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Verfahren und Vorrichtung zur Wärmebehandlung einer Flüssigkeit
Es gibt viele flüssige Nahrungsmittel und pharmazeutische Produkte, die durch eine Wärmebehandlung sterilisiert werden müssen, um sie über grosse Zeiträume aufbewahren zu können. Solche Flüssigkeiten werden jedoch meist geschädigt oder zerstört, wenn sie langsam auf Temperaturen, die beträchtlich höher sind als 100 C, erhitzt und dann einer Wärmebehandlung unterworfen werden, und daher kann man, wenn die ursprünglichen Eigenschaften der Flüssigkeit soweit als möglich erhalten werden sollen, die Wärmebehandlung auf solche Weise ausführen, dass die Flüssigkeit zuerst indirekt in einem Wärmeaustauscher, beispielsweise der Plattenbauart, vorerwärmt wird, worauf man sie sehr schnell auf eine vorbestimmte Sterilisierungstemperatur erhitzt,
wozu sie in einer geeigneten Erhitzungsvorrichtung direkt mit Dampf gemischt oder durch Dampfeinblasen erhitzt und schliesslich in einem evakuierten Expansionsgefäss durch Verdampfung auf eine Temperatur gekühlt wird, welche der Flüssigkeit nicht abträglich ist.
Während des Mischens mit Dampf oder des Dampfeinblasens wird eine Menge an Dampf kondensiert, die nötig ist, um durch Freisetzung der Verdampfungswärme die Temperatur der vorgewärmten Flüssigkeit auf die vorbestimmte Sterilisationstemperatur zu bringen und demnach wird eine bestimmte Menge an Kondensat der Flüssigkeit zugeführt, wodurch der Wassergehalt der letzteren ansteigt. In Verbindung mit der folgenden Drucksenkung und der dadurch veranlassten Verdampfung kühlt sich die Flüssigkeit ab, da ein Teil ihrer latenten Wärme zur Dampferzeugung dient und ihr Wassergehalt vermindert sich als Folge des Dampfaustritts aus ihr. Die Menge des gebildeten Dampfes hängt natürlich von der Temperatur ab, die während der Verdampfung herrscht und von dem dieser Temperatur zugeordneten Druck.
Da der Wassergehalt die hervortretendste Eigenschaft von Flüssigkeiten der betrachteten Art sein kann, strebt man in den meisten Fällen danach, den gleichen Wassergehalt in der wärmebehandelten Flüssigkeit wie in der nicht wärmebehandelten zu erhalten und wenn die Wärmebehandlung wie oben beschrieben ausgeführt wird, erreicht man dies, indem man gelegentlich der durch den Druckabfall erzeugten Ver- dampfùng eine Wassermenge der Flüssigkeit entzieht, die gleich jener ist, die während des Mischens mit dem Dampf oder der Dampfinjektion als Kondensat angeliefert worden ist.
Wenn die gleiche Wassermenge wie jene, die der Flüssigkeit in Form von Kondensat zugeführt worden ist, verdampft wird, sobald der Druckabfall auftritt, wird jedoch die Flüssigkeitstemperatur einige Grade höher sein als jene der Flüssigkeit, die vor dem Mischen mit dem Dampf oder der direkten Dampfeinführung bestand. Der in die Flüssigkeit eingeleitete Dampf besitzt eine höhere Temperatur und enthält daher mehr Wärme als der Dampf, der in dem unter Unterdruck stehenden Gefäss ausgedampft wird. Da, wie zuvor erwähnt, diese Dampfmengen gleich sein sollen, müssen die Wärmeinhalte der Flüssigkeit vor der Dampfinjektion und nach der Expansion verkehrt proportional dem Wärmeinhalt des Dampfes sein.
Dies bedeutet, dass die Temperatur der Flüssigkeit nach der Expansion (geringerer Wärmeinhalt in dem Dampf) höher sein muss als vor der Injektion (höherer Wärmeinhalt des Dampfes).
Wenn beispielsweise Milch indirekt auf 750C vorerwärmt und anschliessend durch direkte Dampfeinführung auf 140 C erhitzt und schliesslich durch Druckabfall während der Verdampfung gekühlt wird und wenn die Wassermenge, die der Milch durch Verdampfung entzogen wird, gleich jener ist, die durch die Dampfeinführung in Form von Kondensat zugeführt worden ist, errechnet sich die Milchtemperatur nach dem Druckabfall mit 77, 8 C.
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Für gegebene Werte der Temperatur der Flüssigkeit nach der indirekten Erhitzung und der Sterilisierung ist es möglich, die Temperatur, auf welche die Flüssigkeit gekühlt wird, wenn die Menge des ausgedampften Dampfes gleich der Menge des zugeführten Kondensates sein soll, zu errechnen oder durch praktische Versuche zu ermitteln. Wenn jene Temperatur bekannt ist, ist es möglich, eine Flüssigkeit zu erhalten, die vor und nach der Wärmebehandlung denselben Wassergehalt aufweist, indem man sowohl diese Temperatur als auch die Differenz zwischen dieser Temperatur und der Temperatur, welche die Flüssigkeit vor dem Mischen mit dem Dampf oder der direkten Dampfeinführung (nach der indirekten Vorerwärmung) hat, konstant hält.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, um im Rahmen der vorstehend beschriebenen Wärmebehandlung einer Flüssigkeit aus der Flüssigkeit durch auf Grund einer Drucksenkung eintretenden Verdampfung eine, Wassermenge zu entziehen, welche gleich jener ist, die durch Mischen mit Dampf oder durch Dampfinjektion in Form von Kondensat eingeführt worden ist und das Verfahren kennzeichnet sich dadurch, dass die Flüssigkeit indirekt auf eine. konstante Temperatur erhitzt wird und dass die Differenz zwischen der Temperatur der Flüssigkeit, die sie vor dem direkten Mischen mit dem Dampf oder der Dampfeinführung und nach der Drucksenkung während der Verdampfung hat, auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird, indem man den Druck (das Vakuum) regelt, unter welchem die Verdampfung erfolgt.
In diesem Zusammenhang kann die Regelung sowohl der Vorerwärmung als auch des Druckes (des Vakuums) natürlich von Hand aus durchgeführt werden, doch da ein solcher Vorgang einen grossen Arbeitsaufwand bedingen wüde, ohne daher ein voll zufriedenstellendes Ergebnis zu gewährleisten, betrifft die Erfindung auch eine vollautomatische Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens und diese Vorrichtung kennzeichnet sich dadurch, dass ein temperaturempfindliches Element in die die vorerhitzte Flüssigkeit führende Leitung eingesetzt ist und mittels einer Vorrichtung den Zustrom von der indirekten Vorwärmung dienenden Erhitzungsmedium so regelt, dass die Flüssigkeit auf eine konstante Temperatur erhitzt wird, und dass ein temperaturempfindliches Element in die flüssigkeitsführende Leitung vor der Vorrichtung,
die der direkten Dampfzufuhr oder dem Mischen mit Dampf dient, eingesetzt ist und dass ein temperaturempfindliches Element in dem Expansionsbehälter oder hinter diesem angeordnet ist, wobei die beiden letztgenannten temperaturempfindlichen Elemente mittels Steuervorrichtungen den Druck (das Vakuum) in dem Expansionsbehälter so regeln, dass eine gleichbleibende Temperaturdifferenz zwischen den beiden temperaturempfindlichen Elementen aufrechtgehalten wird.
Eine erfindungsgemässe Vorrichtung wird nun im einzelnen an Hand der Zeichnung beschrieben.
Die zu erhitzende Flüssigkeit wird kontinuierlich durch einen Wärmeaustauscher 1, beispielsweise von Plattenbauart, hindurchgeführt und indirekt durch ein Wärmemedium erhitzt, welches in den Wärmeaustauscher durch einen Einlass 3 eingeführt wird. Ein temperaturempfindliches Element 4 ist in die die vorerhitzte Flüssigkeit führende Leitung 2 eingesetzt und regelt mittels Vorrichtungen 5 die Zufuhr von Heizmedium zu dem Wärmeaustauscher, so dass die Flüssigkeit auf eine gleichbleibende Temperatur vorerhitzt wird.
Die so auf eine konstante Temperatur vorgewärmte Flüssigkeit wird mittels einer Pumpe 6 durch eine Vorrichtung 7 gefördert, in der die Temperatur der Flüssigkeit sehr schnell auf den für die Hitzebehandlung (die Sterilisierungstemperatur) erforderlichen Wert durch direkte Dampfeinführung gebracht wird, wozu der Dampf der Vorrichtung 7 mittels einer Dampfleitung 8 zugeführt wird und mittels eines in die Dampfleitung eingesetzten Ventiles 9 geregelt wird.
Die erhitzte Flüssigkeit wird über ein Dreiwegventil 19, dessen Zweck und Wirkungsweise ausführlich weiter unten erläutert werden, zu einem Expansionsgefäss 10 geleitet, in dem die Flüssigkeit unter Verdampfung, die als Folge eines sehr schnellen Druckabfalles eintritt, während gleichzeitiger Verminderung ihres Wassergehaltes unterkühlt wird. Das Expansionsgefäss 10 wird mittels einer Pumpe 12 entleert, deren Saugseite mit dem Expansionsgefäss über eine Leitung 11 verbunden ist und die gekühlte und entdampfte Flüssigkeit wird mittels einer Pumpe 14, die in die Flüssigkeitsleitung 13 eingesetzt ist, aus dem Expansionsgefäss 10, nachdem allenfalls weitere Behandlungen erfolgt sind, durch einen Kühler 15 in sterile Behälter oder in Flaschen abgezogen.
Ein temperaturempfindliches Element 16 ist in der die Flüssigkeit führenden Leitung 2 vorder Vorrichtung'"7 geschaltet, die zur direkten Mischung mit Dampf oder zur direkten Dampfeinblasung dient : ein temperaturempfindliches Organ 18 ist in dem Expansionsgefäss 10 oder hinter diesem angeordnet. Diese beiden temperaturempfindlichen Einrichtungen, das Element 16 und das Organ 18 steuern mittels innerhalb der Vakuumleitung 11 angeordneter Vorrichtungen 17 den in dem Expansionsgefäss 10 herrschendenDruck (Unterdruck), sodass eine konstanteTemperaturdifferenz zwischen den temperaturempfindlichen Einrichtungen 16,18 aufrechtgehalten wird.
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Ein temperaturempfindliches Element 20 ist in die Flüssigkeitsleitung hinter der der direkten Dampfeinleitung dienenden Vorrichtung 7 eingesetzt, wobei das Element 20, wenn die Flüssigkeit, z. B. zufolge einer unzureichenden Anlieferung von Dampf an die Injektionsvorrichtung 7, nicht auf die vorbestimmte Temperatur erhitzt worden sein sollte, mittels Einrichtungen 21 das erwähnte Dreiwegventil 19 aus der Lage, in welcher die Flüssigkeit dem Expansionsgefäss 10 zugeführt wird, in jene Lage umschaltet, gemäss welcher die Flüssigkeit in ein anderes ähnliches Expansionsgefäss'22 geführt wird, um von dort mittels einer Pumpe 24 über eine Leitung 23,25 in das System zurückgeführt zu werden. u.
zw. entweder über eine Leitung 26 an die Eintrittsseite des Wärmeaustauschers 1, oder durch die Leitung 27 an das Ende dieses Austauschers. Das Expansionsgefäss 22 ist auch mit der Saugseite der Vakuumpumpe 12 durch die Vakuumleitung 11 verbunden und ein temperaturempfindliches Element 28 ist in dem Expansionsgefäss 22 oder nach diesem angeordnet, welches denselben Zweck hat und auf dieselbe Weise arbeitet wie das temperaturempfindliche Element 18, das in dem Expansionsgefäss 10 oder hinter diesem vorgesehen ist.
Nachdem die Temperatur der Flüssigkeit auf den vorbestimmten Wert erhöht worden ist, indem Dampf in die Vorrichtung 7 eingeführt worden ist, wird das Dreiwegventil 19 auf Grund der Tätigkeit des temperaturempfindlichen Elementes 20 und der Vorrichtung 21 in jene Lage zurückgestellt, in der die Flüssigkeit in das Expansionsgefäss 10 geleitet wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Wärmebehandlung einer Flüssigkeit, die zuerst indirekt vorerwärmt, sodann auf eine vorbestimmte Temperatur durch direktes Mischen oder durch Einblasen von Dampf erhitzt und schliesslich in einem evakuierten Gefäss auf eine der Flüssigkeit nicht abträgliche Temperatur durch schnelle Druckentlastung gekühlt wird, wobei die als Folge der Druckentlastung auftretende Verdampfung eine rlüssigkeitsmenge entzieht, die gleich jener ist, die durch Zumischen bzw.
Einblasen von Dampf der Flüssigkeit zugesetzt wurde, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit indirekt auf eine konstante Temperatur vorerwärmt wird und dass der Unterschied zwischen der Temperatur der Flüssigkeit vor der direkten Mischung mit Dampf und nach der Druckentlastung auf einem vorbestimmten Wert dadurch gehalten wird, dass der Druck (das Vakuum), bei dem die Verdampfung erfolgt, geregelt wird.