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Verfahren und Vorrichtung zum Trocknen von tiefgekühlten, wasserhaltigen, hitzeempfindlichen Materialien
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung von neuen gefriergetrockneten Produkten, insbesondere zur Herstellung einer neuen Art von Bohnenkaffee-Extrakt in Teilchenform.
Das Trocknen von leicht verderblichen Materialien in tiefgekühltem Zustand ist bereits bekannt. Bis jetzt jedoch stand kein Verfahren zur Verfügung, nach welchem das Gefriertrocknen schnell und doch schonend durchgeführt werden konnte.
Beim Gefriertrocknen muss die für die Umwandlung des Wassers (Eis) in Dampf notwendige Wärme ohne auch nur teilweises Überhitzen des Produktes zugeführt werden. Wird das Trocknen sehr langsam ausgeführt, dann ist diese Frage kein Problem, aber je schneller der Vorgang durchgeführt wird, umso grösser ist die notwendige Wärmezufuhr und umso grösser ist die Gefahr der Überhitzung der Oberfläche des zu trocknenden Produktes.
Alle bisherigen Massnahmen zur Beschleunigung der Trocknung durch starke Wärmezufuhr ergaben ein Anbrennen bzw. Überhitzen der äusseren Teile des zu trocknenden Gutes. Meistens ergibt eine solche Überhitzung eine Verschlechterung der Qualität des Produktes, aber selbst wenn dies nicht der Fall ist, war das Ergebnis ein nicht homogenes Produkt.
Ein weiteres Problem, das bei Gefriertrocknungsverfahren in Betracht gezogen werden muss, ist die Notwendigkeit, mit grossen Dampfvolumina arbeiten zu müssen. Statt einer Volumsvergrösserung von etwa 1 : 1700, die für die Überführung von flüssigem Wasser in Dampf bei Atmosphärendruck charakteristisch ist, beträgt das volumetrische Verhältnis bei den beim Gefriertrocknen verwendeten niedrigen Drucken gewöhnlich 1 zu Millionen oder sogar Hunderten von Millionen. Die Grösse der erforderlichen Apparaturen bei solchen grossen Dampfvolumina bedeutet einen sehr grossen Kapitalaufwand im Verhältnis zu den zu behandelnden Materialmengen.
Um die Grösse der Gefriertrockenapparaturen, die notwendig sind, um mit grossen Dampfmengen zu arbeiten, möglichst klein zu halten, wurde bereits vorgeschlagen, die Fliessgeschwindigkeit des Dampfes auf seinem Weg von der Zone, wo er entwickelt wird, zu den Pumpen, die ihn aus der Apparatur entfernen, möglichst hoch zu halten.
Es ist offensichtlich, dass der Durchmesser des Leitungsrohres oder Fliessweges, das bzw. der erforderlich ist, um den Dampf aus der Apparatur zu entfernen, umso grösser sein muss, je langsamer die Abfuhr des Dampfes stattfindet. Wenn eine hohe Dampfgeschwindigkeit erreicht wird, kann das Rohr kleiner und daher weniger kostspielig sein, als wenn mit einerniedrigerenGeschwindigkeitgearbeitet wird.
Aus diesen Gründen war das Gefriertrocknen bisher wirtschaftlich nur für die langsame Behandlung von teuren Materialien anwendbar, für welche die Behandlungskosten einen relativ geringen Prozentsatz der Gesamtkosten ausmachten.
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der Wasserdampfmoleküle unter den im Strömungsweg herrschenden Bedingungennichtübersteigengelassen wird.
Die Wirksamkeit des Verfahrens wird durch die Tatsache demonstriert, dass die mittlere dynamische Wasserlast, d. h. die mittlere Geschwindigkeit, mit welcher der Wasserdampf aus einer Flächeneinheit der zu trocknenden Oberfläche entwickelt wird, oder der Produktweg während des Trocknungszyklus wenigstens 1. 22 kg/h. m ! für alle Produkte beträgt und etwa 1, 95 kg/h. m2 übersteigen kann. wenn das zu trocknende Material in Form von Stücken vorliegt, die einen Durchmesser von weniger als etwa4, 8 mm besitzen. Überdies wird diese hohe Trockengeschwindigkeit ohne nachteilige Wirkung auf die Qualität des Produktes, wie etwa Anbrennen oder Erhärtung, erzielt.
Die in Form von Strahlungsenergie zugeführte Wärmeenergie besitzt zweckmässig wenigstens zu etwa 50% und vorzugsweise zu etwa 801o eine Wellenlänge, die länger als etwa 2, 5 u ist. Obwohl Strah- lungsenergie bevorzugt wird, können auch andere Methoden der Wärmezufuhr zu den Partikeln, wie etwa Wärmeleitung und dielektrisches oder Mikrowellenerhitzen, verwendet werden.
Die gefrorenen Partikel werden in Bewegung oder Vibration gehalten oder anderweitig bewegt, um die Flächenorientierung der Partikel dauernd zu ändern. Auf diese Weise steht von jedem Partikelein sich im wesentlichen ständig ändernder Flächenteil zur Energieabsorption von der Energiequelle zur Verfügung, wodurch verhindert wird, dass örtlich heisse Stellen entstehen, während trotzdem eine grosse Energieabsorption ermöglicht wird.
Bei einer vorzugsweise kontinuierlichen Ausführungsform des Verfahrens können die Vibrationen auch dazu verwendet werden, um die Partikel auf ihrem Weg durch die Trocknungszone fortzubewegen.
Die Vibration und die Dicke der Schicht werden zweckmässigerweise so aufeinander abgestimmt, dass
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das Abschirmen eines Partikels durch andere weitgehend vermieden wird.
Die Temperatur der Partikel wird jederzeit hinreichend niedrig gehalten, dass die Partikel an keiner Stelle auftauen können. Das Auftauen der Partikel wird dadurch verhindert, dass der Druck in der Zone hinreichend niedrig gehalten wird, so dass der durch die Sublimierung der Eiskristalle in den Partikeln verursachte Kühleffekt die Partikel in fest gefrorenem Zustand hält.
Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen bedeutet Fig. 1 eine schematische Darstellung des Verfahrensablaufes, Fig. 2 eine Vorderansicht der Trocknungskammer, teilweise im Schnitt, um deren Inneres zu zeigen, und Fig. 3 eine Seitenansicht der Kammer nach Fig. 2, ebenfalls teilweise im Schnitt.
Wie in Fig. l gezeigt, kann das Produkt, wenn es flüssig ist, wie etwa Orangensaft, flüssiger Kaffee, Grapefruitsaft, Tomatensaft, usw., wenn es erforderlich ist, in die Pasteurisiervorrichtung - 10-eingebracht werden, wo es auf die jeweils gewünschte Pasteurisiertemperatur erhitzt wird.
Dann wird das Produkt einem Vorkühler -11- zugeführt, wo es fast bis zum Gefrierpunkt abgekühlt wird, und sodann der Gefriervorrichtung-12-, wo es schnell gefroren wird, gewöhnlichbei einer Temperatur von etwa-9 bis-30 C oder niedriger, je nach dem Material.
Das Produkt muss in Form von kleinen Stückchen oder Partikeln vorliegen. Wenn es nicht von Natur aus so vorliegt, wird es zerkleinert oder gemahlen, z. B. durch eine, gekühlte Mahlvorrichtung - 13- (die ein-oder mehrstufig sein kann), u. zw. praktisch ohne Temperaturerhöhung, wobei vorzugsweise Partikel von gleichförmiger Grösse erzeugt werden. Bei Flüssigkeiten oder halbfesten Stoffen, wie etwa Kaffee oder Paradeismark, wird das gefrorene Material auf eine relativ kleine Teilchengrösse gemahlen, um die Oberfläche für das Sublimieren von Eis zu vergrössern.
Es wurde auch gefunden, dass die Partikel vorzugsweise nicht extrem klein sein sollen, weil sie dann leicht vom Strom des Wasserdampfes, der zu den Kühlplattenkondensatoren fliesst, mitgenommen werden können und so verlorengehen. Eine zufriedenstellende Partikelgrösse für viele Produkte liegt etwa zwischen 1 und 5 mm, was klein genug ist, um ein schnelles Trocknen ohne Mitführung durch den Wasserdampfstrom zu ermöglichen.
Feste Produkte, wie beispielsweise Heidelbeeren, Hühnerfleisch und Krabben, werden zunächst gefroren und dann zerkleinert oder, wenn notwendig, auf die gewünschte Teilchengrösse zerschnitten, wobei zu beachten ist, dass, je grösser die Partikel sind, desto grösser auch die erforderliche Trocknungszeit ist. Wenn die Partikelgrössen sehr verschieden sind, dann können die Partikel gesiebt wer- den. und die grösseren können noch einmal zerkleinert werden, oder aber die Partikelchargen verschiedener Grösse werden getrennt durch die Vorrichtung geleitet ; es können auch Partikel verschiede- ner Grösse an verschiedenen Stellen in das Verfahren eingeführt werden oder es können verschiedene Vorrichtungen für verschiedene Partikelgrössen benutzt werden. Solche Verfahrensmodifikationen sind dem Fachmann bekannt.
Die kalten Partikel werden dann in die Kaltluftschleuse-14-eingeführt, wo alle Luft entfernt wird, und die Partikel werden dann in einem Vakuum von etwa 400 bis 800 p Hg gehalten, bevor sie in die Trockenvorrichtung-16-eingeführt werden. Mit der Kaltluftschleuse-14-steht eine nicht dargestellte Vakuumpumpe durch ein Rohr-15-in Verbindung, die vorzugsweise einen Kühlplattenkondensator aufweist.
In bestimmten Zeitabständen wird das Material aus der Kaltluftschleuse-14-einem Einfülltrichter-23-in der Trockenvorrichtung-16-zugeführt und von dort durch eine steuerbare vibrie-
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Gemäss den Fig. 2 und 3 besteht die Trockenvorrichtung-16-aus einer abgeschlossenen Kammer-25-mit einem oder mehreren Stapeln von Schalen-21-, an deren Seiten Kühlplatten oder kalte Wände -20- angeordnet sind. Diese Kühlplatten werden auf einer geeigneten niedrigen Temperatur von gewöhnlich etwa -45oC, vorzugsweise unteretwa-68 C, gehalten, u. zw. mittels Trockeneis, mechanischer Kühlung oder mittels anderer geeigneter Kühlmittel, wie beispielsweise kalten Flüssigkeiten.
Die Kühlplatten wirken wie Hochgeschwindigkeitspumpen und halten einen niedrigen Druck aufrecht, indem Wasserdampf oder andere kondensierbare Gase auf der kalten Oberfläche zum Kondensieren und Gefrieren gebracht werden.
Eine oder mehrere Leitungen -26- führen zu einer nicht dargestellten Evakuiervorrichtung, durch die der Druck in der Kammer-25-bei Beginn des Trocknens schnell herabgesetzt wird. Bei Betrieb der Vorrichtung wird die Evakuiervorrichtung, die bei --26-- angeschlossen ist, weitgehend überflüssig und dient lediglich zur Entfernung irgendwelcher nicht kondensierbarer Gase, die möglicherweise in
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die Vorrichtung gelangt sein können.
Bei der dargestellten Ausführungsform hat jede derSchalen-21-einen oder mehrere Vibratoren - 30-. Die Vibratoren -30- bilden zusammen mit den Schalen-21-eine vibrierende Fördervor- richtung bekannter Art. Eine Fördervorrichtung dieser Art verleiht den sich auf ihr fortbewegenden Partikeln eine"tanzende", d. h. hüpfende und drehende Bewegung, wobei die Partikel sich gegenseitig nur wenig berühren.
Die Vibratoren sind vorzugsweise so ausgeführt, dass sie es ermöglichen, die Frequenz und/oder Amplitude in einem weiten Bereich zu steuern, was zum richtigen Fortbewegen der Partikel zweckmässig ist. Werden hitzeempfindliche Produkte behandelt, dann kann man auch kurzzeitig die Vibration abstellen, was aber normalerweise nicht länger als 30 bis 60 sec dauern soll.
Die Schalen -21- können, wie gezeigt, horizontal liegen oder schräg nach oben oder nach unten geneigt sein.
Jede Kühlplatte -20- weist selbstverständlich Einlässe für das Kühlmedium auf. In den Zeichnungen ist nur der Einlass-28-dargestellt. Es sind Einrichtungen zur Entfernung des Eises, das sich an den Kühlplatten-20- sammelt, vorgesehen. Diese sind nicht dargestellt, da geeignete Einrichtungen allgemein bekannt sind. Geeigneterweise kann das Eis dadurch entfernt werden, dass man ein heisses Medium durch die Einlässe -28- der Kühlplatten führt oder durch Erhitzen oder Biegen der Oberfläche der Kühlplatte selbst oder aber durch gewöhnliches mechanisches Abkratzen. Leitwände -27- fUhren das von den Kühlplatten-20-entfernte Eis auf den Boden der Kammer, wo es z.
B. durch Brecher - 27 a- zerkleinert und dann durch geeignete Vorrichtungen (nicht dargestellt), z. B. eine Förderschnecke, durch die Luftschleusen-27b-entfernt wird.
Die für die Sublimierung des Eises im Produkt erforderliche Wärme wird vorzugsweise in Form von Strahlungswärme zugeführt. Die Fig. 2 und 3 zeigen für diesen Zweck erhitzte Platten-24-, dienach unten die Wärmeenergie auf die gefrorenen Partikel auf den Schalen -21- übertragen.
Es wurde gefunden, dass die Wellenlänge der Strahlungsenergie wichtig ist, um sicherzustellen, dass die Energie zur tatsächlichen Sublimierung des Eises wirksam verwendet wird und nicht bloss zu einer unerwünschten Erhitzung der Vorrichtung. Dies wird erreicht, wenn ein erheblicher Teil der Strah-
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wird auch wegen des geringen Anteiles sichtbarer und ultravioletter Strahlung eine Bleichung des Produktes verhindert.
Die für die Erfindung geeignete Strahlungsenergie wird theoretisch von einem schwarzen Körper geliefert, der auf eine Temperatur von nicht mehr als etwa 5000C erhitzt wird. Die verhältnismässig niedrige Abgabeintensität einer solchen Strahlungsquelle erfordert eine verhältnismässig grosse strahlende Fläche, um genügend Energie abzustrahlen. Die Platten-24-werden elektrisch über Wärme- steuervorrichtUngen -17-, die an die Kraftstromleitung --18-- angeschlossen sind, auf die gewünschte Betriebstemperatur erhitzt. Die Platten-24-können auch von hinten auf jede geeignete Art auf die gewünschte Betriebstemperatur erhitzt werden.
Die Temperatur des jeweiligen Produktes, das behandelt wird, darf eine bestimmte Maximaltemperatur, die für verschiedene Produkte verschieden hoch ist, nicht übersteigen, wenn eine Verschlechterung der Qualität des Produktes vermieden werden soll. Beispielsweise soll die Temperatur bei getrockneten Kaffeegetränken während der gesamten Behandlungszeit etwa 320C nicht überschreiten. Wenn der Wasser- (Eis) gehalt des Produktes relativ hoch ist, dann kann z. B. bei Beginn des Verfahrens die Wärmezufuhr auch relativ hoch sein, ohne dass dabei die maximal zulässige Temperatur des Produktes überstiegen wird, weil durch die Energiezufuhr nur eine rasche Sublimierung des Eises an der Oberfläche des Produktes ohne Temperaturanstieg bewirkt wird.
Bei Fortschreiten des Trocknens jedoch bewegt sich die Eislinie in das Innere des Partikels und die Oberfläche ist nicht mehr durch die Sublimierung des Eises gegen ein unerwünschtes Ansteigen der Temperatur geschützt. Die erlaubte Hitzezufuhr kann demgemäss in den späteren Stadien des Verfah- rens nicht mehr so gross sein wie am Beginn. Um eine optimale Trocknung zu erreichen, soll daher die Energiezufuhr mit fortschreitender Trocknung herabgesetzt werden.
Zu diesem Zweck kann man die Metallplatten --24- in mehrere einzelne Abschnitte -24a, 24b, 24c -, usw. (Fig. 3) untertei- len, wobei jeder Abschnitt mit einer eigenen unabhängigen Wärmesteuervorrichtung, ähnlich der Steuervorrichtung-17-, die an die entsprechenden Leiter-19. 19a. l9b-, usw. angeschlossen ist. versehen ist.
Beim typischen Verfahrensbetrieb mit solchen Abschnitten wird der erste Abschnitt (d. h.-24a-) zu der höchsten von der Steuervorrichtung-17-festgesetzten Temperatur erhitzt und jeder nachfot-
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gende Abschnitt wird durch das Vorsehen ähnlicher Steuervorrichtungen-17-, die an die entsprechenden Leiter-19, 19a oder 19b-- angeschlossen sind, kühler sein, wobei auf diese Weise innerhalb jedes Abschnittes die grösste Wärmezufuhr, die gerade noch unter Vermeidung einer Beeinträchtigung der Qualität des Produktes zulässig ist, erreicht wird.
Wenn notwendig, können Kühlvorrichtungen-29-, zweckmässig in Form von Leitungen oder Kühl- schlangen, innerhalb oder an der Unterseite der Schalen-21-zu deren Kühlung angeordnet sein, damit die gefrorenen Partikel nicht tauen und zusammenbacken oder an den Schalen-21-anhaften. Es wurde gefun- den, dass das Kühlen wenigstens eines Teiles des Oberflächenbereiches. über den sich das zu trocknende Ma- terial bewegt, für alle Produkte günstig ist. In einigen Fällen ist es im allgemeinen wünschenswert oder notwendig, die gesamte Oberfläche zu kühlen. Ein derartiges Kühlen der Oberfläche ergibt Produkte höchster Qualität.
Es wurde gefunden, dass bei allen Produkten wenigstens 20% des Wegbereiches, den das Produkt durchläuft, auf eine Temperatur von höchstens etwa OOC abgekühlt werden soll. In einigen Fällen, wie z. B. bei Kaffee- und Teegetränken, ist es wünschenswert, mindestens etwa 50% der Schalenfläche auf Temperaturen zwischen etwa -6 und -380C abzukühlen, während in wiederandern Fällen, wie beispielsweise beim Trocknen von Orangensaft und Paradeisprodukten, es für notwendig befunden werden kann, den gesamten Weg zu kühlen, um das Verkleben und eine Qualitätsverschlechterung des Produktes zu verhindern.
Das Kühlen der Schalen kann auf jede gewünschte Art erreicht werden, wie etwa durchzufuhr eines zirkulierenden Kühlmediums zu jedem der in Fig. 2 gezeigten Kühlrohre -29--, deren Anschlussstücke in den Zeichnungen nicht gezeigt sind.
Die spezifische Grösse und genaue Anordnung der Kühlplattenkondensatoren hängt in jedem besonderen Fall von der Anlage des Wegsystems ab. Um die volle Leistungsfähigkeit des erfindungsgemässen Trocknungsverfahrens zu erzielen, ist es jedoch notwendig, dass das Leitungsvermögen der Vorrichtung so gestaltet ist, dass die maximale Strömungsgeschwindigkeit des entwickelten Wasserdampfes niemals etwa 20% der arithmetischen mittleren Molekulargeschwindigkeit unter den in der Vorrichtung herrschenden Bedingungen übersteigt.
"Strömungsgeschwindigkeit" bezieht sich, in diesem Zusammenhang verwendet, auf die mittlere Geschwindigkeit, mit der die Wasserdampfmoleküle durch eine Querschnittsflächeneinheit hindurchgehen, die zum Strömungsweg senkrecht verläuft, berechnet aus der gemessenen Geschwindigkeit, mit welcher der Wasserdampf aus der Zone, wo er entwickelt wird, tatsächlich entfernt wird.
Die"Strömungsgeschwindigkeit" kann aus der folgenden Gleichung berechnet werden :
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worin A die Querschnittsfläche, durch die das Hindurchströmen erfolgt (m !), WdieMassenströmungs- geschwindigkeit von Wasserdampf (kg/sec), p die Wasserdampfdichte bei den herrschenden Tempe- ratur-und Druckbedingungen (kg/m$) bedeuten. Wenn die Variablen die beschriebenen Dimensionen aufweisen, ergibt die obige Gleichung die Strömungsgeschwindigkeit in Metern/Sekunde.
Die arithmetische mittlere Molekulargeschwindigkeit ist die theorethischeMaximalgeschwindigkeit eines Dampfstromes und ist lediglich eine Funktion des Molekulargewichtes des Dampfes und der absoluten Temperatur. Die arithmetische mittlere Molekulargeschwindigkeit kann aus der folgenden Gleichung für jedes Gas berechnet werden :
T 1/2
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worin M das Molekulargewicht des Gases und T die absolute Temperatur ( K) bedeutet. Wenn der zu betrachtende Dampf von Wasser stammt, wie es im erfindungsgemässen Gefriertrocknungsverfahren der Fall ist, ist die arithmetische mittlere Molekulargeschwindigkeit durch die folgende Gleichung gegeben :
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Der absolute Druck, der innerhalb der Trocknungszone aufrecht erhalten werden muss, hängt in erster Linie vom Gefrierpunkt des Produktes ab. Produkte mit relativ hohem Zuckergehalt, z. B. Fruchtsäfte, und demgemäss niedrigem Gefrierpunkt erfordern niedrigere Drücke als andere Produkte mit
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des in Fig. 3 durch Pfeile angegebenen Weges in einer"tanzenden"Bewegung, die durch die Vibratoren --30-- hervorgerufen wird, so dass alle Seiten jedes Partikels im wesentlichen gleichförmig dem Wärmemedium ausgesetzt sind. Die Durchgangsgeschwindigkeit durch die Trocknungszone ist auf die Heiz- und Kühlvorrichtungen so abgestimmt, dass das Produkt zum Zeitpunkt, zu dem es das Ende der Trocknungszone erreicht, vollständig getrocknet ist.
Das Produkt wird im Fülltrichter-31-gesam- melt, von dem es durch eine zweite Luftschleuse-32-, die gekühlt oder nicht gekühlt sein kann, in das Sammelgefäss-35-gelangt (Fig. l). Ein Vakuumanschlussstück-33--ist zur Evakuierung der Luftschleuse-32-vorgesehen.
Um die Erfindung zu illustrieren, wurde eine Anzahl von Nahrungsmittelprodukten in einer Versuchsanlage getrocknet. Die Versuchsanlage bestand aus einem Vakuumbehälter mit einer Länge von etwa 1, 83 m, einer Breite von 0, 61 m und einer Höhe von 9, 15 ru, der mit einer mechanischen Vakuumpumpe ausgestattet war, die imstande war, die Kammer in 10 min auf einen Druck von etwa 7 p zu evakuieren. Die Kammer war an ihren gegenüberliegenden Längsseiten mit Kühlplatten ausgestattet, wobei diese Kühlplatten eine wirksame Kondensierungsgesamtfläche von etwa 2. 24 m2 aufwiesen.
Diese Kühlplatten wurden durch eine Vorrichtung mit zirkulierendem, kaltem Salzwasser auf eine Temperatur von etwa -73oC abgekühlt. Der Weg, den das Produkt zu durchlaufen hatte, hatte eine Fläche von etwa l, 21 m2 und bestand aus Schalen von zusammen etwa 6, 1 m, die etwa 20, 3 cm breit, mit Kühlschlangen ausgestattet und an herkömmlichen Kühltrichtervibratoren befestigt waren, die eine im wesentlichen gleichförmige Vorwärtsbewegung und Rührung des Produktes über die gesamte Länge von 6, 1 m ermöglichten.
Parallel zu den Schalen auf der ganzen Länge des Weges mit genug Raum (etwa 7 cm) über den Schalen, um die notwendige Leitungsfähigkeit und niedrige Strömungsgeschwindigkeit des Wasserdampfes, die gemäss der Erfindung notwendig ist, zu gewährleisten, befanden sich quarzumhüllte Infraroter- hitzer, die in flache rostfreie Stahlmäntel, von etwa 15, 2 cm Breite eingeschlossen waren. Die Erhitzer waren in zwölf individuelle Heizzonen von annähernd gleicher Grösse gruppiert, von denen jede unabhängig gesteuert werden konnte.
Die Infraroterhitzer wurden dazu verwendet, um die rostfreien Stahlmäntel auf die gewünschte Betriebstemperatur zu erhitzen, während die erhitzten Mäntel ihrerseits Energie von geeigneter Wellenlänge auf das zu trocknende Produkt abstrahlten.
Die Daten sind in der folgenden Tabelle, die die Behandlung der verschiedenen Nahrungsmittelprodukte zeigt, zusammengefasst. Es ist sowohl das Heizprogramm für jede der zwölf Heizzonen als auch die erforderliche Zeit zum Trocknen des Produktes auf einen Feuchtigkeitsgehalt von etwa 5% oder weniger, mit der Ausnahme des Versuches X-9, angegeben. Die für die Heizzone angegebenen Temperaturen sind diejenigen der Stahlmäntel, die zum Abstrahlen der Hitze auf die Produkte verwen- det werden.
In jedem Fall wurde die Strömungsgeschwindigkeit für das erste Viertel der Vorrichtung berechnet, in dem etwa 75% des gesamten Wassers aus dem Produkt entfernt werden und indem die Geschwin- digkeit derDampfbildung und Strömungsgeschwindigkeit Maximalwerte besitzt. Die StrömungsflÅache für
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Im Versuch X-9 überstieg die Strömungsgeschwindigkeit bei den herrschenden Bedingungen 20% der arithmetischen mittleren Molekulargeschwindigkeit. In diesem Versuch wurde nach 48 min langem Trocknen ein unerwünschter Endfeuchtigkeitsgehalt von 12% erhalten. Diese unbefriedigenden Ergebnisse sollten mit denjenigen des Versuches X-40 verglichen werden, in dem ein wünschenswert niedriger Feuchtigkeitsgehalt (1,8Go) nach nur 36 min langem Trocknen erhalten wurde.
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Tabelle
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<tb>
<tb> Kühlplatten-Schalen-
<tb> % <SEP> Kammer- <SEP> tempe- <SEP> tempe- <SEP>
<tb> Versuch <SEP> Fest-druck <SEP> ratur <SEP> ratur <SEP>
<tb> Nr. <SEP> stoffe <SEP> ( <SEP> Hg) <SEP> ( C) <SEP> (oc)
<tb> X-40 <SEP> Kaffee-27, <SEP> 1 <SEP> 250-51, <SEP> 1-27, <SEP> 8 <SEP>
<tb> extrakt
<tb> X-35 <SEP> Tee- <SEP> 41,2 <SEP> 74 <SEP> -73,3 <SEP> -28,3
<tb> extrakt
<tb> X-34 <SEP> Tee-42, <SEP> 7 <SEP> 48-73, <SEP> 4-27, <SEP> 8 <SEP>
<tb> extrakt
<tb> X-46 <SEP> Tomaten-25, <SEP> 0 <SEP> 115-73, <SEP> 4-28, <SEP> 3 <SEP>
<tb> paste
<tb> X-144 <SEP> Tomaten-16, <SEP> 75 <SEP> 170-65, <SEP> 0-37, <SEP> 2 <SEP>
<tb> suppe
<tb> X-65 <SEP> gemah-25, <SEP> 3 <SEP> 150-51, <SEP> 1-23, <SEP> 3 <SEP>
<tb> lenes <SEP> Rindfleisch
<tb> X-120 <SEP> würfeli- <SEP> 40,0 <SEP> 150 <SEP> -51,1 <SEP> -17,8
<tb> ger <SEP> Schinken
<tb> X-145 <SEP> Tomaten-6,
<SEP> 5 <SEP> 150-65, <SEP> 0-37, <SEP> 2 <SEP>
<tb> saft
<tb> X-149 <SEP> Hühner- <SEP> 10, <SEP> 0 <SEP> 295 <SEP> -51, <SEP> 1 <SEP> -23, <SEP> 3 <SEP>
<tb> suppencreme
<tb> X-9 <SEP> Kaffee-27, <SEP> 0 <SEP> 55-73, <SEP> 5-29, <SEP> 0 <SEP>
<tb> extrakt
<tb>
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Tabelle (Fortsetzung nach rechts)
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<tb>
<tb> Heizprogramm
<tb> Versuch <SEP> ( C)
<tb> Nr.
<SEP> Teilchengrösse <SEP> Heizzonen
<tb> 1 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 4 <SEP> 5 <SEP> 6
<tb> X-40 <SEP> 84.0 <SEP> Gew.-% <SEP> 1,2-3,4 <SEP> mm <SEP> 293 <SEP> 324 <SEP> 329 <SEP> 293 <SEP> 271 <SEP> 254
<tb> 16,0 <SEP> Gew.-% <SEP> kleiner <SEP> als
<tb> 1, <SEP> 2 <SEP> mm <SEP>
<tb> X-35 <SEP> 84,0 <SEP> Gew.-% <SEP> 1,2-3,4 <SEP> mm <SEP> 340 <SEP> 262 <SEP> 268 <SEP> 232 <SEP> 204 <SEP> 190
<tb> 16,0 <SEP> Gew.-% <SEP> kleiner <SEP> als
<tb> 1, <SEP> 2 <SEP> mm <SEP>
<tb> X-34 <SEP> 84,0 <SEP> Gew.-% <SEP> 1,2-3,4 <SEP> mm <SEP> 329 <SEP> 257 <SEP> 254 <SEP> 232 <SEP> 207 <SEP> 190
<tb> 16.0 <SEP> Gew.-% <SEP> kleiner <SEP> als
<tb> 1, <SEP> 2 <SEP> mm
<tb> X-46 <SEP> 2.0 <SEP> Gew.-% <SEP> grösser <SEP> als <SEP> 332 <SEP> 282 <SEP> 249 <SEP> 237 <SEP> 221 <SEP> 216
<tb> 4, <SEP> 8 <SEP> mm
<tb> 65,0 <SEP> Gew.-% <SEP> 1,2-3,4 <SEP> mm
<tb> 33,
0 <SEP> Gew.-% <SEP> kleiner <SEP> als
<tb> 1,2 <SEP> mm
<tb> X-144 <SEP> 2, <SEP> 0 <SEP> Gew.-% <SEP> grösser <SEP> als <SEP> 274 <SEP> 265 <SEP> 254 <SEP> 260 <SEP> 260 <SEP> 232
<tb> 4, <SEP> 8 <SEP> mm
<tb> 65,0 <SEP> Gew. <SEP> -% <SEP> 1,2-3,4 <SEP> mm
<tb> 33,0 <SEP> Gew.-% <SEP> kleiner <SEP> als
<tb> 1, <SEP> 2 <SEP> mm
<tb> X-65 <SEP> sphärisch, <SEP> annähernd <SEP> 276 <SEP> 254 <SEP> 241 <SEP> 241 <SEP> 221 <SEP> 210
<tb> 0, <SEP> 48 <SEP> cm <SEP> Durchmesser
<tb> X-120 <SEP> 0, <SEP> 62 <SEP> cm <SEP> Kantenlänge <SEP> 293 <SEP> 254 <SEP> 229 <SEP> 232 <SEP> 213 <SEP> 216
<tb> X-145 <SEP> 1, <SEP> 2-3, <SEP> 4 <SEP> mm <SEP> 293 <SEP> 282 <SEP> 237 <SEP> 248 <SEP> 243 <SEP> 227
<tb> X-149 <SEP> 1, <SEP> 2-3, <SEP> 4 <SEP> mm <SEP> 293 <SEP> 282 <SEP> 232 <SEP> 248 <SEP> 248 <SEP> 237
<tb> X-9 <SEP> 70, <SEP> 8 <SEP> Gew.- <SEP> 1, <SEP> 2-3,
<SEP> 4 <SEP> mm <SEP> 360 <SEP> 271 <SEP> 271 <SEP> 241 <SEP> 227 <SEP> 216
<tb> 29,2 <SEP> Gew.-% <SEP> kleiner <SEP> als
<tb> 1, <SEP> 2 <SEP> mm
<tb>
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Tabelle (Fortsetzung nach rechts)
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<tb>
<tb> FeuchtigHeizprogramm <SEP> Trocken-keitsVersuch <SEP> ( C) <SEP> zeit <SEP> gehalt
<tb> Nr.
<SEP> Heizzonen <SEP> (min) <SEP> (% <SEP> H2O)
<tb> 7 <SEP> 8 <SEP> 9 <SEP> 10 <SEP> 11 <SEP> 12
<tb> X-40 <SEP> 238 <SEP> 232 <SEP> 232 <SEP> 166 <SEP> 166 <SEP> 199 <SEP> 36,0 <SEP> 1,8
<tb> X-35 <SEP> 176 <SEP> 190 <SEP> 194 <SEP> 216 <SEP> 143 <SEP> 160 <SEP> 43, <SEP> 0 <SEP> 5, <SEP> 0 <SEP>
<tb> X-34 <SEP> 185 <SEP> 202 <SEP> 260 <SEP> 163 <SEP> 154 <SEP> 218 <SEP> 50, <SEP> 0 <SEP> 2, <SEP> 3
<tb> X-46 <SEP> 207 <SEP> 207 <SEP> 216 <SEP> 176 <SEP> 216 <SEP> 204 <SEP> 39, <SEP> 0 <SEP> 2, <SEP> 3
<tb> X-144 <SEP> 216 <SEP> 216 <SEP> 288 <SEP> 254 <SEP> 232 <SEP> 210 <SEP> 47, <SEP> 0 <SEP> 3, <SEP> 0 <SEP>
<tb> X-65 <SEP> 210 <SEP> 190 <SEP> 235 <SEP> 210 <SEP> 194 <SEP> 182 <SEP> 69, <SEP> 0 <SEP> 2, <SEP> 8 <SEP>
<tb> X-120 <SEP> 216 <SEP> 216 <SEP> 216 <SEP> 199 <SEP> 179 <SEP> 157 <SEP> 98, <SEP> 5 <SEP> 2,
<SEP> 3 <SEP>
<tb> X-145 <SEP> 232 <SEP> 237 <SEP> 293 <SEP> 243 <SEP> 213 <SEP> 196 <SEP> 51, <SEP> 0 <SEP> 2, <SEP> 0 <SEP>
<tb> X-149 <SEP> 237 <SEP> 204 <SEP> 260 <SEP> 210 <SEP> 185 <SEP> 179 <SEP> 58, <SEP> 5 <SEP> 2, <SEP> 0 <SEP>
<tb> X-9 <SEP> 182 <SEP> 182 <SEP> 182 <SEP> IM <SEP> 171 <SEP> IM <SEP> 48, <SEP> 0 <SEP> 12, <SEP> 0 <SEP>
<tb>
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Tabelle (Fortsetzung nach rechts)
EMI10.1
<tb>
<tb> arithmetische
<tb> mittlere
<tb> dynamische <SEP> dynamische <SEP> Strömungs- <SEP> MolekularSchalen- <SEP> Wasser- <SEP> geschwin- <SEP> geschwin- <SEP>
<tb> Versuch <SEP> last <SEP> last <SEP> digkeit <SEP> digkeit <SEP>
<tb> Nr. <SEP> (kg/h. <SEP> m2) <SEP> (kg/h.
<SEP> m2) <SEP> (m/sec) <SEP> (m/sec)
<tb> X-40 <SEP> 3, <SEP> 12 <SEP> 2, <SEP> 28 <SEP> 21 <SEP> 527
<tb> X-35 <SEP> 3, <SEP> 26 <SEP> 1, <SEP> 92 <SEP> 60 <SEP> 518
<tb> X-34 <SEP> 2, <SEP> 63 <SEP> 1, <SEP> 53 <SEP> 75 <SEP> 518
<tb> X-46 <SEP> 2, <SEP> 63 <SEP> 1, <SEP> 97 <SEP> 39 <SEP> 521
<tb> X-144 <SEP> 2, <SEP> 48 <SEP> 2, <SEP> 06 <SEP> 28 <SEP> 525
<tb> X-65 <SEP> 2, <SEP> 97 <SEP> 2, <SEP> 22 <SEP> 30 <SEP> 525
<tb> X-120 <SEP> 2, <SEP> 00 <SEP> 1, <SEP> 20 <SEP> 18 <SEP> 525
<tb> X-145 <SEP> 1, <SEP> 925 <SEP> 1, <SEP> 80 <SEP> 27 <SEP> 525
<tb> X-149 <SEP> 2, <SEP> 26 <SEP> 2, <SEP> 03 <SEP> 16 <SEP> 530
<tb> X-9 <SEP> 3, <SEP> 60 <SEP> 2, <SEP> 65 <SEP> 108 <SEP> 518
<tb>
*) Berechnet bei der Temperatur, bei der der Dampfdruck des Eises gleich dem Kammerdruck ist.
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Aus der obigen Tabelle ist zu entnehmen, dass die Erhitzung des Behandlungsgutes zu Beginn der Behandlung am stärksten erfolgt. Es kann auch zweckmässig sein, die Erhitzungintensität im Laufe der Behandlung nicht kontinuierlich abfallen zu lassen, sondern dem Produkt, das unmittelbar vorher ziemlich stark erhitzt wurde, Gelegenheit zu geben, etwas abzukühlen, ehe es einer weiteren Erhitzung ausgesetzt wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann praktisch zum Trocknen jeden Materials mit einer Partikelgrösse von etwa 4, 8 mm oder kleiner auf einen Feuchtigkeitsgehalt von etwa 4% oder weniger innerhalb von etwa 90 min oder weniger verwendet werden.
Einige Materialien, z. B. Kaffee-Extrakt mit nicht mehr als etwa 40% Feststoffen, können auf einen Endfeuchtigkeitsgehalt von nicht mehr als etwa 4% in 30 oder weniger Minuten getrocknet werden, wäh- rend eine Entwässerung von wenigstens etwa 2, 93 kg/h. m2 ohne Schädigung der Qualität des Produk- tes erzielt wird.
Sowohl wegen dieses schnellen Trocknens als auch wegen der Gleichförmigkeit des erzielten Trocknens, wobei Überhitzen vermieden wird, bauen sich die so erhältlichen Produkte bei Zusatz von Wasser sehr schnell wieder auf und besitzen einen Geschmack und eine Gesamtqualität, die völlig anders als die von früher gefriergetrockneten Materialien dieser Arten sind und diese übertreffen. Das Produkt ist auch nicht geschichtet, wie es der Fall ist, wenn das Trocknen nur von einer oder zwei Flächen vorgenommen wird ; d. h. wenn es in einer Lage getrocknet wird, die in der USA-Patentschrift Nr. 2, 853, 796 gezeigt ist. Solche Produkte schrumpfen in einer Ebene und werden in den beiden andern Ebenen gestreckt.
Das Produkt zerbröckelt, entweder, wobei die Lage zerstört wird, oder es wird verzo- gen.
Es wurde gefunden, dass nach dem erfindungsgemässen Verfahren, ein trockener, kömchenförmiger löslicher Kaffee hergestellt wird, der eine Verbindung von Eigenschaften aufweist, die bisher in einem Produkt dieser Art nicht zur Verfügung standen. Der so erzeugte trockene Kaffee besitzt eine Form, die der von gemahlenem Kaffee gleicht, d. h. verhältnismässig grosse Partikel von pöröser bröckeliger Beschaffenheit. Das Produkt hat jedoch, was noch kennzeichnender ist, wenn es auf übliche Art wieder aufgebaut wird, ein Aroma, das dem Aroma des Kaffee-Extraktes, aus dem das Trockenprodukt hergestellt wurde, in einem höheren Masse als bisher möglich entspricht.
Das erfindungsgemäss erhältliche trockene Kaffeeprodukt hat einen Feuchtigkeitsgehalt von im allgemeinen weniger als 3% und eine Oberfläche von wenigstens etwa 7 m2/g. Es wurde gefunden, dass die Oberfläche eines derartigen Trockenkaffees ein wichtiges Merkmal darstellt, das dieses Produkt von andern bisher hergestellten löslichen Kaffeearten unterscheidet.
Es wäre an sich zu erwarten, dass jede Behandlung eines Kaffeeproduktes, die zur Entfernung von Wasser führt, zwangsläufig viele oder die meisten Aromabestandteile entfernen würde. Dassdies auch offensichtlich so ist, geht aus der Tatsache hervor, dass die bisher erhältlichen trockenen Kaffeepro- dukte nicht genau die Aromamerkmale der Kaffee-Extrakte wiedergegeben haben, aus denen sie hergestellt wurden.
Die grosse Oberfläche des erfindungsgemäss erhältlichen Produktes bietet nun erheblich mehr Mög- lichkeiten zur Adsorption dieser Aromabestandteile an der Oberfläche der Partikel. Die Aromabestandteile werden eher an der Oberfläche als im Wasser, das im Produkt enthalten ist, adsorbiert. Daher behält das Produkt die meisten seiner anfänglichen Aromabestandteile, obwohl sogar der Grossteil des Wassers entfernt wurde.
Um die verhältnismässig grosse Oberfläche, die das erfindungsgemäss erhaltene Kaffeeprodukt besitzt, anschaulich zu machen, wurden Oberflächenmessungen an einer Anzahl von bisher bekannten löslichen Kaffeeprodukten zum Vergleich mit der des neuen Produktes vorgenommen. In diesen Versuchen wurden Messungen an Trockenkaffeezusammensetzungen, die auf die folgende Art hergestellt wurden, gemacht :
A) Ein Kaffee-Extrakt, der 20% Feststoffe enthielt, wurde zu einer festen Lagegefroren. die sodann unter einer Glocke bei einem Druck von etwa 20 li während eines Zeitraumes von etwa 12 bis 13 h getrocknet wurde. Die so erzeugte trockene Lage wurde sodann für den Versuch in Partikel zerbrochen.
B) Derselbe Extrakt wie der für Produkt A verwendete wurde gefroren und in gefrorenem Zustand auf eine Partikelgrösse von etwa 0, 8 bis 2, 4 mm gemahlen und sodann in einer Glocke unter einem Druck von etwa 20 Jl während eines Zeitraumes von etwa 12 bis 13 h getrocknet.
C) Dieses Produkt ist ein im Handel erhältlicher sprühgetrockneter löslicher Kaffee, der typisch für Produkte dieser Art, die öffentlich verkauft werden, war.
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D) Als Darstellung des neuen Produktes wurde ein Kaffee-Extrakt mit etwa 201o Feststoffen in einer kontinuierlichen Weise zufolge des erfindungsgemässen Verfahrens getrocknet. Die angewendeten Verfahrensbedingungen waren annähernd diejenigen, die im ersten Versuch der obigen Tabelle dargelegt wurden. Die Oberfläche jedes der obigen Produkte wurde unter Verwendung der B. E. T.
Methode (s. "Scientific Foundations of Vacuum Technique" von Saul Dushman, John Wiley & Sons, Inc.,
1962 S. 395 bis 400) gemessen und brachte folgende Ergebnisse :
EMI12.1
<tb>
<tb> Produkt <SEP> Oberfläche
<tb> m/g
<tb> A <SEP> 1, <SEP> 4 <SEP>
<tb> B <SEP> 3, <SEP> 15 <SEP>
<tb> C <SEP> 2, <SEP> 55 <SEP>
<tb> D <SEP> 7, <SEP> 5 <SEP>
<tb>
Aus obigen Ziffern geht hervor, dass das erfindungsgemäss erhältliche Produkt eine spezifische Oberfläche hatte, die mehr als 2mal so gross war als die irgendeines der andem Produkte. Zusätzlich zeigte das neue Produkt, wenn es mit heissem Wasser auf übliche Weise wieder aufgebaut wurde, in kennzeichnend höherem Grade die typischen Geschmacksmerkmale von frisch bereitetem Kaffee, bei Fehlen jedweder geschmacklich abträglicher Merkmale.
In einer bevorzugten Ausführungsform bestehen wenigstens 50 Grew.-% des Produktes aus Partikeln mit einer Grösse von etwa 1, 2 bis 4, 8 mm.
Die Partikel des Produktes haben ein poröses zellenartiges Inneres, das deren Gewicht sehr gering und sie rasch in heissem Wasser löslich macht. Die Partikel sind, verglichen mit denjenigen der obigen Produkte A und B, obwohl sie zerreibbar sind, verhältnismässig bruchfest und unter Druck nicht so leicht in Pulver verwandelbar. Demgemäss kann das neue Produkt kommerziell behandelt und verschifft werden, ohne dass die Partikel zerbrechen. Aus diesem Grunde ist dasAbmessengleichförmiger Mengen des Produktes, z. B. mit einem Teelöffel leichter, verglichen mit einem Produkt, das als Mischung von verhältnismässig groben Partikeln und einem feinen Pulver vorliegen kann, das durch das Reiben beim Hantieren und Transportieren gebildet wird.
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