Amandus Kahl

Optimierung der Korngrößenstruktur einer gerstenreichen Schweinefuttermischung durch eine Stufenvermahlung mit Hammermühle und nachgeschaltetem Brechwalzenstuhl

Einleitung

Erkenntnisse der Tierernährung zeigen, dass nicht nur die Rezeptur und die Inhaltsstoffe zum Fütterungserfolg beitragen, sondern dass auch die Futterstruktur (Korngrößen­spektrum) und die Futterform (z.B. Pellets, Granulat) einen Einfluss ausüben. Bei der Beurteilung von Pellets sollte berücksichtigt werden, dass jeder Pelletiervorgang auch mit einer zusätzlichen Zerkleinerung von gröberen Partikeln verbunden ist. Bei der Beurteilung von schrotförmigem Futter, z.B. für Schweine, ist hierfür eine Trocken-Siebanalyse ausreichend, bei Pellets hingegen ist eine Nass-Siebanalyse erforderlich, um auch den Zerkleinerungseffekt in der Presse zu erfassen.

In den letzten Dekaden haben Fütterungsversuche bei schrotförmigem Schweinefutter gezeigt, dass eine gröbere und vor allen Dingen eine feinteilarme Futterstruktur das Mastergebnis und den Gesundheitszustand der Schweine günstig beeinflusst. Frühere wissenschaftliche Untersuchungen zeigten für ein feineres Produkt eine bessere Verdaulichkeit, allerdings hat man keine ganzheitliche Betrachtung angestellt und in Langzeitversuchen den Gesundheitszustand der Tiere in die Ergebnisse einbezogen. Verschiedene Untersuchungen bereits in den 90er Jahren und neuere Ergebnisse zeigen, dass mit zunehmenden Feinteilen auch das Risiko der Bildung von Magengeschwüren steigt und sich auch das Magenvolumen ändert. Dies führt zu sinkender Futteraufnahme oder in Extremfällen zum Tod der Tiere. Es wurde auch nachgewiesen, dass die bessere Verdaulichkeit der Inhaltsstoffe, z.B. der Stärke oder Proteine, bei feiner Vermahlung überschätzt wurde, zumal eine etwas schlechtere Verdaulichkeit im Dünndarm durch die anschließende fermentative Verdauung im Dickdarm zum großen Teil kompensiert werden kann. Eine gröbere Vermahlung unterstützt auch die Bildung des pH-Gradienten im Magen und damit die Widerstandsfähigkeit des Magen-Darm-Traktes gegen Krankheitserreger.

Neben den ernährungsphysiologischen Aspekten führt die Minimierung der Feinteile auch dazu, dass die Kornstruktur einheitlicher wird, d.h., der Anteil an Partikeln mittlerer Korngröße steigt. Damit wird die Mischung stabiler und sie ist auf dem Weg vom Mischer bis zum Trog besser gegen Entmischung geschützt. Außerdem wird durch Minimierung der Feinteile das Fließverhalten in Silozellen und Futterautomaten verbessert.

Fast alle Mischfutterwerke sind traditionell mit Hammermühlen ausgerüstet, die überwiegend in der Gemischtvermahlung eingesetzt sind. Trotz Stufenvermahlung mit Vor-/Nachmühle und Zwischenabsiebung gelingt es nicht, den Feinanteil auf ein akzeptables Niveau zu halten. Aus der Mehlmüllerei ist eine feinteilarme Zerkleinerung von Weizen und Roggen beim ersten Schrot mit Walzen bekannt. Werden allerdings in der Schweinefütterung ausschließlich Walzenstühle für die Vermahlung eingesetzt, sind Probleme bei der Schalen-/Spelzen-Zerkleinerung von Gerste oder Hafer zu erwarten. Schon sehr früh wurde erkannt, dass für die Gersten­vermahlung eine Stufenvermahlung mit Walzenstuhl in der zweiten Stufe geeigneter.

Es gilt also, einen Kompromiss zu finden, der die feinteilarme Vermahlung mit Walzen und die Zerkleinerung mittels Hammermühle - die für die Zerkleinerung von Spelzen/ Schalen geeignet ist - kombiniert. Zu diesem Zweck initiierten ein namhaftes Mischfutterwerk und die Maschinenfabrik Amandus Kahl GmbH & Co. KG eine Projektarbeit, die von Studenten der Deutschen Müllerschule Braunschweig durchgeführt wurde, mit dem Ziel ein feinteilarmes (max. 25 % < 0.5 mm) gerstenreiches Schweinefutter bei ausreichender Zerkleinerung der Schalen/Spelzen herzustellen.

Material und Methoden

Um den Einfluss unterschiedlicher Zerkleinerungsmaschinen und Vermahlungssysteme auf die Futterstruktur festzustellen, wurde eine typische Schweinefuttermischung in nachstehender Zusammensetzung gewählt:

• Gerste, ca. 30 %
• Roggen
• Weizen
• Sojaschrot
• Rapsschrot
• Mühlennachprodukte
• Vormischungen

Der "natürliche" Feinanteil  < 0.5 mm in der Mischung vor der Vermahlung, hervorgerufen durch Zusatzstoffe und Feinteile der einzelnen Rohstoffe, betrug ca. 5 %. Alle später angeführten Feinteilbestimmungen erfolgten aus der fertigen Mischung nach dem Chargenmischer.

Für die Zerkleinerung wurden Hammermühlen und Brechwalzenstühle eingesetzt. Die Funktionsweise von Hammermühlen ist bekannt. Brechwalzenstühle sind Walzenstühle, die das Korn in kleinere Partikel brechen sollen bei möglichst geringem Anteil an Feinteilen. Es soll also kein Mehl, sondern ein körniges, feinteilarmes Granulat entstehen. Zu diesem Zweck sind die Brechwalzen (Abb. 1) mit einer Riffelung Schneide gegen Schneide (S:S) ausgerüstet. Die Walzen haben unterschiedliche Umfangsgeschwindigkeiten, damit keine Quetsch-, sondern eine Schneidwirkung erzielt wird. Die Drehzahl der Walzen und die Voreilung sind für gewöhnlich fest eingestellt, ideal sind jedoch eine Drehzahlveränderung und die Änderung der Voreilung während des Betriebes.

Abb. 1: schnell laufende / langsam laufende Walze (v.l.n.r.)

Die gewünschte Korngröße beim Brechwalzenstuhl (Abb. 2) wird u.a. durch die Riffelung / Umfang, die Voreilung und den Mahlspalt bestimmt. Bei oft wechselnden Rezepturen ist eine automatische Mahlspaltmessung und Fernverstellung des Walzenabstandes von Vorteil. Wichtig ist, dass die Walzenbeschickung durch eine entsprechende Speiseeinrichtung auf voller Breite stattfindet, so dass eine gleichmäßige Belastung der Walzen erfolgt und die höchstmögliche Durchsatzleistung erzielt werden kann.

Nachstehend die Kenndaten der eingesetzten Zerkleinerungsmaschinen:

BWS - Brechwalzenstuhl 2, doppelt mit 2 Walzenpaaren

• Fabrikat: Amandus Kahl
• Walzendurchmesser: 300 mm
• Walzenlänge: 1500 mm
• Riffelung: oben 2.9 R/cm SS , unten 3.7 R/cm SS
• Voreilung: 1: 1.5
• Antrieb: 45 kW

Abb. 2:    Brechwalzenstuhl (BWS), einstufig, doppelt / 2 -stufig

BWS - Brechwalzenstuhl 1, einfach mit einem Walzenpaar

• Walzendurchmesser: 250 mm
• Walzenlänge: 1000 mm
• Riffelung: 5 R/cm
• Voreilung: 1: 1.3
• Antrieb: 15 kW

LMW – Labormahlwerk 100 (Abb. 3)

• Fabrikat: Neuhaus Neotec (Amandus Kahl Gruppe)
• Walzendurchmesser: 250 mm
• Walzenlänge: 100 mm
• Riffelung: 4 R/cm und andere Wahlmöglichkeiten
• Drehzahl: je Walze stufenlos verstellbar
• Voreilung: 1:2.3 variabel
• Antrieb: 2 x 2.2 kW

Abb. 3: Labormahlwerk LWM 100

HM – Hammermühle

• Mahlkammerdurchmesser: 1200 mm
• Mahlkammerbreite: 640 mm
• Sieblochung: Vormühle 10/6 mm, Nachmühle 2 x 3.5 mm
• Drehzahl: 1000/1500 U/min
• Umfangsgeschwindigkeit: 60/90 m/sec
• Antrieb: 155/210 kW

Siebanalysen:

• Probenteilung mit Probenteiler auf ca. 100 g
• Retsch Siebmaschine, Amplitude 1.6, Siebdauer 10 min

Für die Untersuchung wurden vier Einsatzvarianten ausgewählt:

1. BWS = Brechwalzenstuhl, (2-stufig / doppelt) ohne Zwischenabsiebung
2. HM + HM  = Stufenvermahlung Hammermühle, mit Vor-/ Nachmühle und Zwischenabsiebung
3. HM + BWS = Stufenvermahlung Hammermühle + Brechwalzenstuhl (1-stufig) mit Zwischenabsiebung
4. HM + LMW = Stufenvermahlung Hammermühle + Labormahlwerk mit Zwischenabsiebung

Nicht in den Vergleich einbezogen wurde die Variante BWS + HM mit Zwischen­absiebung. Vorversuche ergaben, dass in Bezug auf die Spelzenzerkleinerung die Anordnung "erst die HM, dann der BWS" bessere Ergebnisse bringt als die umgekehrte Anordnung "erst der BWS, dann die HM". Eine HM in der zweiten Mahlstufe erzeugt mehr Feinteile als umgekehrt.

Alle Versuche fanden unter Praxisbedingungen mit hohen Durchsatzleistungen statt; ausgenommen HM + LMW. Hier wurde in der ersten Stufe mit hoher Leistung zerkleinert und dann eine Teilmenge mit dem LMW nachzerkleinert.

Ergebnisse

Für die Beurteilung der Zerkleinerungsergebnisse erfolgte eine Einteilung in folgende Korngrößenbereiche:

• Fein; bezeichnet den Bereich < 0.5 mm
• Mittel; bezeichnet den Bereich 0.5 bis 1.6 mm
• Grob; bezeichnet den Bereich 1.6 bis 2.0 mm
• Sehr grob; bezeichnet den Bereich > 2.0 mm

Angestrebt ist eine möglichst hohe Häufung im mittleren Bereich, mit einer mittleren Korngröße von 1.0 – 1.1 mm. Der Korngrößenbereich fein < 0.5 mm soll möglichst gering sein und 25 % nicht überschreiten. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass eine Angabe "mittlere Korngröße" keine Aussage darüber gibt, wie hoch der Feinanteil < 0.5 mm in einer Mischung ist. Es ist daher besser, den mittleren Bereich, wie z.B. 0.5 bis 1.6 mm, zu definieren und zu bestimmen.

Die Maschinenanordnungen und die Ergebnisse der unterschiedlichen Zerkleinerungsvarianten sind nachstehend dargestellt:

Variante 1:

Zerkleinerung mit Brechwalzenstuhl, BWS 2–stufig (Abb.4)

Das Ergebnis zeigt, dass der Feinanteil unter 25 % liegt. Allerdings gibt es noch einen Anteil von ca. 20 % im "sehr groben Bereich", was allerdings nicht als negativ zu betrachten ist. Die Struktur ist relativ weit gestreut. Da es keine Zwischenabsiebung und auch keine Nachzerkleinerung gibt, besteht diese Grobfraktion überwiegend aus Schalen/Spelzenteilen.

Variante 2:

Zerkleinerung mit Hammermühlen-Stufenvermahlung, HM + HM (Abb. 5)

Trotz Wahl einer groben Sieblochung in der Vormühle und geringer Umfangsgeschwindigkeit entsteht ein sehr hoher Anteil an Feingut.

Variante 3:

Stufenvermahlung mit Hammermühle und Brechwalzenstuhl, HM + BWS (Abb. 6)

Mit dieser Variante wird ein sehr gutes Ergebnis erreicht, welches in allen Bereichen der Zielsetzung entspricht. Der Feinanteil < 0.5 mm liegt unter 25 % und die "Fraktion sehr grob" unter 5 %. Der größte Anteil findet sich somit in der mittleren Korngrößenfraktion wieder. Das Produkt liegt somit in einer relativ engen, optisch einheitlichen Struktur vor.

Variante 4:

Stufenvermahlung Hammermühle und Labormahlwerk, HM + LMW (Abb. 7)

Diese Variante 4 zeigt eine nochmalige Verbesserung der Variante 3, hervorgerufen durch eine Änderung der Voreilung und die Verstellung der Walzen-Umfangs­geschwindigkeiten. Das war bei den vorhandenen und eingesetzten BWS nicht möglich, kann aber natürlich nachgerüstet werden. Diese Variante zeigt also, dass durch die Verstellung der Walzen-Umfanggeschwindigkeit und Voreilung eine Optimierung der Kornstruktur gut möglich ist.

Reduzierung der spezifischen elektrischen Energie in kWh/t

Bei allen Varianten wurde durch Messung der Wirkleistung und Zählerablesung der elektrische Energieaufwand in kWh/t festgestellt. Die Ergebnisse werden hier nicht detailliert dargestellt. Generell ist festzustellen, dass der elektrische Energieaufwand bei der Variante BWS 2 gegenüber HM+HM um ca. 50 % und bei der Variante HM+BWS gegenüber HM+HM um ca. 30 % geringer ist.

Schlussfolgerungen

Zur besseren Übersicht sind die Vermahlungsergebnisse der Varianten 1 bis 3 in einer Durchgangssummenfunktion (Abb. 8) dargestellt. Besonders aus der Gegenüberstellung der Verteilungsdichte ist erkennbar, welche Varianten einen geringen Feinanteil aufweisen.

Folgende Rückschlüsse sind möglich:

• Die Vermahlung mit einem BWS oder HM+BWS führt zu einem erheblich reduzierten Feinanteil im Vergleich zu einer Zerkleinerung mit HM+HM. Der angestrebte Sollwert von max. 25 % < 0.5 mm konnte in allen Fällen erreicht werden.
• Der höchste Anteil im mittleren Kornspektrum wird durch eine Stufenvermahlung mit HM+BWS erreicht.
• Durch Erhöhung der Voreilung beim BWS können die Ergebnisse noch optimiert werden. Es ist daher sehr empfehlenswert, eine Drehzahlanpassung während des Betriebes zu ermöglichen.
• Die Kornstruktur bei HM+BWS ist einheitlicher und neigt daher weniger zur Entmischung bei verbessertem Fließverhalten. Auch der optische Eindruck vermittelt ein homogenes Produkt, deutlich zu erkennen an einer hohen Konzentration an Teilchen im mittleren Korngrößenbereich. Die Gerstenschalen sind ausreichend zerkleinert.
• Bei den Versuchen wurde festgestellt, dass der spezifische Energiebedarf durch Einsatz des BWS erheblich reduziert werden kann.
• Im Gegensatz zur Hammermühle ist bei Brechwalzenstühlen keine oder im Falle des Einbaus z.B. eines Steinabscheiders nur eine geringe Aspirationsluftmenge erforderlich. Der ATEX-Aufwand reduziert sich entsprechend.
• Deutliche Einsparung der Energiekosten beim Einsatz eines Brechwalzenstuhles gegenüber einer Hammermühle

Ausblick

Die vorliegende Arbeit zeigt, dass durch die Installation von Brechwalzenstühlen in neue oder vorhandene Futtermittelanlagen die Futterstruktur gerstenreicher Schweinefutter erheblich verbessert werden kann, bei deutlicher Absenkung des elektrischen Energiebedarfs.

Weitere Möglichkeiten zur Minimierung grober Gerstenspelzen bietet eine vorgeschaltete Anpelletierung des Kornes mittels Flachmatrizenpresse und anschließender Vermischung, bevor die behandelte Gerste dann der Gemischtvermahlung zugeführt wird.

Versuche im Technikum zeigten, dass Spelzen/Schalen nach der Schalenzerfaserung mittels Kollermühle (modifizierte Flachmatrizenpresse) nicht wie bei z.B. Hammermühlen und vor allem bei Brechwalzenstühlen in Längsform, sondern in Querform zerfasert werden.

Mit Schule-Schleifmaschinen Bauart VPC  ist es möglich, die Spelzen/Schalen vom Ganzkorn auf einen bestimmten Prozentsatz abzuschleifen. Hier kann man an eine alternative Verwendung der abgeschliffenen und separierten Spelzen-/Schalenfraktion denken.

Zusammenfassung

Erkenntnisse der Tierernährungsforschung zeigen, dass ein erhöhter Feinanteil im Schweinefutterschrot die Gesundheit und das Leistungsvermögen der Tiere ungünstig beeinflussen kann. Dies wird durch die Bildung von Magengeschwüren bei den Tieren, durch ein nicht optimales pH-Regime im Magen und durch Gesundheitsstörungen, hervorgerufen durch Krankheitserreger im Magen-Darm-Trakt, verursacht. Vom technischen Standpunkt aus gesehen führen ein uneinheitliches Kornspektrum zur Entmischung und ein hoher Feinanteil zu schlechtem Fließverhalten in den Silozellen. Zur Vermeidung obengenannter negativer Einflüsse wird bei schrotförmiger Verabreichung des Futters ein geringer Feinanteil von 25 % < 5 mm angestrebt, mit einer mittleren Korngrößenverteilung im Bereich 0.5 bis 1.6 mm. Die Gerstenschalen/Spelzen sollten so weit zerkleinert sein, dass ungünstige Auswirkungen auf die Futteraufnahme und Futterverwertung auszuschließen sind und die Fließeigenschaften nicht beeinflusst werden.

Die Vorteile der Zerkleinerung von mais-/weizenreichen Mischungen mit Brechwalzen in der Geflügelfutterherstellung sind bekannt. Die zu klärende Frage ist, ob auch in der Herstellung von gerstenreichem Schweinefutter der Einsatz von Brechwalzen möglich ist. Im Rahmen einer Projektarbeit von Schülern der DMSB, durchgeführt mit Unterstützung durch ein Mischfutterwerk und der Maschinenfabrik Amandus Kahl GmbH & Co. KG, wurden verschiedene Zerkleinerungsvarianten in praxisnahen Versuchen mit einer hohen Anlagenleistung und einer gerstenreichen handelsüblichen Rezeptur verglichen. Gegenübergestellt werden, aus einer Vielzahl von Versuchen, die Varianten

• Brechwalzenstuhl doppelt
• Stufenvermahlung Hammermühle mit Vor- und Nachmühle
• Stufenvermahlung mit Hammermühle und Brechwalzenstuhl

Die Versuche zeigen, dass durch die die Walzenzerkleinerung im Gegensatz zur Hammermühlenzerkleinerung der Feinanteil im Fertigprodukt < 0.5 mm erheblich reduziert werden kann und unter dem in diesem Fall angestrebten Wert von 25 % liegt. Um sowohl den Feinanteil zu reduzieren als auch möglichst einen hohen Anteil innerhalb des mittleren von 0.5 bis 1.6 mm zu erreichen, ist jedoch die kombinierte Stufenvermahlung mit Hammermühle und Brechwalzenstuhl besser geeignet, da hier zusätzlich der Grobanteil, also überwiegend Spelzen, auch ausreichend zerkleinert werden.

Vorversuche ergaben, dass die Anordnung "erst die Hammermühle, dann der Brechwalzenstuhl" besser geeignet ist als eine umgekehrte Anordnung, da die Nachvermahlung mit Hammermühle mehr Feinteile erzeugt als eine Nachvermahlung mit dem Brechwalzenstuhl. Da die Anforderungen an die Futterstruktur regional und unter Wettbewerbsbedingungen sehr unterschiedlich sein können, ist jeder Einsatzfall individuell anzusehen. Eine Anpassung der Drehzahl und der Voreilung als auch die automatische Mahlspaltmessung mit Fernverstellung ist bei stark wechselnden Rezepturen anzuraten.

Der Einsatz einer Walzenvermahlung, mit oder ohne Kombination mit einer Hammermühle, führt in allen Fällen zu einer erheblichen Reduzierung des spezifischen Energiebedarfs (kWh/t) im Bereich von 30 – 50 %. Im Gegensatz zur Hammermühle ist bei Brechwalzenstühlen keine oder im Falle des Einbaus z.B. eines Steinabscheiders nur eine geringe Aspirationsluftmenge erforderlich. Der ATEX-Aufwand reduziert sich entsprechend.