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Die
Erfindung betrifft leicht durchzuführende schonende Verfahren
und erfindungsgemäße Vorrichtungen
zur Trocknung empfindlicher wasserhaltiger Produkte, die unter Verwendung
haushaltsüblicher
Küchengeräte oder
anderer bekannter technischer Produkte zu aromakräftigen und
an empfindlichen Inhaltsstoffen reichen Trockenprodukten mit bekannten
und neuen Eigenschaften führen.
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Zur
schonenden Trocknung von temperaturempfindlichen Produkten wie manchen
Lebensmitteln oder biologischer, biochemischer oder chemischer Produkte
ist die Gefriertrocknung Stand der Technik. Unter Verwendung von
Hochvakuumpumpen wird der Druck so weit erniedrigt, dass der Dampfdruck
des Wassers der gefrorenen Produkte erreicht und unterschritten
wird. Dabei entweicht das Wasser gasförmig und wird in Kühlfallen
bei sehr tiefen Temperaturen abgeschieden. Durch die Sublimationswärme kühlt sich
das zu trocknende Material weiter ab, so dass die Trockenkammern
teilweise beheizt werden müssen,
um die Trocknungsgeschwindigkeit nicht zu verringern.
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Der
Nachteil dieser Technik ist, dass vakuumbeständige Anlagen erforderlich
sind, die mit den benötigten
Hochvakuumpumpen und den Kühlfallen, die
sehr tief gekühlt
werden müssen,
eine sehr hohe Investition in die Anlagentechnik bedingen. Deshalb ist
ein hoher Durchsatz erforderlich, damit das Verfahren konkurrenzfähige Preise
erzielt. Ein zweiter Nachteil ist der Verlust an Aromastoffen, die
mit dem Gasstrom vom zu trocknenden Material teilweise abgeführt werden
und zusammen mit dem Wasser in die Kühlfalle gelangen.
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DE 196 41 404 A1 beschreibt
eine alternative Technologie der Gefriertrocknung unter Verwendung von
Zeolith als Adsorbens für
Wasser, bei der nach dem Erreichen des Hochvakuums der Wasserdampf nicht
mehr abgepumpt und ausgefroren, sondern durch Adsorption an Zeolith
entfernt wird.
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Hierbei
kann durch Umwälzung
des Gasstromes der Aromaverlust verringert werden. Eine Kühlfalle
wird nicht und die Hochvakuumpumpe nur zu Beginn der Trocknung benötigt. Allerdings
wird auch hier eine vakuumfeste Trockenkammer benötigt und zusätzlich muss
der mit Wasser beladene Zeolith durch Erhitzung auf mehr als 300°C, z.B. mit
einem Gasbrenner, regeneriert werden.
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Deshalb
liegen hier ähnlich
hohe Investitionskosten für
die Trocknungsanlage wie im erstgenannten Fall vor, die einer breiten
Anwendung entgegenstehen.
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In
allen Fällen
von Gefriertrocknung entstehen stark poröse Produkte geringer Dichte.
Dies kann Vorteile bieten, nämlich
die schnelle Rehydratisierung bzw. Löslichkeit so getrockneter Produkte, die
in Aussehen und Form kaum verändert
werden. Als Nachteil ist der hohe Volumenbedarf so getrockneter
Produkte zu sehen und die durch die sehr hohe Oberfläche bedingte
Empfindlichkeit gegenüber
Luftfeuchtigkeit und Luftsauerstoff. Kompakte Produkte hoher Dichte
mit geringer Luftempfindlichkeit können nicht auf diese Weise,
sondern nur durch herkömmliche
Trocknung erreicht werden, die die bekannten Nachteile bei temperaturempfindlichen
oder verderblichen Produkten hat.
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Deshalb
stellte sich die Aufgabe, ein einfaches und kostengünstiges
Verfahren zur Gefriertrocknung oder einer sonstigen schonenden Trocknung
von temperaturempfindlichen Produkten bereitzustellen, das ohne
hohe Investitionen auskommt und deshalb sogar im Haushalt anwendbar
ist. Dabei sollten die Qualität
und insbesondere die Aromastoffe und empfindliche Inhaltsstoffe
der Produkte nach der Trocknung möglichst erhalten bleiben.
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Durch
Wahl der Trocknungsparameter sollten Produkte erzielbar sein, die
entweder wie bei Gefriertrocknung nach Stand der Technik formstabil
und sehr porös
sind oder kompakt mit höherer
Dichte und geringerer Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit oder Sauerstoff
eher dem Resultat der konventionellen Warmlufttrocknung entsprechen,
wobei deren Nachteile wie Bräunung,
Karamelisierung und Aromaverluste, Aromaveränderungen oder Zerstörung empfindlicher
Inhaltsstoffe vermieden werden sollten.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Trocknung in einer gekühlten Umgebung
durchgeführt
wird. Im Haushalt wird zur Durchführung einer Gefriertrocknung
ein Gefriergerät benutzt,
eine schonende Kalttrocknung kann in einem Kühlschrank nahe 0°C durchgeführt werden.
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Da
kein schneller Durchsatz wie bei der herkömmlichen Gefriertocknung aus
wirtschaftlichen Gründen
erforderlich ist, ist auch eine geringe Trocknungsgeschwindigkeit
anwendbar. Durch die kühle Umgebung
ist der mikrobielle und chemische Verderb stark verzögert, so
dass eine langsame Trocknung ohne Verderb überhaupt möglich wird.
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Erfindungsgemäß wird das
Trockengut auf die gewählte
Trockentemperatur gebracht, also normalerweise entweder tiefgefroren
oder gekühlt,
und danach in einen gasdichten Behälter gefallt. Dieser gas- und
aromadichte Behälter
muss nicht unbedingt vakuumfest sein, so dass im einfachsten Fall
z.B. ein verschweißbarer
Beutel aus einem Kunststoff-Metall-Folienverbund als Trockenbehälter ausreicht. Darüber hinaus
sind beliebige unter den gewählten Trockenbedingungen
vakuumfeste Trockenbehälter aus
beliebigem Material für
das Verfahren geeignet, wenn sie aromadicht sind und sich gasdicht
verschließen
lassen. Als Beispiel für
diese Bauart können
Kunststoffdosen für
Lebensmittel genannt werden, die für höchste Vakuumfestigkeit bei
geringstem Materialaufwand vorzugsweise aus zwei halbkugelförmigen Halbschalen
ausgebildet sein können,
so dass sich im geschlossenen Zustand ein kugelförmiger Behälter ergibt. Zusätzlich ist
es auch möglich, den
Folienbeutel durch eine eingeschobene Einlage zu stützen, die
im Falle der Evakuierung des Beutels die auftretenden Kräfte aufnimmt,
so dass auch mit der einfachsten Ausführung im Vakuum getrocknet werden
kann, ohne dass das Trockengut vom Umgebungsdruck gequetscht wird.
In einen solchen Trockenbehälter
mit darin befindlichem Trockengut wird nun mindestens ein Adsorber
für Wasser
gebracht und der Trockenbehälter
gasdicht verschlossen. Dabei kann bei beliebigem Druck gearbeitet
werden, wobei erfindungsgemäß ein mehr
oder weniger starkes Vakuum angewandt werden kann. Dabei ist es von
Vorteil, dass im Fall von Folienbeuteln Folienschweißgeräte existieren
und haushaltsüblich
sind, mit denen der Prozess des Evakuieren und Verschließen in einem
Arbeitsgang einfach und kostengünstig
durchgeführt
werden kann. Auch andere Vakuumerzeuger von haushaltsüblichen
Staubsaugern über
beispielsweise Wasserstrahlpumpen bis zu motorisch oder handbetriebenen
Vakuumpumpen sind zur Erzielung des gewünschten Vakuums geeignet, wobei
dann geeignete Sauganschlüsse
an den Trockenbehältern
erforderlich sind.
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Der
im Trockenbehälter
herrschende Druck, die gewählte
Umgebungstemperatur, der Verteilungsgrad bzw. die spezifische Oberfläche und
die Wegstrecke zwischen Trockengut und Adsorber bestimmen die für die Trocknung
eines gegebenen Materials erforderliche Zeit:
Je niedriger
die Umgebungstemperatur und je höher der
Innendruck, je geringer die spezifische Oberfläche und je größer die
Wegstrecke zwischen Adsorber und Trockengut, desto mehr Zeit ist
für den
Trocknungsprozess erforderlich. Wegen der Möglichkeit, beliebig tiefe Trocknungstemperaturen
wählen
zu können
und des möglichen
geringen Abstandes zwischen Trockengut und Adsorber, ist aber eine
schonende Trocknung selbst bei Atmosphärendruck oder auch bei Überdruck
möglich,
so dass die Anwendung von Vakuum nicht unbedingt erforderlich ist.
Außerdem
kann eine Trocknung selbst bei extrem niedrigen Temperaturen erfolgen,
falls dieses Vorgehen für ein
spezielles Produkt vorteilhaft erscheint. Auch bei diesen Extremtemperaturen
kann der Gasdruck und damit die Trocknungsgeschwindigkeit dem Produkt angepasst
werden. Zusätzlich
ist vorteilhaft, dass nach beendeter Trocknung der Trockenbehälter nicht sofort
geöffnet
und geleert werden muss. Dadurch können eventuell im Adsorber
befindliche Aromastoffe sich über
die Gasphase mit dem Trockengut ins Gleichgewicht setzen, was zu
einer besseren Erhaltung des Aromas des Trockengutes führt. Nach
beendeter Trocknung kann der geschlossene Trocknungsbehälter auch
aus der gekühlten
Umgebung entfernt werden. Zur optimalen Schonung oxidationsempfindlichen
Trockengutes ist auch in dem erfindungsgemäßen Verfahren die bekannte
Verwendung von Inertgas anwendbar.
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Als
weiterer Vorteil dieses Verfahrens ist zu werten, dass die nutzbare
Beladungskapazität
des Adsorbers bei der durch die niedrige Umgebungstemperatur bedingten
niedrigen Adsorbertemperatur sehr hoch ist. Im Falle von
DE 196 41 404 A1 ist
zu diesem Zweck eine erzwungene Gasströmung, die zur Kühlung des
Adsorbers genutzt wird, vonnöten.
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Der
erfindungsgemäße Adsorber
für Wasser enthält untoxische
Materialien, die Wasser stark adsorbieren können und dabei einen niedrigen
Wasserdampfpartialdruck aufrecht erhalten können. Besonders bevorzugt für diese
Anwendung sind Zeolithe, weil deren definierte Hohlräume spezifisch
kleine polare Moleküle
wie Wasser adsorbieren. Besonders die Typen mit einer Porengröße von etwa
3 Å, die spezifisch
Wasser adsorbieren, sind für
Trocknungszwecke geeignet. Andere Substanzen wie z.B. Aromastoffe
sind für
eine feste Adsorption zu groß und nicht
so polar wie Wasser, so dass sie durch dieses während des Trocknungsprozesses
verdrängt
werden können.
Wenn ein höheres
Vakuum als das durch die Vakuumpumpe erzeugte erforderlich erscheint,
kann durch Zugabe von Zeolith mit größeren Poren von etwa 5 Å die Adsorption
von Luftstickstoff und Luftsauerstoff erreicht und damit der Gasdruck weiter
verringert werden. Als anderer anwendbarer Adsorber ist Kieselgel
bevorzugt, weil auch dieses Material Wasser stark adsorbieren kann,
ohne zu zerfließen
oder seine Form zu ändern.
Zudem sind beide Materialien physiologisch unbedenklich und günstig verfügbar. Darüber hinaus
sind aber auch andere untoxische Materialien, die zur Adsorption
von Wasser befähigt
sind, ohne die Aromastoffe stark zu binden, wie dehydratisierte
Mineralien, für
dieses Verfahren geeignet.
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Erfindungsgemäß kann sich
dieser Adsorber in einem gasdurchlässigen flexiblen oder formstabilen
Behälter
befinden, damit nicht mit losem Schüttgut gearbeitet werden muss.
Der mit Wasser beladene Adsorber muss vor einer erneuten Verwendung als
Trockenmittel regeneriert werden. Nach dem Stand der Technik wird
dies durch Erhitzung auf mehr als 300°C, z.B. durch heiße Verbrennungsgase
erreicht. Im Haushalt ist dies kaum möglich, weil z.B. in Backöfen meist
nur eine Maximaltemperatur von 250°C erreicht werden kann.
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Zusätzlich ist
dieses Verfahren unwirtschaftlich, weil dazu der gesamte Backofen
aufgeheizt werden muss. Außerdem
muss dann auch der Behälter des
Adsorbers entsprechend temperaturstabil sein, wenn nicht mit losem
Schüttgut
gearbeitet werden soll.
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Erfindungsgemäß wird die
Regenerierung des Adsorbers bevorzugt im Mikrowellenherd durchgeführt. Dieses
Gerät ist üblicherweise
in Haushalten vorhanden und zur gezielten Erhitzung von Stoffen mit
hohem Dipolmoment wie Wasser besonders geeignet. Besonders vorteilhaft
bei dieser Art der Regenerierung ist die Tatsache, dass sich das
Adsorbermaterial weniger stark erhitzt als bei Anwendung direkter
Hitze, aber trotzdem der Effekt einer konventionellen Hochtemperaturdesorption
erreicht wird. Dadurch ist es möglich,
den Adsorber in Behälter
aus üblichen
mikrowellengeeignete Materialien zu füllen und auch während der
Regenerierung zu belassen. Zusätzlich
wird dadurch die Gefahr von Verbrennungen an heißem Adsorber verringert und
die Regenerierung mit einfachen Mitteln schnell und wirtschaftlich
erreicht.
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Erfindungsgemäß ist es
von Vorteil, wenn der mindestens eine Adsorber zwischen Schichten von
Trockengut platziert wird, da auf diese Weise die Wärmebilanz
und die Trockengeschwindigkeit günstig
beeinflusst wird. Bei der Trocknung wird nämlich dem Trockengut die Sublimationsenergie
entzogen, so dass dieses stärker
abkühlt
und deshalb der Trockenvorgang immer langsamer wird. Deshalb wird nach
Stand der Technik dem Trockengut Wärme zugeführt, um die Trocknungsgeschwindigkeit
nicht immer kleiner werden zu lassen. Durch die Platzierung des
mindestens einen Adsorbers zwischen dem Trockengut kann die dort
auftretende Adsorptionswärme zur
Erwärmung
des abgekühlten
Trockengutes eingesetzt werden, wobei keine zusätzliche Heizung benötigt wird.
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In
allen diesen erfindungsgemäßen Fällen ist keine
von außen
erzwungene Gasströmung
vorhanden und auch prinzipbedingt nicht möglich, sondern der Prozess
verläuft über Diffusionsprozesse,
die über
die sich bildenden Konzentrationsgradienten verlaufen. Durch geeignete
Geometrie der Querschnittsflächen
des Adsorbers ist es erfindungsgemäß aber möglich, eine intern über kinetische
Prozesse verlaufende Gasströmung
zu bewirken, die zusätzlich
zur ungerichteten Diffusion zu einer Rückverteilung der auf dem Adsorber
oder der im Gasraum befindlichen Aromastoffe beiträgt und den
Adsorber kühlt
bzw. das Trockengut heizt. Dazu wird ein Teil der freien Kontaktfläche des
Adsorbers gößer gewählt als
der andere. Auf der Seite der größeren Querschnittsfläche wird
ein größerer Strom
von Wasserdampf und damit auch der Restatmosphäre erzielt, wobei die Restatmosphäre unadsorbiert
vom Wasserdampfstrom durch die kleinere Kontaktfläche weitertransportiert
wird. Auf diese Weise kann eine interne Gasströmung gemäß Zeichnung 1 erzielt werden.
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Beispiel 1
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In
einen Beutel aus Kunststoff-Metall-Folienverbund wird ein Stützkäfig aus
Edelstahl eingelegt. Sodann füllt
man eine Schicht tiefgefrorenes Trockengut, z.B. Obst, ein. Dann
wird ein Beutel aus textilem Polyester mit trockenem Zeolith gefüllt und
auf das im Stützkorb
befindliche Trockengut gelegt. Danach wird der verbleibende Raum
mit einer weiteren Schicht tiefgefrorenem Trockengut gefüllt, der
Beutelanfang in ein Vakuum-Folienschweißgerät eingelegt und
der Vakuumier- und Schweißvorgang
gestartet. Den verschweißten,
unter Vakuum stehenden Trockenbehälter legt man in das Gefriergerät und kann dann
je nach Struktur des Trockengutes, Druck und Trockentemperatur nach
einigen Stunden bis mehreren Monaten das getrocknete Gut entnehmen.
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Zur
vollständigen
Trocknung von 100 g enthaltener Feuchtigkeit sind bei etwa 15-20%
nutzbarer Adsorberkapazität
etwa 500-700 g trockener Zeolith erforderlich. Das Verfahren kann
noch schonender durchgeführt
werden, wenn der gefüllte
Trockenbehälter
vor dem Verschließen
mit Inertgas wie z.B. N2 oder Argon gespült wird
und nach dem Trocknen erst mit Inertgas gefüllt und unter Inertgas entleert
wird.