deutschland) verwendet. Es wurden die Maschenweiten 125 μm, 63 μm und 32μm verwendet. Die Siebe besitzen einen Durchmesser von 50 mm.
Zur Siebklassierung der Proben der Hauptversuche und einem Teil der Vorversuche wurden Analysensiebe der Firma Retsch (Haan, Deutschland) verwendet. Es wurden die Maschenweiten 500 μm, 250 μm, 125 μm, 63 μm und 45 μm verwendet. Die Siebe besitzen einen Durchmesser von 200 mm.
Um eine gleichbleibende Rotation der Siebe zu gewährleisten wurde der Siebturm AS200 der Firma Retsch (Haan, Deutschland) verwendet. Es wurde eine Menge von 400 g Probe aufgegeben und bei einer Amplitude von 1,5 mm für eine Dauer von 14 Minuten klassiert.
3.3
Analytische Messmethoden
In diesem Kapitel werden die verschiedenen analytischen Messmethoden erläutert, die im Rahmen dieser Arbeit zum Einsatz kamen. Diese sind die Laserbeugungsspektrometrie, die Bildanalyse und die Analyse der rheologischen Eigenschaften mit Hilfe eines Rotationsrheometers.
3.3.1 Laserbeugungsspektrometer
Um die Partikelgrößenverteilung einer Probe zu ermitteln, wird die Laserbeugungsspektrometrie eingesetzt, die auf dem Prinzip des Fraunhofer- bzw. Mie-Modells beruht (Tscheuschner, 2004). Das Prinzip der Laserbeugungsspektrometrie beruht darauf, dass Partikel, die von einem Laserstrahl bestrahlt werden, das Licht beugen. Die Intensität der Beugung ist von der Größe der Partikel abhängig, wobei es von großen Partikeln wenig und von kleinen Partikeln stark gebeugt wird. Der benötigt Laserstrahl wird von einem Helium-Neon-Laser erzeugt, welcher von einer Strahlaufweitungseinheit aufgeweitet wird und anschließend mit Hilfe einer Linse parallelisiert wird. Daraufhin durchläuft der Laserstrahl den Probenbehälter und trifft hierbei auf das Teilchenkollektiv und wird von diesem gestreut.
Hinter dem Probenbehälter befindet sich eine sog. Fourier-Linse, die das Beugungslicht eines Partikels einer bestimmten Größe, unabhängig von der Position des Partikels, immer an der gleichen Stelle, eines hinter der Linse befindlichen Ringdetektors, abbildet. Das gebeugte Licht bildet auf dem Detektor, der sich hinter der Fourier-Linse befindet, ein radialsymmetrisches Beugungsmuster (Wozniak, 2003).
Mittels Receivers und einem ausgewertet werden und die P Abbildung 11 zeigt den schem
Abbildung 11: schematische D
Durchführung der Messung (N Zu Beginn werden 2 g Probe sich eine homogene Probe erg für 15 Minuten in ein auf 40 Agglomerate aufzuspalten. spektrometers gestartet und da eine optische Konzentration eigentliche Messung, die drei untersucht, wodurch sich sech
Durchführung der Messung (T Zu Beginn der Messung mus Powder Feeder angeschloss Probenwanne eingesetzt. Dar eingefüllt. Die Feed Rate wir Schritt erfolgt, wird der Dreh Hintergrundmessung gestartet Feeders auf „Feed“ gestellt un
m PC mit geeigneter Software können die artikelgrößenverteilung ermittelt werden. matischen Aufbau eines Laserbeugungsspektro
Darstellung eines Laserbeugungsspektrometer
Nassmessung)
in ca. 50 ml Sonnenblumenöl gegeben und s gibt. Anschließend wird die Probe in ein Reag °C temperiertes Ultraschallbad gegeben um
Danach wird die Hintergrundmessung araufhin die Probe in den Probenbehälter de von 18 bis 25 % erreicht ist. Nach diesem imal hintereinander erfolgt. Jede Probe wurd hs Messwerte ergeben
Trockenmessung)
s die Nasszelle gegen die Trockenzelle ausg sen werden. Anschließend werden das aufhin wird der Dry Powder Feeder einges rd auf 50 % und der Luftdruck auf 1,2 bar hschalter am Dry Powder Feeder auf „Airflow
t. Ist diese abgeschlossen wird der Drehsch nd die Messung wird gestartet. Nun wird üb
e Daten anschließend
ometers.
rs (Wozniak, 2003)
so lange vermischt bis genzglas überführt und m eventuell vorhandene des Laserbeugungs-es GerätLaserbeugungs-es gegeben bis m Vorgang erfolgt die de insgesamt zweimal
getauscht und der Dry Probensieb und die schaltet und die Probe r eingestellt. Ist dieser w“ eingestellt und die halter des Dry Powder ber einen Rüttelimpuls
der Probenwanne dem Laserbeugungsspektrometer stetig Probe zugeführt. Nach der Messung wird der Drehschalter auf „Standby“ geschaltet.
Darstellung der Ergebnisse
Zu Beginn wird das Ergebnis der Messung als Volumenverteilung angegeben. Grund hierfür ist, dass die Größe eines Partikels als Volumen einer volumengleichen Kugel angegeben wird. Da diese Methode alle Partikel als Kugeln darstellt, entsteht bei vorliegen von nicht kugelförmigen Partikeln ein geringer Fehler, der aber tolerierbar ist. Aus der Verteilungsfunktion werden mit Hilfe einer geeigneten Software die sogenannten d10-, d50- und 90-Werte bestimmt. Hierbei sagt ein d90-Wert von 30 μm aus, dass 90 % aller Partikel kleiner gleich 30 μm sind. Zur weiteren Auswertung gehört ein Diagramm, das die Partikelgrößenverteilung darstellt, wobei das Diagramm über die Summenhäufigkeit Q3 und die Dichtverteilung p3 angegeben wird.
Schließlich kann zur weiteren Auswertung die spezifische Oberfläche herangezogen werden, die von der Software ebenfalls berechnet wird und Rückschlüsse auf die rheologischen Eigenschaften einer Schokoladenprobe erlaubt. Hierbei setzt die Software voraus, dass es sich um kugelförmige Partikel handelt, wodurch eine Abweichung von den tatsächlichen Werten entsteht. Diese Abweichung wird jedoch bei der Auswertung der Daten vernachlässigt.
Eine weitere Möglichkeit der Beurteilung der Ergebnisse ist der sogenannte Span und die spezifische Breite, die die Breite des Partikelspektrums angeben, wohingegen die spezifische Oberfläche die Partikeloberfläche von 1 cm3 Probenvolumen angibt.
Der Span und die spezifische Breite berechnen sich nach den folgenden Formeln. Span = ( d90 - d10 ) / d50
spez. Breite = d90/d10
3.3.2 Bildanalyse
Um die Partikelform der einzelnen Proben zu analysieren, wurde das Gerät Morphologi G3 der Firma Malvern Instruments (Worcestershire, United Kingdom) verwendet.
Bei diesem Gerät handelt es sich um ein Lichtmikroskop, das mit einer Digitalkamera ausgestattet ist. Wie bei der klassischen Mikroskopie werden die Partikel, die sich zwischen zwei Glasplatten bzw. auf einem Objektträger befinden, vermessen. Auf diese Weise können sowohl Partikelform, als auch Partikelgröße ermittelt werden.
Grundlegende Elemente des Gerätes sind der bewegliche Objekttisch auf dem sich der Objektträger befindet, die Dispergiereinheit und die optische Einheit. Diese besteht aus der
Digitalkamera und fünf verschiedenen Objektiven. Die Objektive beinhalten eine 2,fach-, 5-fach-, 10-5-fach-, 20-fach- und eine 50-fach-Vergrößerung. Der Vergrößerungsfaktor von der Kamera auf einen 17-Zoll Monitor beträgt 48. Somit liegt beispielsweise die Vergrößerung des 2,5-fach Objektivs bei 120 (Seidel, 2012). Mit Hilfe der Objektive kann theoretisch ein Größenbereich von 0,5 bis 1000 μm analysiert werden.
Die Proben können auf verschiedene Weisen untersucht werden. Zur Untersuchung von pulverförmigen Proben kann die sogenannte Sample Dispersion Unit (SDU) verwendet werden. Diese besteht aus einem Metallzylinder in dessen Kopf sich ein Probenbehälter befindet. Zur Untersuchung wird eine kleine Probenmenge in den Probenbehälter der SDU gegeben. Anschließend wird ein Druckluftschlauch angeschlossen. Zur Probenaufgabe wird die SDU auf die Glasplatte des Mikroskops aufgesetzt und anschließend die Probe über Druckluft in der SDU verwirbelt. Während eines festgelegten Zeitraums setzt sich die Probe auf der Glasplatte ab und kann anschließend vermessen werden.
Eine weitere Möglichkeit eine Probe zu untersuchen ist die Verwendung von klassischen Objektträgern. Hierbei können bis zu vier Objektträger in eine dafür vorgesehene Halterung eingesetzt werden, die anschließend in den Objektträgertisch des Gerätes eingelegt wird.
Eine dritte Möglichkeit Proben zu untersuchen besteht über die Verwendung der sogenannten Nasszelle. Diese besteht aus zwei Glasplatten zwischen denen sich eine Dichtung befindet. Zur Fixierung der beiden Glasplatten sind diese in einen zweiteiligen Metallrahmen eingefasst. Die Probe, die sich in einem Lösungsmittel dispergiert befindet, wird mit Hilfe einer Spritze über Luer-Lock-Verbindungen, die sich in einer der beiden Glasplatten befinden, eingespritzt. Anschließend wird die Nasszelle in den Objektträgertisch des Gerätes eingesetzt, woraufhin die Messung gestartet werden kann. Bei dieser Art der Probenuntersuchung ist es jedoch wichtig, dass sich keine Partikel im Schwebezustand befinden wenn die Analyse gestartet wird, andernfalls werden die Partikel falsch erfasst, was das Messergebnis verfälschen würde.
Dieser Sachverhalt wird in der folgenden Abbildung verdeutlicht.
Abbildung 12: Nasszelle des Gerätes Morphologi G3 im Querschnitt Fokus
Bevor die Analyse gestartet wird, ist eine Feinfokussierung notwendig, die manuell erfolgt. Dies ist notwendig um ein scharfes Bild zu erzeugen. Hierbei kann zusätzlich das Strahlungsbündel des von unten scheinenden Lichtes verändert werden. Somit kann der Kontrast reguliert werden, wodurch eine bessere Trennschärfe zwischen Partikel und Hintergrund erzeugt wird. Die Regulierung des Strahlungsbündels erfolgt über die sogenannte Aperturblende (Aperture Diaphragm Lever ADL), die sich unterhalb des Objektträgertisches befindet. Während der Kalibrierung, die vor der Messung erfolgt, ist die Aperturblende zu 80 bis 90 Prozent geöffnet. Während der eigentlichen Messung ist sie dann nur noch bis zu 20 bis 30 Prozent geöffnet.
Die eigentliche Messung erfolgt in folgenden Schritten. Die Digitalkamera erzeugt aus dem dreidimensionalen Partikel ein zweidimensionales Bild. Dieser Vorgang wird in Abbildung 13 verdeutlicht.
Abbildung 13: Umwandlung eines dreidimensionalen Partikels in ein zweidimensionales Bild (Malvern, 2008)
Die Software vergleicht mit Hilfe eine Algorithmus die Pixel bezüglich ihrer Intensität auf einer Grauskala. Somit ist es der Software möglich zwischen Hintergrundpixeln und Partikelpixeln zu unterscheiden.
Da es nicht möglich ist die Bildanalyse auf einen Formparameter zu reduzieren werden verschiedene Messwerte ermittelt. Die für diese Arbeit relevanten Formparameter sind die Zirkularität, Konvexität und Elongation.
Die Zirkularität spiegelt die Rundheit eines Partikels wider. Sie ist das Verhältnis zwischen dem Umfang eines Kreises mit dem gleichen Flächeninhalt wie das Partikel und dem real gemessenen Umfang. Für die Berechnung der Zirkularität sind verschiedene Formeln notwendig.
Die grundlegende Formel zur Berechnung der Zirkularität ist folgende: Zirkularität = P K U U Formel 2: Zirkularität
Hierbei steht UK für den Umfang des flächeninhaltsgleichen Kreises und UP für den Umfang des
Partikels. Weitere Formeln die benötigt werden sind die für den Flächeninhalt A und den Durchmesser d eines Kreises.
2
4d A=π
Formel 3: Flächeninhalt eines Kreises
π
K
U d =
Formel 4: Durchmesser eines Kreises
Wird nun Formel 4 in Formel 3 eingesetzt, ergibt die folgende Formel.
π π π 4 ) ( * 4 2 2 K K U U A= =
Formel 5: Formel 4 in 3 eingesetzt
Um die Zirkularität berechnen zu können wird diese Formel nach UK umgestellt und in Formel 2
eingesetzt:
A UK = 4
π
Formel 6: nach UK umgestellte Formel 5
P P K U A U U ät Zirkularit = = 4π
Formel 7: Formel 6 in Formel 2 eingesetzt
Für die Erzeugung von genaueren Ergebnissen wird die sogenannte HS Zirkularität (High Sensitivity) verwendet. Hierbei werden die beiden Terme oberhalb und unterhalb des Bruchstriches quadriert.
Somit ergibt sich folgende Formel: 2 4 P U A ät Zirkularit HS− =
π
Formel 8: HS-ZirkularitätDie Werte für die Zirkularität liegen zwischen 0 und 1, wobei ein idealer Kreis einen Wert von 1 besitzt und ein „stachelförmiges“ Partikel einen Wert von 0 besitzt. Für eine niedrige Fließgrenze einer Schokolade sind Werte nahe 1 gewünscht.
Die folgende Abbildung zeigt verschiedene Partikelformen und die dazugehörigen Zirkularitätswerte.
Abbildung 14: verschiedene Partikelfomen und die dazugehörigen Zirkularitätswerte (Malvern, 2008)
Ein weiterer wichtiger Formparameter ist die Konvexität. Sie spiegelt die Rauheit eines Partikels wider. Dazu wird der gedachte Umfang eines Partikels durch den tatsächlichen Umfang geteilt. Um sich vorzustellen, wie sich der gedachte Umfang ergibt, kann man sich vorstellen, dass um das Partikel ein elastisches Band gewickelt wird. Somit ergibt die Länge des Bandes den gedachten Umfang eines Partikels. Dies wird durch die folgende Abbildung verdeutlicht.
Abbildung 15: um ein Partikel gewickeltes elastisches Band (Malvern, 2008)
Die zur Berechnung der Konvexität notwendige Formel ist folgende:
U U Konvexität= ´
Formel 9: Konvexität
Wie die Zirkularität liegen die Konvexitätswerte zwischen 0 und 1, wobei ein Partikel mit einer vollkommen glatten Oberfläche einen Wert von 1 annimmt und ein Partikel mit zerklüfteter Oberfläche in Richtung 0 geht.
Die folgende Abbildung zeigt verschiedene Partikelformen und die dazugehörigen Konvexitätswerte.
Abbildung 16: verschiedene Partikelformen und die dazugehörigen Konvexitätswerte
Beim Stoffsystem Schokolade sind Partikel erwünscht, die eine glatte Oberfläche besitzen, da somit kein Fett in Zwischenräumen vorliegt, welches somit nicht frei vorliegen würde und die Fließeigenschaften verschlechtern würde. Somit sind Konvexitätswerte nahe 1 erwünscht.
Der dritte wichtige Formparameter ist die Elongation. Sie beschreibt das Längen-Breiten-Verhältnis eines Partikels und berechnet sich mit Hilfe der folgenden Formel.
Länge Breite Elongation= 1−
Formel 10: Elongation
Ebenfalls die Elongation nimmt Werte zwischen 0 und 1 an. Sind Länge und Breite eines Partikels gleich liegt der Wert bei 0. Liegt die Länge jedoch deutlich über der Breite nimmt die Elongation einen Wert in Richtung 1 an.
Die folgende Abbildung zeigt verschiedene Partikelfomen und die dazugehörigen Elongationswerte.
Abbildung 17: verschiedene Partikelformen und die dazugehörigen Elongationswerte
Für eine niedrige Grenzviskosität einer Schokolade ist laut Windhab (2004) ein Anteil von 10 – 15 % stäbchenförmiger Partikel erwünscht, also nahe 1.
Um all diese Formparameter bestimmen zu können muss die Software verschiedene morphologische Parameter ermitteln. Diese Parameter werden im Folgenden kurz erläutert.
Tabelle 3: Übersicht der Parameter für die Bestimmung der Formeigenschaften (Malvern, 2008)
Parameter Beispiel Erläuterung
Fläche A Sie spiegelt die visuell
dargestellte Fläche eines Partikels in Pixeln oder μm2 wider.
Haupt- und Nebenachse Die Hauptachse durchläuft den
Schwerpunkt eines Objektes mit einer Orientierung die der geringsten Rotationsenergie entspricht. Die Nebenachse durchläuft den Schwerpunkt eines Objektes in einem rechten Winkel zur Hauptachse.
Länge Zur Bestimmung der Länge
werden alle möglichen Punkte auf dem Umfang eines Objektes parallel zur Hauptachse aufgetragen. Die längste dieser Linien entspricht der Länge des Objektes.
Breite Zur Bestimmung der Breite
werden alle möglichen Punkte auf dem Umfang eines Objektes parallel zur Nebenachse aufgetragen. Die längste dieser Linien entspricht der Breite des Objektes.
Max. Abstand Der max. Abstand die die Entfernung zwischen den beiden am weitesten voneinander entfernten Punkten eines Objektes.
Umfang U Der Umfang entspricht der
Länge des äußeren Randes eines Objektes. Dazu werden alle Pixel die sich am Rand eines Partikels befinden aufsummiert. Der Umfang wird in μm wiedergegeben. Bei dem links gezeigten Beispiel ergibt sich der Umfang folgendermaßen.
U=A+B+C+D+E
Umfang U´ Hiermit ist der gedachte
Umfang eines Partikels gemeint. Dazu stellt man sich ein elastisches Band vor, dass um das Partikel gewickelt wird. Die Länge des Bandes entspricht dem Umfang U´. CE Durchmesser (Circle
Equivalent)
Der CE Durchmesser entspricht dem Durchmesser eines Kreises, der denselben Flächeninhalt besitzt wie das Partikel.
Erstellen einer SOP
Für die Analyse einer Probe benötigt das Gerät „Morphologi G3“ eine sogenannte SOP (Standard Operating Procedure), die einmalig vor der Messung erstellt wird. Die SOP beschreibt die Messvorgehensweise und –einstellungen für die Analyse. Nach dem Erstellen einer SOP muss sie für alle folgenden Analysen nur noch abgerufen werden. Somit ist es möglich alle zu analysierenden Proben auf die gleiche Weise zu untersuchen und dadurch die Messgenauigkeit zu erhöhen.
Die Erstellung einer SOP erfolgt schrittweise, wobei alle notwendigen Vorgaben und Einstellungen vom Bediener eingegeben werden.
Die folgende Auflistung zeigt die schrittweise Erstellung einer SOP.
1. Sample Details:
Hierbei kann der Bediener bereits einen Probennamen eingeben. Zusätzlich ist es hier möglich ein Kontrollkästchen zu aktivieren wodurch der Bediener vor oder nach der Messung zur Eingabe des Probennamens aufgefordert wird. Des Weiteren kann hier festgelegt werden, dass der Bediener zusätzliche Informationen zur Messung oder Probe erhält.
2. Pre-Measurement settings:
Hier kann der Bediener einen Hinweis oder eine Aufforderung eingeben, die vor der Messung erscheint und für diese von Bedeutung ist. Hilfreich ist diese Funktion z.B. für den Hinweis, dass der Bediener den Hebel der Aperturblende wieder in die Ausgangsposition bringen soll.
3. Measurement Control:
Hier gibt der Bediener an, wie viele Versuchsplatten analysiert werden soll. Bei Verwendung der Nasszelle oder der Glasplatte reicht lediglich eine wird jedoch die Apparatur verwendet in die bis zu vier Objektträger eingesetzt werden können, kann die Anzahl auf vier erhöht werden. Des Weiteren kann eingestellt werden, ob die Ergebnisse als ein Gesamtergebnis oder vier einzelne Ergebnisse angegeben werden sollen. Schließlich kann vorgegeben werden viele Partikel insgesamt analysiert werden sollen. Dazu aktiviert der Bediener das entsprechende Bedienfeld und gibt die Partikelanzahl ein.
4. Sample Carrier:
Hier wählt der Bediener die Probenapparatur aus die er verwenden möchte (z.B. Glasplatte, Nasszelle, Objektivträger). Des Weiteren kann die Funktion „Compensate for plate tilt“ aktiviert werden. Da die Gefahr besteht, dass die Probenapparatur nicht exakt waagerecht in der Halterung liegt kann es dazu kommen, dass an der einen Seite der Apparatur scharfe Bilder erzeugt werden an der anderen Seite jedoch unscharfe. Um einen solchen Fehler auszugleichen führt das Gerät an den Rändern Probenapparatur Kalibrationen durch und erkennt somit eine vorliegende Schieflage.
Bei Verwendung des Objektträgers unter Nutzung eines Deckgläschens muss das Kontrollkästchen „Coverslip over sample „ aktiviert sein, da es ansonsten bei der Fokussierung zu einem Fehler und somit zu fehlerhaften Messergebnissen kommen kann.
5. Sample Dispersion Unit:
Handelt es sich bei der Probe um ein Pulver kann diese mit Hilfe der SDU auf die Glasplatte aufgegeben werden. Dazu muss das entsprechende Kontrollkästchen aktiviert sein. Weitere Einstellungen betreffen die Dicke der verwendeten Folie, den Luftdruck, die Dauer der Luftdruckinjektion und die Absetzzeit.
6. Illumination:
Hierbei wählt der Bediener aus, ob zur Analyse der Probe Ober- oder Unterlicht verwendet werden soll.
7. Optics selection:
Hier wählt der Bediener aus welches Objektiv und somit welche Vergrößerung verwendet werden soll. Dabei wird angegeben welches Objektiv sich für welches Größenspektrum eignet. Es ist auch möglich mehrere Objektive zu verwenden. Dabei wechselt bei der Messung das Gerät bei Erreichen der Größenbereichsgrenzen eines Objektivs auf das nächstfolgende. Des Weiteren kann eingestellt werden, ob vor jeder Messung eine Feinfokussierung erfolgen soll oder ob bei jeder Messung der gleiche Fokus verwendet werden soll. Schließlich ist es auch möglich das sogenannte z-stacking zu verwenden. Dabei fokussiert das Gerät während der Messung auf verschiedenen Ebenen und setzt die erzeugten Bilder zu einem scharfen Bild zusammen.
Mit Hilfe des sogenannten „Treshold“, auch Grenzbereich genannt, kann eingestellt werden in wie weit Partikel vom Hintergrund unterschieden werden sollen. Dazu wird einmalig ein Bild der Partikel erzeugt und mit Hilfe einer Skala der Treshold so eingestellt, dass Umrandungen der Partikel klar erfasst werden und der Hintergrund für die Analyse ausgeblendet wird.
Als letzte Einstellung wird der Messbereich auf der Probenapparatur festgelegt.
8. Analysis settings:
Hierbei kann unter „Trash size“ die Minimum-Pixelzahl ausgewählt werden. Dadurch werden nur Partikel ab der gewählten Pixelzahl gemessen und nicht darunter. Des Weiteren kann die Funktion „fill holes“ ausgewählt werden. Da es vorkommen kann, dass Partikel auf Grund ihrer Transparenz vom Hintergrund schlecht unterschieden werden können und somit als Ring dargestellt werden, werden diese bei aktivierter Funktion automatisch als gefüllte Partikel angezeigt.
9. Filters:
Durch diese Funktion ist es möglich bestimmte Partikel von dem Messergebnis auszuschließen. Dazu stehen mehrere Parameter zur Verfügung. So ist es z.B. möglich, dass Partikel bestimmter Größe ausgeschlossen werden und nicht mit in das Messergebnis einfließen. Diese Filter können jedoch auch nach der Messung noch eingestellt werden.
10. Classification:
Diese Funktion dient dazu festgelegte Klassen zu erstellen. Somit kann z.B. eine Klasse erstellt werden die nur Partikel mit ausgeglichenem Längen-Breiten-Verhältnis und glatter Oberfläche enthält.
11. Post-measurement settings:
Diese Funktion kann genutzt werden um den Benutzer nach abgeschlossener Messung eine Meldung anzuzeigen. Dies können z.B. Reinigungshinweise oder Sicherheitsanweisungen sein.
12. Reports:
Diese Funktion dient dazu die Messergebnisse direkt nach der Messung auszudrucken. Dazu wird eingestellt welche Parameter dieser Ausdruck enthalten soll. Des Weiteren ist es möglich einen solchen Ausdruck als PDF-Datei erzeugen zu lassen.
Vor den Messungen erfolgt die Erstellung der SOP. Da festgestellt wurde, dass es nicht möglich war mit nur einem Objektiv für alle Partikelgrößen Bilder mit hoher Qualität zu erzeugen, wurde sich dafür entschieden jede Probe mit insgesamt vier Objektiven zu untersuchen. Dazu wurde für den Größenbereich 20- μm die 5x-Vergrößerung gewählt, für den Größenbereich 10-20μm die 10x-Vergrößerung, für den Bereich 5-10 μm die 20x-Vergrößerung und für den Bereich 3-5μm die 50x-Vergrößerung. Partikel unter 3μm wurden nicht analysiert, da hier die Bildschärfe so schlecht ist, dass genaue Messergebnisse nicht erzeugt werden können.
Für jedes Objektiv wurde eine eigene SOP erstellt. Die folgende Tabelle zeigt die einzelnen Einstellungen der SOPs (Malvern, 2008).
Tabelle 4: Einstellungen der verwendeten SOP
Einstellung Sample Details Aufforderung zur Eingabe des Probennamens Pre-Measurement
settings
Kontrollkästchen aktiviert, Hinweis zum Schließen der Aperturblende vor der Messung
Measurement Control Kontrollkästchen „Fixed number of slides/plates” und “of slides/plates combined into single result” aktiviert, Kontrollkästchen “Minimum number of particles” aktiviert, 20.000 Partikel als Minimum angegeben
Sample Carrier Als Probenapparatur Nasszelle angegeben, Kontrollkästchen „Compensate for plate tilt“ aktiviert
SDU Kontrollkästchen „Use SDU“ deaktiviert
Illumination Als Beleuchtung wurde die Beleuchtung von unten durch das Aktivieren des Kontrollkästchens „Diascopic (bottom light)“ gewählt.
Optics selection Auswahl des 5x-, 10x-, 20x- bzw. 50x-Objektivs. Aktivierung des Kontrollkästchens „Manual Focus“, Deaktivierung des „z-stacking“
Analysis settings Als Minimum für die Pixelanzahl wurde 100 gewählt. Filters Es wurden keine Filter eingesetzt.
Classification Es wurden keine Klasseneinteilungen vorgenommen Post-measurement
settings
Kontrollkästchen “x” aktiviert, Hinweis, dass Bediener nach der Messung die Aperturblende öffnen soll.
Reports Kontrollkästchen “Print selected reports“ deaktiviert
Berechnung der Partikelgröße
Die Software ist auch in der Lage die Partikelgröße eine Probe zu untersuchen. Dazu wird für jedes Partikel ein Kreis mit gleichem Flächeninhalt berechnet. Der Durchmesser dieses Kreises wird Äquivalentdurchmesser genannt. Ist ein volumengewichtetes Ergebnis der Partikelgröße und der Formparameter gewünscht, wird eine Kugel mit gleichem Volumen berechnet. Der so entstandene Äquivalentdurchmesser wird zur Berechnung der Ergebnisse herangezogen.
Bei diesen Ergebnissen ist jedoch zu beachten, dass sie sich stark von den Ergebnissen der Partikelgrößenverteilung der Laserbeugungsspektrometrie unterscheiden. Grund hierfür ist die
unterschiedliche Ausrichtung während der Messung, aber auch der unterschiedliche Messbereich der Geräte (Seidel, 2012).
Durchführung der Nassmessung
Zu Beginn werden 20 mm3 Probe mit Hilfe eines genormten Probenlöffels abgemessen mit 25 ml Sonnenblumenöl vermischt, sodass ein Verhältnis von 1:1250 entsteht. Anschließend wird die Probe so lange vermischt bis sich die Probe homogen im Öl verteilt hat. Anschließend wird sie in ein Reagenzglas überführt und für 15 Minuten in ein Ultraschallbad gegeben um eventuell vorhandene Agglomerate aufzubrechen. Daraufhin wird die Probe in eine Spritze aufgezogen und über die Luer-Lock-Verbindungen der Nasszelle in diese eingespritzt. Nach diesem Schritt wird die Nasszelle in den Objektträgertisch des Gerätes eingesetzt. Die Analyse erfolgt erst am folgenden Tag wenn sich alle Partikel auf der unteren Glasscheibe absetzen konnten.
Durchführung der Trockenmessung
Zu Beginn wird auf der Unterseite der für die Probe vorgesehenen Kartusche eine Aluminiumfolie unter zur Hilfenahme eines Kunstoffringes befestigt. Anschließend wird die Probe mit Hilfe eines Speziallöffels mit genormten Volumen in die Kartusche eingefügt. Danach wird eine weitere Aluminiumfolie, diesmal oberhalb der Kartusche mit Hilfe eines Kunststoffringes befestigt. Die so verschlossene Kartusche wird in den Kopf des Metallzylinders der „SDU“ eingesetzt und der mit Hilfe eines Metalldeckels verschlossen. Nach diesem Schritt wird die Durckluftzufuhr hergestellt und die Messung gestartet. Zu Beginn dieser wird der Metallzylinder auf die Glasplatte aufgesetzt und Druckluft in die Kammer eingeleitet, die Aluminiumfolie zerplatzt und die Probe setzt sich nach und nach auf der Glasplatte ab.
3.3.3 Rotationsrheometer
Die rheologischen Eigenschaften einer Schokolade sind von großer Bedeutung, da sie zum einen die Endproduktqualität beeinflussen (Schmelz), aber auch die Verarbeitungsfähigkeit (Pumpfähigkeit, Abtafeln).
Ideale Fluide, wie Flüssigkeiten und Gase fangen an zu fließen wenn sie irreversibel verformt werden. Dieses Fließverhalten wird durch die wirksame Schubspannung (IJ) verursacht. Zwischen zwei ebenen Platten ergibt sich ein Geschwindigkeitsabfall in der laminaren Schichtenströmung, der je nach Art der betreffenden Flüssigkeit unterschiedlich ist. Dieser wird auch als Scherrate (Ȗ oder D) bezeichnet. Um den Zusammenhang zwischen Schubspannung und
Scherrate darzustellen, wird ein Diagramm herangezogen, das das Fließverhalten einer Flüssigkeit beschreibt. In diesem bildet die Schubspannung die Ordinate und die Scherrate die Abzisse. Dieses Diagramm wird „Fließkurve“ bezeichnet. Die scheinbare Viskosität, die von der Scherrate abhängig ist, ergibt sich aus dem Quotienten der Schubspannung und der Scherrate (Krebs, 2010; Schramm, 2000).
Um die rheologischen Eigenschaften einer Schokolade zu untersuchen werden Rotationsrheometer eingesetzt. Ein solches System besteht aus einem zylindrischen Messbecher, der die zu untersuchende Probe enthält. Dieser Messbecher ist von einem Temperiermantel umgeben, der ein Temperieren der Probe ermöglicht. In diesem Messbecher befindet sich ein Zylinder, der auch als Drehkörper bezeichnet wird. Dieser ist über eine Achse mit dem Rheometer verbunden und wird über einen Motor angetrieben wird. Die Scherrate wird von einem Steuerprogramm des PCs vorgegeben. Die Probe fängt während der Rotation des Drehkörpers im Spalt der beiden Zylinder an zu fließen (Schramm 2000). Der Widerstand der die Probe dem Drehmoment entgegensetzt wird an der Achse als Schubspannung (IJ = Kraft pro Fläche) gemessen. Die Messung erfolgt in mehreren Abschnitten. Die folgende Tabelle zeigt das Messprofil.
Tabelle 5: Messprofil des Rotationsrheometers (Koppe, 2012)
Abschnitt Messpunkt Messpunktdauer [s] Schergeschwindigkeit [1/s] 1 5 (verwerfen) 2 0-30 2 60 (verwerfen) 3 30 3 5 (verwerfen) 5 30-1 4 35 (verwerfen) 1 1-0,05 (log) 5 3 (verwerfen) 2 0,05 6 10 3 0,05 7 5 (verwerfen) 2 0,05-5 8 10 3 5 9 5 (verwerfen) 2 5-40 10 30 3 40 11 5 (verwerfen) 2 40-60 12 400 0,25 60-0,05
Mit Hilfe der während der Analyse durchgeführten Messungen wird eine Fließkurve erstellt, aus welchen anschließend Werte wie die Fließgrenze und Grenzviskosität berechnet werden. Die Fließgrenze ist die Kraft die benötigt wird um eine Flüssigkeit zum Fließen zubringen. Die Grenzviskosität, auch unendliche Viskosität genannt, beschreibt den Grenzwert der Viskositätsfunktion für unendlich hohe Scherraten (Metzger, 2000).
Schließlich wird auch die Schubspannung bei konstanten Scherraten ermittelt. Dies dient dazu Rückschlüsse auf die Verarbeitungsfähigkeit der Schokolade zu schließen. Da beim Abtafeln und Formen der Schokolade niedrige Scherraten entstehen, sollte eine Schokolade im Bereich dieser niedrigen Scherraten niedrige Schubspannungen aufweisen, damit sie sich optimal in der Form verteilt. Niedrige Schubspannungen im Bereich von hohen Scherraten sind z.B. beim Pumpen von Schokolade während der Verarbeitung von Bedeutung, da hierbei hohe Scherraten entstehen und somit das Produkt optimal gefördert werden kann.
Die Messbereiche die in Tabelle 5 mit „verwerfen“ markiert sind dienen dem Vorscheren. Dies ist notwendig um die Probe zu homogenisieren und um eine gleichmäßige Temperatur innerhalb der gesamten Probe zu erreichen. Ohne das Vorscheren würde es zu Abweichungen zwischen den Messungen kommen.
Zur Auswertung der Messungen können unterschiedliche Modelle herangezogen werden.
Casson: IJ1/2= IJC1/2+( ȘC*Ȗ˙ )1/2
Formel 11: Schubspannung nach Casson IJ: Schubspannung
IJC: Casson-Fließgrenze
ȘC: Viskosität nach Casson
Ȗ˙ : Scherrate (Mezger, 2000)
Windhab: IJ = IJ0+(IJ1- IJ0)*[1-exp(-Ȗ˙ /Ȗ˙ *)]+Ș*Ȗ˙
Formel 12: Schubspannung nach Windhab IJ: Schubspannung
Ȗ˙ : Scherrate
Ș: Gleichgewichtsviskosität
IJ0: Fließgrenze
Dieses Modell wird von der ICA für Schokoladenschmelzen bei einer Temperatur von 40 °C im Scherratenbereich Ȗ˙ = 2 bis 50 1/s empfohlen (Mezger, 2000).
Durchführung der Messung
Zur Probenbereitung wurden 10 g Probe mit 13 g Silikonöl vermischt. Bei diesem Mischungsverhältnis zeigte sich, dass eine Viskosität entsteht bei der die Probe zwar hochviskos ist, jedoch noch fließfähig ist so dass eine Analyse ohne Fehlermeldung der Software möglich ist. Anschließend wurde die Probe in den Probenbehälter überführt und die Messung gestartet. Hierbei wurde für den Temperiermantel eine Temperatur von 40,5 °C gewählt.
3.4
Statistische Methoden
Zur Auswertung der Ergebnisse wurden verschiedene statistische Verfahren verwendet. Hierzu gehört zum einen das arithmetische Mittel, die Standardabweichung und der Variationskoeffizient. Des Weiteren wurde eine Varianzanalyse durchgeführt um zu überprüfen ob zwischen den Ergebnissen der einzelnen Proben signifikante Unterschiede vorliegen oder ob die Unterschiede auf Messschwankungen zurückzuführen sind. Schließlich wurde ein Tukey-Test durchgeführt.
Der von Tukey entwickelte Test gehört zu den sog. Post-Hoc-Tests und gehört somit zu den Signifikanztests. Mit seiner Hilfe ist es möglich, signifikante Unterschiede zwischen Gruppenmittelwerten zu bestimmen. Der Test berechnet den „Honest Significant Difference“ (deshalb auch Tukey HSD-Test genannt), also denjenigen Mittelwertsunterschied, der mindestens erforderlich ist um auf dem Gesamt-Į-Niveau ein signifikantes Ergebnis zu erhalten. Ist die tatsächliche Differenz zwischen zwei Gruppen größer als der durch den Tukey-Test berechnete kritische Wert, so unterschieden sich die beiden Gruppen signifikant voneinander (Naumann, 2009).
4
Ergebnisse und Diskussionen
4.1
Vorversuche
Zu Beginn der Arbeit wurden Vorversuche unter Verwendung von Kochsalz durchgeführt. Dazu wurde Kochsalz mittels Stiftmühle zerkleinert und anschließend trocken bzw. in einem weiteren Versuch nassklassiert. Schließlich wurde im Rahmen eines weiteren Versuches Kochsalz mit Hilfe einer Planetenkugelmühle zerkleinert und anschließend trocken klassiert.
Die Ergebnisse sind in den Tabellen 6 und 7 und Abbildungen 18 bis 22 dargestellt.
Tabelle 6: d10-, d50-, d90-Wert, spez. Oberfläche und Span Stiftmühle und Kugelmühle trockenklassiert Fraktion (μm) Zerkleiner-ungstechnik d10-Wert (μm) VarK d50-Wert (μm) VarK d90-Wert (μm) VarK spez, Oberfläche [m2/cm3]
VarK Span VarK < 45 Stiftmühle 5,39 1,54 24,69 1,05 55,49 0,41 0,48 1,28 2,03 0,79 Kugelmühle 4,63 1,30 19,22 3,72 44,09 0,36 0,56 2,29 2,05 3,51 45-63 Stiftmühle 31,95 0,65 59,40 0,18 89,70 0,12 0,22 0,67 0,97 0,39 Kugelmühle 6,10 3,70 38,00 2,38 79,07 0,62 0,40 3,03 1,92 2,04 63-125 Stiftmühle 40,58 2,33 86,47 1,25 153,88 0,87 0,13 0,45 1,31 0,90 Kugelmühle 34,84 0,46 77,31 0,42 138,80 0,18 0,12 0,84 1,35 0,32 125-250 Stiftmühle 95,38 0,41 183,30 0,23 315,92 0,25 0,06 0,34 1,20 0,08 Kugelmühle 22,79 0,49 148,97 1,51 271,53 1,49 0,11 0,53 1,67 0,33 > 250 Stiftmühle 221,47 0,61 378,40 0,71 637,71 0,48 0,02 0,30 1,1 0,37 Kugelmühle 231,46 2,41 387,97 0,30 645,76 1,93 0,02 1,13 1,1 4,20
Tabelle 7: d10-, d50-, d90-Wert, spez. Oberfläche und Span Stiftmühle nassklassiert Fraktion (μm) d10-Wert VarK d50-Wert VarK d90-Wert VarK spez, Oberfläche [m2/cm3]
VarK Span VarK < 45 4,55 1,39 28,29 3,48 62,27 2,28 0,51 1,76 2,04 1,13 45-63 14,43 46,13 65,49 2,12 113,15 1,18 0,22 4,92 1,51 7,44 63-125 50,06 1,46 99,84 0,63 174,89 0,55 0,08 1,18 1,25 0,42 125-250 105,95 1,63 183,63 1,08 301,56 0,94 0,04 2,24 1,07 0,53 > 250 212,85 0,23 365,29 0,55 617,57 0,47 0,02 0,29 1,11 0,27
Abbildung 18: PSD Stiftmühle trocken- u. nassklassiert, KM trockenklassiert < 45 μm Stiftmühle trockenklassiert
Stiftmühle nassklassiert Kugelmühle trockenklassiert
Abbildung 19: PSD Stiftmühle trocken- u. nassklassiert, KM trockenklassiert 45-63 μm Stiftmühle trockenklassiert
Stiftmühle nassklassiert
Abbildung 20: PSD Stiftmühle trocken- u. nassklassiert, KM trockenklassiert 63-125 μm Stiftmühle trockenklassiert
Stiftmühle nassklassiert
Abbildung 21: PSD Stiftmühle trocken- u. nassklassiert, KM trockenklassiert 125-250 μm Stiftmühle trockenklassiert
Stiftmühle nassklassiert
Abbildung 22: PSD Stiftmühle trocken- u. nassklassiert, KM trockenklassiert > 250 μm
Es ist zu erkennen, dass sich die beiden Proben die trockenklassiert wurden, in den Fraktionen < 45 μm und 45-63 μm deutlich voneinander unterscheiden, jedoch ähneln sie sich in den Fraktionen 63-125 μm, 125-250 μm und > 250 μm.
Bei den Ergebnissen der Nassklassierung fällt auf, dass die Partikelgrößen zugenommen haben. Grund hierfür könnte darin liegen, dass die Strömungsenergie des durch die Siebe fließenden Acetons so groß ist, dass sehr große oder sehr längliche Partikel die Siebe passieren können, was bei der Trockenklassierung nicht möglich ist. Ein weiteres Problem der Nassklassierung ist, dass die Proben zum Teil nach der Trocknung als feste Schicht auf dem Probengefäß zurückbleiben. Dies ist für die anschließenden Bildanalyse problematisch, da die Proben nur unter zu
Stiftmühle trockenklassiert Stiftmühle nassklassiert Kugelmühle trockenklassiert
