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I. Anwendungsgebiet
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Die
Erfindung betrifft im Allgemeinen Vorrichtungen und Verfahren zur
Behandlung von Substanzen mit elektromagnetischer Hochfrequenzenergie. Mittels
derartiger Vorrichtungen bzw. Verfahren ist es beispielsweise möglich, Substanzen
in Form stückiger,
rieselfähiger,
sprühbarer
oder pumpbarer Stoffe zu behandeln, wobei eine Veränderung
der Stoffeigenschaften hervorgerufen werden kann. Je nach Anwendung
(z. B. für
die Papier-, Textil-, chemische, pharmazeutische, Abfallbehandlungs-,
Umwelt- oder Nahrungsmitteltechnologie) kann hierbei eine strukturelle
Veränderung,
eine gezielte Erwärmung,
eine Beschleunigung/Begünstigung
verschiedener chemischer Reaktionen, eine schonende Trocknung, Imprägnierung
usw. im Vordergrund stehen.
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Insbesondere
betrifft die Erfindung in diesem Zusammenhang ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Herstellung eines Erzeugnisses aus Früchten und/oder
Gemüse
mit einer bestimmten speziellen, erwünschten Eigenschaft sowie das
hergestellte Erzeugnis selbst. Das Verfahren umfasst hierbei eine konvektive
Vortrocknung der Ausgangsprodukte bzw. Produktstückchen auf einen Wasseranteil
ca. 20% bis 40% der Gesamtmasse und eine anschließende Behandlung
mit Hilfe von elektromagnetischer Hochfrequenzenergie im Vakuum.
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Ein
weiterer Aspekt betrifft eine Vorrichtung zur Einspeisung der Hochfrequenzenergie
in das Vakuum der Behandlungskammer zur Puffung und Trocknung der
konvektiv vorgetrockneten Produkte bzw. Produktstückchen (Wassergehalt
ca. 20% bis 40% der Gesamtmasse) mit Hilfe von elektromagnetischer
Hochfrequenzenergie im Vakuum.
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II. Technischer Hintergrund
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Insbesondere
aus der Lebensmittelindustrie sind bereits eine beträchtliche
Zahl von Anwendungen und Anwendungsversuchen, Instantprodukte in einem
kontinuierlich arbeitenden Mikrowellen-Vakuumbandtrockner aus Früchten und
Gemüse,
Saftkonzentraten usw. herzustellen, bekannt. Eine entsprechende
Vorrichtung ist beispielsweise in Microwave Energy Applications
Newsletter, Band XII, Nr.6, 1979, Seiten 4 bis 6, beschrieben und
umfasst einen evakuierbaren Behandlungstunnel als Behandlungskammer,
in dem mehrere Ankopplungsfenster für so genannte Hörner zur
Mikrowelleneinspeisung unter Verwendung von Magnetrons vorgesehen
sind. Strahlungsthermometer (Pyrometer) dienen zur Messung der Produkttemperatur
der auf ein Umlaufband eingetragenen Produkte, und die Mikrowellenleistung wird
abhängig
von der erfassten Temperatur ein- bzw. nachgestellt. In diesem Artikel
ist insbesondere auf die Herstellung von Instantfruchtpulver eingegangen.
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Die
Anwendung von elektromagnetischer Hochfrequenzenergie, insbesondere
Mikrowellen, ermöglicht
hierbei die gleichzeitige Erwärmung
des gesamten Produktvolumens, so dass der Trocknungsvorgang effizienter
wird und damit die Einwirkdauer erhöhter Temperaturen auf das Produkt
verringert werden kann.
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Will
man ganze Früchte
oder Fruchtstücke (dasselbe
gilt für
Gemüse)
zu Instantprodukten verarbeiten, so erwies es sich als vorteilhaft,
zunächst
in einem konvektiven Luftbandtrockner für eine Trocknung der Früchte verbunden
mit einer Schrumpfung bis zu einem gewissen Grad zu sorgen, anschließend in
einer evakuierten Mikrowellenkammer ein "Wiederaufpuffen" der Früchte zu bewirken und abschließend durch
nochmaliges Trocknen in einem Vakuumbandtrockner beispielsweise
unter Verwendung einer Infrarotlichtquelle eine Nachbehandlung und
Strukturstabilisierung vorzunehmen. Eine solche Anordnung ist aus
einem Prospekt "Vacuum
Belt Drying", Franco
Ferrari, der Firma MEPROTEC, Bachenbülach, Schweiz, entnehmbar.
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Ein
völlig
anderes Anwendungsgebiet für
die Vakuumtrocknung mit Mikrowellen in z. B. röhrenartigen Kammern findet
sich in Buchentsäuerungsverfahren,
bei denen erfolgreich insbesondere nicht wässrige Lösemittel für Papierbehandlungsreagenzien
verschiedenster Art auf schonende Weise wieder aus den zuvor getränkten Büchern und
anderen Papiererzeugnissen entfernt werden können.
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Neben
den mit Vakuumbeaufschlagung arbeitenden Anlagen, die üblicherweise
im Bereich von 1 bis 200 mbar betrieben werden, gibt es auch Anlagen,
in denen die Produkte ohne ein Anlegen von Vakuum mit elektromagnetischer
Hochfrequenzenergie behandelt werden.
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Jedoch
ist es durch die Anwendung eines Vakuums und die damit gegebene
weitgehende Abwesenheit von Sauerstoff möglich, eine unerwünschte Oxidation
des zu behandelnden Produkts zu verhindern. Gleichzeitig kann die
erforderliche Trocknungstemperatur aufgrund des im Vakuum niedrigeren
Siedepunkts von Wassers reduziert werden.
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Üblicherweise
wird das zu trocknende Produkt entweder mit Hilfe eines kontinuierlichen
Förderers
oder mit Hilfe von in der Hochfrequenzbehandlungskammer lückenlos
hintereinander laufenden Förderbehältern transportiert
und währenddessen der
Hochfrequenzstrahlung und ggf. dem Vakuum ausgesetzt. Bei den evakuierten
Anlagen werden die zu behandelnden Substanzen hierbei über Schleusen
auf ein in der unter Vakuum stehenden Hochfrequenzbehandlungskammer
umlaufendes Band ein- bzw. ausgetragen.
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Die
bekannten Vorrichtungen und Verfahren zur Behandlung von Substanzen
mit elektromagnetischer Hochfrequenzenergie weisen hierbei diverse Nachteile
auf.
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Üblicherweise
wird die Hochfrequenzstrahlung durch geeignet gestaltete und mit
elektromagnetisch transparenten Einkopplungsfenstern versehene Hohlleiter
in den evakuierten und durch elektrisch gut leitende metallische
Wände begrenzten
Behandlungsraum eingebracht. Aufgrund der verringerten elektrischen
Durchbruchfeldstärke
im Vakuum ist bei der Vakuumtrocknung die je Einkopplungsstelle zuführbare Hochfrequenzleistung
vergleichsweise gering, da Glimmentladungen und Funkenüberschläge sowohl
aus Sicherheitsbetrachtungen als auch aus Überlegungen hinsichtlich der
Produktqualität
möglichst
vermieden werden müssen.
Zwar kann in diesem Zusammenhang durch eine Erweiterung der die Hochfrequenzleistung
zuführenden
Hohlleiter auf größere runde
oder rechteckige Querschnitte (z. B. als Hörner ausgeführt) und einer zusätzlichen
Taperung der Hohlleiter zur Vermeidung unerwünschter Wellentypen die zuführbare Leistung
vergrößert werden,
jedoch ist der Umfang, bis zu welchem dies möglich ist, nicht zufrieden
stellend.
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Ferner
besteht auch trotz diverser Lösungsansätze nach
wie vor das Problem einer ungleichmäßigen Einwirkung des Hochfrequenzfeldes
auf die behandelten Substanzen. So beobachtete man im behandelten
Produkt auch bei weitgehend gleichmäßiger Verteilung der Leistungsdichte
des umgebenden Feldes stärker
erwärmte
Stellen, so genannte Hot Spots, die auf lokale Feldresonanzen im
Produktinneren zurückzuführen sind.
Bedingt durch den Mitnahmeeffekt des lokalen Feldes bewirkt hier
selbst die Bewegung des Produkts im Feld keine wesentliche Verbesserung.
Diese Problematik kann gegebenenfalls nicht nur zu einer ungleichmäßigen Trocknung
des zugeführten
Produkts bewirken, sondern auch zu einer örtlichen Überhitzung des Produkts mit entsprechender
Verschlechterung der Qualität
führen.
Wenn das Produkt darüber
hinaus eine mit steigender Temperatur zunehmende Absorptionsfähigkeit
besitzt, kann es dabei zu örtlichen
Produktverbrennungen kommen (Run Away Effekt).
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In
der Patentanmeldung
DE
196 43 989 A1 der Anmelderin wird ein Lösungsansatz zur Vergleichmäßigung der
Erwärmung
der zu behandelnden Substanz beschrieben. Allerdings wird in diesem Zusammenhang
auf den Eintrag einer für
die schnelle Puffung und Trocknung größerer Substanzmengen hinreichend
hohen Leistung nicht näher
eingegangen.
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Weiterhin
führt das
oben beschriebene Verfahren einer Trocknung von Früchten in
einem Luftbandtrockner, anschließendem "Wiederaufpuffen" der Früchte in einer evakuierten Hochfrequenzbehandlungskammer
und nochmaliges Trocknen in einem Vakuumbandtrockner hinsichtlich
des Endproduktes zu nicht befriedigenden Ergebnissen. Dies liegt
unter anderem daran, dass in der der Behandlung mit Mikrowellen
folgenden Nachtrocknung nur eine oberflächennahe Trocknung stattfindet,
was zur Folge haben kann, dass innerhalb des zu trocknenden Produkts
Zonen mit verhältnismäßig hohem Wassergehalt
verbleiben. Derartige Zonen könnten wiederum
die Lagerfähigkeit
negativ beeinträchtigen.
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Schließlich werden
die aus dem Stand der Technik beschriebenen Verfahren bisher im
Wesentlichen nur zur Erzeugung von Instantprodukten, d.h. Produkten,
die bei Kontakt mit Wasser möglichst schnell
wieder rückbefeuchten
sollen, verwendet.
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Bei
besonderen Anwendungen kann es jedoch erwünscht sein, dass das Produkt
sich bei Kontakt mit Wasser gewissermaßen entgegengesetzt verhält, d.h.
für eine
definierte Zeit in seinem trockenen Zustand verbleibt und seinen
knusprigen („crispy") oder knackigen
(„crunchy") Charakter behält, d.h.
knusprig bleibt und beim Zerkauen schnell, ggf. mit einem gleichzeitigen
krachenden Geräusch,
wie es z.B. beim Zerkauen von trockenem Zwieback auftritt, zerfällt.
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Die
Knusprigkeit oder Knackigkeit eines Lebensmittels kann hierbei über das
beim Zerkauen des Lebensmittelstückchens
auftretende Geräusch sowie
die Art seiner Verformung beurteilt werden.
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Lebensmittel
mit einem „crispy" bzw. „crunchy" Charakter liegen
demzufolge vor, wenn folgende Eigenschaften gegeben sind:
- a) Verursachen hörbarer Geräusche beim Zerkauen
- b) Ausschließliches
Zerbrechen ohne gleichzeitige plastische Verformung beim Zerkauen
(vor dem Aufweichen durch Kontakt mit dem Speichel)
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Die
sich prinzipiell ähnelnden
Eigenschaften „crispy" und „crunchy" lassen sich tendenziell
dadurch unterscheiden, dass die Struktur „knuspriger" (also „crispy") Lebensmittel während des
Kauvorgangs in vielen kleinen aufeinander folgenden Brüchen zerbricht,
wobei Kaugeräusche
mit höherer
Frequenz entstehen als bei „knackigen" (also „crunchy") Lebensmitteln,
da die Struktur "knackiger" Lebensmittel während des
Kauvorgangs in wenigen heftigeren Brüchen zerbricht ("zersplittert"), wobei Kaugeräusche mit
niedrigerer Frequenz entstehen.
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Als
zu den Begriffen „knusprig" ("crispy") und „knackig" („crunchy") gegensätzliche
Eigenschaften können
beispielsweise „cremig" („creamy"), „weich" („soft") oder „zäh" („chewy") genannte werden.
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Ob
das erzeigte Produkt nach der Puffungs- und Trocknungsbehandlung
eine der beiden Eigenschaften („crispy" oder „crunchy") annimmt, hängt wesentlich von der Parametrierung
der konvektiven Vortrocknung (z.B. im Luftbandtrockner) und der
eingebrachten Leistungsdichte in den ersten Zonen der Hochfrequenzbehandlungskammer
ab. Durch eine geeignete Wahl dieser Parameter kann dann auch festgelegt
werden, welche der beiden Eigenschaften („crispy" oder „crunchy") das Produkt letztendlich aufweist.
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III. Darstellung der Erfindung
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a) Aufgabe
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Der
Erfindung liegt demgemäss
die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zu schaffen,
um aus einem dafür
geeigneten Ausgangsprodukt hohen Feuchtigkeitsgehalts (z.B. 75%
bis 95%) insbesondere unter Verwendung einer hochfrequenzgestützten Behandlung
ein Produkt mit „crispy" oder „crunchy" Eigenschaften zu
erzeugen.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, das Einbringen einer
höheren
Mikrowellenleistung in ein System zur hochfrequenzgestützten Trocknung
zu ermöglichen.
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Eine
dritte Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine möglichst
gleichmäßige Erwärmung der
zu trocknenden Produkte zu erreichen, so dass die Hochfrequenzbehandlung
wirksam durchgeführt werden
kann.
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b) Lösung der Aufgaben
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Diese
Aufgaben werden durch den Gegenstand der Ansprüche 1, 20, 32 und 43 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.
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Gemäß der ersten
Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung
von Produkten mit einem „crispy" oder „crunchy" Charakter unter
Verwendung einer hochfrequenzgestützten Trocknung geschaffen.
Insbesondere kann es sich hierbei um ein aus einzelnen Produktstückchen oder ganzen
Früchten
bestehendes Lebensmittelprodukt handeln
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Das
Verfahren umfasst hierbei erfindungsgemäß die folgenden Schritte:
- • Vortrocknung
des Produkts bzw. der Produktstückchen
mittels eines Konvektionstrockners, wobei der Wasseranteil des Produkts
bzw. der Produktstückchen
mit anfänglich
hohen und im Verlauf der Trocknung fallenden Temperaturen auf einen
Wert zwischen 15% und 60% der Produktmasse reduziert wird, so dass
die Früchte bzw.
Produktstückchen
oberflächlich
verhornen und in ihrem Inneren feuchter als an der Oberfläche bleiben;
- • Puffung
des Produkts bzw. der Produktstückchen
im Vakuum mit Hilfe dielektrischer Energiedissipation im Produkt
bzw. in den Produktstückchen
durch elektromagnetische Hochfrequenzbestrahlung, wobei ein Anteil
des im Inneren des Produkts bzw. der Produktstückchen verbliebenen Wassers
bei vakuumbedingt reduzierter Temperatur schnell bis zu einem Restwassergehalt zwischen
10% und 30% der Produktmasse verdampft und das Produkts bzw. die
Produktstückchen
dabei aufbläht,
- • Trocknung
des Produkts bzw. der Produktstückchen
im Vakuum mit Hilfe dielektrischer Energiedissipation im Produkt
bzw. in den Produktstückchen
durch elektromagnetische Hochfrequenzbestrahlung, wobei sich ein
Restwassergehalt von bis zu 10% der Produktmasse einstellt.
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Durch
die auf einem Konvektionstrockner erfolgende Vortrocknung wird der
bei vielen Lebensmittelprodukten hohe Wasseranteil (bei Obst- und
Gemüsefrüchten meistens
zwischen 75% und 95% der Produktmasse) auf die dem Mikrowellen-Vakuum-Puffungsprozess
angemessenen Werte reduziert, wobei Wasseranteile zwischen 15% und
60%, insbesondere zwischen 20% und 40% der Produktmasse vorteilhaft
sind. Durch die Verwendung einer Konvektionstrocknung können die
hohen Wasseranteile auf kostengünstige
Weise entfernt werden.
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Da
die konvektive Trocknung insbesondere auf die Oberfläche der
Produktstückchen
wirkt, fällt die
damit erzielte Restfeuchtigkeit vom Zentrum des jeweiligen Produktstückchens
zu dessen Oberfläche hin
ab. Hierdurch wird eine oberflächliche
Verhornung der während
der Vortrocknung schrumpfenden Produktstückchen erzielt.
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Nach
dem Einschleusen oder Eintragen ins Vakuum wird das Produkt der
Mikrowellen-Vakuum-Puffung zugeführt,
wo das im Produkt enthaltene Restwasser (Wasseranteil z.B. zwischen
20% und 40% der Produktmasse) durch dielektrische Erwärmung mit
Hilfe von Hochfrequenzstrahlung verdampft.
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Durch
das vorliegende Grobvakuum im Bereich von 5 – 100 mbar, wobei Restdrucke
von ca. 10 – 50
mbar besonders vorteilhaft sind, ist der Siedepunkt des Wassers
so weit reduziert, dass eine durch das Sieden sonst mögliche hitzebedingte
Produktschädigung
vermieden wird.
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Die
auf das gesamte Produktvolumen wirkende Hochfrequenzstrahlung bewirkt
eine rasche Verdampfung von einem Teil des im Innern der Produktstückchen verbliebenen
Restwassers. Aufgrund der während
der Vortrocknung erreichten Verhornung der Produktoberfläche entsteht
dort eine Dampfsperre, die das Ent weichen des Wasserdampfs behindert.
Folglich baut sich ein Überdruck im
Innern der Produktstückchen
auf, aufgrund dessen diese wieder expandieren (Puffung) und somit
in etwa ihre ursprüngliche
Form erhalten.
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Durch
die Dampfentwicklung wird gleichzeitig die vorher kompakte Struktur
der Produktstückchen
aufgebrochen, so dass sie eine blasig-schaumige Struktur erhalten,
wodurch der nach Abschluss des Prozesses angestrebte „crispy" oder „crunchy" Charakter des Produkts
erreicht werden kann.
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Mit
dem nach der Puffung vorliegenden Restwassergehalt von 10% bis 30%,
vorzugsweise 10% bis 20% der Produktmasse wird das Produkt der Mikrowellen-Vakuum-Trocknung
zugeführt.
Dort wird ein Teil des restlichen Wassers verdampft, indem das Produkt
vorzugsweise bei geringer und durch die Produkt-Oberflächentemperatur geregelter Hochfrequenzleistung
im Vakuum endgetrocknet wird.
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Durch
eine Trocknung des Produkts bzw. der Produktstückchen im Vakuum mit Hilfe
elektromagnetischer Hochfrequenzbestrahlung kann sichergestellt
werden, dass nicht, wie bei den bisher zur Trocknung verwendeten
Verfahren, lediglich eine oberflächennahe
Trocknung der Produkte bewirkt wird, sondern vielmehr ein gleichmäßiger Energieeintrag über das
gesamte Volumen der Produkte erfolgt.
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Das
Produkt verlässt
diesen Bearbeitungsschritt nach dem Ausschleusen aus dem Vakuum
mit einem typischen Restwassergehalt von bis zu 10%, vorzugsweise
ca. 6% der Produktmasse, der seine Langzeitlagerung gestattet.
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Soweit
viskose oder pastöse
Produkte verarbeitet werden, kann die bei deren Puffung/Trocknung entstehende
schaumartige Schicht noch vor dem Ausschleusen aus dem Vakuum zu
einem Granulat gebrochen werden.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann vor der Vortrocknung eine Vorbehandlung und/oder nach der Trocknung
eine Nachbehandlung des Rohprodukts bzw. des erzeugten Produkts
erfolgen.
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Die
Produktvorbehandlung kann hierbei das Reinigen des angelieferten
Rohprodukts, das Entfernen nicht genießbarer oder unerwünschter
Anteile des Rohprodukts (z.B. Entstrunken, Entkernen, Schälen), das
Zerteilen (z.B. Schneiden) des Rohprodukts in Produktstückchen sowie
die Vorbereitung des Produkts für
die nachfolgende Trocknung und den Verzehr umfassen. Hierzu gehören z.B.
auch das Blanchieren des Rohprodukts bzw. der Produktstückchen und
der Zusatz von lebensmitteltauglichen Hilfsstoffen, z.B. für den Erhalt
der Produktfarbe, zur Verbesserung des Trocknungsprozesses oder
der Verzehreigenschaften des getrockneten Endprodukts. Die hierbei
verwendeten Zusatzstoffe können vorteilhafterweise
ggf. aus dem Produkt selbst gewonnen werden (z.B. Eigenzucker).
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Für einige
Produkte, insbesondere empfindliche Früchte, kann hierbei vor der
eigentlichen Vortrocknung auch ein Abtrocknen der z.B. durch eine ggf.
erfolgte Vorbehandlung feucht gewordenen Fruchtoberflächen sinnvoll
sein. Dies kann man beispielsweise erreichen, indem man die Fruchtstückchen mit
bewegter Luft bei Raumtemperatur oder wenig darüber, vorzugsweise mit Temperaturen
zwischen 0° und
40° umströmen lässt („Kaltblasen"). Hierfür genügt eine
unbeheizte oder nur mit geringer Leistung beheizte Trocknungsstufe,
die dem eigentlichen Vortrockner vorausgeht. Dieser Behandlungsschritt
kann auch für
das Auftauen gefrorener Früchte geeignet
sein.
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In
der Produktnachbehandlung werden die Produktstückchen beispielsweise vereinzelt,
sortiert oder verpackt, wobei das Verpacken vorzugsweise dampfdicht
erfolgt, um eine mögliche
Feuchtigkeitsaufnahme zu unterbinden.
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Vorzugsweise
beginnt die Vortrocknung des Produkts bzw. der Produktstückchen durch
Umströmung
mit Luft bei Temperaturen zwischen 60°C und 100°C. Die Reduzierung der Lufttemperatur
bei fortschreitender Trocknung erfolgt vorteilhafterweise monoton,
wobei jedoch auch andere Temperaturverläufe, beispielsweise schrittweise
unstetige Reduzierung denkbar sind. Auch könnte im Verlauf der Vortrocknung
die Temperatur kurzzeitig sogar wieder erhöht werden, falls dies zum Erreichen
der erwünschten
Produkteigenschaften erforderlich sein sollte.
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Im
Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens
erfolgt die elektromagnetische Hochfrequenzbestrahlung bei den Verfahrensschritten
der Puffung und/oder der Trocknung mit Frequenzen im Bereich zwischen
800 MHz und 8000 MHz, insbesondere im Bereich zwischen 2000 MHz
und 3000 MHz, vorzugsweise im ISM-Band zwischen 2400 MHz und 2500 MHz.
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Da
der Restwassergehalt des Produkts bzw. der Produktstückchen bei
der Puffung höher
liegt als bei der Trocknung und weiterhin die Puffung erfindungsgemäß schnell
erfolgen soll, wird bei der Puffung eine höhere dissipierte Strahlungsleistungsdichte
verwendet als bei der Trocknung.
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Vorzugsweise
wird bei der Puffung und/oder der Trocknung die mittels der elektromagnetischen Hochfrequenzstrahlung
in das Produkt bzw. die Produktstückchen eingebrachte Leistung über eine
Messung der Oberflächentemperatur
des Produkts bzw. der Produktstückchen
geregelt. Als Messmethoden finden hierbei vorzugsweise die üblichen
Verfahren einer kontaktlosen Temperaturmessung Anwendung, wie beispielsweise
Strahlungsthermometer.
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Hierbei
wird in einer bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens ausgenutzt, dass sich die Temperatur im Innern der
Produktschicht unter Anwendung der vorher bekannten thermodynamischen Eigenschaften
des jeweiligen Produkts bzw. der Produktstückchen aus der Oberflächentemperatur
ableiten lässt.
Die thermodynamischen Eigenschaften des jeweiligen Produkts bzw.
der Produktstückchen
werden vorzugsweise experimentell bestimmt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird das Produkt bzw. werden die Produktstückchen während der Puffung und/oder
der Trocknung mit Hilfe eines kontinuierlichen Förderers (z.B. eines Transportbands)
oder mit Hilfe von vorzugsweise lückenlos hintereinander laufenden
Förderbehältern durch
eine jeweils zur Hochfrequenzbehandlung genutzte Hochfrequenzbehandlungskammer
transportiert.
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Hierbei
werden die Fördergeschwindigkeit und
die Schichtdicke des Produkts bzw. der Produktstückchen unter Berücksichtigung
der konstruktiv vorgegebenen Länge
der jeweiligen Hochfrequenzbehandlungskammer so eingestellt, dass
die produktabhängig
vorgegebenen Werte für
die Einwirkdauer der Hochfrequenzstrahlung auf das Produkt bzw.
die Produktstückchen
und die davon beim Durchlaufen der Behandlungskammer durch Dissipation
aufgenommene Energiedichte eingehalten werden.
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Eine
gleichmäßige Dissipation
der eingestrahlten Leistung auf das zu behandelnde Produkt bzw.
im gesamten Produktvolumen und eine somit gleichmäßige Erwärmung desselben
wird gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
erreicht, indem die Behandlung in den Verfahrensschritten Puffung
und/oder Trocknung nicht wie üblich
unter Verwendung von Hochfrequenzstrahlung einer konstanten Frequenz
erfolgt, sondern vielmehr eine Hochfrequenzstrahlung unterschiedlicher
Frequenzen, die gleichzeitig oder in schnellem Wechsel eingesetzt
werden, verwendet wird.
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Vorzugsweise
wird hierbei eine Frequenzmodulation oder eine Frequenzspreizung
der eingestrahlten elektromagnetischen Hochfrequenzstrahlung um
einen Mittelwert durchgeführt.
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In
diesem Zusammenhang kann dann gegebenenfalls das zur Einkopplung
der Strahlung in die Hochfrequenzbehandlungskammer aus Einkopplungshohlleiter,
Wellentypfilter und Einkopplungsfenster bestehende System auf die
Mittenfrequenz des benutzten Frequenzbandes abgestimmt und in Kombination
mit einem Hochfrequenzwellengenerator mit variabler Frequenz eingesetzt
werden.
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Auf
diese Weise kann eine große
Anzahl von unabhängigen
Ausbreitungsmoden in dem Multimoden-Hohlraum der Behandlungskammer
gewährleistet
werden, so dass sich keine einzelnen Moden mit stationären Maxima
und Minima und damit verbundenen, zu Hot Spots führenden lokalen Resonanzen
in der Behandlungskammer ergeben können. Weiterhin kann durch
eine Modulation der Frequenz erreicht werden, dass sich die durch
Ausbildung stehender Wellen bedingten Feldmaxima und Minima fortwährend verlagern
und damit örtliche Überhitzungen („Hot Spots") des zu behandelnden
Produkts vermieden werden.
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Die
Bandbreite der Frequenzmodulation oder die Frequenzspreizung sollte
hierbei vorzugsweise einen Wert von maximal ±10% um eine Mittenfrequenz
aufweisen.
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Im
Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die elektromagnetische Hochfrequenzstrahlung vorzugsweise mit
Hilfe einer Quelle aus der Gruppe Wanderfeldröhren, Klystronen, Kreuzfeldverstärker, Gyrotronen,
frequenzkonstante oder frequenzagile koaxiale Magnetronen oder Twystronen erzeugt.
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Als
Modulationsverfahren kommen hierbei z.B. Frequenzmodulation (FM)
sowie Frequenzspreizverfahren durch schnelles Umschalten der Frequenz
(Frequenzsprungverfahren, frequency hopping) oder durch schnelle
digitale Modulation (direct sequence spread spectrum, DSSS) des
Trägers
mit PN-Codes (pseudo noise codes) in Frage.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur trocknenden Behandlung von Produkten, insbesondere im Rahmen
des zuvor geschilderten Verfahrens, weist zwei Behandlungskammern
auf, die jeweils gegenüber
der Umwelt elektromagnetisch abgeschirmt sind und die jeweils Systeme
zur Einkopplung elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung umfassen,
um durch dielektrische Dissipation in das zu behandelnde Produkt
Energie zur Erwärmung
desselben einzubringen.
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Vorzugsweise
sind die Behandlungskammern in einem gemeinsamen, mit Vakuum beaufschlagten
Raum untergebracht, wobei die zu behandelnden Produkte in diesen
Raum über
Schleusen ein- bzw. aus diesem ausgetragen werden.
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Vorzugsweise
sind die Schleusen für
den Ein- und Austrag der zu behandelnden Produkte in den oder aus
dem mit Vakuum beaufschlagten Raum als in vertikaler Richtung beschickte
Klappenschleusen ausgestaltet. Besonders vorteilhafterweise sind die
Schleusen hierbei als Drehklappenschleusen ausgestaltet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Schleusen mit jeweils bis zu zwei zusätzlichen Produktrückhalteklappen
ausgerüstet.
Diese verhindern einen direkten Kontakt des Produkts mit den Schleusenklappen.
Auf diese Weise werden die Produktstückchen von den Vakuumklappen
ferngehalten, so dass keine Produktstückchen an diesen anhaften und
beim Schließen
der jeweiligen Vakuumklappe zwischen Klappe und Schleusenwand eingeklemmt
werden können.
Ohne den Einsatz von Produktrückhalteklappen
könnte
es hierdurch zur Schädigung
des Produkts sowie der Schleusenmechanik kommen,
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Die
Produktrückhalteklappen
können
beispielsweise als Schmetterlingsklappen ausgeführt sein und im geschlossenen
Zustand einen hinreichend schmalen Spalt zwischen Klappenrand und Schleusenwand
aufweisen. Somit hält
die geschlossene Produktrückhalteklappe
Produktstückchen wirksam
zurück,
ohne den Gasaustausch in der Vakuumschleuse zu behindern.
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Vorteilhafterweise
erfolgt die Schleusung so, dass die jeweilige Produktrückhalteklappe
immer nur dann geöffnet
ist, wenn die zugehörige
Vakuumklappe ebenfalls offen ist, so dass kein Produktstückchen direkt
zur Vakuumklappe gelangt. In der Regel benötigt jede Vakuumklappe somit
genau eine Produktrückhalteklappe.
An der oberen Vakuumklappe des Produkteintrags ist eine Produktrückhalteklappe
entbehrlich, wenn die das Produkt aus dem erfindungsgemäßen Vortrockner
zuführende
Fördereinrichtung derart
gesteuert werden kann, dass bei geschlossener oberer Vakuumklappe
keine Produktzufuhr erfolgt. Folglich verfügt in einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
die Schleuse für den
Produkteintrag über
eine Produktrückhalteklappe
nur oberhalb der unteren Vakuumklappe, während die Schleuse für den Produktaustrag
jeweils eine Produktrückhalteklappe
oberhalb der oberen und unteren Schleusenklappe besitzt.
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Im
Fall der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Rahmen des
erfindungsgemäßen Verfahrens
erfolgt in der ersten Behandlungskammer der Verfahrensschritt der
Puffung und in der zweiten Behandlungskammer der Verfahrensschritt der
Trocknung.
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Da
wie weiter oben bereits ausgeführt
wurde, die zur Trocknung erforderliche Hochfrequenzleistung in der
Regel viel kleiner ist als die für
die vorher stattfindende Puffung erforderliche Leistung, muss sichergestellt
sein, dass der Trocknungsbereich in der zweiten Behandlungskammer
gegenüber
dem Puffungs-Bereich in der ersten Behandlungskammer hinreichend
gut abgeschirmt ist, um zu verhindern, dass sich das der Trocknung
zugeführte
Produkt durch Einstrahlung aus dem Puffungs-Bereich überhitzt.
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Folglich
sind in einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
die beiden Behandlungskammern bezüglich der eingebrachten elektromagnetischen
Hochfrequenzstrahlung ausreichend voneinander abgeschirmt.
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Vorzugsweise
werden die zu trocknenden Produkte jeweils mit einem Transportband
durch die jeweilige Behandlungskammer geführt. Hierbei können die
Fördergeschwindigkeiten
der Transportbänder
der beiden Behandlungskammern vorteilhafterweise unabhängig voneinander
eingestellt werden.
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Um
zu verhindern, dass die Mechaniken der Transportbänder durch
die eingestrahlte Hochfrequenzstrahlung beschädigt werden, sind die beiden Behandlungskammern
vorzugsweise durch einen Übergabebereich
voneinander getrennt, in den die Hochfrequenzstrahlung durch bekannte
Abschirmungsmaßnahmen
nur in abgeschwächter
Form gelangt. In diesem sind dann vorteilhafterweise die Bandlageregelung
und/oder die Umlenkrollen der die Produkte transportierenden Transportbänder angeordnet
sind.
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Entsprechend
erfolgt die Übergabe
der Produkte von dem Transportband der ersten Behandlungskammer
an das Transportband der zweiten Behandlungskammer in dem Übergabebereich.
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Die
zweite erfindungsgemäß zu lösende Aufgabe
betrifft das Erreichen höherer
einkoppelbarer Leistungen an Hochfrequenzstrahlung, ohne dass störende Glimmentladungen
auftreten.
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Erfindungsgemäß wird hierzu
das aus dem Einkopplungshohlleiter, dem elektromagnetisch transparenten,
aber druckdichten Einkopplungsfenster und der Fassung des Einkopplungsfensters
bestehende Einkopplungssystem hinsichtlich seiner Geometrie so gestaltet,
dass das darin auftretende Stehwellenverhältnis ein Minimum der elektrischen Feldstärke auf
der vakuumseitigen Oberfläche
des Einkopplungsfensters bedingt, so dass die elektrischen Feldstärkewerte
in der Behandlungskammer bei vorgegebener Leistung unter einem vorgegebenem
Maximalwert liegen. Dieser Maximalwert liegt insbesondere unter
dem bei dem anliegenden Vakuum sich ergebenden Durchbruchswert.
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Diese
Gestaltung kann vorzugsweise in Abhängigkeit von der Geometrie
der Vakuumbehandlungskammer erfolgen.
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Auf
der dem Vakuum abgewandten Seite des Einkopplungsfensters, d.h.
innerhalb des luftgefüllten Einkopplungshohlleiters
können
hierbei problemlos höhere
Feldstärken
auftreten, da die Durchbruchfeldstärke entsprechend höher liegt.
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Eine
Möglichkeit
zur erfindungsgemäßen Absenkung
der auf der Vakuumseite des Einkopplungsfensters auftretenden elektrischen
Feldstärkewerte
besteht darin, dass als Einkopplungsfenster ein konvex in die Behandlungskammer
hinein gewölbtes
Fenster aus für
Hochfrequenzstrahlung transparentem und möglichst verlustarmem dielektrischen
Material benutzt wird. Durch die Divergenz der Strahlung erhält man an
der dem Vakuum ausgesetzten konvexen Oberfläche des Fensters kleinere Feldstärken, als
wenn ein ebenes Fenster noch innerhalb des Einkopplungshohlleiters
angeordnet wäre.
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Insbesondere
kann das Einkopplungsfenster vorzugsweise die Form einer in die
Behandlungskammer hineinragenden Halbkugel aufweisen, wobei in diesem
Fall der Einkopplungshohlleiter vorzugsweise zumindest in dem an
das Einkopplungs fenster angrenzenden Bereich einen näherungsweise
kreisförmigen
Querschnitt aufweist. Natürlich
kann das Einkopplungsfenster, insbesondere bei einem anderen Querschnitt
des Einkopplungshohlleiters, auch eine andere geometrische Form
aufweisen, solange die erfindungsgemäße Absenkung der Feldstärke auf der
Behandlungskammerseite des Fensters aufgrund einer durch die konkrete
Form des Fensters bedingten Divergenz der eingekoppelten Strahlung gewährleistet
ist.
-
Weiterhin
können
die auf der Vakuumseite des Einkopplungsfensters auftretenden elektrischen Feldstärkewerte
erfindungsgemäß abgesenkt
werden, indem die Ausbreitungsmoden sowie die Geometrie des Einkopplungshohlleiters,
insbesondere dessen Länge
und Querschnitt, und des Einkopplungsfensters so gewählt werden,
dass die dem Vakuum zugewandte Oberfläche des Einkopplungsfensters
mit einem Minimum der elektrischen Feldstärke zusammenfällt. Das
nächste
in der Vakuumkammer auftretende Feldstärkemaximum ist durch die Divergenz
der Strahlung bereits so weit abgeschwächt, dass es den an der Fensteroberfläche auftretenden
Wert nicht oder nur unwesentlich übersteigt.
-
Vorzugsweise
werden die beiden vorstehenden Alternativen kombiniert, d.h. dass
die Ausbreitungsmoden sowie die Geometrie des Einkopplungshohlleiters
und des in die Behandlungskammer gewölbten Einkopplungsfensters
so gewählt
werden, dass die dem Vakuum zugewandte, konvexe Oberfläche des
Einkopplungsfensters mit einem Minimum der elektrischen Feldstärke zusammenfällt.
-
Die
zum erfindungsgemäßen Stehwellenverhältnis und
Verteilung der Minima und Maxima der elektrischen Feldstärke führende Dimensionierung des
aus Einkopplungsfenster und Einkopplungshohlleiter bestehenden Systems
in Abhängigkeit
von der Geometrie der Vakuumbehandlungskammer kann hierbei mit Hilfe
der aus der Hochfrequenztechnik bekannten analytischen Rechenverfahren
abgeschätzt werden.
Beispiele für
entsprechende Rechenverfahren finden sich z.B. in Meinke/Gundlach, „Taschenbuch
der Hochfrequenztechnik" oder
David Pozar: „Microwave
Engineering". Zur
Verfeinerung der mit diesen Verfahren berechneten Geometrien können entsprechende,
dem Fachmann bekannte numerische Me thoden der elektromagnetischen
Feldsimulation mittels Finite-Elemente-Verfahren verwendet werden.
-
Da
die Lage der Extrema der Feldstärkeverteilung
vom Ausbreitungsmode abhängt,
wird der Einkopplungshohlleiter vorzugsweise derart gestaltet, dass
sich in ihm nur ein bestimmter Mode ausbreiten kann. Auf diese Weise
kann erreicht werden, dass im Bereich des Einkopplungsfensters eine
erfindungsgemäß erwünschte Feldverteilung
zustande kommt.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Einkopplungshohlleiter als axialsymmetrischer Rundhohlleiter
aufgebaut. Vorzugsweise weist der Einkopplungshohlleiter den Mode
TM01 auf, der zur Einkopplung ausgewählt wird,
während
der hier ebenfalls ausbreitungsfähige,
aber unerwünschte Mode
TE11 durch geeignete Wellentypfilter, beispielsweise
in Form eines λ/2-Sperrtopfs,
weitestgehend unterdrückt
wird.
-
Die
einzelnen Methoden zur Festlegung der bei vorgegebener Betriebsfrequenz
ausbreitungsfähigen
Moden durch geeignete Formgebung des Einkopplungshohlleiters und
zum Ausfiltern unerwünschter
Moden sind dem Fachmann ebenfalls aus der entsprechenden Fachliteratur
bekannt. Als Beispiel kann hier wieder Meinke/Gundlach, „Taschenbuch
der Hochfrequenztechnik" angeführt werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird der aus mechanischen Gründen
erforderliche Flansch zum Einspannen des für Hochfrequenzstrahlung transparenten,
dielektrischen Einkopplungsfensters insbesondere in Abhängigkeit
von der Geometrie des Einkopplungsfenster und des Einkoppelhohlleiters
so dimensioniert, dass die elektrische Feldstärke an der Einspannstelle minimal
wird.
-
Dies
wird dadurch erreicht, dass die Tiefe des in eine Nut der metallischen
Fassung des Einkopplungsfensters greifenden Fensterflanschs eine elektrische
Länge von
ca. λ/2
besitzt, wobei λ die Wellenlänge der
verwendeten Hochfrequenzstrahlung im jeweiligen Medium ist. Hierdurch
transformiert sich der Kurzschluss am Nutboden in eine Kurzschlussbedingung
an der Einspannstelle und minimiert die dort auftretende elektrische
Feldstärke, womit
sich auch die Gefahr von Glimmentladungen im Bereich der Fensterfassung
verringert.
-
Auch
diese Dimensionierung erfolgt wieder unter Zuhilfenahme der dem
Fachmann geläufigen Rechenverfahren
und wird unter Verwendung der entsprechenden Software verfeinert.
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Vorzugsweise
werden die Fertigungstoleranzen des Flanschs so festgelegt, dass
seine der Behandlungskammer zugewandten und damit dem Vakuum ausgesetzten
Flächen
keinen Luftspalt zur Kammerwand aufweisen können. Auf diese Weise kann
die insbesondere im hier vorliegenden Grobvakuum bestehende Gefahr
von Glimmentladungen aufgrund der höheren elektrischen Feldstärken vermieden
werden, die im Luftspalt als dem dielektrisch dünnerem Medium zu erwarten sind.
-
Durch
eine Kombination dieses erfindungsgemäßen Aspekts, d.h. der erfindungsgemäßen Verteilung
der elektrischen Feldstärke,
mit der oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
beschriebenen Modulation bzw. Spreizung der Frequenz der eingestrahlten
Hochfrequenzstrahlung kann auf besonders wirksame Weise ein Entstehen
von Glimmentladungen vermieden werden und gleichzeitig eine gleichmäßige Erwärmung des
zu trocknenden Produkts gewährleistet
werden.
-
Vorzugsweise
können
alternativ oder zusätzlich
zu der Modulation bzw. Spreizung der Frequenz der eingestrahlten
Hochfrequenzstrahlung zur Gewährleistung
einer gleichmäßigen Erwärmung zusätzlich auch
bereits aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren/Vorrichtungen
zum Einsatz kommen.
-
So
können
beispielsweise die in der Druckschrift
DE 196 43 989 A1 beschrieben
Mittel verwendet werden, um eine weitgehende Vergleichmäßigung der
vom Produkt während
des Durchlaufs des Puffungs- oder Trocknungsbereichs durch Dissipation
aufgenommenen MW-Energie über
die Produktschichtbreite zu erreichen.
-
Weiterhin
wirken in einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung Bereiche höherer Dissipationsdichte nur
während
einer produktspezifischen maximalen Zeitdauer auf das Produkt ein.
Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem zu weit ausgedehnte
und damit aufgrund der langen Durchlaufzeit eine Überhitzung
auslösende Bereiche
mit Hilfe der in
DE
196 43 989 A1 beschrieben und in geeigneter Weise angeordneten
Blenden vermieden werden.
-
In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden die Verfahrensschritte Puffung und Trocknung unter Verwendung
der beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur trocknenden Behandlung von Produkten durchgeführt. Insbesondere
können
die Behandlungskammern in diesem Fall Einkopplungssysteme unter
Verwendung der vorstehend beschriebenen Vorrichtung zur Einkopplung
von Hochfrequenzstrahlung hoher Leistung aufweisen.
-
c) Ausführungsbeispiele
-
Ausführungsformen
gemäß der Erfindung sind
im Folgenden beispielhaft näher
beschrieben. Es zeigen:
-
1 ein
Flussdiagramm, das eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung von Produkten mit einem „crispy" oder „crunchy" Charakter unter Verwendung einer hochfrequenzgestützten Trocknung
darstellt;
-
2 ein
Ausführungsbeispiel
für den
Aufbau einer erfindungsgemäßen Einkopplung
bei der die auf der Vakuumseite des Einkopplungsfensters auftretenden
elektrischen Feldstärkewerte
möglichst klein
bleiben;
-
3 ein
Detail des Flansches des Einkopplungsfensters aus 2;
-
4a eine
geometrische Übersichtsskizze zur
Anordnung der Einkopplung bezüglich
der Behandlungskammer und der durch diese beförderten Produktschicht in einer
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vor richtung
zur trocknenden Behandlung von Produkten im Querschnitt bzgl. der Transportrichtung
gesehen;
-
4b eine
geometrische Übersichtsskizze zur
Anordnung der Einkopplung bezüglich
der Behandlungskammer und der durch diese beförderten Produktschicht in einer
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur trocknenden Behandlung von Produkten im Längsschnitt bzgl. der Transportrichtung
gesehen; und
-
5 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur hochfrequenzgestützten
trocknenden Behandlung von Produkten mit mittlerem und geringem Wassergehalt
für eine
Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Herstellung eines aus einzelnen Produktstückchen oder ganzen Früchten bestehenden
Lebensmittelprodukts mit einem knusprigen („crispy") oder knackigen („crunchy") Charakter.
-
In 1 ist
der Verfahrensablauf gemäß einer
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung eines „crispy" oder „crunchy" Produkts mit Hilfe
der hochfrequenzgestützten
Vakuumtrocknung als Flussdiagramm dargestellt. Einige durch den
Charakter des zu behandelnden Produkts bedingte Abweichungen von
diesem Verfahrensablauf werden im Folgenden beispielhaft angegeben.
-
Ein
Rohprodukt in der Form von Früchten und
Gemüse
weist üblicherweise
Feuchten im Bereich zwischen 75% und 95% der Produktmasse auf.
-
Das
Rohprodukt wird in der dargestellten Ausführungsform zunächst einer
Produktvorbereitung unterzogen, die sich in eine mechanische und eine
chemisch-thermische
Vorbereitung unterteilen lässt.
-
Die
mechanische Vorbereitung umfasst das Reinigen und Sortieren der
angelieferten Produkte sowie das Entfernen ungenießbarer oder
unerwünschter
Anteile. Hierzu gehören
Strünke,
holzige Anteile, Kerne oder Steine, Kerngehäuse, Scha len sowie zu wenig
gereifte, überreife,
faule oder aus anderen Gründen
für den
Verzehr ungeeignete Früchte und
Gemüse
oder Teile davon.
-
Bei
diesem Prozessschritt verringert sich der dem Trocknungsprozess
zugeführte
Massenstrom gegenüber
dem Rohmassenstrom und es entsteht Abfall, der ggf. anderweitig
restverwertet werden kann.
-
Abschließend ist
der mechanischen Vorbereitung auch das Zerteilen des Produkts zuzuordnen, z.B.
das Schneiden in Würfel,
Scheiben oder Segmente, deren Größe von der
gewünschten
Verwendung des Endprodukts abhängt.
-
Die
chemisch-thermische Produktvorbereitung umfasst produktabhängig ggf.
thermische Verfahren zum Aufschließen des Produkts, z.B. das Blanchieren,
Kochen oder sonstige in der Lebensmittelzubereitung übliche Verfahren.
Die chemische Produktvorbereitung bezieht sich auf das Hinzufügen von
zur Lebensmittelproduktion zugelassenen Hilfsstoffen, um den Geschmack
zu verbessern, z.B. durch Zucker-, Säure- oder Gewürzzusatz
und/oder um die Farbe des Produkts über die Trocknung hinaus zu
erhalten oder z.B. Verklebungen oder Formveränderungen während des nachfolgenden Trocknungsprozesses
(insbesondere der Vortrocknung) zu vermeiden.
-
Hierzu
werden dem Produkt Hilfsstoffe (ggf. auch als Zusätze zum
Blanchierbad) zugeführt,
die ggf. ganz oder teilweise aus den gleichen Früchten und Gemüsen gewonnen
werden wie die zu verarbeitenden Lebensmittel.
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Das
Produkt verlässt
den Prozessschritt der Produktvorbereitung mit nahezu dem gleichen
Wassergehalt, mit dem es ihm zugeführt wird.
-
Bei
bestimmten Produkten (z.B. Tiefkühlware)
kann die mechanische und ganz oder teilweise auch die chemisch-thermische
Vorbereitung zeitlich und räumlich
von den restlichen Verfahrensschritten abgetrennt sein. So werden
tiefgekühlte
Früchte
und Gemüse
bereits unmittelbar nach der Ernte auf ähnliche Weise wie beschrieben
vorbereitet und anschließend
eingefroren.
-
In
Abhängigkeit
vom Produkt müssen
diese dann ggf. einer speziellen chemischen Vorbereitung unterzogen
werden, um einen zu hohen Saftverlust beim Auftauen vor oder während der
Vortrocknung zu vermeiden. Ein mögliches
Verfahren hierfür
ist in der Druckschrift
EP
1 174 038 A1 beschrieben.
-
Das
entsprechend vorbehandelte Produkt wird der Vortrocknung zugeführt, wo
ihm der weitaus größte Teil
des Wassergehalts entzogen wird.
-
Das
Produkt wird hierbei mit Hilfe eines geeigneten Produktverteilers
auf den konvektiven Vortrockner (z.B. Luftbandtrockner) aufgegeben.
Ein für die
Behandlung der meisten Früchte
geeignetes Verfahren ist in der Druckschrift
EP 1 092 353 A3 beschrieben.
Durch die Vortrocknung vermindert sich der Wassergehalt des behandelten
Produkts im Mittel auf ca. 20% bis 40% der Produktmasse, wobei sich
die Feuchtigkeit bei stückigen
Produkten auf das Innere der Produktstückchen konzentriert, während die
Oberfläche
durch die darüber
streichende relativ trockene Warmluft stärker abtrocknet und dabei mehr oder
weniger stark verhornt. Der entnommene Wasseranteil wird in Form
von Dampf in die Atmosphäre freigesetzt
oder in einem Kondensator in flüssiger Form
ausgeschieden.
-
Durch
die Betriebsparameter der konvektiven Vortrocknung sowie der danach
folgenden Mikrowellen-Vakuum-Puffung wird weiter festgelegt, ob das
Produkt nach dem Durchlaufen des gesamten Puffungs- und Trocknungsprozesses
erfindungsgemäß die Eigenschaft „crispy" oder „crunchy" annehmen wird.
-
Damit
ein Produktstückchen
nach Durchlaufen des gesamten Prozesses die Charakterisierung „crispy" annimmt, muss seine
Oberfläche
während der
Vortrocknung ausreichend verhornen, um durch den damit einhergehenden
Aufbau einer ausreichend dichten oberflächlichen Dampfsperre während der nachfolgenden
Mikrowellen-Vakuum-Puffung einen hinreichenden Aufbläheffekt
zu erzielen.
-
Gleichzeitig
muss die Restfeuchte im Produktinnern durch die Vortrocknung so
eingestellt werden, dass einerseits ausreichend viel Feuchtigkeit vorhanden
ist, um während
der Mikrowellen-Vakuum-Puffung den für das Aufblähen erforderlichen Dampf zu
erzeugen; andererseits muss sie so weit reduziert sein, dass das
Produkt hinreichend viskos ist, damit der durch die volumetrische
Absorption der Hochfrequenzstrahlung im gesamten Produktinnern entstehende
Dampf während
seiner Freisetzung eine Vielzahl von kleinen Hohlräumen (Bläschen) bilden kann.
-
Die
Produktstückchen
gewinnen hierbei wieder weitgehend ihre ursprüngliche Form und erhalten eine
poröse
Struktur, die während
der nachfolgenden Mikrowellen-Vakuum-Trocknung stabilisiert wird
und damit den „crispy" Charakter des getrockneten
Endprodukts bewirkt.
-
Hierzu
ist eine produktabhängige
Einstellung der Vortrocknungsdauern und Temperaturen erforderlich
wie sie weiter unten für
ein konkretes Beispielprodukt beschrieben wird.
-
Darüber hinaus
muss die Mikrowellen-Vakuum-Puffungsstation in der Lage sein, im
zu behandelnden Produkt durch Hochfrequenzeinstrahlung eine hinreichend
hohe dissipierte Leistungsdichte zu erzeugen, dass der entstehende
Dampf-Volumenstrom
in der Lage ist, die Produktstückchen
auf die gewünschte
Weise aufzublähen
(Puffung) und in deren Inneren die poröse Bläschenstruktur zu erzeugen und
schließlich
auch die verhornte Oberfläche
aufzubrechen.
-
Die
zu fordernde hohe und gleichmäßige Qualität des Endprodukts
setzt weiter eine hinreichend gleichmäßige Dissipation der Hochfrequenzenergie
während
der Puffung und Trocknung voraus, die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ebenfalls
gewährleistet
werden kann.
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Wird
eine gegenüber
den oben genannten Bedingungen geringere Produktrestfeuchte oder
eine geringere dissipierte Leistungsdichte während der Mikrowellen-Vakuum-Puffung gewählt, so
hat dies zur Folge, dass die Produktstückchen aufgrund der geringeren
Dampffreisetzung weniger stark expandieren.
-
Folglich
ist die poröse
Struktur weniger stark ausprägt,
während
die oberflächliche
Verhornung kaum aufgebrochen wird. Das getrocknete Endprodukt wird
dichter und nimmt dabei „crunchy" Eigenschaften an.
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Soweit
das zu trocknende Produkt nur einen mittleren bis geringen Feuchtigkeitsgehalt
in der Größenordnung
20% bis 40% der Produktmasse besitzt und keine „crispy" oder „crunchy" Eigenschaft angestrebt wird, kann die
Vortrocknung ggf. komplett entfallen. Das Produkt wird dann unmittelbar
dem nachfolgenden Behandlungsschritt, der Hochfrequenzbehandlung
im Mikrowellen-Vakuum-Prozessor,
zugeführt.
-
Diese
Behandlung lässt
sich in die beiden Schritte der Mikrowellen-Vakuum-Puffung und der Mikrowellen-Vakuum-Trocknung
untergliedern.
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Nach
dem Einschleusen in das Vakuum wird das Produkt auf geeignete Weise
auf einem Transportband verteilt und der Mikrowellen-Vakuum-Puffung
zugeführt,
bei der die während
der Vortrocknung durch den Wasserentzug geschrumpften Produktstückchen durch
die kurzzeitige (ca. 4 bis 8 Minuten) Anwendung besonders hoher
dissipierter Leistungsdichten und daher rascher Freisetzung großer Dampfmengen
wieder annähernd
auf ihr ursprüngliches
Volumen expandiert werden.
-
Im
Falle viskoser oder pastöser
Produkte kann die Produktaufgabe über ein zum Zwecke der gleichmäßigeren
Produktverteilung schwenkbares Rohr zugeführt werden.
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Nach
diesem Verfahrensschritt gelangt das Produkt mit einer Restfeuchte
von ca. 10% bis 20% der Produktmasse zur Mikrowellen-Vakuum-Trocknung
als dem zweiten durch den Einsatz von Hochfrequenzstrahlung unterstützten Schritt.
Hier wird das restliche im Produkt enthaltene Wasser bis auf einen Rest-Wassergehalt
von ca. 6% der Produktmasse weitgehend ausgetragen, wofür im Vergleich
zur Puffung nur geringe dissipierte Leistungsdichten angewandt werden,
um eine qualitätsschädliche Überhitzung
des Produkts zu vermeiden.
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Puffung
und Trocknung sind vorteilhafterweise miteinander kombiniert, so
dass ein Aus- und Wiedereinschleusen in das Vakuum zwischen diesen Verfahrensschritten
entfallen kann. Da während
der Mikrowellen-Vakuum-Behandlung Wasserdampf entweicht, reduziert
sich auch hier der Produkt-Massenstrom, wenn auch in viel geringerem
Maße als
während
der Vortrocknung.
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Abschließend wird
das Produkt ausgeschleust und der Nachbehandlung unterzogen. Viskos
oder pastös
aufgetragene Produkte liegen nach der Mikrowellen-Vakuum-Behandlung üblicherweise als
zusammenhängende
Schicht mit schaumiger Struktur (wie Baiser) vor. Hierfür kann der
Austragsschleuse ein Brecher vorgeschaltet werden, der diese Schicht
granuliert und damit die weitere Behandlung ähnlich einem stückigen Produkt
ermöglicht.
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Nachdem
das Produkt abgekühlt
ist und dadurch seine möglicherweise
vorhandenen thermoplastischen Eigenschaften verloren hat, wird es,
z.B. mit Hilfe eines Clusterbrechers, vereinzelt, sortiert und abschließend dampfdicht
verpackt, so dass das Fertigprodukt feuchtigkeitsgeschützt und
damit für längere Zeit
lagerfähig
ist.
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Die
Ausschleusung aus der Mikrowellen-Vakuum-Trocknung sowie die Nachbehandlung
werden vorteilhafterweise in einem Raum mit trockenem Klima (wenig
Luftfeuchtigkeit) durchgeführt,
um die Rückbefeuchtung
weitestgehend auszuschließen.
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Die
Trocknungsparameter zur Gewinnung eines „crispy" Endprodukts werden nachfolgend am Beispiel
der Behandlung von frischen Erdbeerwürfeln mit einer Kantenlänge von
ca. 10 mm erläutert.
Auch auf davon abweichende Parameter zur Herstellung eines „crunchy" -Endprodukts wird
kurz eingegangen: Um eine Verhornung der Würfeloberflächen zu erreichen, ohne das
bei fortschreitender Trocknung empfindlicher werdende Produkt zu
schädigen,
wird die konvek tive Vortrocknung mit einem während der Trocknung monoton
fallenden Temperaturprofil behandelt, das bei 85°C Lufttemperatur beginnt und
bei 75°C
endet.
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Die
Behandlungsdauer wird dabei so eingestellt, dass das Produkt mit
einem Rest-Wassergehalt von 30% bis 35% der Produktmasse zur Hochfrequenzbehandlung
gelangt.
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Nach
Einschleusung in den bei 20 bis 30 mbar betriebenen Mikrowellen-Vakuum-Prozessor wird die
eingespeiste Hochfrequenzleistung so eingestellt, dass die dissipierte
Leistungsdichte in den Produktstückchen
mindestens etwa 4 W/g beträgt und
die gewünschte
Puffung eintritt.
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Mit
fortschreitender Trocknung wird die Hochfrequenzleistung so weit
abgeregelt, dass die Produktoberflächentemperatur etwa 60°C nicht überschreitet.
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Durch
Einstellen der Geschwindigkeit des Fördermittels in dem Behandlungsraum
zur Trocknung wird die Zeitdauer des Produktdurchlaufs durch die
Mikrowellen-Vakuum-Trocknung
so eingestellt, dass die gewünschte
Endfeuchte von vorliegend 6% der Produktmasse eingehalten wird und
das Produkt „crispy" Eigenschaften besitzt.
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Wenn
man stattdessen „Crunchy" Eigenschaften anstrebt,
wird die Vortrocknung weiter ausgedehnt, um den oben genannte Rest-Wassergehalt von
30% bis 35% der Produktmasse zu unterschreiten.
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Durch
eine reduzierte Leistungsdichte zu Beginn der Behandlung im Mikrowellen-Vakuum-Prozessor
und gleichzeitig länger
ausgedehnte Trocknung wird der Puffungseffekt verringert, so dass
das Endprodukt schließlich „crunchy" Eigenschaften annimmt.
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In
den 2 und 3 ist eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Einkopplung von Hochfrequenzstrahlung hoher Leistung dargestellt.
Die in einem (nicht näher
dargestellten) Hochfrequenzgenerator wie beispielsweise einem Magnetron
oder einer frequenzvariablen Mikrowellenquelle erzeugte Strahlungsenergie
gelangt durch den in der vorliegenden Ausführungsform in Rechteckform
gestalteten Speisehohlleiter 1 in die erfindungsgemäße Vorrichtung.
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Mit
Hilfe eines Abstimmgliedes 2, vorliegend in Form eines
3-Stub-Tuners wird die zum Generator reflektierte Strahlung minimiert.
Der Speisehohlleiter 1 mündet in die zylindrische Einkopplung 3 zur
Behandlungskammer 12. Die Einkopplung 3 besteht hierbei
aus dem zylindrischen Einkopplungshohlleiter 4, in dem
sich im vorliegenden Beispiel der Hohlleitermode TM01 ausbreiten
soll.
-
Um
die gleichzeitige Ausbreitung des vorliegend unerwünschten
Modes TE11 zu unterbinden, ist ein Wellentypfilter 5 vorgesehen.
In der vorliegenden Ausführungsform
handelt es sich hierbei um einen λ/2-Sperrtopf
zur Unterdrückung
der TE11-Welle, die aufgrund ihrer im Vergleich
zur erwünschten TM01-Welle geringeren Grenzfrequenz im Rundhohlleiter 4 der
Einkopplung 3 stets ebenfalls ausbreitungsfähig ist.
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Vorliegend
wurden sowohl der kreisrunde Querschnitt und die Länge des
Einkopplungshohlleiters 4 als auch die Geometrie des Einkopplungsfensters 6 erfindungsgemäß so gewählt, dass
an der Fensteroberfläche 6a auf
der Seite der Behandlungskammer 12 die elektrische Feldstärke ein
Minimum durchläuft.
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Da
die erfolgte Optimierung auch von der Form der Behandlungskammer 12 abhängt werden im
Folgenden auch deren in den 4a und 4b schematisch
dargestellten geometrischen Eigenschaften kurz wiedergegeben.
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Das
zu behandelnde Produkt 16 durchläuft auf einem zentral in axialer
Richtung laufenden Förderer 15,
bei dem es sich um ein Transportband oder lückenlos hintereinander laufende
Förderbehälter handelt,
die zylindrische Behandlungskammer 12.
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Die
Behandlungskammer 12 ist hierbei durch Zwischen- und Abschlussblenden 13 in
eine Anzahl von Segmenten gegliedert, die Durchbrüche 14 aufweisen,
um dem Förderer 15 den
Transport des Produkts 16 zu ermöglichen. Aufgrund der dort
höheren notwendigen
Hochfrequenz-Leistungsdichte ist die Länge 17 der Segmente
im Bereich der Mikrowellen-Vakuum-Puffung geringer, beispielsweise
halb so lang, wie die Segmentlänge
im Bereich der Mikrowellen-Vakuum-Trocknung.
-
Das
Fördermittel
15 wird
ggf. durch beidseitige metallische Aufschüsselungen
18, durch
die Unterkanten der Blendenöffnungen
14 und
durch zusätzliche
Traversen zwischen den Aufschüsselungen
18 unterstützt. Die
Ausgestaltung und Lage der Aufschüsselungen
18, Traversen
und weiterer sich längs der
zylindrischen Kammer
12 erstreckender metallischer Blenden
sind unter Einbeziehung des in der Druckschrift
DE 196 43 989 A1 der Anmelderin
beschriebenen Verfahrens so gewählt,
dass die entstehende Verteilung der elektrischen Feldkomponente einen
quer zur Produkt-Transportrichtung gleichmäßigen Energieeintrag in das
Produkt ermöglicht.
-
Zwischen-
und Abschlussblenden, Aufschüsselungen
18,
Traversen und weitere sich längs der
zylindrischen Kammer
12 erstreckende metallische Blenden
bilden gemeinsam ein Blendensystem, das im Sinne der
DE 196 43 989 A1 eine gleichmäßige Verteilung
der dissipierten Leistungsdichte im zu behandelnden Produkt ermöglicht.
-
Die
Einkopplungen 19 zur Einkopplung der hochfrequenten elektromagnetischen
Strahlung sind paarweise radial an passende Behälterflansche 19a der
zylindrischen Behandlungskammer 12 angeflanscht. Hierbei
liegen die Achsen der Einkopplungen jeweils in der Mittelebene zwischen
benachbarten Zwischen- oder Abschlussblenden 13. Die Behälterflansche 19a sind
so dicht wie konstruktiv möglich an
die zylindrische Oberfläche
der Wand der Behandlungskammer 12 angenähert.
-
Erneut
bezugnehmend auf die 2 und 3 wurde
das Einkopplungsfenster 6 in der dargestellten Ausführungsform
als konvex in die Behandlungskammer 12 hineinragend ausgebildet.
Insbesondere weist das Einkopplungsfenster 6 vorlie gend eine
Form auf, die im Wesentlichen der Form einer in die Behandlungskammer
hineinragenden Halbkugel entspricht.
-
Durch
Optimierung der Abmessungen der Bestandteile der Einkopplung 3 kann
eine erfindungsgemäße Minimierung
der elektrischen Feldstärke
auf der behandlungskammerseitigen Oberfläche 6a des Einkopplungsfensters 6 bei
der benutzten Frequenz oder Mittenfrequenz der verwendeten Hochfrequenzstrahlung
erreicht werden.
-
In
der vorliegenden Ausführungsform
besteht das Einkopplungsfenster 6 im Wesentlichen aus einer
Halbsphäre,
die sich an ihrem Rand zunächst
in einem Hohlzylinder 8 fortsetzt und durch eine als Kreisring
ausgebildete Krempe 7 abgeschlossen wird.
-
Vorliegend
besteht das Einkopplungsfenster 6 aus PTFE (Handelsname:
Teflon). An seiner Krempe 7 wird das Einkopplungsfenster 6 zwischen
dem Flansch 4a des Hohlleiters 4 und dem damit
elektrisch kontaktierten Flansch 9a der metallischer Kammerwandung 9 eingespannt
und hierdurch ortsfest in seiner Position gehalten.
-
Die
zylindrische Fortsetzung 8 ermöglicht es hierbei, den Kammerflansch 9a so
auszubilden, dass er entlang seiner Berührungsfläche 8a zum Einkopplungsfenster 6 dicht
anliegt und somit auf der dem Vakuum zugewandten Oberfläche 6a des
Fensters 6 keinerlei Luftspalt aufweist.
-
Die
elektrische Länge 10 der
vom Metall der Flansche 4a und 9a umgebenen Krempe 7 des
dielektrischen Fensters 6 und die Materialstärke 11 des sphärischen
Teils des Fensters 6 sind vorliegend hinsichtlich der verwendeten
Frequenz von 2450 MHz mit den im allgemeinen Beschreibungsteil genannten Methoden
optimiert worden.
-
Demzufolge
beträgt
die mittlere elektrische Länge 10 vorliegend
ca. λε/2,
die Materialstärke
des Flanschs ca. 0,12 λε und
die Materialstärke 11 des sphärischen Fensters 6 ca.
0,18 λε,
wobei die Wellenlänge λε sich
bei der verwendeten Frequenz von 2450 MHz im Material PTFE zu 0,085
m ergibt.
-
Die
Ausbildung der Flanschkonstruktion erfüllt somit das Kriterium einer
möglichst
geringen elektrischen Feldstärke
im Bereich der Berührungsstelle
zwischen dem sphärischen
Fenster und der dem Vakuum zugewandten Kante des Fensterflansches.
Die genaue konstruktive Ausprägung
wurde durch Simulationsrechnungen weiter verfeinert.
-
Die
Dicke des sphärischen
Fensters 6 weicht in der dargestellten Ausführungsform
von der für
Reflexionsfreiheit zu fordernden Materialstärke von λε/4 ab.
Hierdurch und durch den Übergang
zwischen dem zylindrischen Einkopplungshohlleiter 4 in
das durch die Kammerwand 9 begrenzte Kammervolumen 12 kommt
es zur Ausbildung stehender Wellen im Bereich des Einkopplungshohlleiters 4.
-
Dessen
Länge ist
vorliegend erfindungsgemäß so gewählt, dass
sich ein elektrisches Feldmaximum der stehenden Welle innerhalb
der halbsphärischen
Kalotte des sphärischen
Fensters 6 einstellt, während
sich an seiner dem Vakuum zugewandten Oberfläche 6a bei gegebenem
Leistungseintrag minimale elektrische Feldstärken einstellen.
-
Vorliegend
besitzt der zylindrische Einkopplungshohlleiter 4, gemessen
zwischen dem Übergang
zum Sperrtopf 5 und dem Scheitel der dem Vakuum zugewandten
Oberfläche 6a des
Einkopplungsfensters 6, eine Länge von 3,1 λ0,
wenn λ0 die Freiraum-Wellenlänge der verwendeten Hochfrequenzstrahlung
bezeichnet, die sich bei der verwendeten Frequenz von 2450 MHz zu
0,1224 m ergibt. Die lichte Weite des Hohlleiters beträgt 0,9 λ0.
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Bezugnehmend
auf 5 wird dort eine schematische Darstellung einer
Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur hochfrequenzgestützten
trocknenden Behandlung von Produkten mit mittlerem und geringem
Wassergehalt für eine
Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Herstellung eines aus einzelnen Produktstückchen oder ganzen Früchten bestehenden
Lebensmittel produkts, das einen knusprigen („crispy") oder knackigen („crunchy") Charakter aufweist, dargestellt.
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In
der gezeigten Ausführungsform
umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung
einen Mikrowellen-Vakuum-Prozessor 20, der aus einer Kombination
aus Mikrowellen-Vakuum-Puffungsstation 21, Mikrowellen-Vakuum-Trockner 23 und
einem dazwischen liegenden Übergabebereich 22 besteht
und der Behandlung stückiger
Produkte dient.
-
In
dem dargestellten Beispiel sind die Mikrowellen-Vakuum-Puffungsstation 21 und
der Mikrowellen-Vakuum-Trockner 23 jeweils mit einem Transportband 25 bzw. 25a ausgestattet.
Die Transportbänder 25 und 25a sind
hierbei unabhängig
voneinander einstellbar.
-
Das
zu trocknende Produkt gelangt durch eine Eintragschleuse 24 in
den mit Vakuum beaufschlagten Mikrowellen-Vakuum-Prozessor 20,
genauer gesagt in die Mikrowellen-Vakuum-Puffungsstation 21.
Von der Schleuse 24 fällt
das zu trocknende Produkt auf das erste Transportband 25 und
wird mit Hilfe eines einstellbaren Produktverteilers 26 zu einer
kontinuierlichen und gleichmäßig dicken Schicht
verteilt.
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Das
Produkt durchläuft
eine Blendeneinrichtung 27 und gelangt in die mit hoher
dissipierter Leistungsdichte beaufschlagte Mikrowellen-Behandlungskammer 28.
Die Blendeneinrichtung 27 dient vorliegend dazu die Hochfrequenzstrahlung
innerhalb der Mikrowellen-Behandlungskammer 28 nach außen abschirmen.
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Die
Hochfrequenzleistung, vorliegend regelbar bis max. 48 kW bei 2450
MHz, wird der Behandlungskammer 28 über eine Anzahl von Einkopplungen 29 zugeführt. Vorliegend
werden vier Einkopplungspaare verwendet, von denen in 5 schematisch
jedoch nur drei dargestellt sind. Aufgrund der hohen Leistungsdichte
bewirkt die zugeführte
Hochfrequenzleistung eine rasche Verdampfung eines Teils der im
Produkt enthaltenen Feuchtigkeit und damit ein Expandieren (Puffen)
der Produktstückchen (z.B.
Obst- oder Gemüsewürfel).
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Vorzugsweise
sind die Einkopplungen 29 hierbei gemäß der in 2 dargestellten
Ausführungsform
ausgebildet, d.h. dass aufgrund der erfindungsgemäßen Anpassung
der behandlungskammerseitigen, elektrischen Feldstärke unmittelbar nach
der Einkopplung 29 eine im Vergleich zum Stand der Technik
höhere
Leistung in das Vakuum der Behandlungskammer 28 eingebracht
werden kann.
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Die
Behandlungskammer
28 ist, wie beispielsweise in der Druckschrift
DE 196 43 989 A1 beschrieben,
mit einem System von quer und längs
zur Produktflussrichtung angeordneten Blenden
30 versehen,
von dem in
5 aus Gründen der Übersichtlichkeit nur die Zwischen-
und Abschlussblenden dargestellt sind. Die Geometrie dieses Blendensystems
30 ist
hierbei so gewählt,
dass eine Verteilung der dissipierten Leistungsdichte erreicht wird.
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Um
das Produkt im optimalen Temperaturbereich trocknen zu können, ist
die Puffungsstation 21 mit Strahlungsthermometern (Pyrometern) 31 ausgerüstet. Glimmdetektoren 32 überwachen
die Kammer 28, um trotz der ggf. verwendeten speziellen
Einkopplungen 29 aus den 2 und 3 aufgrund der
prozessgemäß hohen
elektrischen Feldstärken möglicherweise
auftretende Glimmentladungen sofort zu löschen.
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Nach
der Behandlung verlässt
das Produkt die Behandlungskammer 28 durch die die in der Kammer 28 eingebrachte
Hochfrequenzstrahlung abschwächende
Blendeneinrichtung 33, die eine vereinfachte Ausführung der
im Wesentlichen mikrowellendichten Blendeneinrichtung 27 sein
kann.
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Nun
befindet sich das Produkt in einem Übergabebereich 22,
der durch eine schwache Beaufschlagung durch Hochfrequenzstrahlung
gekennzeichnet ist. Die schwache Beaufschlagung des Bereichs 22 beruht
hierbei auf den die in den Bereichen 28 und 28a wirkenden
Mikrowellen abschwächenden Blenden 33 bzw. 33a.
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In
dem Übergabebereich 22 können folglich mechanische
Teile der Bandfördervorrichtungen 25, 25a untergebracht
werden, die eine möglichst
geringe Mikrowellenbelastung aufweisen sollten. Weiterhin findet
in dem Bereich 22 in der dargestellten Ausführungsform
eine Übergabe
der zu trocknenden Produkte von dem ersten Transportband 25 der
Mikrowellen-Vakuum-Puffungsstation 21 auf das zweite Transportband 25a des
Mikrowellen-Vakuum-Trockners 23 statt.
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Nach
dem Durchlaufen einer weiteren Hochfrequenzstrahlung abschwächenden
Blendeneinrichtung 33a gelangt das nun bereits einen geringen Wassergehalt
von 10% bis 20% der Produktmasse aufweisende, aber noch weiter zu
trocknende Produkt in die Behandlungskammer 28a des Mikrowellen-Vakuum-Trockners 23.
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Dieser
ist vorliegend ähnlich
aufgebaut wie die Mikrowellen-Puffungs-Station 21. Das
eine gleichmäßige Verteilung
der eingebrachten Leistung bewirkende Blendensystem 34,
auch hier sind in 5 nur die Zwischen- und Abschlussblenden
dargestellt, weist aufgrund der durch die vorausgegangene Trocknung
des Produkts und der daraus resultierenden veränderten dielektrischen Eigenschaften jedoch
eine andere Hochfrequenzleistung und eine andere Geometrie auf.
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So
sind die durch Zwischen- und Abschlussblenden des Blendensystems 34 voneinander
getrennten Einzelsegmente hier doppelt so lang wie in der Mikrowellen-Puffungs-Station 21,
während
die je Segment maximal einbringbare Leistung halbiert ist.
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Die
Hochfrequenzleistung, vorliegend regelbar bis max. 36 kW bei 2450
MHz, wird der Behandlungskammer 28a über eine Anzahl von Einkopplungen 37,
vorliegend sechs Einkopplungspaare, von denen in 5 jedoch
schematisch nur vier dargestellt sind, zugeführt und bewirkt die weitgehende Verdampfung
der im Produkt enthaltenen Restfeuchtigkeit.
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Vorliegend
wird das Produkt vor der Trocknung auf ein zweites Band 25a übergeben,
so dass die Produkt-Verweildauern in der Mikrowellen-Puffungs-Station 21 und
im Mikrowellen-Vakuum-Trockner 23 innerhalb gewisser Grenzen
voneinander unabhängig
einstellbar sind.
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Aufgrund
der für
die Trocknung gegenüber der
Puffung deutlich niedrigeren elektrischen Feldstärkewerte kann eine Glimmüberwachung
im Mikrowellen-Vakuum-Trockner 23 ggf.
entfallen. Dennoch wäre
es denkbar, auch hier die Einkopplungen 37 in Art der in
den 2 und 3 dargestellten Einkopplungen
auszubilden, um auch im Bereich der Trocknung möglichst hohe Leistungen einkoppeln
zu können,
falls ein besonderer Anwendungsfall dies erforderlich machen sollte.
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Um
eine Überhitzung
des bereits recht trockenen Produkts während der Trocknung zu vermeiden,
sind auch im Bereich der Behandlungskammer 28a des Mikrowellen-Vakuum-Trockners 23 zur
Temperaturüberwachung
Strahlungsthermometer 35 vorhanden.
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Anhand
der experimentell ermittelten oder aus geeigneten Quellen entnommenen
thermodynamischen Eigenschaften des jeweils zu behandelnden Produkts
und weiterer produktspezifischer Kenngrößen errechnet in der dargestellten
Ausführung
eine nicht dargestellte Prozesssteuerung, insbesondere auf Basis
der von den Strahlungsthermometern 31 und 35 ermittelten
Werten, wesentliche Prozessparameter, z.B. die maximale Produktoberflächentemperatur
während
der Puffung und Trocknung, und regelt die Leistung der die Einkopplungen 29 und 37 speisenden
(nicht dargestellten) Hochfrequenzgeneratoren entsprechend nach.
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Aufgaben
der Prozesssteuerung sind weiter die Einhaltung des vorgegebenen
Restdrucks in der Vakuumkammer 20 sowie die Auslösung von
Gegenmaßnahmen
bei auftretenden Glimmentladungen.
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Das
erfindungsgemäß mittels
Hochfrequenz in dem Mikrowellen-Vakuum-Trockner 23 fertig getrocknete
Produkt verlässt
die Behandlungskammer 28a durch die weitgehend mikrowellendichte
Blendeneinrichtung 38 und gelangt zur Produktaustragschleuse 39,
durch die es den kombinierten Mikrowellen-Vakuum-Prozessor 20 wieder verlässt.
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Vorliegend
sind die Vakuumschleusen 24 und 39 für den Ein-
bzw. Austrag des Produkts als vertikal arbeitende Drehklappenschleusen
mit den Klappen 24a bzw. 39a ausgeführt. Die
Schleusen 24 und 39 verfügen erfindungsgemäß über zusätzliche Produktrückhalteklappen 24b bzw. 39b.
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Die
Produktrückhalteklappen 24b und 39b haben
wie oben beschrieben die Aufgabe, die Produktstückchen von den Vakuumklappen 24a bzw. 39a fernzuhalten.
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Vorliegend
sind die Produktrückhalteklappen 24b und 39b als
Schmetterlingsklappen ausgeführt und
so gestaltet, dass sie im geschlossenen Zustand einen hinreichend
schmalen Spalt zwischen Klappenrand und Schleusenwand aufweisen,
so dass die geschlossene Produktrückhalteklappe Produktstückchen wirksam
zurückhält, ohne
den Gasaustausch in der Vakuumschleuse 24 bzw. 39 zu
behindern.
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Die
Schleusung erfolgt wie oben beschrieben in der Weise, dass die Produktrückhalteklappe 24b bzw. 39b immer
nur dann geöffnet
ist, wenn die darunter befindliche Vakuumklappe 24a bzw. 39a ebenfalls
offen ist, so dass kein Produktstückchen direkt zur Vakuumklappe 24a bzw. 39a gelangt.
In der Regel benötigt
jede Vakuumklappe 24a bzw. 39a somit eine Produktrückhalteklappe.
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In
der dargestellten Ausführungsform
wird im Falle der Eintragsschleuse 24 davon abgewichen.
Da die Produktzufuhr vom Vortrockner so gesteuert ist, dass Produkt
stets nur dann in die Schleuse 24 gelangt, wenn die obere
Vakuumklappe 24a geöffnet
ist eine Produktrückhaltung
oberhalb dieser Klappe 24a nicht erforderlich.
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Zusätzlich zu
den eine gleichmäßige Dissipation
der eingestrahlten Leistung bewirkenden Blendensysteme 30 und 34 wird
in dem dargestellten Mikrowellen-Vakuum-Prozessor 20 sowohl
in der Puffungs-Station 21, als auch in dem Trockner 23 Hochfrequenzstrahlung
unterschiedlicher Frequenzen bzw. um eine Mittenfrequenz modulierte
Hochfrequenzstrahlung eingespeist, um eine noch gleichmä ßigere Verteilung
der Leistung und eine bessere Vermeidung von Hot Spots zu erreichen.
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Als
Modulationsverfahren werden hierbei z.B. Frequenzmodulation (FM)
oder Frequenzspreizverfahren durch schnelles Umschalten der Frequenz (Frequenzsprungverfahren,
frequency hopping) oder durch schnelle digitale Modulation (direct
sequence spread spectrum, DSSS) des Trägers mit PN-Codes (pseudo noise
Codes) verwendet.
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Die
jeweiligen Verweildauern in den einzelnen Behandlungskammern 28 bzw. 28a und
die sich ergebende Leistungsaufnahme durch das jeweilige Produkt
kann vorliegend durch eine Anpassung der Laufgeschwindigkeit der
Laufbänder 25, 25a erreicht werden.
Hierbei ermöglichen
die im Wesentlichen voneinander unabhängigen Laufbänder 25, 25a eine größere Flexibilität.
-
- 1
- Speisehohlleiter
- 2
- Abstimmglied
- 3
- Einkopplung
- 4
- Einkopplungshohlleiter
- 4a
- Flansch
- 5
- Wellentypfilter
- 6
- Einkopplungsfenster
- 6a
- Vakuumseite
von 6
- 7
- Krempe
- 8
- zyl.
Fortsetzung
- 8a
- Berührungsfläche
- 9
- Kammerwandung
- 9a
- Flansch
- 10
- elektrische
Länge
- 11
- Materialstärke von 6
- 12
- Behandlungskammer
- 13
- Zwischen-/Abschlussblenden
- 14
- Durchbrüche
- 15
- Fördermittel
- 16
- Produkt
- 17
- Segmentlänge
- 18
- Aufschüsselung
- 19
- Einkopplung
- 19a
- Behälterflansche
- 20
- Mikrowellen-Vakuum-Prozessor
- 21
- Mikrowellen-Vakuum-Puffungsstation
- 22
- Übergabebereich
- 23
- Mikrowellen-Vakuum-Trockner
- 24
- Eintrag-Vakuumschleuse
- 24a
- Vakuumklappe
- 24b
- Produkt-Rückhalteklappe
- 25
- erstes
Förderband
- 25a
- zweites
Förderband
- 26
- Produktverteiler
- 27
- Blendeneinrichtung
- 28
- Mikrowellen-Behandlungskammer
- 29
- Einkopplungen
- 30
- Zwischen-/Abschlussblenden
- 31
- Strahlungsthermometer
- 32
- Glimmdetektoren
- 33
- Blendeneinrichtung
- 33a
- Blendeneinrichtung
- 34
- Zwischen-/Abschlussblenden
- 35
- Strahlungsthermometer
- 37
- Einkopplungen
- 38
- Blendeneinrichtung
- 39
- Austrag-Vakuumschleuse
- 39a
- Vakuumklappe
- 39b
- Produktrückhalteklappe