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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Fruchtsaft sowie die Verwendung der Vorrichtung zur Fruchtsaftherstellung.
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Bei der Herstellung von Fruchtsäften wird versucht, möglichst viel Saft aus den Früchten zu gewinnen. Dieser Saft wird aufkonzentriert und zur Weiterverarbeitung veredelt. Dabei wird ein Kompromiss zwischen Qualität und Wirtschaftlichkeit eingegangen. Um die Saftausbeute zu erhöhen, werden die Früchte einem Maischprozess zugeführt. Durch Zugabe und Einwirkung technischer Enzyme wird versucht, die Pressbarkeit der Früchte zu verbessern. Der Maischprozess stellt einen nicht unerheblichen Kostenfaktor dar. Auf die Qualität des Rohstoffs muss mit einer Anpassung der Maischparameter reagiert werden, wodurch die Produktionskapazität der Anlage beeinflusst wird. Derzeit erfolgt diese Anpassung fast ausschließlich über die Menge der Enzymdosage, wodurch sich jedoch qualitative Nachteile ergeben. Je höher die Enzymmenge ist, desto mehr an nicht gewollten Säuren oder anderen chemischen Verbindungen können entstehen. Bei Überschreiten definierter Grenzwerte einiger Substanzen kann es sein, dass der Endkunde für das Saftkonzentrat das Produkt nicht mehr akzeptiert.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens bereitzustellen, mit denen die Wirtschaftlichkeit des Fruchtsaftherstellungsprozesses optimiert werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1, 8 und 9 gelöst.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Schwingungen in der Fruchtmaische erzeugt. Unter Fruchtsaft versteht man hier sowohl Obst- als auch Gemüsesäfte.
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Durch die Vibrationen in der Maische wird die Zerstörung der Zellwände der Früchte begünstigt. Somit ergibt sich insgesamt neben einer höheren Ausbeute auch eine verbesserte Pressleistung, d. h., dass die Menge der gepressten Maische pro Zeit, die zu einer bestimmten Ausbeute führt, wesentlich verbessert werden kann. Durch die verbesserte Pressbarkeit kann somit die Gesamtproduktionszeit wesentlich verkürzt werden.
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Durch die Vibrationen kommt es auch zu einer Steigerung der Enzymeffektivität, wodurch der Maischprozess intensiviert wird. Somit ergibt sich eine verkürzte Maischdauer, was wiederum zu einem effizienteren Herstellungsprozess führt. Durch die gesteigerte Enzymaktivität kann die Enzymmenge reduziert werden, so dass auch die Entstehung von unerwünschten Säuren oder anderen chemischen Verbindungen minimiert werden kann. Bei der Herstellung von Apfelsaft ergibt sich beispielsweise ein wesentlich geringerer Gehalt an Galaktonsäure, was eine bessere Qualität des Saftes belegt. Außerdem wird der Gehalt an gelöstem Sauerstoff in der Maische reduziert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Frequenz der Schwingungen in einem Bereich ≦ 200 Hz, vorzugsweise in einem Bereich von 70 bis 130 Hz. In diesem Frequenzbereich liegt die Eigenresonanzfrequenz der Früchte, so dass die Pressleistung bei Behandlung der Maische in diesem Frequenzbereich ein Optimum aufweist. Die besten Ergebnisse wurden in einem Bereich von 70 bis 130 Hz erzielt.
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Es ist auch möglich, dass die Schwingungen über mehrere Vibrationseinheiten erzeugt werden. Dies kann insbesondere bei größeren Maischgefäßen von Vorteil sein.
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Die Fruchtmaische kann zusätzlich gerührt werden. Dies kann insbesondere bei größeren Maischgefäßen sinnvoll sein, da es dann zu einer homogenen Behandlung der Fruchtmaische kommt. Auch bei beheizten Maischgefäßen kann ein Rühren der Fruchtmaische vorteilhaft sein.
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Vorteilhafterweise werden den Früchten vor oder während des Maischens Enzyme zugesetzt. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann jedoch die Menge der Enzyme deutlich reduziert werden. Bei Früchten mit eigener Enzymausstattung werden diese ebenso wie die technisch zugesetzten Enzyme, in ihrer Effektivität gesteigert.
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Vorteilhafterweise wird die Maische zum Maischen aufgeheizt, insbesondere auf eine Temperatur von 20 bis 50°C. Durch das Erwärmen wird die Enzymaktivität weiter gesteigert und die Zerstörung der Zellwände beschleunigt.
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Vorteilhafterweise arbeitet die Vibrationseinheit mit einer Leistung von mindestens 100 W. Es hat sich herausgestellt, dass bei den dicken Fruchtmaischen entsprechend hohe Leistungen zu besonders guten Ergebnissen führen.
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Eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens umfasst eine Maischeinrichtung und eine Saftpresse, wobei die Maischeinrichtung eine Vibrationseinheit umfasst, die in der Fruchtmaische Schwingungen erzeugt, so dass sich die oben genannten Vorteile ergeben.
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Die Vorrichtung weist vorteilhafterweise einen Wärmetauscher auf. Der Wärmetauscher kann vor der Maischeinrichtung angeordnet sein oder aber in der Maischeinrichtung, z. B. als Zargenheizung, integriert sein.
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Die Vibrationseinheit arbeitet vorzugsweise in einem Frequenzbereich von ≦ 200 Hz, insbesondere in einem Bereich von 70 bis 130 Hz, und weist eine Leistung von mindestens 100 W auf. Vorteilhafterweise umfasst die Maischeinrichtung ein Rührwerk. Die Vibrationseinrichtung kann einen Vibrationserzeuger umfassen, der in die Fruchtmaische eintaucht und sich hin und her bewegt und so die Schwingungen in der Fruchtmaische erzeugt. Ferner umfasst die Vibrationseinrichtung eine Entkoppelung für den Vibrationserzeuger zum Gefäß. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass die Schwingung möglichst effektiv in die Fruchtmaische eingekoppelt werden kann und das Maischgefäß nicht direkt vom Vibrationserzeuger in Schwingung versetzt wird. Ferner umfasst die Vibrationseinrichtung eine Einbauvorrichtung zum Haltern des Vibrationserzeugers sowie eine elektronische Einheit, die insbesondere einen Trafo und einen Frequenzumformer umfasst.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme folgender Figuren näher erläutert.
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1 zeigt grob schematisch die wesentlichen Elemente und Schritte zur Fruchtsaftherstellung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt grob schematisch einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Maischeinrichtung.
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3 zeigt ein Diagramm, das die Saftleistung in Abhängigkeit der Schwingungsfrequenz zeigt.
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Wie insbesondere aus 1 hervorgeht, kann bei der Saftherstellung eine Vorrichtung 12 zum Reinigen der angelieferten Früchte vorgesehen sein. Die angelieferten Früchte können wenn nötig unter Zuleitung von Wasser einem Reinigungsprozess unterzogen werden. Ferner ist hier eine Fördereinrichtung 11 zum Fördern der Früchte vorgesehen. Nach der Transporteinrichtung 11 ist eine Zerkleinerungseinrichtung 14 angeordnet, z. B. eine Rätzscheibenmühle. Schließlich weist die Vorrichtung eine Einrichtung zum Beifügen von Enzymen 13 auf sowie eine Förderpumpe 15 zum Fördern der zerkleinerten Früchte. Die Vorrichtung umfasst weiter einen Wärmetauscher 16 zum Erwärmen der zerkleinerten Früchte, beispielsweise mittels Dampf oder Heißwasser als Heizmedium. Alternativ zu dieser, der Maischeinrichtung vorgeschalteten Heizung, kann die Heizung auch auch in der Maischeinrichtung 1 integriert sein. In Prozessrichtung nach der Maischeinrichtung ist eine Presse 17 zum Pressen der Maische angeordnet, wobei der Presse Wasser zugefügt werden kann. Die Presse kann beispielsweise eine Kolbenpresse sein. Hier weist die Presse z. B. einen bewegbaren Stempel auf, der die Maische auspresst und so die festen von den flüssigen Bestandteilen der Maische trennt.
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In Prozessrichtung nach der Presse 17 ist eine Eindampfanlage 18 vorgesehen, mit der der Fruchtsaft aufkonzentriert und nachfolgenden Prozessschritten zugeführt werden kann. Das Erwärmen bzw. Eindampfen des Safts erfolgt hier ebenfalls über einen Wärmetauscher, beispielsweise mittels Dampf als Heizmedium.
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2 zeigt die wesentlichen Komponenten der erfindungsgemäßen Maischeinrichtung 1. Die Maischeinrichtung 1 umfasst ein vorzugsweise zylinderförmiges Gefäß 5, in das über den Zulauf 19 die Maische, z. B. vom Wärmetauscher 16 kommend, eingeleitet werden kann und über den Ablauf 20 und die Pumpe 6 abgeleitet werden kann. Das Innenvolumen des Gefäßes beträgt beispielsweise 100 bis 10000 Liter. Die Maischeinrichtung kann ein Rührwerk 4 aufweisen, das in diesem Ausführungsbeispiel einen Motor M sowie eine Rotorwelle und ein Rotorblatt aufweist.
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Die Maischeinrichtung 1 weist weiter mindestens eine Vibrationseinheit 2 auf. In dieser Ausführungsform ist eine Vibrationseinheit 2 gezeigt. Die Vibrationseinheit ist hier beispielsweise seitlich am Gefäß 5 angeordnet. Die Vibrationseinheit 2 umfasst einen Vibrationserzeuger 7, der in die Maische 3 hineinragt, und der in der Maische schwingt und die Schwingung auf die Fruchtmaische mechanisch überträgt. Ferner umfasst die Vibrationseinheit 2 eine Entkopplung 8, zum Entkoppeln des Vibrationserzeugers 7 vom Gefäß 5. Somit wird das Gefäß 5 nicht direkt von dem Vibrationserzeuger in Schwingung versetzt. Schließlich umfasst die Vibrationseinheit eine Einbauvorrichtung 9, die sowohl die Entkopplung 8 als auch den Vibrationserzeuger 7 fest im Gefäß 5 haltert. Ferner weist die Vibrationseinheit noch eine elektrische Einheit 10 auf, die einen Trafo und einen Frequenzumformer umfasst. Es können auch mehrere solche Vibrationseinheiten 2 in der Maischeinrichtung 1 vorgesehen sein.
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Die Vibrationseinheit ist derart ausgebildet, dass sie Schwingungen in einem Bereich ≦ 200 Hz, vorzugsweise 70 bis 130 Hz, erzeugen kann. Die Frequenz ist dabei vorteilhafterweise frei einstellbar. Somit kann bei unterschiedlichen Früchten die Frequenz ideal an die entsprechenden Resonanzfrequenzen der Früchte angepasst werden. Die Vibrationseinheit 2 bzw. die Vibrationseinheiten arbeiten jeweils mit mindestens einer Leistung von 100 W bei einem Maischevolumen von 100–10000 Liter.
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Nachfolgend wird das Verfahren zum Herstellen von Fruchtsaft unter Bezugnahme der 1, 2 und 3 näher erläutert.
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Zunächst werden die Früchte angeliefert und gegebenenfalls in einer Einrichtung zum Reinigen 12 unter Zugabe von Wasser gereinigt (Schritt A) und über eine Transporteinrichtung 11 zu einer Zerkleinerungseinrichtung 14 transportiert.
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In diesem Ausführungsbeispiel werden vorteilhafterweise unmittelbar nach dem Zerkleinerungsprozess der Maische technische Enzyme beigefügt (Schritt B). Als technische Enzyme werden beispielsweise Pektinasen zugeführt. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Verfahren kann die Enzymmenge beispielsweise um 10 bis 50% reduziert werden.
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Um die Enzymaktivität zu steigern, wird mittels Wärmetauscher 16 die Maischtemperatur erhöht (Schritt C). Die Fruchtmaische kann dabei z. B. auf eine Temperatur von 20 bis 50°C erwärmt werden. Das Aufwärmen erfolgt beispielsweise über Dampf oder Heißwasser. Die erwärmte Fruchtmaische wird dann in die Maischeinrichtung eingeleitet.
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Beim Maischprozess (Schritt D) werden unter anderem die Zellwände der Früchte zerstört, so dass die Pressbarkeit verbessert wird. Sobald eine bestimmte Menge an Fruchtmaische in das Gefäß 5 der Maischeinrichtung 1 eingeleitet worden ist und der Vibrationserzeuger 7 mit Fruchtmaische bedeckt ist, kann die Vibrationseinheit 2 angeschaltet werden, so dass Schwingungen in die Fruchtmaische eingekoppelt werden. Pro Batch werden beispielsweise 1000 bis 20000 kg Maische behandelt. Die Vibrationseinheit erzeugt dabei Schwingungen mit einer Frequenz die in einem Bereich ≦ 200 Hz liegt, vorzugsweise in einem Frequenzbereich von 70 bis 130 Hz. Die Vibrationseinheit kann idealerweise während des gesamten Maischprozesses im Betrieb sein.
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Die Vibrationseinheit 2 bzw. die Vibrationseinheiten können in Verbindung mit dem Rührwerk 4 oder aber auch ohne Rührwerk betrieben werden. Durch die Schwingungsanregung im Eigenschwingungsbereich der Früchte werden die Zellwände der Früchte beschleunigt enzymatisch zerstört, so dass sowohl die Maischdauer als auch die Enzymmenge reduziert werden kann. Weiterhin wird durch den Vibrationseintrag in die Maische der Gehalt an gelöstem Sauerstoff sowie an unerwünschten Säuren und Verbindungen reduziert, was ebenfalls zu einer Verbesserung der Qualität des Produkts führt. Durch die Behandlung der Maische mit der Vibrationseinheit ergibt sich eine verbesserte Pressbarkeit der Fruchtmaische. Das heißt, dass für eine vorbestimmte Ausbeute die Pressgeschwindigkeit, d. h. die Menge der Maische, die pro Zeit gepresst werden kann, verbessert wird. Auch die Ausbeute insgesamt kann erhöht werden.
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Die Maischdauer beträgt etwa 30 bis 200 Minuten. Die exakte Dauer des Maischprozesses hängt jedoch auch von Fruchtsorte und Qualität ab und muss von den Technologen jeweils entsprechend angepasst werden.
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Am Ende des Maischprozesses wird über den Ablauf 20 und die Pumpe 6 die Fruchtmaische der Presse 17 zugeführt.
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Beim Pressen werden die festen von den flüssigen Bestandteilen der Maische getrennt (Schritt E). Die Maische wird entweder als gesamter Batch, d. h. der gesamte Inhalt im Maischgefäß auf einmal gepresst oder es werden Teilmengen nacheinander gepresst. Um die Ausbeute weiter zu erhöhen, wird dem gepressten Fruchtrückstand mehrmals Wasser zugegeben und die Masse nach einer Auflockerung nochmals ausgepresst. Die Parameter des Pressvorgangs können von den Technologen vorgegeben werden. Es gibt jedoch auch Pressen, die sich selbständig optimieren. Der so gewonnene Fruchtsaft kann dann zu einer Eindampfanlage 18 geleitet (Schritt F) werden (beispielsweise durch eine nicht dargestellte Pumpe) und dort über einen Wärmetauscher erhitzt und aufkonzentriert werden und dann nachfolgenden Prozessschritten zugeführt werden.
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3 zeigt die Pressleistung der Presse in Liter pro Minute für die Testreihen 1 bis 4. Bei den Testreihen 1 bis 4 wurde jeweils Apfelmaische gemaischt und gepresst. Die Maischmenge betrug durchschnittlich jeweils etwa 10.000 kg. Die Fruchtmaischen in den Testreihen 1 und 2 wurden während des Maischprozesses nicht in Schwingung versetzt. Die Fruchtmaischen der Testreihe 3 wurden in einem Frequenzbereich von 70 bis 110 Hz in Schwingung versetzt. Die Fruchtmaischen der Testreihe 4 wurden mit Schwingungen in einem Frequenzbereich von 110 bis 130 Hz behandelt. Die restlichen Parameter des Maischprozesses waren für die entsprechenden Testreihen im Wesentlichen gleich. Für eine vorbestimmte Ausbeute, d. h. z. B. Menge an Saft pro Maischebatch von etwa durchschnittlich 0,84 l/kg haben sich die in 3 gezeigten durchschnittlichen Saftleistungen der Presse in Liter pro Minute ergeben.
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Während sich die Saftleistungen der Presse ohne die Vibrationsbehandlung in einem Bereich < 21 l/min bewegen, ergeben sich Saftleistungen bis zu 27 l/min bei einer Behandlung in einem Frequenzbereich von 70 bis 110 Hz. Auch in einem Frequenzbereich von 110 bis 130 Hz ergibt sich noch eine verbesserte Saftleistung in einem Bereich von 22 l/min. Mit zunehmender Frequenz verschlechtert sich die Saftleistung. Auch eine Ultraschallbehandlung ist nicht vorteilhaft.
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Wie aus 3 zu erkennen ist, ist die Saftleistung in gepressten Litern Saft pro Minute in einem Frequenzbereich von 70 bis 110 Hz für Apfelsaft ideal. Insgesamt hat sich für Obst und Gemüse eine Verbesserung der Pressbarkeit bis einschließlich 200 Hz ergeben.
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Wie zuvor erläutert, kann nach dem eigentlichen Pressen der Masse nochmals Wasser zugegeben werden und die Masse nach einer Auflockerung nochmals ausgepresst werden. Auch bei dem Nachwässern und Nachpressen hat sich eine verbesserte Saftleistung in einem Frequenzbereich von ≦ 200 Hz insbesondere in einem Bereich von 70 bis 130 Hz gezeigt. Das bedeutet, dass der Pressvorgang wesentlich beschleunigt werden kann.
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Somit ergibt sich bei Behandlung der Maische in einem Frequenzbereich von 70 bis 110 Hz für Apfelsaft eine Steigerung der Saftleistung bzw. Geschwindigkeit beim Pressen um mehr als 20%. Zusätzlich ergibt sich eine verkürzte Maischdauer, so dass der Prozess zur Fruchtsaftherstellung insgesamt wesentlich beschleunigt werden kann, was zu einer wesentlichen Produktionssteigerung bei verbesserter Qualität führt.
