DE102009057411B4

DE102009057411B4 - Verfahren und Vorrichtungen zur Trocknung und Gefriertrocknung von stückigem, pulverförmigem oder granulatförmigem Gut

Info

Publication number: DE102009057411B4
Application number: DE200910057411
Authority: DE
Inventors: Peter Püschner
Original assignee: Pueschner & Co KG GmbH; Pueschner GmbH and Co KG
Current assignee: Pueschner & Co KG GmbH; Pueschner GmbH and Co KG
Priority date: 2009-12-08
Filing date: 2009-12-08
Publication date: 2012-06-21
Anticipated expiration: 2029-12-09
Also published as: DE102009057411A1

Abstract

Verfahren zur Gefriertrocknung von stückigem, pulverförmigem oder granulatförmigem, insbesondere in einer mindestens semi-gasdurchlässigen Verpackungshülle verpacktem, Gut (6), umfassend: – Geben von zu trocknendem, gefrorenem, mindestens semi-gasdurchlässigen, insbesondere in einer Verpackungshülle verpackten, Gut (6) in eine um eine im wesentlichen horizontale Drehachse drehbar gelagerte Trommel (12) in einem Vakuumbehälter (11), der auf einer frei wählbaren Kühltemperatur des zu trocknenden Guts (6) gehalten wird, und – Trocknen des Guts (6) durch Absenken des Drucks in dem Vakuumbehälter (11) unterhalb des Tripelpunkts von Wasser bei der Kühltemperatur und Bestrahlen des Guts (6) mit Mikrowellen, vorzugsweise mit konstanter Energie bzw. Leistung, zumindest teilweise unter gleichzeitigem Hin- und Herbewegen der Trommel (12) um die Drehachse.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein die Trocknung von stückigem, pulverförmigem oder granulatförmigem Gut. Insbesondere betrifft sie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gefriertrocknung von stückigem, pulverförmigem oder granulatförmigem, insbesondere in einer mindestens semi-gasdurchlässigen Verpackung verpacktem, Gut und ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Trocknung von stückigem, pulverförmigem oder granulatförmigem, insbesondere in einer mindestens semi-gasdurchlässigen Verpackung verpacktem, Gut.
Aus der DE 20 2006 018 276 U1 ist eine Mikrowellen-Vakuumtrocknungsanlage zur Trocknung von stückigem, pulverförmigem oder granulatförmigem Gut bekannt. Diese hat sich im Prinzip im Einsatz bewährt. Jedoch können mechanisch besonders empfindliche Produkte, wie z. B. Beeren, Früchte und Gemüse, nicht oder nur unter Verlust der ursprünglichen Konsistenz und Form getrocknet werden. Wird zu viel Produkt in die Trommel der Mikrowellen-Vakuumtrocknungsanlage gefördert und anschließend bewegt, werden die Produkte leicht deformiert, eingedrückt und zerstört. In vielen Bereichen, wie z. B. in Teilbereichen der Lebensmittelindustrie, besteht jedoch die Anforderung, dass die Produkte ihre ursprüngliche Form beim Trocknen behalten. Außerdem kann es während der Trocknung in der Trommel zu Verklebungen, Agglomeraten und Beschädigungen etc. von blattförmigen Produkten, wie z. B. Gewürze, Heilkräuter, Tee, Gemüseblätter etc., sowie zu Überhitzungen/bräunlichen Verfärbungen der Stile durch dielektrische Unterschiede zwischen Blattadern und Blattstil kommen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine produktschonende, insbesondere formstabile, Trocknung zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß einem ersten Aspekt gelöst durch ein Verfahren zur Gefriertrocknung von stückigem, pulverförmigem oder granulatförmigem, insbesondere in einer mindestens semi-gasdurchlässigen Verpackungshülle verpacktem, Gut, umfassend: Geben von zu trocknendem, gefrorenem, mindestens semi-gasdurchlässigen, insbesondere in einer Verpackungshülle verpackten, Gut in eine um eine im wesentlichen horizontale Drehachse drehbar gelagerte Trommel in einem Vakuumbehälter, der auf einer frei wählbaren Kühltemperatur des zu trocknenden Guts gehalten wird, und Trocknen des Guts durch Absenken des Drucks in dem Vakuumbehälter unterhalb des Tripelpunkts von Wasser bei der Kühltemperatur und Bestrahlen des Guts mit Mikrowellen, vorzugsweise mit konstanter Energie bzw. Leistung, zumindest teilweise unter gleichzeitigem Hin- und Herbewegen der Trommel um die Drehachse.
Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vakuumtrocknungsanlage zur Gefriertrocknung von stückigem, pulverförmigem oder granulatförmigem, insbesondere in einer mindestens semi-gasdurchlässigen Verpackungshülle verpacktem, Gut, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend einen Vakuumbehälter mit einer oberen Guteinlass – und einer unteren Gutauslassöffnung, eine Vakuumsteuer- oder -regeleinrichtung zur Steuerung bzw. Regelung des Vakuums in dem Vakuumbehälter, mindestens einen Mikrowellen-Generator, mindestens ein Mikrowellen-Einkoppelelement, das von dem Mikrowellen-Generator gespeist wird und in den Innenraum des Vakuumbehälters mündet, eine nichtmetallische Trommel zur Aufnahme des Guts, die in dem Vakuumbehälter mittig angeordnet und um eine im wesentlichen horizontale Drehachse drehbar gelagert ist, mittels eines Antriebs zu einer hin- und hergehenden Drehbewegung antreibbar ist, an ihren Stirnseiten geschlossen ist, in ihrer Mantelfläche eine unverschlossene oder verschließbare Öffnung aufweist, die durch Drehung der Trommel wahlweise unter die Guteinlassöffnung oder die Gutauslassöffnung bringbar ist, sowie auf der inneren Mantelfläche mindestens ein Mischerelement aufweist, eine Kühleinrichtung, um den Vakuumbehälter steuerbar zumindest zeitweilig auf einer frei wählbaren Kühltemperatur zu halten, und eine Temperatursteuer- oder -regeleinrichtung zur Steuerung oder Regelung der Kühltemperatur.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Trocknung von stückigem, pulverförmigem oder granulatförmigem, insbesondere in einer mindestens semi-gasdurchlässigen Verpackungshülle verpacktem, Gut, umfassend: Geben von zu trocknendem, mindestens semi-gasdurchlässigem, insbesondere in einer Verpackungshülle verpacktem, Gut in eine um eine im wesentlichen horizontale Drehachse drehbar gelagerte Trommel in einem Vakuumbehälter, und Trocknen des Guts im Vakuum oder vakuumähnlichen Zustand mittels Mikrowellen, vorzugsweise mit konstanter Energie bzw. Leistung, zumindest teilweise unter gleichzeitigen Hin- und Herbewegen der Trommel um die Drehachse und kontinuierlichem oder diskretem Einblasen von einem Gas oder Gasgemisch, wie z. B. Luft derart, dass das zu trocknende Gut verwirbelt und durchmischt wird.
Schließlich wird diese Aufgabe auch gelöst durch eine Vakuumtrocknungsanlage zur Trocknung von stückigem, pulverförmigem oder granulatförmigem, insbesondere in einer mindestens semi-gasdurchlässigen Verpackungshülle verpacktem, Gut, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 13 bis 17, umfassend einen Vakuumbehälter mit einer oberen Guteinlass- und einer unteren Gutauslassöffnung, mindestens einen Mikrowellen-Generator, mindestens ein Mikrowellen-Einkoppelement, das von dem Mikrowellen-Generator gespeist wird und in den Innenraum des Vakuumbehälters mündet, eine nichtmetallische Trommel zur Aufnahme des Guts, die in dem Vakuumbehälter mittig angeordnet und um eine im wesentlichen horizontale Drehachse drehbar gelagert ist, mittels eines Antriebs zu einer hin- und hergehenden Drehbewegung antreibbar ist, an ihren Stirnseiten geschlossen ist, in ihrer Mantelfläche eine unverschlossene Öffnung aufweist, die durch Drehung der Trommel wahlweise unter die Guteinlassöffnung oder die Gutauslassöffnung bringbar ist, sowie auf der inneren Mantelfläche mindestens ein Mischerelement aufweist, und eine Einrichtung zum Einblasen von einem Gas oder Gasgemisch, wie z. B. Luft, derart, dass das zu trocknende Gut verwirbelt und durchmischt wird.
Bei dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt kann Reduzieren der Energie der Mikrowellen bei Erreichen einer frei vorgebbaren ersten Schwellenwerttemperatur des zu trocknenden Guts vorgesehen sein.
Günstigerweise erfolgt ein Abschalten der Mikrowellenbestrahlung bei Erreichen einer frei vorgebbaren zweiten Schwellenwerttemperatur des zu trocknenden Guts, die höher als die erste Schwellenwerttemperatur ist.
Eine alternative Ausführungsform ist gekennzeichnet durch Abschalten der Mikrowellenbestrahlung bei Erreichen einer frei vorgebbaren Schwellenwerttemperatur des zu trocknenden Guts, die ≥ 0°C ist.
Eine weitere alternative Ausführungsform ist gekennzeichnet durch wieder Erhöhen des Drucks in dem Vakuumbehälter bei ausreichend mechanischer Stabilität des zu trocknenden Guts, derart, dass die Verdampfungstemperatur von Wasser ≥ 0°C ist. Insbesondere kann dabei ein Abschalten der Mikrowellenbestrahlung bei Erreichen einer frei vorgebbaren Schwellenwerttemperatur des zu trocknenden Guts vorgesehen sein.
Weiterhin ist eine besondere Ausführungsform der Erfindung gekennzeichnet durch Erhöhen des Drucks in dem Vakuumbehälter auf Umgebungsdruck und Ablassen oder Herausnehmen des getrockneten Guts aus der Trommel und dem Vakuumbehälter nach dem Abschalten der Mikrowellenbestrahlung.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung wird während des Trocknens ein Gas oder Gasgemisch, wie z. B. Luft, eingeblasen derart, dass das zu trocknende Gut verwirbelt und durchmischt wird.
Die Vakuumtrocknungsanlage gemäß dem ersten Aspekt umfasst vorzugsweise eine Einrichtung zum Einblasen von einem Gas oder Gasgemisch, wie z. B. Luft, derart, dass das zu trocknende Gut verwirbelt und durchmischt wird.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass die Einrichtung zum Einblasen von einem Gas oder Gasgemisch einen perforierten Zwischenboden auf der Innenseite der Trommel, vorzugsweise gegenüber der unverschlossenen Öffnung, umfasst.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Einrichtung zum Einblasen von einem Gas oder Gasgemisch eine Einrichtung zum Einleiten von einem Gas oder Gasgemisch von außen in den Zwischenboden umfasst.
Bei den Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt kann vorgesehen sein, dass das zu trocknende Gut in gefrorenem Zustand in die Trommel gegeben wird und während des Trocknens des Guts der Druck in dem Vakuumbehälter unterhalb des Tripelpunkts von Wasser bei einer frei gewählten Kühltemperatur abgesenkt wird.
Vorteilhafterweise wird die Energie der Mikrowellen bei Erreichen einer frei vorgebbaren ersten Schwellenwerttemperatur des zu trocknenden Guts reduziert.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass die Bestrahlung mit Mikrowellen bei Erreichen einer frei vorgebbaren zweiten Schwellenwerttemperatur des zu trocknenden Guts, die höher als die erste Schwellenwerttemperatur ist, abgeschaltet wird.
Vorteilhafterweise wird nach dem Abschalten der Bestrahlung mit Mikrowellen der Druck in dem Vakuumbehälter auf Umgebungsdruck erhöht und das getrocknete Gut aus der Trommel und dem Vakuumbehälter abgelassen oder herausgenommen.
Vorzugsweise umfasst bei der Vakuumtrocknungsanlage gemäß dem zweiten Aspekt die Einrichtung zum Einblasen von einem Gas oder Gasgemisch einen perforierten Zwischenboden auf der Innenseite der Trommel, vorzugsweise gegenüber der unverschlossenen Öffnung.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass die Einrichtung zum Einblasen von einem Gas oder Gasgemisch eine Einrichtung zum Einleiten von einem Gas oder Gasgemisch von außen in den Zwischenboden umfasst.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vakuumtrocknungsanlage eine Vakuumsteuer- oder -regeleinrichtung zur Steuerung oder Regelung des Vakuums oder vakuumähnlichen Zustands in dem Vakuumbehälter.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass die Vakuumtrocknungsanlage eine Temperatursteuer- oder -regeleinrichtung zur Steuerung oder Regelung der Temperatur in dem Vakuumbehälter umfasst.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vakuumtrocknungsanlage mindestens eine IR-Temperaturmesseinrichtung zur Messung der Temperatur des Guts in der Trommel, mindestens eine Feuchtemesseinrichtung zur Messung der Feuchte des Guts in der Trommel und eine Prozesssteuerung zur automatischen Steuerung der Trocknung in Abhängigkeit von dem von der Temperaturmesseinrichtung gelieferten Temperaturwerken und/oder von der Feuchtemesseinrichtung gelieferten Feuchtewerten.
Die weiteren Unteransprüche betreffen weitere vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass, wenn ein Produkt (zu trocknendes Gut) vorher eingefroren wird, sich dieses aus großer Höhe in die Trommel ohne oder nur mit geringem Schaden eindosieren lässt. Wird der Druck unter den Tripelpunkt von Wasser abgesenkt, so bleibt das Produkt während der Trocknung gefroren und somit mechanisch stabil.
Desweiteren wurde überraschenderweise festgestellt, dass, wenn blattförmige Produkte im Vakuum durch einen Luftstrom ähnlich wie in einer Wirbelschicht bewegt werden, die Form der blattförmigen Produkte sehr gut erhalten bleibt als auch Verfärbungen ausbleiben.
Es ist auch denkbar, ein Verfahren gemäß dem ersten Aspekt mit einem Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt zu kombinieren.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachstehenden Beschreibung, in der mehrere Ausführungsbeispiele anhand der schematischen Zeichnungen im einzelnen erläutert werden. Dabei zeigt:
1 eine Vertikalschnittansicht einer Vakuumtrocknungsanlage zur Trocknung von stückigem, pulverförmigem oder granulatförmigem Gut gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung, die auch zur Gefriertrocknung verwendet werden kann;
2 Diagramme betreffend die zeitlichen Verläufe von Parametern eines Verfahrens zur Gefriertrocknung von stückigem, pulverförmigem oder granulatförmigem Gut gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung;
3 Diagramme betreffend die zeitlichen Verläufe von Parametern eines Verfahrens zur Gefriertrocknung von stückigem, pulverförmigem oder granulatförmigem Gut gemäß einer zweiten besonderen Ausführungsform der Erfindung; und
4 Diagramme betreffend die zeitlichen Verläufe von Parametern eines Verfahrens zur Gefriertrocknung von stückigem, pulverförmigem oder granulatförmigem Gut gemäß einer dritten besonderen Ausführungsform der Erfindung;
Die in der 1 gezeigte Vakuumtrocknungsanlage 100 weist einen stationären, trommel- bzw. rohrförmigen Vakuumbehälter 11 mit einer oberen Guteinlassöffnung 102 und einer unteren Gutauslassöffnung 104 auf. Die Guteinlassöffnung 102 steht mit einem darüber angeordneten Vorlagebehälter 1 in Verbindung und ist mittels eines Scheibenventils 2 verschließbar. Die Gutauslassöffnung 104 steht mit einem darunter angeordneten Austragsrohr 9 in Verbindung und ist ebenfalls mittels eines Scheibenventils 8 verschließbar.
In dem Vakuumbehälter 11 ist eine Trommel 12 aus Kunststoff koaxial zum Vakuumbehälter 11 angeordnet. Die Trommel 12 ist mittels Rollen 4, von denen nur eine gekennzeichnet ist, um eine im wesentlichen horizontale Drehachse drehbar. Die Rollen werden von einem Antrieb (nicht gezeigt) angetrieben. Alternativ ist aber auch denkbar, dass die Trommel 12 über eine mittige Drehachse (nicht gezeigt) angetrieben und/oder gehaltert wird. Die Trommel 12 weist eine unverschlossene Öffnung 106 auf, die in 1 so angeordnet ist, wie dies auch zum Befüllen mit zu trocknendem Gut 6 von oben durch die Guteinlassöffnung 102 erforderlich ist. Zum Entladen wird die Trommel 12 um 180° weitergedreht, so dass sich dann die Öffnung 106 über der Gutauslassöffnung 104 befindet.
Im Trocknungsbetrieb wird die Trommel 12 ausgehend von dem in der Figur gezeigten Zustand etwas, d. h. beispielsweise um ca. 30° in jede Richtung kontinuierlich oder diskret hin- und hergedreht. Dies dient zum Durchmischen des Guts 6 und ist wichtig, damit das Gut 6 trotz räumlicher Schwankungen der Mikrowellenintensität in der Trommel 12 im Mittel gleichmäßig getrocknet wird. Außerdem wird durch die Bewegung bzw. das Mischen des Guts 6 in der Trommel 12 durch die hin- und hergehende Drehbewegung auch das Problem der endlichen Eindringtiefe von Mikrowellen in das Gut reduziert oder sogar beseitigt.
Zum Trocknen sind zu beiden Seiten des Vakuumbehälters 11 jeweils ein Mikrowellensystem 5, von denen nur eins gekennzeichnet ist, mit einem Mikrowellen-Generator 5a und einem Mikrowelleneinkoppelelement 5b angeordnet. Besagte Mikrowellensysteme 5 strahlen die Mikrowellen in dem Vakuumbehälter 11 und durch die Trommel 12 hindurch in den Innenraum der Trommel ein.
Zu beiden Seiten der Guteinlassöffnung 102 ist jeweils eine IR-Temperaturmesseinrichtung in Form einer IR-Kamera 3, von denen nur eine gekennzeichnet ist, angeordnet. Die IR-Kamera 3 ist so ausgerichtet, dass die Temperatur in der Trommel 12, insbesondere an der Oberfläche des Guts 6, gemessen wird. Dies geht natürlich nur durch die Öffnung 106.
Desweiteren ist an der Oberseite des Vakuumbehälters 11 ein IR-Heizstrahler 107 zum – zusätzlichen – Erwärmen des Guts 6 in der Trommel 12 vorgesehen. Die IR-Strahlung wird durch die Öffnung 106 in der Trommel 12 eingebracht. Da die Mikrowellenenergie eine Volumenerwärmung bewirkt, bleiben die Oberflächen des zu trocknenden Guts meist weich. in der Lebensmittelbranche werden jedoch häufig krosse Texturen (harte Oberflächen) gewünscht. Dies wird durch den IR-Heizstrahler 107 erreicht, der gezielt die Oberfläche des zu trocknenden Guts erwärmt und trocknet.
Ferner weist die Trommel 12 auf ihrer Innenseite einen perforierten Zwischenboden 10 auf, der über eine Einrichtung zum Einblasen von einem Gas oder Gasgemisch, wie z. B. Falschluft, von außen mittels eines flexiblen Schlauches 7, der von innen im Vakuumbehälter 11 auf einen Durchgangsstutzen (nicht gekennzeichnet) gesetzt ist, an dem außen ein Ventil 13 zur Durchflussdosierung eines Gasstromes vorzugsweise im Bereich von 5 bis 10 l/min vorgesehen ist, den Gastrom in den Zwischenboden einleitet. Der Gasstrom erreicht über die Perforierung in dem Zwischenboden 10 das zu trocknende Gut und umströmt selbiges während der Trocknung von unten gegen die Schwerkraft, wodurch das zu trocknende Gut zum Teil kurzzeitig in einen leichten Schwebezustand versetzt wird. Dies verhindert Verklebungen und Agglomerate. Ebenso kühlt der Gasstrom, so dass die oben genannten Verfärbungen auch ausbleiben.
Die beim Trocknen freigesetzten Dampfmengen werden mittels einer Vakuumpumpe 16 über einen mit dem Inneren des Vakuumbehälters 11 in Verbindung stehenden Stutzen 109 und einen vorgeschalteten Kondensator 108, der einen Kühler 14 und eine Kühlschlange 15 umfasst, abgepumpt. Die Förderleistung der Vakuumpumpe sollte in diesem Beispiel vorzugsweise mehrere Hundert l/min betragen.
Die vorangehend beschriebene Vakuumtrocknungsanlage kann dazu verwendet werden, ein Verfahren zur Trocknung von stückigem, pulverförmigem oder granulatförmigem Gut durchzuführen, dass gemäß einer besonderen Ausführungsform wie folgt aussieht: Zu trocknendes Gut 6 wird in die Trommel 12 gegeben und nachfolgend mittels Mikrowellen, die von dem Mikrowellensystem 5 erzeugt werden, unter gleichzeitigem Hin- und Herbewegen der Trommel 12 um die Drehachse und kontinuierlichem Einblasen der Falschluft derart, dass das zu trocknende Gut zumindest zeitweilig in einen Schwebezustand gebracht wird, bei dem das zu trocknende Gut von Luft/Gas umströmt wird, wodurch der freie Wasserdampf gut abgeführt wird, im Vakuum bzw. in einem vakuumähnlichen Zustand getrocknet wird. Das Umströmen mit Luft/Gas führt auch zum Vereinzeln bei Produkten, wie Blättern, und verhindert nicht gewünschtes Agglomerieren.
Die oben beschriebene Vakuumtrocknungsanlage kann auch zur Durchführung eines Verfahrens zur Gefriertrocknung von stückigem, pulverförmigem oder granulatförmigem Gut gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung verwendet werden. Es ist auch denkbar, dass die Vakummtrocknungsanlage dann keine Einrichtung zum Einblasen von einem Gas oder Gasgemisch aufweist. Falls sie jedoch eine derartige Einrichtung aufweist, so muss das Gas bzw. Gasgemisch gekühlt sein oder z. B. Stickstoff oder Helium eingesetzt werden, um das zu trocknende, gefrorene Gut ausreichend zu kühlen. Der Gasstrom sollte bei der Gefriertrocknung eine Temperatur von weniger als –10°C, noch besser von weniger als –20°C aufweisen.
Gefrorenes Gut mit einer Temperatur im Bereich von –10°C bis –30°C wird in den Vorlagebehälter 1 gegeben. Dann wird das Scheibenventil 2 geöffnet und das vorgelegte Gut im Vorlagebehälter 1 fällt in die Trommel 12. Daraufhin schließt das Scheibenventil 2 und der Druck in dem Vakuumbehälter wird auf 0,4 mbar bei einer Kühltemperatur von –30°C in dem Vakuumbehälter abgesenkt. Die Trommel 12 beginnt, eine Hin- und Herbewegung um ihre horizontale Drehachse auszuführen, und es erfolgt eine Bestrahlung des zu trocknenden Guts mit Mikrowellen mittels des Mikrowellensystems 5. Die Temperatur des Produkts im Bereich von –20°C bis –30°C wird mittels der IR-Kamera 3 gemessen. Durch den Freigewordenen Wasserdampf steigt der Vakuumdruck leicht an, gegebenenfalls ein Millibar bei –20°C. Ebenso wird eine Erhöhung der Temperatur des Guts 6 mittels der IR-Kamera auf –10°C bis –20°C gemessen. Dann hält die Trocknung an. Im gefrorenen festen Zustand ist die Temperatur des Guts zum großen Teil durch die Verdampfungstemperatur bestimmt. Somit liegt die Temperatur des Guts stabil bei –10°C bis –20°C. Je trockener das Gut wird, desto mehr steigt seine Temperatur langsam an. Das liegt daran, dass die Kühlung über die gefrorene Gutfeuchte entfällt und die dielektrischen Eigenschaften des Guts selber die Erwärmung oberhalb des Gefrierpunkts von Wasser treiben. Üblicherweise ist das Gut dann bereits recht trocken (Restfeuchte von 5 bis 15%) und weist eine ausreichende mechanische Festigkeit auf. Die Temperatur des Guts steigt weiter an und die Energie bzw. Leistung der Mikrowellen wird bei Erreichen einer ersten Schwellenwerttemperatur des Guts von ca. 30°C bis 40°C reduziert, um hochwertige Inhaltsstoffe, wie Vitamine und Aromen, nicht zu gefährden. Bei einer zweiten, zuvor erprobten Schwellenwerttemperatur wird die Bestrahlung mit Mikrowellen ausgeschaltet. Dann wird das Vakuum in dem Vakuumbehälter mit atmosphärischem Druck geflutet und das Scheibenventil 8 im Austragsrohr 9 geöffnet sowie die Trommel 12 gedreht. Das Gut fällt getrocknet aus Trommel 12 und dem Vakuumbehälter 11.
Da die dielektrischen Verluste in einem Bereich von –7°C bis 0°C bei vielen Nahrungsmitteln stark ansteigen und somit die Eindringtiefe von Mikrowellen stark herabgesetzt wird, erfolgt die Gefriertrocknung unter zu Hilfenahme von Mikrowellen vorzugsweise bei –20°C (1 mbar) bis –30°C (0,4 mbar) Sublimationstemperatur, d. h. Temperatur des zu trocknenden Guts, um einen ausreichenden Sicherheitsabstand von kritischen Temperaturbereich (ca. –7°C bis ca. 0°C) zu haben.
Während der Endtrocknung, d. h. bei einem Feuchtegehalt im Bereich von weniger als 10% bis 15%, bekommt das Gut ausreichend mechanische Festigkeit, wodurch der Verlust der Festigkeit durch entzogenes Wasser kompensiert wird. Grundsätzlich kann in dieser Phase das Vakuum über den Tripelpunkt von Wasser angehoben werden, was den Prozess wirtschaftlicher macht.
In den 2 bis 4 sind jeweils von oben nach unten die zeitlichen Verläufe der eingestellten Mikrowellenleistung P, des eingestellten Drucks (Vakuum) in dem Vakuumbehälter, der Temperatur (Prod Temp) des zu trocknenden Produkts bzw. Guts nebst Verdampfungstemperatur, der Feuchte (Prod Feuchte) des zu trocknenden Produkts bzw. Guts sowie der mechanischen Stabilität (mech Prod Stabilität) des zu trocknenden Guts dargestellt. Bei dem in 2 dargestellten Verfahren zur Gefriertrocknung gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird – wie bereits oben beschrieben – zu trocknendes, gefrorenes Gut in einen Vakuumbehälter (11) gegeben und dann der Druck vom Atmosphärendruck auf einen Druck unterhalb des Tripelpunkts von Wasser bei einer eingestellten Kühltemperatur abgesenkt. Bei Erreichen des gewünschten Vakuumdrucks werden Mikrowelten mit einer konstanten Leistung P₁ eingestrahlt. Dies führt dazu, dass die Temperatur des zu trocknenden Guts allmählich ansteigt. Bei Erreichen einer frei vorgegebenen ersten Schwellenwerttemperatur T₁ wird die Leistung der Mikrowellenstrahlen auf P₂ reduziert. Wenn danach die Temperatur des zu trocknenden Guts eine zweite Schwellenwerttemperatur T₂, die höher als die erste Schwellenwerttemperatur T₁ ist, erreicht, wird die Mikrowellenbestrahlung ganz abgeschaltet, d. h. P = 0.
Zeitlich parallel nimmt die Feuchte des zu trocknenden Guts mit Einschalten der Mikrowellenbestrahlung ab. Die mechanische Stabilität des zu trocknenden Produkts bleibt zumindest bis zum Erreichen der ersten Schwellenwerttemperatur T₁ konstant. Danach fällt sie etwas ab.
Das in der 3 gezeigte Verfahren unterscheidet sich von dem in der 2 gezeigten Verfahren im wesentlichen darin, dass die Gefriertrocknung mit konstanter Mikrowellenleistung P₁ erfolgt. Dies hat zur Folge, dass die Temperatur des zu trocknenden Guts nach einer Weile oberhalb von 0°C liegt. Damit stellt die gesamte Trocknung im wesentlichen eine Kombination von Gefriertrocknung zu Beginn und normaler Trocknung nach Überschreiten der Temperatur des zu trocknenden Guts von 0°C dar.
Das in der 4 gezeigte Verfahren unterscheidet sich von dem in 3 gezeigten Verfahren im wesentlichen darin, dass schon vor Abschalten der Mikrowellenbestrahlung der Druck in dem Vakuumbehälter wieder angehoben wird. Damit geht ein Anstieg der Verdampfungstemperatur einher.
Zum Abtauen des Kondensators 108 bietet sich bei allen drei Verfahren gemäß den 2 bis 4 am Ende des Trocknungsvorgangs eine atmosphärische Trocknung an. Bei den in den 3 und 4 gezeigten Verfahren kann der Kondensator abgetaut werden, wenn die Verdampfungstemperatur in der Endtrocknung Null Grad Celsius überschreitet. Bei dem Verfahren gemäß 2 muss auf einen parallel geschalteten Kondensator für die nächste Trocknung umgeschaltet werden, was die Anlagenkosten erhöht. Außerdem sind unterschiedliche Profile der Mikrowellenleistung, wie zum Beispiel sägezahnförmig, zwischen dem Einschalten der Mikrowellenbestrahlung und dem Erreichen der ersten Schwellenwerttemperatur, aber auch zwischen dem Erreichen der ersten Schwellenwerttemperatur und der zweiten Schwellenwerttemperatur, denkbar. Zudem kann/können die (erste) und/oder die zweite Schwellenwerttemperatur oberhalb des Tripelpunkts von Wasser liegen. Dies hat apparate- und verfahrenstechnische Vorteile.
Bei einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Gefriertrocknung bzw. Trocknung kann auch vorgesehen sein, dass das zu trocknende Gut in einer Verpackungshülle verpackt ist. Dies ist insbesondere für mechanisch empfindliche Produkte, die im gefrorenen Zustand in der Schüttung noch nicht ausreichend gegen Deformation geschützt sind, sinnvoll. Der Wasserdampf bläst während der Trocknung dann die Verpackung wie einen Luftballon auf und schützt dabei das verpackte Gut.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
Bezugszeichenliste

1: Vorlagebehälter
2: Scheibenventil
3: IR-Kamera
4: Rollen
5: Mikrowellensystem
5a: Mikrowellen-Generator
5b: Mikrowelleneinkoppelelement
6: Gut
7: Schlauch
8: Scheibenventil
9: Austragsrohr
10: Zwischenboden
11: Vakuumbehälter
12: Trommel
13: Ventil
14: Kühler
15: Kühlschlange
16: Vakuumpumpe
100: Vakuumtrocknungsanlage
102: Guteinlassöffnung
104: Gutauslassöffnung
106: Öffnung
107: IR-Heizstrahler
108: Kondensator
109: Stutzen

Claims

Verfahren zur Gefriertrocknung von stückigem, pulverförmigem oder granulatförmigem, insbesondere in einer mindestens semi-gasdurchlässigen Verpackungshülle verpacktem, Gut (6), umfassend: – Geben von zu trocknendem, gefrorenem, mindestens semi-gasdurchlässigen, insbesondere in einer Verpackungshülle verpackten, Gut (6) in eine um eine im wesentlichen horizontale Drehachse drehbar gelagerte Trommel (12) in einem Vakuumbehälter (11), der auf einer frei wählbaren Kühltemperatur des zu trocknenden Guts (6) gehalten wird, und – Trocknen des Guts (6) durch Absenken des Drucks in dem Vakuumbehälter (11) unterhalb des Tripelpunkts von Wasser bei der Kühltemperatur und Bestrahlen des Guts (6) mit Mikrowellen, vorzugsweise mit konstanter Energie bzw. Leistung, zumindest teilweise unter gleichzeitigem Hin- und Herbewegen der Trommel (12) um die Drehachse.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Reduzieren der Energie der Mikrowellen bei Erreichen einer frei vorgebbaren ersten Schwellenwerttemperatur des zu trocknenden Guts (6).
Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Abschalten der Mikrowellenbestrahlung bei Erreichen einer frei vorgebbaren zweiten Schwellenwerttemperatur des zu trocknenden Guts (6), die höher als die erste Schwellenwerttemperatur ist.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Abschalten der Mikrowellenbestrahlung bei Erreichen einer frei vorgebbaren Schwellenwerttemperatur des zu trocknenden Guts (6), die ≥ 0°C ist.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wieder Erhöhen des Drucks in dem Vakuumbehälter bei ausreichend mechanischer Stabilität des zu trocknenden Guts, derart, dass die Verdampfungstemperatur von Wasser ≥ 0°C ist.
Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Abschalten der Mikrowellenbestrahlung bei Erreichen einer frei vorgebbaren Schwellenwerttemperatur des zu trocknenden Guts (6).
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet durch Erhöhen des Drucks in dem Vakuumbehälter (11) auf Umgebungsdruck und Ablassen oder Herausnehmen des getrockneten Guts (6) aus der Trommel (12) und dem Vakuumbehälter (11) nach dem Abschalten der Mikrowellenbestrahlung.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Trocknen ein Gas oder Gasgemisch, wie z. B. Luft, eingeblasen wird derart, dass das zu trocknende Gut (6) verwirbelt und durchmischt wird.
Vakuumtrocknungsanlage (100) zur Gefriertrocknung von stückigem, pulverförmigem oder granulatförmigem, insbesondere in einer mindestens semi-gasdurchlässigen Verpackungshülle verpacktem, Gut (6), insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend – einen Vakuumbehälter (11) mit einer oberen Guteinlass (102)- und einer unteren Gutauslassöffnung (104), – eine Vakuumsteuer- oder -regeleinrichtung zur Steuerung bzw. Regelung des Vakuums in dem Vakuumbehälter (11), – mindestens einen Mikrowellen-Generator (5a), – mindestens ein Mikrowellen-Einkoppelelement (5b), das von dem Mikrowellen-Generator (5a) gespeist wird und in den Innenraum des Vakuumbehälters (11) mündet, – eine nichtmetallische Trommel (12) zur Aufnahme des Guts (6), die in dem Vakuumbehälter (11) mittig angeordnet und um eine im wesentlichen horizontale Drehachse drehbar gelagert ist, mittels eines Antriebs zu einer hin- und hergehenden Drehbewegung antreibbar ist, an ihren Stirnseiten geschlossen ist, in ihrer Mantelfläche eine unverschlossene oder verschließbare Öffnung aufweist, die durch Drehung der Trommel (12) wahlweise unter die Guteinlassöffnung (102) oder die Gutauslassöffnung (104) bringbar ist, sowie auf der inneren Mantelfläche mindestens ein Mischerelement aufweist, – eine Kühleinrichtung, um den Vakuumbehälter (11) steuerbar zumindest zeitweilig auf einer frei wählbaren Kühltemperatur zu halten, und – eine Temperatursteuer- oder -regeleinrichtung zur Steuerung oder Regelung der Kühltemperatur.
Vakuumtrocknungsanlage (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Einrichtung zum Einblasen von einem Gas oder Gasgemisch, wie z. B. Luft, derart, dass das zu trocknende Gut (6) verwirbelt und durchmischt wird, umfasst.
Vakuumtrocknungsanlage (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Einblasen von einem Gas oder Gasgemisch einen perforierten Zwischenboden (10) auf der Innenseite der Trommel (12), vorzugsweise gegenüber der unverschlossenen Öffnung (106), umfasst.
Vakuumtrocknungsanlage (100) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Einblasen von einem Gas oder Gasgemisch eine Einrichtung zum Einleiten von einem Gas oder Gasgemisch von außen in den Zwischenboden (10) umfasst.
Verfahren zur Trocknung von stückigem, pulverförmigem oder granulatförmigem, insbesondere in einer mindestens semi-gasdurchlässigen Verpackungshülle verpacktem, Gut (6), umfassend: – Geben von zu trocknendem, mindestens semi-gasdurchlässigem, insbesondere in einer Verpackungshülle verpacktem, Gut (6) in eine um eine im wesentlichen horizontale Drehachse drehbar gelagerte Trommel (12) in einem Vakuumbehälter (11), und – Trocknen des Guts (6) im Vakuum oder vakuumähnlichen Zustand mittels Mikrowellen, vorzugsweise mit konstanter Energie bzw. Leistung, zumindest teilweise unter gleichzeitigen Hin- und Herbewegen der Trommel (12) um die Drehachse und kontinuierlichem oder diskretem Einblasen von einem Gas oder Gasgemisch, wie z. B. Luft, derart, dass das zu trocknende Gut (6) verwirbelt und durchmischt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das zu trocknende Gut (6) in gefrorenem Zustand in die Trommel (12) gegeben wird und während des Trocknens des Guts (6) der Druck in dem Vakuumbehälter (11) unterhalb des Tripelpunkts von Wasser bei einer frei gewählten Kühltemperatur abgesenkt ist.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie der Mikrowellen bei Erreichen einer frei vorgebbaren ersten Schwellenwerttemperatur des zu trocknenden Guts (6) reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlung mit Mikrowellen bei Erreichen einer frei vorgebbaren zweiten Schwellenwerttemperatur des zu trocknenden Guts (6), die höher als die erste Schwellenwerttemperatur ist, abgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Abschalten der Bestrahlung mit Mikrowellen der Druck in dem Vakuumbehälter (11) auf Umgebungsdruck erhöht und das getrocknete Gut (6) aus der Trommel (12) und dem Vakuumbehälter abgelassen oder herausgenommen wird.
Vakuumtrocknungsanlage (100) zur Trocknung von stückigem, pulverförmigem oder granulatförmigem, insbesondere in einer mindestens semi-gasdurchlässigen Verpackungshülle verpacktem, Gut (6), insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 13 bis 17, umfassend – einen Vakuumbehälter (11) mit einer oberen Guteinlass (102)- und einer unteren Gutauslassöffnung (104), – mindestens einen Mikrowellen-Generator (5a), – mindestens ein Mikrowellen-Einkoppelement (5b), das von dem Mikrowellen-Generator (5a) gespeist wird und in den Innenraum des Vakuumbehälters (11) mündet, – eine nichtmetallische Trommel (12) zur Aufnahme des Guts (6), die in dem Vakuumbehälter (11) mittig angeordnet und um eine im wesentlichen horizontale Drehachse drehbar gelagert ist, mittels eines Antriebs zu einer hin- und hergehenden Drehbewegung antreibbar ist, an ihren Stirnseiten geschlossen ist, in ihrer Mantelfläche eine unverschlossene Öffnung aufweist, die durch Drehung der Trommel (12) wahlweise unter die Guteinlassöffnung (102) oder die Gutauslassöffnung (104) bringbar ist, sowie auf der inneren Mantelfläche mindestens ein Mischerelement aufweist, und – eine Einrichtung zum Einblasen von einem Gas oder Gasgemisch, wie z. B. Luft, derart, dass das zu trocknende Gut verwirbelt und durchmischt wird.
Vakuumtrocknungsanlage (100) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Einblasen von einem Gas oder Gasgemisch einen perforierten Zwischenboden (10) auf der Innenseite der Trommel (12), vorzugsweise gegenüber der unverschlossenen Öffnung (106) umfasst.
Vakuumtrocknungsanlage (100) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Einblasen von einem Gas oder Gasgemisch eine Einrichtung zum Einleiten von einem Gas oder Gasgemisch von außen in den Zwischenboden umfasst.
Vakuumtrocknungsanlage (100) nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vakuumsteuer- oder -regeleinrichtung zur Steuerung oder Regelung des Vakuums oder vakuumähnlichen Zustands in dem Vakuumbehälter (11) umfasst.
Vakuumtrocknungsanlage (100) nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Temperatursteuer- oder -regeleinrichtung zur Steuerung oder Regelung der Temperatur in dem Vakuumbehälter (11) umfasst.
Vakuumtrocknungsanlage (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 12 und 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass sie – mindestens eine IR-Temperaturmesseinrichtung (3) zur Messung der Temperatur des Guts (6) in der Trommel (12), – mindestens eine Feuchtemesseinrichtung (10) zur Messung der Feuchte des Guts (6) in der Trommel (12), und – eine Prozesssteuerung zur automatischen Steuerung der Trocknung in Abhängigkeit von den von der Temperaturmesseinrichtung gelieferten Temperaturwerten und/oder von der Feuchtemesseinrichtung (10) gelieferten Feuchtewerten umfasst.
Vakuumtrocknungsanlage (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 12 und 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Vakuumbehälter (11) einen trommel- oder rohrförmigen Abschnitt aufweist, in dem die Trommel (12) koaxial angeordnet ist.
Vakuumtrocknungsanlage (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 12 und 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein IR-Heizstrahler (107) zum Erwärmen des Guts (6) in der Trommel (12) vorgesehen ist.
Vakuumtrocknungsanlage nach einem der Ansprüche 9 bis 12 und 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensator zum Kondensieren von beim Trocknen anfallendem Wasserdampf vorgesehen ist.