DE10160275A1 - Schneiden von Objekten mit Flüssiggas - Google Patents

Abstract

Die Vorrichtung für das Schneiden von Objekten wie Lebensmitteln mit Hilfe eines Hochdruckstrahles 11 eines tiefkalt verflüssigten Gases (z. B. Flüssig-Stickstoff), enthält eine Quelle 1 (Speicherbehälter) für das tiefkalt verflüssigte Gas, eine Hochdruckpumpe 6 und mindestens eine Strahldüse 10.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für das Schneiden von Objekten wie Lebensmitteln mit einem Hochdruckflüssigkeitsstrahl, eine Hochdruckflüssigkeitsstrahldüse, ein Verfahren zum Schneiden von Objekten, insbesondere Lebensmitteln, und die Verwendung eines tiefkalt verflüssigten Gases.
• Zum Schneiden von Lebensmitteln (z. B. extrudiertes Speiseeis, Torten, Teige, Fleischprodukte, Gemüse) werden mechanische Verfahren wie das Schneiden mit beheizten Drähten eingesetzt. Nachteil dieses Verfahrens ist das Reißen der Drähte während der Produktion und der damit verbundene Produktionsausfall, das Verschmutzen der Drähte und der Produkte und eine teilweise Verformung des zu schneidenden Gutes.
• Ferner sind Wassersschneidsysteme für Kunststoffe bekannt (Römpp Chemie Lexikon, 9. Auflage, Band 5, PI-S. Stichwort "Schneiden", Paperback-Ausgabe, Georg Thieme Verlag, Stuttgart 1995, Seite 4044-4045).
• Nachteile dieser Verfahren sind die Verformung der Produkte, Verschmutzung der Produkte und des Anlagenequipments, sowie die Aufbereitung und Entsorgung des Wassers.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine alternative Vorrichtung und ein alternatives Verfahren zum Schneiden von Objekten, insbesondere Lebensmitteln, bereitzustellen.
• Gelöst wurde die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den in Anspruch 1 beschriebenen Merkmalen.
• Die Vorrichtung für das Schneiden von Objekten, insbesondere Lebensmitteln, mit Hilfe eines Flüssigkeitshochdruckstrahles eines tiefkalt verflüssigten Gases enthält eine Quelle für das tiefkalt verflüssigte Gas, ein Mittel zum Erzeugen eines Hochdruckes wie eine Hochdruckpumpe und mindestens eine Strahldüse. Durch einen Strahl eines tiefkalt verflüssigten Gases, der vorzugsweise gebündelt ist, wird unter erhöhtem Druck das Produkt geschnitten (getrennt).
• Als Quelle für das tiefkalt verflüssigte Gas dienen in der Regel isolierte Vorratsbehälter, wie sie üblicherweise für tiefkalte, verflüssigte Druckgase verwendet werden, mit einem tiefkalt verflüssigten Gas. Solche Behälter sind z. B. vakuumisoliert oder weisen eine sogenannte Superisolierung auf.
• Als tiefkalt verflüssigtes Gas (Flüssiggas) werden vorzugsweise tiefkalte, verflüssigte Druckgase wie Stickstoff, Sauerstoff oder Argon eingesetzt, vorteilhaft Stickstoff oder Argon. Diese Flüssiggase sind inert und gut verfügbar.
• Die Schneidleistung des Hochdruck-Flüssiggasstrahles wird verbessert durch Zusatz von Partikeln aus einem kälteverfestigten Medium wie Eis oder vorzugsweise festes Kohlendioxid. Die Größe der Partikel muß unterhalb des Durchmessers der Strahldüse sein, damit die Strahldüse nicht durch die Partikel verstopft wird. Beispielsweise werden Eispartikel durch Ausfrieren eines Wasserdampf-gesättigten Gases erzeugt. Partikel aus festem Kohlendioxid werden z. B. durch Entspannen von Kohlendioxid aus einem Hochdruckbehälter erhalten.
• Der Flüssiggas-Hochdruckstrahl oder Hochdruckflüssigkeitsstrahl wird im allgemeinen mit Hilfe einer Hochdruckpumpe erzeugt, die im Druckbereich von 500 bis 1000 bar, vorteilhaft im Bereich von 800 bis 1000 bar arbeitet. Einsetzbar sind Flüssigkeitshochdruckpumpen, insbesondere Hochdruckkolbenpumpen, die für tiefkalt verflüssigte Gase ausgelegt sind. Solche Pumpen sind kommerziell erhältlich, z. B. von der Firma Krythem, Willich. Die Pumpen sind vorzugsweise mit einem Kühlmantel (Doppelmantel mit durchfließender Kühlflüssigkeit wie Flüssigstickstoff) ausgestattet.
• Die Vorrichtung oder Teile der Vorrichtung, insbesondere Teile der Vorrichtung wie Hochdruckpumpe, Rohrleitung oder Strahldüse, werden vorteilhaft gekühlt, wobei die Kühlung z. B. mit flüssigem Stickstoff von -196°C bei 1 bar absolut bei Anwendung von tiefkalt verflüssigtem Stickstoff als Flüssiggas erfolgt. Besonders vorteilhaft ist die Kühlung des Düsenkopfes mit der Strahldüse, wodurch die Bildung von Gas durch verdampfendes Flüssiggas im Düsenkanal wirkungsvoll vermieden werden kann. Die bevorzugte Strahldüse besteht aus einem Düsenkopf mit einem Düsenkanal mit einem Durchmesser, der dem Durchmesser der Austrittsöffnung der Düse entspricht, und einer Kühleinrichtung. Als Kühleinrichtung hat sich ein Doppelmantel (Kühlmantel) am Düsenkopf bewährt, durch den ein flüssiges Kühlmedium wie tiefkalt verflüssigter Stickstoff geleitet wird. Der Düsenkopf besteht in der Regel aus Metall, vorzugsweise aus Edelstahl. Der Düsenkanal besteht bevorzugt aus härteren Materialien, z. B. Rubin. Der Düsenkanal ist z. B. eine Bohrung im Düsenkopf. Der Düsenkanal hat z. B. eine Länge von 15 bis 20 mm und einen Durchmesser von 0,2 mm bei einem Flüssiggas wie tiefkalt verflüssigter Stickstoff.
• Das zu schneidende Produkt (Objekt) sind vorzugsweise Lebensmittel, insbesondere Lebensmittel mit einer Temperatur im Bereich von 0°C bis Raumtemperatur und gefrorene oder tiefgefrorene Lebensmittel. Lebensmittel sind z. B. Speiseeis, Torten, Teige, Fleisch, Fleischprodukte, Wurst, Käse, Geflügel, Obst, Gemüse. Die Lebensmittel sind beim Schneiden in der Regel unverpackt. In der Praxis eignet sich das Verfahren zum Schneiden von verschiedenen Produkten oder Objekten mit einer vergleichbaren Festigkeit. Solche Objekte sind z. B. lebendes oder totes Gewebe, Pflanzenteile.
• Vorteile des Flüssiggas-Strahlschneidens sind ein besseres Schnittbild, längere Standzeiten und ein geringer Verschmutzungsgrad durch das rückstandsfreie Verdampfen des Flüssiggases (z. B. Flüssig-Stickstoff) im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren.
• Die Vorrichtung und das Verfahren dienen somit für das Trennen von Objekten.
• Die Erfindung wird anhand der Zeichnung weiter erläutert.
• Fig. 1 zeigt ein Schema einer Vorrichtung für das Flüssiggas-Strahlschneiden.
• Die Vorrichtung und das Verfahren werden anhand des Beispieles in Fig. 1 beschrieben.
• Tiefkalt verflüssigter Stickstoff befindet sich in einem Lagerbehälter 1 (Speicherbehälter) als Flüssiggas-Quelle. In dem Lagerbehälter herrscht bei dem Betrieb der Vorrichtung in der Regel ein Überdruck (Siededruck), z. B. ein Druck von um 3 bar (absolut). Über eine Leitung 2 für das Flüssiggas wird einem Unterkühler 3 Flüssiggas (Flüssigstickstoff, LN₂) zugeführt, wo das Flüssiggas vorzugsweise auf minus 196°C abgekühlt wird. Am Unterkühler 3 ist vorteilhaft ein Abblasventil oder Absperrelement 4 (Ventil) zur Druckentspannung im Kühlsystem angeordnet. Der Unterkühler 3 ist eine Art Wärmetauscher, der über die Leitung 5 mit Flüssiggas als Kühlmittel gespeist wird. Der Unterkühler ist z. B. ein Behälter mit dem Kühlmittel, in dem eine Kühlschlange (Rohrwendel) angeordnet ist, durch die das von der Leitung 2 kommende Flüssiggas geleitet wird. Im Fall von Flüssigstickstoff als Flüssiggas hat der Flüssigstickstoff in der Leitung 2 (Niederdruckleitung) in der Regel eine Temperatur von um minus 180°C bei einem Druck von 3 bar (Vordruck). Im Unterkühler wird vorteilhaft durch Entspannen von Flüssigstickstoff als Kühlmedium (durch Öffnen des Ventiles 4) auf Atmosphärendruck eine Temperatur von minus 196°C erzeugt. Vom Unterkühler 3 gelangt das abgekühlte Flüssiggas zu der Hochdruckpumpe 6. Die Leitung zwischen dem Ausgang des Unterkühlers 3 und dem Eingang der Hochdruckpumpe 6 sollte möglichst kurz sein. Die Hochdruckpumpe 6 erzeugt einen Flüssigkeitsdruck (Hinterdruck) vorzugsweise im Bereich von 800 bis 1000 bar in der Leitung (Hochdruckleitung) zur Schneiddüse 10. In dieser Leitung ist vorteilhaft ein Druckfühler 9 angeordnet. Vor der Strahldüse 10 ist vorteilhaft ein Leitungsausgang mit einem Absperrelement 7 (Absperrventil, z. B. kryogenes Magnetventil), womit sich das System vor dem eigentlichen Schneidbetrieb kaltfahren läßt, und ein optionaler Leitungsausgang mit einem Absperrelement 8, der z. B. Teil von einem Bypass ist. Der Schneiddüse 10 wird in der Regel ein weiteres, nicht gezeigtes Absperrelement vorgeschaltet. Die Schneiddüse 10 (Strahldüse) besteht aus einem Düsenkopf, vorzugsweise aus Edelstahl, der einen Düsenkanal vorzugsweise aus Rubin (z. B. eine Bohrung) mit einer Länge von z. B. 15 bis 20 mm und einem Durchmesser von z. B. 0,2 mm aufweist. Das Ende des Düsenkanales bildet die Austrittsöffnung der Düse. Der Düsenkopf weist vorzugsweise einen Doppelmantel (Kühlmantel) zur Kühlung mit durchfließendem Kühlmittel (z. B. Flüssigstickstoff, -196°C, 1 bar). Die Kühlung des Düsenkopfes verhindert eine Dampfbildung im Düsenkanal. Durch die Schneiddüse 10 wird das Flüssiggas gepreßt, wobei z. B. ein gebündelter Flüssigstickstoff-Strahl von etwa 80 mm Länge erzeugt wird. Der erzeugte Flüssiggas-Strahl 11 wird zum Schneiden auf das Objekt (z. B. Lebensmittel, im Versuch eine geschälte Banane) gerichtet. Der Abstand der Düse 10 zum zu trennenden Objekt (Schneidgut) beträgt z. B. 5 mm. Der Flüssiggas-Strahl erzeugt einen sehr sauberen Schnitt in dem Lebensmittel, wobei das Schneidgut sehr schonend und ohne Verschmutzung getrennt wird.
• Selbstverständlich sind die Teile der Vorrichtung für den Flüssiggas-Einsatz entsprechend kälte-isoliert. Für die Niederdruckleitungen werden vorzugsweise vakuumisolierte Rohre, insbesondere aus Edelstahl, verwendet. Die Niederdruckleitungen haben z. B. einen inneren Durchmesser von 14 mm (DN 14). Die Hochdruckleitungen haben z. B. einen inneren Durchmesser von 4 bis 8 mm. Vorteilhaft werden Teile der Vorrichtung gekühlt, insbesondere mit Kühlflüssigkeit wie Flüssigstickstoff. Beispielsweise wird als Pumpe 6 eine Hochdruckpumpe mit Kühlmantel eingesetzt. Die Kühlung der Düse 10 wurde bereits erwähnt.

Claims (16)

1. Vorrichtung für das Schneiden von Objekten mit Hilfe eines Hochdruckstrahles (11) eines tiefkalt verflüssigten Gases, enthaltend eine Quelle (1) für das tiefkalt verflüssigte Gas, ein Mittel zum Erzeugen eines Hochdruckes (6) und mindestens eine Strahldüse (10).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Erzeugen eines Hochdruckes (6) eine Hochdruckpumpe ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein Mittel (3) zum Unterkühlen von tiefkalt verflüssigtem Gas aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt ein Lebensmittel ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, daß die Vorrichtung eine Strahldüse (10) mit einem Durchmesser im Bereich von 0,1 bis 0,3 mm aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckpumpe (6) im Druckbereich von 500 bis 1000 bar arbeitet.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein Mittel zur Zumischung von Partikeln eines kälteverfestigten Mediums in tiefkalt verflüssigtes Gas aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Erzeugen eines Hochdruckes (6) eine Hochdruckpumpe ist.

8. Vorrichtung für das Schneiden von Objekten, gekennzeichnet durch ein Mittel zur Erzeugung eines Hochdruckstrahles (11) eines tiefkalt verflüssigten Gases.

9. Hochdruckflüssigkeitsstrahldüse (10), umfassend ein Mittel zum Kühlen.

10. Verfahren zum Schneiden von Objekten, insbesondere Lebensmitteln, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hochdruckstrahl (11) aus tiefkalt verflüssigtem Gas auf das Objekt gerichtet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß flüssiger Stickstoff als tiefkalt verflüssigtes Gas eingesetzt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das zu schneidende Objekt gekühlt, gefroren, tiefgekühlt oder tiefgefroren ist.

13. Verwendung eines Hochdruckstrahles, erzeugt aus einem tiefkalt verflüssigten Gas, zum Schneiden von Objekten.

14. Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt ein Lebensmittel, gefrorenes oder tiefgefrorenes Lebensmittel ist.

15. Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß tiefkalt verflüssigte Gas Eispartikel oder Partikel eines kälteverfestigten Mediums enthält.