DE102012220547A1

DE102012220547A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Erhitzen eines flüssigen Lebensmittelprodukts mit anschließendem Druckabbau

Info

Publication number: DE102012220547A1
Application number: DE201210220547
Authority: DE
Inventors: Johann Justl; Jörg Zacharias; Torsten Runge; Matthias Weinzierl
Original assignee: Krones AG
Current assignee: Krones AG
Priority date: 2012-11-12
Filing date: 2012-11-12
Publication date: 2014-05-15

Abstract

Die Erfindung umfasst eine Vorrichtung zum Erhitzen eines flüssigen Lebensmittelprodukts mit anschließendem Druckabbau, umfassend einen Wärmetauscher, der eine Wärmequelle und einen Tank oder ein Fluidleitungsstück umfasst, und eine Druckabbaueinrichtung, wobei die Druckabbaueinrichtung eine wenigstens teilweise gekrümmte Fluidleitung umfasst, die mit dem Tank bzw. dem Fluidleitungsstück fluidisch verbunden ist, und die ein oder mehrere gekrümmte Teilstücke umfasst und jedes gekrümmte Teilstück einen Winkel durchläuft und die Summe der Beträge der Winkel wenigstens 360° beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erhitzen eines flüssigen Lebensmittelprodukts mit anschließendem Druckabbau.
Bei der Herstellung von flüssigen Lebensmittelprodukten müssen diese häufig pasteurisiert werden, beispielsweise durch Erhitzen in einem Röhrenwärmetauscher. Dabei liegen häufig hohe Drücke vor, insbesondere wenn ein positives Druckgefälle zwischen dem Wärmeträger im Wärmetauscher und dem Lebensmittelprodukt erforderlich ist. Diese Drücke müssen nach dem Erhitzen abgebaut werden. Zum Abbau des Drucks werden typischerweise Regelventile, Blenden oder Schlauchventile verwendet.
So ist beispielsweise aus der DE 10 2011 002 102 bekannt, dass ein Druckabbau in einem Getränk vor dem Abfüllen durch ein Drosselventil oder durch Leiten einer Flüssigkeit durch einen Spalt und die dadurch entstehende Reibung erfolgt.
Besonders bei der Herstellung von flüssigen Lebensmittelprodukten mit festen oder faserförmigen Bestandteilen, beispielsweise Fruchtstücken oder Fruchtfasern, tritt dabei, beispielsweise aufgrund großer Scherraten in Blenden und Regelventilen, eine unerwünscht hohe Beschädigungsrate an den festen oder faserförmigen Bestandteilen auf.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erhitzen eines flüssigen Lebensmittelprodukts mit anschließendem Druckabbau bereitzustellen, welche einen gezielten Druckabbau mit reduzierter Beschädigungsrate ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erhitzen eines flüssigen Lebensmittelprodukts mit anschließendem Druckabbau umfasst einen Wärmetauscher, der eine Wärmequelle und einen Tank oder ein Fluidleitungsstück umfasst, und eine Druckabbaueinrichtung, wobei die Druckabbaueinrichtung eine wenigstens teilweise gekrümmte Fluidleitung umfasst, die mit dem Tank bzw. dem Fluidleitungsstück fluidisch verbunden ist, wobei die Fluidleitung ein oder mehrere gekrümmte Teilstücke umfasst, jedes gekrümmte Teilstück einen Winkel durchläuft und die Summe der Beträge der Winkel wenigstens 360° beträgt.
Das Durchlaufen von insgesamt (in der Summe der Beträge) wenigstens 360° ermöglicht einen effizienten und gleichzeitig schonenden Druckabbau.
Der Verlauf eines gekrümmten Teilstücks, insbesondere dessen Längsachse, kann mit einer Kurve (näherungsweise) beschrieben werden, die mit dem durchlaufenen Winkel im Bogenmaß t parametrisiert werden kann. Mit anderen Worten kann die Längsachse eines gekrümmten Teilstücks durch eine Kurve (näherungsweise) beschrieben werden, wobei jeder Punkt der Kurve als Funktion des durchlaufenen Winkels im Bogenmaß t dargestellt werden kann. Durchläuft ein gekrümmtes Teilstück einen 360° Winkel, entspricht das einer Änderung des Winkels im Bogenmaß t um 2π (360°). Die mathematische Beschreibung stellt lediglich einen Idealfall dar, mit dem der Verlauf eines gekrümmten Teilstücks (näherungsweise) beschrieben werden kann, von dem der reale Verlauf aber unter Umständen etwas abweichen kann. Die Krümmung eines gekrümmten Teilstücks kann durch die dreidimensionale Krümmung einer Kurve angenähert werden, die der Längsachse des gekrümmten Teilstücks entspricht.
Die Summe der Beträge der Winkel beschreibt, welche Winkel insgesamt durchlaufen werden, unabhängig von den Krümmungsrichtungen der gekrümmten Teilstücke.
Die Wärmequelle ist derart ausgebildet, dass sie zum Erwärmen einer Flüssigkeit im Tank bzw. im Fluidleitungsstück geeignet ist. Insbesondere kann die Wärmequelle ein Material umfassen, das dazu geeignet ist die darin gespeicherte Wärme auf den Tank bzw. das Fluidleitungsstück und insbesondere auf das flüssige Lebensmittelprodukt zu übertragen. Die Wärmequelle kann ein flüssiges und/oder ein gasförmiges Material, insbesondere Heißwasser oder Wasserdampf, und/oder einen Festkörper umfassen. Das Material kann sich beispielsweise in einer Leitung oder einem Behälter befinden oder selbige durchströmen. Der Wärmetauscher kann beispielsweise ein Röhrenwärmetauscher, ein Plattenwärmetauscher oder ein Mantelrohrwärmetauscher sein.
Die Druckabbaueinrichtung kann insbesondere aus der Fluidleitung bestehen.
Die Fluidleitung kann durchgehend gekrümmt sein, also aus genau einem gekrümmten Teilstück bestehen. Alternativ kann die Fluidleitung mindestens ein nicht-gekrümmtes Teilstück umfassen, also nicht durchgehend gekrümmt sein. Eine Fluidleitung kann aus mehr als einem gekrümmten Teilstück bestehen, wobei die Fluidleitung in diesem Fall mindestens ein gerades Teilstück umfasst, das zwischen zwei gekrümmten Teilstücken liegt. Die Zahl der nicht-gekrümmten Teilstücke kann mindestens die Anzahl der gekrümmten Teilstücke minus eins sein. Eine Fluidleitung kann mehr als ein gekrümmtes Teilstück umfassen, wobei eines, mehrere oder alle der gekrümmten Teilstücke jeweils einen Winkel von weniger als 360° durchläuft, wobei Summe der Beträge der durchlaufenen Winkel mindestens 360° beträgt. Eines, mehrere oder alle der gekrümmten Teilstücke können alternativ einen Winkel von 360° oder von mehr als 360° durchlaufen.
Die Summe der Winkelbeträge kann ein Vielfaches n von 360° sein, wobei n = 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, ....
Die Fluidleitung kann mehr als ein gekrümmtes Teilstück umfassen, wobei die Krümmungsrichtungen der Teilstücke gleich oder unterschiedlich sein können. Ein gekrümmtes Teilstück kann eine Krümmung aufweisen, die entlang der Längsachse des Teilstücks konstant oder variabel, beispielsweise kontinuierlich zunehmend oder kontinuierlich abnehmend, sein kann.
Ein gekrümmtes bzw. ein nicht-gekrümmtes Teilstück kann (neben dem durchlaufenen Winkel/Bogenmaß) mit der Länge des Teilstücks und/oder mit der Form der Querschnittsfläche und/oder dem Innendurchmesser beschrieben werden. Die Form der Querschnittsfläche und/oder der Innendurchmesser können entlang des Teilstücks konstant oder variabel sein. Beispielsweise kann die Querschnittsfläche einen Kreis, eine Ellipse, ein Rechteck oder ein Vieleck bilden. Die Querschnittsfläche kann in weiteren Formen vorliegen, insbesondere kann die Querschnittsfläche asymmetrisch sein. Der Innendurchmesser an einer bestimmten Position des Teilstücks wird im Folgenden als der kleinste Durchmesser der Querschnittsfläche an dieser Position definiert, die durch die Innenwand des Teilstücks begrenzt ist, beispielsweise der Durchmesser eines Kreises, die Breite eines Rechtecks oder das Doppelte der Länge der kleinen Halbachse einer Ellipse.
Die Fluidleitung kann als Rohr oder als Schlauch ausgebildet sein. Die maximale Größe der Druckabbaueinrichtung kann kleiner als 3 m, insbesondere kleiner als 1 m, insbesondere kleiner oder gleich 0,6 m sein.
Die Verbindung zwischen der Fluidleitung und dem Tank bzw. dem Fluidleitungsstück kann zerstörungsfrei lösbar sein, beispielsweise in Form eines Flanschs, einer Schraubverbindung oder einer Schelle. Alternativ kann die Verbindung nicht zerstörungsfrei lösbar sein, beispielsweise in Form von Verschweißungen.
Das flüssige Lebensmittelprodukt kann beispielsweise ein Getränk, eine Soßenzubereitung oder ein Joghurtprodukt sein, und kann feste und faserförmige Bestandteile enthalten, insbesondere Fruchtstücke, Fruchtfasern, Gemüsestücke, Gemüsefasern, Bubbles für Bubble Tea und gelatinehaltige Bestandteile. Die Fruchtstücke oder Gemüsestücke können verschieden Formen haben, beispielsweise kugelförmig, oval oder quaderförmig, wobei die Form fest oder flexibel sein kann. Das flüssige Lebensmittelprodukt kann sich beispielsweise in einer Phase befinden, in der der Massenanteil der festen und faserförmigen Bestandteile im Verhältnis zum flüssigen Bestandteil kleiner als 10% ist, insbesondere zwischen 5% und 10% liegt, oder in einer Phase, in der der Massenanteil größer als 20% ist, insbesondere zwischen 30% und 60% liegt. Letzteres wird als Slurry-Phase bezeichnet.
Die Fluidleitung kann genau ein gekrümmtes Teilstück mit konstanter oder kontinuierlich zunehmender oder kontinuierlich abnehmender Krümmung umfassen, das einen Winkel von wenigstens 720° (4π) durchläuft.
Dies ermöglicht eine kompakte Vorrichtung und einen effizienten und einen gleichzeitig schonenden Druckabbau.
Die Längsachse der Fluidleitung kann beispielsweise durch eine Schraubenlinie (Helix) (näherungsweise) beschrieben werden. Die Längsachse des gekrümmten Teilstücks kann also näherungsweise in der Mantelfläche eines Zylinders liegen und mit konstanter Steigung um die Zylinderachse verlaufen.
Die Druckabbaueinrichtung der Vorrichtung kann eine erste Druckabbaueinrichtung sein und eine wenigstens teilweise gekrümmte erste Fluidleitung umfassen, und die Vorrichtung kann eine zweite Druckabbaueinrichtung umfassen, wobei die zweite Druckabbaueinrichtung eine wenigstens teilweise gekrümmte zweite Fluidleitung umfasst, die mit dem Tank bzw. dem Fluidleitungsstück fluidisch verbunden ist, wobei die zweite Fluidleitung ein oder mehrere gekrümmte Teilstücke umfasst und jedes Teilstück einen Winkel durchläuft und die Summe der Beträge der Winkel wenigstens 360° beträgt. Die Vorrichtung kann drei oder mehr Druckabbaueinrichtungen umfassen.
Dies ermöglicht, dass die Vorrichtung flexibel einsetzbar ist. Beispielsweise kann ein höherer Durchsatz als mit einer einzelnen Druckabbaueinrichtung erreicht werden oder es besteht eine Ersatzmöglichkeit bei Wartung oder Reinigung der jeweils anderen Druckabbaueinrichtung. Dies ermöglicht ein zuverlässiges und kontinuierliches Verfahren.
Die zweite Druckabbaueinrichtung kann die für die erste Druckabbaueinrichtung oben beschriebenen Merkmale aufweisen, wobei sie nicht gleich wie die erste Druckabbaueinrichtung ausgebildet sein muss (es aber sein kann). Die Fluidleitungen der beiden Druckabbaueinrichtungen können hinsichtlich ihrer gekrümmten und/oder nicht-gekrümmten Teilstücke gleich oder unterschiedlich sein, insbesondere hinsichtlich deren Anzahl und/oder Abfolge und/oder räumlichen Anordnung. Die erste Fluidleitung und die zweite Fluidleitungen können sich hinsichtlich ihrer gekrümmten Teilstücke unterscheiden.
Die erste Fluidleitung und/oder die zweite Fluidleitung und/oder das Fluidleitungsstück bzw. der Tank können fluidisch an eine Verbindungseinrichtung angeschlossen sein. Weitere Leitungselemente und/oder Behälter können an die Verbindungseinrichtung angeschlossen sein. Die weiteren Leitungselemente und/oder Behälter können zum Weiterführen des flüssigen Lebensmittelprodukts nach dem Druckabbau ausgebildet sein. Die Verbindungseinrichtung kann derart ausgebildet sein, dass eine fluidische Verbindung zwischen der ersten Fluidleitung und/oder der zweiten Fluidleitung und/oder dem Fluidleitungsstück bzw. dem Tank und/oder weiteren Leitungselementen und/oder Behältern, die an die Verbindungseinrichtung angeschlossen sind, hergestellt und/oder unterbrochen werden kann. Die Verbindungseinrichtung kann ein Füller sein oder derart ausgebildet sein, dass eine direkte fluidische Verbindung zwischen dem Fluidleitungsstück bzw. Tank und einem Füller hergestellt und/oder unterbrochen werden kann.
Die Verbindungseinrichtung kann derart ausgebildet sein, dass die Fluidleitungen im schaltungstechnischen Sinn fluidisch seriell und/oder parallel verbindbar sind, mit anderen Worten nebeneinander bzw. nacheinander. Die Verbindungseinrichtung kann derart ausgebildet sein, dass die fluidische Reihenfolge der ersten Fluidleitung und der zweiten Fluidleitung umkehrbar ist. Die Verbindungseinrichtung kann derart ausgebildet sein, dass eine der Fluidleitungen oder beide Fluidleitungen mit einem oder mehreren weiteren Leitungselementen und/oder Behältern verbindbar sind. Insbesondere kann die Verbindungseinrichtung derart ausgebildet sein, dass die erste Fluidleitung und die zweite Fluidleitung mit genau einem weiteren Leitungselement verbindbar sind und/oder derart, dass die erste Fluidleitung mit einem ersten weiteren Leitungselement und/oder Behälter verbindbar ist und/oder die zweite Fluidleitung mit einem zweiten weiteren Leitungselement und/oder Behälter verbindbar ist. Insbesondere kann die Verbindungseinrichtung kann ein Entnahmeventil umfassen, das derart ausgebildet ist, dass die erste Fluidleitung und/oder zweite Fluidleitung mit mindestens einem weiteren Leitungselement und/oder Behälter verbindbar sind.
Die Verbindungseinrichtung kann einzelne räumlich getrennte Verbindungselemente umfassen oder in Form einer Verbindungseinheit vorliegen, die alle Verbindungselemente räumlich vereint. Alternativ kann Die Verbindungseinrichtung kann ein Ventil umfassen, das geeignet ist, fluidische Verbindungen herzustellen und/oder zu unterbrechen, insbesondere fluidische Verbindungen derart herzustellen und/oder zu unterbrechen, dass ein flüssiges Lebensmittel umgelenkt werden kann. Insbesondere kann die Verbindungseinrichtung Ein oder mehrere Mehrwegeventile und/oder Sperrventile und/oder Rückschlagventile umfassen. Die Verbindungseinrichtung kann zusätzlich Anschluss umfassen, derart ausgebildet, dass die Verbindung mit Druckabbaueinrichtungen zerstörungsfrei lösbar ist.
Die Verbindungseinrichtung kann derart ausgelegt sein, dass das Herstellen und/oder Unterbrechen einer fluidischen Verbindung automatisch bzw. maschinell erfolgen kann.
In diesem Fall kann die Vorrichtung des Weiteren eine Steuereinrichtung umfassen, die mit der Verbindungseinrichtung derart verbunden ist, dass das Herstellen und/oder Unterbrechen der fluidischen Verbindung von der Steuereinrichtung auslösbar ist. Insbesondere kann eine elektrische und/oder mechanische und/oder pneumatische und/oder hydraulische Verbindung vorliegen. Die Steuereinrichtung kann in Form einer analogen und/oder digitalen Einrichtung, insbesondere in Form eines Computers ausgebildet sein. Die Steuereinrichtung kann derart ausgebildet sein, dass Bedienabläufe festgelegt und gespeichert werden können und bei anschließendem Aufruf automatisch bzw. maschinell ausgeführt werden können.
Die erste Druckabbaueinrichtung kann mindestens teilweise in der zweiten Druckabbaueinrichtung liegen oder umgekehrt. Mit anderen Worten, kann die erste Fluidleitung mindestens teilweise um die zweite Fluidleitung herum verlaufen.
Die erste Fluidleitung und die zweite Fluidleitung können insbesondere jeweils ein gekrümmtes Teilstück umfassen, wobei ein gekrümmtes Teilstück der ersten Fluidleitung zumindest teilweise von einem gekrümmten Teilstück der zweiten Fluidleitung umgeben ist.
Die erste Druckabbaueinrichtung und die zweite Druckabbaueinrichtung und/oder die erste Fluidleitung und die zweite Fluidleitung können im Wesentlichen konzentrisch und/oder koaxial angeordnet sein.
Mit anderen Worten kann eine erste Mittellinie einer durch die Umhüllende des Verlaufs der einen Fluidleitung beschriebenen ersten Form auf einer zweiten Mittellinie einer durch die Umhüllende des Verlaufs der anderen Fluidleitung beschriebenen zweiten Form liegen. Insbesondere können die erste Form und die zweite Form achsensymmetrisch sein, so dass ihre jeweilige Mittellinie eine Symmetrieachse ist, wobei die Symmetrieachse der ersten Form auf der Symmetrieachse der zweiten Form liegt.
Insbesondere können die erste und die zweite Symmetrieachse Geraden sein. Im Wesentlichen bedeutet, dass die Mittellinien nicht exakt aufeinander liegen müssen. Insbesondere kann die Position der Mittellinien um bis zu 10% des größten Durchmessers aus der Menge der Durchmesser beider Figuren abweichen.
Eine derartige Anordnung ermöglicht eine kompakte Bauweise der Vorrichtung.
Die erste Fluidleitung und die zweite Fluidleitung können jeweils ein gekrümmtes Teilstück mit konstanter Krümmung umfassen, das einen Winkel von wenigstens 720° (4π) durchläuft, also durch eine Helix angenähert werden kann, wobei die gekrümmten Teilstücke konzentrisch und/oder koaxial und ineinander angeordnet sein können.
Das gekrümmte Teilstück der ersten Fluidleitung und das gekrümmte Teilstück der zweiten Fluidleitung können vertikal versetzt angeordnet sein, insbesondere in Form einer Doppelhelix.
Eine erste Druckabbaueinrichtung, eine zweite Druckabbaueinrichtung und eine dritte Druckabbaueinrichtung können koaxial und/oder konzentrisch angeordnet sein und aus einer ersten Fluidleitung bzw. einer zweiten Fluidleitung bzw. einer dritten Fluidleitung bestehen. Insbesondere kann die dritte Fluidleitung zumindest teilweise von der zweiten Fluidleitung umgeben sein und die zweite Fluidleitung zumindest teilweise von der ersten Fluidleitung umgeben sein. Insbesondere können die erste, die zweite und die dritte Fluidleitung jeweils ein gekrümmtes Teilstück mit konstanter Krümmung umfassen, das einen Winkel von wenigstens 720° (4π) durchläuft, also durch eine Helix angenähert werden kann.
Eine derartige Anordnung ermöglicht eine kompakte Bauweise der Vorrichtung.
Der Innendurchmesser der Fluidleitung kann an jeder Stelle größer als 1 mm, insbesondere größer als 10 mm, insbesondere größer als 20 mm, insbesondere größer als 30 mm sein. Die Fluidleitung kann insbesondere einen Durchmesser von DN16, DN20 oder DN25 haben.
Diese Durchmesser sind für typische flüssige Lebensmittelprodukte mit festen und faserförmigen Bestandteilen, beispielsweise Säfte mit Fruchtstücken, besonders geeignet, um eine niedrige Beschädigungsrate zu erreichen.
Die Erfindung stellt außerdem ein Verfahren zum Erhitzen eines flüssigen Lebensmittelprodukts mit anschließenden Druckabbau unter Verwendung einer der zuvor beschriebenen Vorrichtungen bereit, umfassend ein Erhitzen des flüssigen Lebensmittelprodukts unter Verwendung des Wärmetauschers und ein Leiten des flüssigen Lebensmittelprodukts durch die Druckabbaueinrichtung, um Druck abzubauen.
Das Erhitzen des flüssigen Lebensmittelprodukts kann auf über 50°, insbesondere auf über 60° erfolgen, insbesondere auf über 70° erfolgen. Insbesondere kann der Schritt des Erhitzens ein Pasteurisierungsschritt sein.
Wie oben beschrieben kann die Vorrichtung eine erste Fluidleitung, eine zweite Fluidleitung und evtl. eine Verbindungseinrichtung und/oder weitere Leitungselemente und/oder Behälter umfassen.
Das Verfahren kann ein fluidisches Anschließen der ersten Fluidleitung und/oder der zweiten Fluidleitung und/oder des Fluidleitungsstücks bzw. des Tanks und/oder eines oder mehrerer der Leitungselemente und/oder Behälter an die Verbindungseinrichtung umfassen.
Das Verfahren kann das Herstellen bzw. Unterbrechen einer fluidischen Verbindung zwischen der ersten Fluidleitung und/oder der zweiten Fluidleitung und/oder dem Fluidleitungsstück bzw. dem Tank unter und/oder einem oder mehreren der Leitungselemente und/oder Behälter unter Verwendung der Verbindungseinrichtung umfassen.
Das Herstellen bzw. Unterbrechen einer fluidischen Verbindung in der Verbindungseinrichtung kann das Schalten von einem oder mehreren Ventilen umfassen.
Das Herstellen bzw. Unterbrechen einer fluidischen Verbindung kann derart erfolgen, dass nur eine der beiden Fluidleitungen und/oder beide Fluidleitungen nacheinander zum Druckabbau verwendet werden. Das Herstellen bzw. Unterbrechen einer fluidischen Verbindung kann derart erfolgen, dass die Reihenfolge, in der die erste und die zweite Fluidleitung zum Druckabbau verwendet werden umgekehrt wird. Das Herstellen bzw. Unterbrechen kann derart erfolgen, dass nur eine der beiden Fluidleitungen oder beide Fluidleitungen gleichzeitig, mit anderen Worten im schaltungstechnischen Sinn parallel, zum Druckabbau verwendet werden.
Das Herstellen bzw. Unterbrechen einer fluidischen Verbindung kann derart erfolgen, dass das flüssige Lebensmittelprodukt aus einer oder beiden Fluidleitungen nach dem Druckabbau in einem Behälter und/oder einem Leitungselement zusammen geführt oder in verschiedenen weiteren Leitungselementen und/oder Behältern, also getrennt, weiter geführt werden kann.
Das Herstellen bzw. Unterbrechen einer fluidischen Verbindung kann insbesondere das Herstellen bzw. Unterbrechen einer fluidischen Verbindung zweier Fluidleitungen mit unterschiedlichen Innendurchmessern umfassen, derart, dass die erste Fluidleitung und die zweite Fluidleitung nacheinander zum Druckabbau verwendet werden, insbesondere nach aufsteigendem oder absteigendem Innendurchmesser der Fluidleitungen. Ein aufsteigender Innendurchmesser kann zum zusätzlichen Druckabbau durch Erweitern der Querschnittsfläche dienen, ein absteigender Innendurchmesser kann zum schonenden Einleiten des flüssigen Lebensmittelprodukts in die aufeinander folgenden Druckabbaueinrichtung dienen.
Es versteht sich, dass sich die verschiedenen Verbindungsschritte nicht auf zwei Druckabbaueinrichtungen beschränken sondern auch bei einer größeren Anzahl von Druckabbaueinrichtungen angewendet werden können.
Dies ermöglicht eine hohe Flexibilität des Verfahrens. Beispielsweise kann ein höherer Durchsatz erreicht werden, wenn beide Fluidleitungen parallel zum Druckabbau verwendet werden. Beispielsweise kann die Länge der insgesamt durchlaufenen gekrümmten Strecke variiert werden.
Das Verfahren kann das Herstellen und/oder Unterbrechen der fluidischen Verbindung durch eine Steuereinrichtung umfassen, die mit der Verbindungseinrichtung derart verbunden ist, dass das Herstellen und/oder Unterbrechen der fluidischen Verbindung von der Steuereinrichtung ausgelöst werden kann. Das Verfahren kann ein manuelles Bedienen der Steuereinrichtung umfassen und/oder ein automatisiertes Ausführen von vorher festgelegten Steuerungsabläufen.
Das Verfahren kann des Weiteren ein Einstellen des Drucks unmittelbar nach dem Erhitzen des flüssigen Lebensmittelprodukts derart umfassen, dass der Druck unmittelbar nach dem Erhitzen größer als 1 bar, insbesondere größer als 5 bar, insbesondere größer als 10 bar ist.
Das Erhitzen kann das Einstellen des Drucks des flüssigen Lebensmittelprodukts im Fluidleitungsstück bzw. im Tank umfassen, so dass der Druck des flüssigen Lebensmittelprodukts im Fluidleitungsstück bzw. im Tank größer ist als der Druck des als Wärmeträger verwendeten Materials.
Die Eigenschaft, dass der Druck des flüssigen Lebensmittelprodukts im Wärmetauscher größer ist als der Druck des als Wärmeträger verwendeten Materials, wird als positives Druckgefälle bezeichnet. Ein positives Druckgefälle verhindert im Falle eines Lecks zwischen Wärmeträger und flüssigem Lebensmittelprodukt, dass das Wärmeträger-Material das flüssige Lebensmittelprodukt verunreinigt.
Das Einstellen des Drucks im flüssigen Lebensmittelprodukt bzw. im Wärmeträgermaterial kann ein Auswählen der Geometrie des Wärmetauschers, insbesondere des Fluidleitungsstücks bzw. des Tanks, umfassen. Das Einstellen des Druckgefälles kann mit Hilfe eines Druckregelelements erfolgen. Insbesondere kann das Einstellen des Drucks mit Hilfe einer oder mehrerer Pumpen erfolgen.
Das Verfahren kann des Weiteren ein fluidisches Verbinden bzw. Unterbrechen der Fluidleitungen derart umfassen, dass eine Druckabbau größer 0,1 bar, insbesondere größer 0,5 bar, insbesondere größer 1 bar, insbesondere größer gleich 2 bar erreicht wird und/oder derart, dass das flüssige Lebensmittelprodukt nach dem Druckabbau einen Druck von weniger als 5 bar, insbesondere von weniger als 2 bar, insbesondere von weniger als 1 bar hat.
Dieser Schritt ermöglicht es, den Enddruck nach Durchlaufen der Druckabbaueinrichtung(en) an daran anschließende Prozessschritte anzupassen.
Des Weiteren kann das Verfahren ein fluidisches Verbinden bzw. Unterbrechen der Fluidleitungen derart umfassen, dass der Enddruck unmittelbar vor einem Füller erreicht wird, wobei der Enddruck ein Abfülldruck des Füllers ist.
Mit anderen Worten kann der letzte bzw. der am weitesten vom Wärmetauscher entfernte Druckabbaupunkt kurz vor dem Füller sein, so dass erst hier auf Abfülldruck gedrosselt wird.
Das Verfahren kann ein Unterteilen der festen und/oder faserförmigen Bestandteile des flüssigen Lebensmittelprodukts in verschiedene Arten umfassen. Das Unterteilen kann beispielsweise nach dem Kriterium erfolgen, wie groß die Bestandteile durchschnittlich sind. Das Unterteilen der Bestandteile kann nach dem Kriterium erfolgen, aus welcher Frucht oder welchem Gemüse sie stammen. Das Unterteilen der Bestandteile kann nach dem Kriterium erfolgen, wie flexibel oder starr ihre Form ist. Das Unterteilen der Bestandteile kann nach dem Kriterium erfolgen, wie empfindlich die Struktur gegenüber mechanischer Belastung, beispielsweise Stößen oder Reibung, ist.
Zur Definition der Größe eines Bestandteils wird der größte Durchmesser des Bestandteils herangezogen, beispielsweise der Durchmesser einer Kugel oder die Raumdiagonale eines Quaders. Im Folgenden wird die durchschnittliche Größe einer Art von festen und faserförmigen Bestandteilen als Partikelgröße dieser Art bezeichnet. Die Partikelgröße kann zwischen 1 mm und 20 mm liegen, insbesondere zwischen 1 mm und 15 mm, insbesondere zwischen 1 mm und 11 mm, insbesondere zwischen 5 mm und 10 mm. Die im Vergleich der verschiedenen Arten größte Partikelgröße wird als maximale Partikelgröße bezeichnet.
Das Verfahren kann ein Auswählen der Fluidleitungen umfassen, so dass sie den Eigenschaften des flüssigen Lebensmittelprodukts angepasst sind, beispielsweise der Dichte und/oder Viskosität der Flüssigkeit und/oder dem Anteil und/oder der Art und/oder der maximalen Partikelgröße der festen und/oder faserförmigen Bestandteile.
Das Verfahren kann insbesondere ein Auswählen der Fluidleitung umfassen, derart dass der Innendurchmesser der Fluidleitung größer oder gleich dem Durchmesser des größten im Flüssiges Lebensmittelproduktenthaltenen Bestandteils ist, wobei das Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser der Fluidleitung und der maximalen Partikelgröße größer als 0,5:1, insbesondere größer als 1:1, insbesondere größer als 1,5:1, insbesondere größer oder gleich 2:1 ist.
Das Auswählen einer Fluidleitung, die die genannten Größenverhältnisse erfüllt, ermöglicht es die Beschädigungsrate der im flüssigen Lebensmittelprodukt enthaltenen festen und faserförmigen Bestandteile zu reduzieren.
Das Verfahren kann des Weiteren das Leiten des flüssigen Lebensmittelprodukts durch die Druckabbaueinrichtung mit einem Volumenstrom größer als 0,1 m³/h und/oder kleiner als 5 m³/h, insbesondere größer als 0,5 m³/h und/oder kleiner als 3 m³/h umfassen. Insbesondere kann das Leiten eines flüssigen Lebensmittelprodukts mit einem Massenanteil der festen bzw. faserförmigen Bestandteile im Verhältnis zum flüssigen Bestandteil von 30 bis 60% mit einem solchen Volumenstrom erfolgen.
Des Weiteren kann das Leiten des flüssigen Lebensmittelprodukts mit einem Volumenstrom größer als 10 m³/h und kleiner als 50 m³/h, insbesondere größer oder gleich 15 m³/h und kleiner oder gleich 45 m³/h erfolgen, insbesondere bei einem Massenanteil der festen bzw. faserförmigen Bestandteile im Verhältnis zum flüssigen Bestandteil von 5% bis 10%. Ein derartiges Leiten des flüssigen Lebensmittelprodukts kann ein Auswählen einer oder mehrerer geeigneter Fluidleitungen umfassen, insbesondere ein Auswählen des Querschnitts und der Länge der jeweiligen Fluidleitung.
Das Leiten bei den genannten Volumenströmen ermöglicht es, das flüssige Lebensmittelprodukt in an die Druckabbaueinrichtung anschließende Vorrichtungen einzuleiten, ohne dabei Verstopfungen, Lufteinschlüsse, Schaum oder Turbulenzen zu erzeugen. Außerdem ermöglichen die genannten Volumenströme, dass ein Zusammenführen mit weiteren Flüssigkeiten, beispielsweise Wasser zum verdünnen eines Fruchtsaftkonzentrats, ohne Turbulenzbildung, Schaumbildung oder Lufteinschlüsse erfolgen kann.
Die Erfindung stellt außerdem eine Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtungen zum Erhitzen eines flüssigen Lebensmittelprodukts mit anschließendem Druckabbau bereit. Die Vorrichtung kann eines oder mehrere der oben genannten Merkmale aufweisen.
Weitere Merkmale und Vorteile werden nachfolgend anhand der beispielhaften Figuren erläutert.
Dabei zeigt
1 ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zum Erhitzen eines flüssigen Lebensmittelprodukts mit anschließendem Druckabbau;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zum Erhitzen eines flüssigen Lebensmittelprodukts mit anschließenden Druckabbau;
3 ein drittes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zum Erhitzen eines flüssigen Lebensmittelprodukts mit anschließenden Druckabbau;
4 eine mögliche Ausführungsform einer zumindest teilweise gekrümmten Fluidleitung.
Wie im allgemeinen Teil erläutert kann die Längsachse eines gekrümmten Teilstücks durch eine Kurve angenähert werden, die mit dem Winkel im Bogenmaß t parametrisiert werden kann. Aus der idealisierten Darstellung, ergeben sich, verschiedene Kurven, deren Koordinaten folgendermaßen dargestellt werden können:
In den im Folgenden betrachteten Fällen ist m = n = 1 und x = y = z = 0.
Ist a = b = konstant, ergibt sich eine schraubenförmige Kurve mit Steigung c, die in der Mantelfläche eines Zylinders mit runder Grundfläche und mit Durchmesser a + b verläuft. Ist a(t) = b(t) = t, nimmt die Krümmung entlang der Längsachse der Kurve zu. Ist zudem c = konstant, verläuft die Kurve mit Steigung c in der Mantelfläche eines konischen Zylinders. Sind a(t) und b(t) nicht gleich, verläuft die Kurve in der Mantelfläche einer Figur (beispielsweise Zylinder oder Konus) mit ovaler Grundfläche. Ist a = 0 oder b = 0 oder c = 0 verläuft die Kurve in einer Ebene, insbesondere in Form einer Spirale, falls c = 0 und a(t) = b(t) = t.
Diese Beschreibungen stellen einen mathematischen Idealfall dar und dient lediglich für eine annähernde Beschreibung des Verlaufs eines gekrümmten Teilstücks.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele von Fluidleitungen mit im Wesentlichen schraubenförmigen gekrümmten Teilstücken betrachtet. Diese können durch anders verlaufende gekrümmte Teilstücke ersetzt werden.
In einem ersten Ausführungsbeispiel, wie in 1 gezeigt, umfasst eine Vorrichtung 100 zum Erhitzen eines flüssigen Lebensmittelprodukts mit anschließendem Druckabbau einen Wärmetauscher 101. Der Wärmetauscher kann beispielsweise ein Röhrenwärmetauscher oder ein Plattenwärmetauscher sein. Die Vorrichtung 100 umfasst weiterhin eine mit dem Wärmetauscher verbundene Druckabbaueinrichtung 102. Die Druckabbaueinrichtung ist beispielsweise in Form eines Rohrs 102 ausgebildet: Das Rohr umfasst genau ein Teilstück (104), das durchgehend gekrümmt ist und eine konstante Krümmung hat. Das Rohr umfasst also ein schraubenförmiges Teilstück. Das schraubenförmige Teilstück durchläuft vier Mal einen Winkel von 360°, also insgesamt einen Winkel von 1440° bzw. 8π. Das Rohr hat beispielsweise einen runden Rohrquerschnitt und konstanten Innendurchmesser.
Ein flüssiges Lebensmittel wird beispielsweise unter Verwendung der Vorrichtung 100 erhitzt und anschließend der Druck abgebaut. Dabei ist das flüssige Lebensmittelprodukt beispielsweise ein Saft, der Orangenfasern enthält. Der Saft wird im Wärmetauscher 101 auf 70° erhitzt und hat nach dem Erhitzen einen Druck von 10 bar. Der Druck ist höher als der Druck des Materials, dass im Wärmetauscher als Wärmeträger verwendet wird, so dass ein positives Druckgefälle vorliegt. Anschließend wird der heiße Saft in die Druckabbaueinrichtung 102 geleitet und dabei wird der Druck beispielsweise um 9 bar auf 1 bar reduziert. Im Anschluss an den Druckabbau kann der Saft mit in der Figur nicht dargestellten weiteren Einrichtungen beispielsweise in Flaschen abgefüllt werden. Die Orangensaftfasern sind länglich ausgebildet und etwa 20 mm lang. Ein Rohr mit einem Innendurchmesser von etwa 30 mm wird verwendet, das Verhältnis zwischen Innendurchmesser und Partikelgröße liegt also bei 3:2.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel, wie in 2 gezeigt, umfasst die Vorrichtung 200 zum Erhitzen eines flüssigen Lebensmittelprodukts mit anschließendem Druckabbau einen Wärmetauscher 201. Außerdem umfasst die Vorrichtung 200 eine erste und eine zweite Druckabbaueinrichtung. Die erste Druckabbaueinrichtung ist in Form eines ersten Rohrs 202a mit genau einem schraubenförmigen Teilstück ausgebildet. Das Teilstück hat beispielsweise einen runden Rohrquerschnitt und konstanten Innendurchmesser. Es durchläuft einen Winkel von 1440° bzw. 8π. Die zweite Druckabbaueinrichtung ist in Form eines zweiten Rohrs mit einem schraubenförmigen Teilstück 202b, beispielsweise mit rundem Rohrquerschnitt und mit konstantem Innendurchmesser, ausgebildet. Das zweite Rohr durchläuft sechs Mal einen Winkel von 360°, also insgesamt 2160° bzw. 12π. Die erste Fluidleitung, die zweite Fluidleitung und das Fluidleitungsstück des Wärmetauschers sind mit den Anschlussmöglichkeiten 203a, 203b und 203c einer Verbindungseinrichtung 203 verbunden. Die Verbindungseinrichtung 203 sieht auch eine hier nicht verwendete Anschlussmöglichkeit 203d vor, an die bei Bedarf eine weitere Druckabbaueinrichtung angeschlossen werden kann. Die beiden schraubenförmigen Teilstücke 202a und 202b sind im Wesentlichen koaxial um die Zylinderachse Z angeordnet. Die erste Fluidleitung 202a verläuft außerhalb der zweiten Fluidleitung, mit anderen Worten, um die zweite Fluidleitung 202b herum. Alternativ kann die Vorrichtung 300 zum Erhitzen eines flüssigen Lebensmittelprodukts einen Wärmetauscher 301, eine Verbindungseinrichtung 302 und zwei Druckabbaueinrichtungen wie im zweiten Ausführungsbeispiel umfassen, wobei die schraubenförmigen Teilstücke koaxial und entlang der Zylinderachse versetzt angeordnet sind, wie in 3 gezeigt.
Das Verbindungselement in diesen Ausführungsbeispielen ist ein Mehrwegeventil, an das die Enden der beiden Fluidleitungen und das Fluidleitungsstück angeschlossen sind. Das Mehrwegeventil kann von einem Computer aus angesteuert werden, so dass umschalten der Leitungswege im Mehrwegeventil automatisch bzw. maschinell erfolgt.
Das Erhitzen eines flüssigen Lebensmittelprodukts mit anschließendem Druckabbau kann beispielsweise unter Verwendung der Vorrichtung aus dem zweiten oder dritten Ausführungsbeispiel 200 bzw. 300 erfolgen. Dabei wird auch hier beispielsweise ein Saft mit Orangenfasern auf 70° erhitzt und hat nach dem Erhitzen beispielsweise einen Druck von 10 bar. Der Saft wird anschließend nicht direkt in eine Druckabbaueinrichtung geleitet sondern in das Mehrwegeventil 203 bzw. 303 eingeleitet. An dem Computer kann vor dem Einleiten in das Mehrwegeventil dessen Schaltung ausgewählt werden. So kann beispielsweise der Saft aus dem Wärmetauscher durch das Mehrwegeventil in die erste Fluidleitung 202a bzw. 302a geleitet werden, nachdem er diese durchlaufen hat ist der Druck bereits reduziert. Anschließend wird der Saft aufgrund der Stellung des Mehrwegeventils in die zweite Fluidleitung 202b bzw. 302b geleitet und der Druck dadurch weiter reduziert. Anschließend gelangt der Saft wieder in das Mahrwegeventil, wo er aufgrund der Einstellung des Ventils beispielsweise in eine Abfüllanlage weitergeführt werden und in Flaschen gefüllt werden kann. Der Druck den der Saft beim Abfüllen hat ist in dieser Konfiguration niedriger als wäre der Saft bereits nach dem Durchlaufen der ersten Fluidleitung 202a bzw. 302a entnommen worden. Alternativ kann das Mehrwegeventil derart eingestellt werden, dass der Saft der aus dem Wärmetauscher durch das Mehrwegeventil gleichzeitig in beide Fluidleitungen 202a und 202b bzw. 203a und 203b fließen kann. Im Mehrwegeventil kommt nun je nach Eigenschaften der beiden Fluidleitungen Saft mit unterschiedlichem Druck (aber kleiner als der Druck nach dem Erhitzen) an und kann getrennt zu verschiedenen weiteren Anlagenteilen weiter geführt werden, beispielsweise zu einer Abfüllanlage bzw. zu einer Mischanlage, die unterschiedliche Anforderungen an den Druck des Safts haben. Alternativ kann aus den beiden Fluidleitungen Saft mit gleichem Druck zurück ins Mehrwegeventil gelangen und zusammengeführt und beispielsweise in die Abfüllanlage geleitet und in Flaschen abgefüllt werden.
4 zeigt eine Fluidleitung, deren Längsachse A in einer Ebene verläuft und die mehr als ein gekrümmtes Teilstück 404, 405 und 406 umfasst, wobei die Beträge der von den Teilstücken jeweils durchlaufenen Winkel gleich 180° sind und die Krümmungsrichtungen aufeinanderfolgender Teilstücke unterschiedlich sind und jeweils zwischen zwei gekrümmten Teilstücken ein nicht-gekrümmtes Teilstück angeordnet ist, und wobei die nicht-gekrümmten Teilstücke zwischen den gekrümmten Teilstücken alle eine gleiche Länge L₁ bis L₄ haben. Eine solche Fluidleitung kann an Stelle der Fluidleitungen 102, 202b, 302b verwendet werden.
Es versteht sich, dass in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen genannte Merkmale nicht auf diese speziellen Kombinationen beschränkt sind und auch in beliebigen anderen Kombinationen möglich sind. Insbesondere kann die Fluidleitung verschiedene Formen oder Geometrien aufweisen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011002102 [0003]

Claims

Vorrichtung zum Erhitzen eines flüssigen Lebensmittelprodukts mit anschließendem Druckabbau, umfassend einen Wärmetauscher (101; 201; 301), der eine Wärmequelle und einen Tank oder ein Fluidleitungsstück umfasst, und eine Druckabbaueinrichtung, wobei die Druckabbaueinrichtung eine wenigstens teilweise gekrümmte Fluidleitung (102; 202a; 202b; 302a; 302b; 402) umfasst, die mit dem Tank bzw. dem Fluidleitungsstück fluidisch verbunden ist und wobei die Fluidleitung ein (104) oder mehrere (404; 405; 406) gekrümmte Teilstücke umfasst, jedes gekrümmte Teilstück (104; 404; 405; 406) einen Winkel durchläuft und die Summe der Beträge der Winkel wenigstens 360° beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Fluidleitung (102; 202a; 202b; 302a; 302b; 402) genau ein gekrümmtes Teilstück (104) mit konstanter oder kontinuierlich zunehmender oder kontinuierlich abnehmender Krümmung umfasst, das einen Winkel von 720° durchläuft.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Druckabbaueinrichtung eine erste Druckabbaueinrichtung ist und eine wenigstens teilweise gekrümmte erste Fluidleitung (102; 202a; 302a; 402) umfasst, des Weiteren umfassend eine zweite Druckabbaueinrichtung, wobei die zweite Druckabbaueinrichtung eine wenigstens teilweise gekrümmte zweite Fluidleitung (202b; 302b) umfasst, die mit dem Tank bzw. dem Fluidleitungsstück fluidisch verbunden ist, wobei die zweite Fluidleitung ein (104) oder mehrere (404; 405; 406) gekrümmte Teilstücke umfasst und jedes gekrümmte Teilstück (104; 404; 405; 406) einen Winkel durchläuft und die Summe der Beträge der Winkel wenigstens 360° beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei sich die erste Fluidleitung und die zweite Fluidleitung hinsichtlich ihrer gekrümmten Teilstücke unterscheiden.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, des Weiteren umfassend eine Verbindungseinrichtung (203; 303), wobei die erste Fluidleitung und/oder eine zweite Fluidleitung und/oder das Fluidleitungsstück bzw. der Tank fluidisch an die Verbindungseinrichtung angeschlossen sind, und die Verbindungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass eine fluidische Verbindung zwischen der ersten Fluidleitung und/oder der zweiten Fluidleitung und/oder dem Fluidleitungsstücks bzw. dem Tank hergestellt bzw. unterbrochen werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3–5, wobei die erste Druckabbaueinrichtung und die zweite Druckabbaueinrichtung im Wesentlichen konzentrisch und/oder koaxial angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3–6, wobei die erste Druckabbaueinrichtung mindestens teilweise in der zweiten Druckabbaueinrichtung liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3–7, die erste Druckabbaueinrichtung und die zweite Druckabbaueinrichtung vertikal versetzt angeordnet sind, insbesondere in Form einer Doppelhelix.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Innendurchmesser der Fluidleitung an jeder Stelle größer als 1 mm, insbesondere größer als 10 mm, insbesondere größer als 20 mm, insbesondere größer als 30 mm ist.
Verfahren zum Erhitzen eines flüssigen Lebensmittelprodukts mit anschließendem Druckabbau unter Verwendung der Vorrichtung aus einem der vorangegangenen Ansprüche, umfassend Erhitzen des flüssigen Lebensmittelprodukts unter Verwendung des Wärmetauschers, Leiten des flüssigen Lebensmittelprodukts durch die Druckabbaueinrichtung, um Druck abzubauen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Vorrichtung eine erste Fluidleitung und eine zweite Fluidleitung und eine Verbindungseinrichtung umfasst, des Weiteren umfassend Herstellen bzw. Unterbrechen einer fluidischen Verbindung zwischen der ersten Fluidleitung und/oder der zweiten Fluidleitung und/oder dem Fluidleitungsstück bzw. dem Tank unter Verwendung der Verbindungseinrichtung.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, des Weiteren umfassend ein Einstellen eines Drucks des flüssigen Lebensmittelprodukts beim Erhitzen im Wärmetauscher, so dass der Druck größer ist als ein Druck eines in der Wärmequelle als Wärmeträger verwendeten Materials, insbesondere eines gasförmigen und/oder flüssigen Wärmeträgers.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, des Weiteren umfassend ein Einstellen des Drucks des flüssigen Lebensmittelprodukts, so dass der Druck unmittelbar nach dem Erhitzen größer als 1 bar, insbesondere größer als 5 bar, insbesondere größer als 10 bar ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, des Weiteren umfassend ein Herstellen bzw. Unterbrechen einer fluidischen Verbindung der Fluidleitungen derart, dass ein Druckabbau größer als 0,1 bar, insbesondere größer als 0,5 bar, insbesondere größer als 1 bar, insbesondere größer gleich 2 bar erreicht wird und/oder derart, dass das flüssige Lebensmittelprodukt nach dem Druckabbau einen Druck von weniger als 5 bar, insbesondere von weniger als 2 bar, insbesondere von weniger als 1 bar hat.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, des Weiteren umfassend das Leiten des flüssigen Lebensmittelprodukts durch die Druckabbaueinrichtung mit einem Volumenstrom größer 0,1 m³/h und/oder kleiner 5 m³/h, insbesondere größer 0,5 und/oder kleiner 3 m³/h.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für ein Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14.