DE102017011752A1

DE102017011752A1 - Verfahren zum inaktivieren von Mikroorganismen in Lebensmitteln

Info

Publication number: DE102017011752A1
Application number: DE102017011752.7A
Authority: DE
Inventors: Radka Trifunovic
Original assignee: Messer Industriegase GmbH
Current assignee: Messer Industriegase GmbH
Priority date: 2017-12-19
Filing date: 2017-12-19
Publication date: 2019-06-19
Also published as: WO2019120693A1; EP3727026A1; CN111542228A; US20200345042A1; US11576406B2

Abstract

Bei einem Verfahren zum Inaktivieren von Mikroorgansimen in flüssigen Lebensmitteln wird ein flüssiges Lebensmittel mit einem unter Druck verflüssigten Gas bei einem Druck vermischt, der ausreicht, um das verflüssigte Gas im flüssigen Zustand zu halten. Das Gemisch aus Lebensmittel und Gas wird anschließend auf einen Druck entspannt, bei dem das verflüssigte Gas verdampft. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass das Gemisch vor oder während der Entspannung auf den zweiten Druck durch eine Rohrleitung geführt und in der Rohrleitung auf eine Strömungsgeschwindigkeit gebracht wird, die ausreicht, um Kavitationen im flüssigen Lebensmittel zu bilden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Inaktivieren von Mikroorganismen in Lebensmitteln, bei dem ein flüssiges Lebensmittel mit einem Gas in Kontakt gebracht und zumindest teilweise vermischt wird und das dabei entstehende Gemisch anschließend von einem ersten Druckwert auf einen zweiten Druckwert entspannt wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine entsprechende Vorrichtung.
Die Entkeimung von Lebensmittelprodukten, insbesondere flüssigen Lebensmitteln, wie Frucht- oder Gemüsesäfte, erfolgt meist durch Wärmebehandlung bei Temperaturen von über 60°C, Ultrafiltration oder durch chemische Verfahren wie beispielsweise das Verfahren der Kaltentkeimung. Die Verfahren der Wärmebehandlung und der Ultrafiltration haben den Nachteil, dass dabei zugleich wertvolle Inhaltsstoffe aus dem Produkt entfernt oder zerstört werden. Die Kaltentkeimung erfolgt überwiegend mit Chemikalien, deren gesundheitliche Unbedenklichkeit nicht in allen Fällen nachgewiesen ist und die zudem zu sensorischen Veränderungen des Produkts führen können.
In der WO 2004/026452 A1 wird vorgeschlagen, eine Flüssigkeit mit Ultraschallwellen zu beaufschlagen. Durch dabei entstehende Kavitationen kommt es zum Zellaufschluss von in der Flüssigkeit enthaltenen Mikroorganismen.
Als Alternative zu den vorgenannten Verfahren sind bereits physikalisch-chemische Verfahren zur Entkeimung mittels Kohlendioxid vorgeschlagen worden. Beispielsweise wird in der US 5 393 547 A1 ein Verfahren beschrieben, bei dem ein zu entkeimendes Lebensmittel, insbesondere ein flüssiges Lebensmittel wie beispielsweise Fruchtsaft, mit flüssigem oder überkritischem CO₂ vermischt wird. Nach Ablauf einer vorgegebenen Einwirkungszeit von beispielsweise 1-60 min werden Kohlendioxid und Lebensmittel voneinander getrennt. Der Entkeimungseffekt beruht überwiegend auf der Diffusion von Kohlendioxid in die Zellen bei einem niedrigen pH-Wert. Bei der abschließenden Entspannung des Gemisches diffundiert wiederum Kohlendioxid aus der Zelle und extrahiert lebenswichtige Bestandteile aus dieser. Durch mehrfache Wiederholung dieses Vorgangs werden die Zellwände der Mikroorganismen zerstört und somit inaktiviert. Aufgrund der geforderten hohen Drücken von 700bar und mehr konnte sich dieses Verfahren bislang für industrielle Zwecke allerdings nicht durchsetzen.
Aus der US 2004/0033296 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein flüssiges Lebensmittel in einem Batch- oder Semi-Batchprozess einer Hochdruckbehandlung mittels Kohlendioxid unterzogen wird. Die Behandlung erfolgt entweder bei Drücken über 700 bar (10000 psig) oder aber bei Drücken zwischen 1,7 und 17 bar (25-250 psig); die Temperatur des Gemisches wird während der Behandlung auf einen Wert von unter 50°C, jedoch oberhalb der Erstarrungstemperatur des behandelten Lebensmittels gehalten.
In der EP 0 979 657 A1 wird vorgeschlagen, eine Hochdruckbehandlung von Orangensaft mit verflüssigtem oder überkritischem Kohlendioxid durchzuführen. Dabei wird das zu behandelnde Lebensmittel bei einem Druck von bevorzugt 200 bis 500 bar mit flüssigem Kohlendioxid durchmischt. Nach einer gewissen Einwirkungszeit von 1 bis 13 Minuten wird das Gemisch aus Saft und Kohlendioxid in mehreren Stufen auf Umgebungsdruck entspannt. Vor der Entspannung des Gemisches kann darüber hinaus ein zusätzlicher Verfahrensschritt vorgesehen sein, in dem das Gemisch starken mechanischen Scherkräften unterworfen wird. Dieses Verfahren ist allerdings recht aufwändig im Aufbau und erfordert insbesondere bei der Behandlung von Fruchtsäften recht hohe Arbeitsdrücke.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein alternatives Verfahren zum Entkeimen von flüssigen Lebensmitteln anzugeben.
Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Ein Verfahren zum Inaktivieren von Mikroorgansimen in Lebensmitteln der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch vor oder während der Entspannung auf den zweiten Druckwert durch eine Rohrleitung geführt und in der Rohrleitung auf eine Strömungsgeschwindigkeit gebracht wird, die ausreicht, um Kavitationen im flüssigen Lebensmittel zu erzeugen.
Wesentlich für die Erfindung ist, dass sich bei der Durchleitung des Gemisches durch die Rohrleitung eine Strömungsgeschwindigkeit einstellt, bei der im flüssigen Lebensmittel Kavitationen auftreten, bei der also der statische Druck innerhalb der Rohrleitung zumindest kurzzeitig den Dampfdruck des flüssigen Lebensmittels bzw. einer wesentlichen Komponente davon, wie beispielsweise Wasser, bei der in der Rohrleitung herrschenden Temperatur unterschreitet. Die Strömungsgeschwindigkeit ergibt sich als Funktion der Druckdifferenz zwischen erstem und zweitem Druckwert und den geometrischen Eigenschaften der Rohrleitung, insbesondere dem Strömungsquerschnitt, die dementsprechend zu wählen sind.
Der zweite Druckwert ist bevorzugt so gewählt, dass er niedriger ist als der erste Druckwert, jedoch höher als der statische Druck in der Rohrleitung während der Durchleitung des Gemisches. Bevorzugt ist der zweite Druckwert dabei höher als der Siededruck des flüssigen Lebensmittels, bzw. des Siededrucks zumindest der darin enthaltenen Komponente mit dem höchsten Siededruck, bei der in einem sich an die Rohrleitung anschließenden Behältnis herrschenden Temperatur. Dadurch kommt es nicht nur in der Rohrleitung zur Bildung von Gasblasen aus verdampftem Lebensmittel bzw. einer darin enthaltenen Komponente (Dampfkavitation) sondern auch zur anschließenden Implosion zumindest eines Teils der entstandenen Gasblasen beim Wiederanstieg des Drucks nach Durchlaufen der Rohrleitung. Die damit einhergehenden Scherkräfte führten sehr effizient zur mechanischen Zerstörung noch vorhandener mikrobieller Zellstrukturen. Erfindungsgemäß erfolgt also im selben Arbeitsgang die Entspannung des unter Druck stehenden Gemisches und eine mechanische Behandlung des Lebensmittels.
Das Gas befindet sich vor oder während der Bildung des Gemisches im gasförmigen oder im druckverflüssigten Zustand. Die Mischung erfolgt beispielsweise in einem Druckbehälter oder in einem Rohrreaktor. Um das Gemisch auf den ersten Druckwert zu bringen, bestehen verschiedene Möglichkeiten. Beispielsweise befindet sich das flüssige Lebensmittel in einem Druckbehälter zunächst noch auf einem Druck, der geringer ist als der erste Druckwert, beispielsweise auf Umgebungsdruck. Anschließend wird dem Druckbehälter das unter Druck stehende Gas, so lange zugeführt, bis sich der erste Druckwert im Druckbehälter eingestellt hat, wobei sich zumindest ein Teil des Gases mit dem Lebensmittel vermischt und/oder sich in diesem löst. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung werden Gas und Lebensmittel jeweils zuerst auf einen gleichen, dem ersten Druckwert entsprechenden Druck gebracht und erst anschließend vermischt; auf diese Weise können beide Substanzen beispielsweise in einen Rohrreaktor eingebracht werden. In einer wieder anderen Ausgestaltung der Erfindung werden Lebensmittel und Gas zunächst bei einem geringeren Druckwert als dem ersten Druckwert vermischt und das Gemisch anschließend auf den ersten Druckwert verdichtet. Der Begriff „Gemisch“ ist im Übrigen hier allgemein zu verstehen und soll jedes homogene Gemisch umfassen; insbesondere soll damit auch eine teilweise oder vollständige Lösung des Lebensmittels im Gas oder umgekehrt, des Gases im Lebensmittel, verstanden werden.
Während und nach der Durchmischung des Gases mit dem Lebensmittel diffundiert das verflüssigte Gas in die Zellen von Mikroorganismen ein, die im flüssigen Lebensmittel enthalten sind. Insbesondere bei Verwendung von Kohlendioxid, Stickoxid oder einem anderen Säurebildner als Gas kommt es dabei bereits aufgrund der pH-Absenkung zu einer Entkeimung. Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, nach der Herstellung des Gemisches eine Einwirkungszeit von beispielsweise 5 bis 45 min vorzusehen, bevor die Entspannung des Gemisches erfolgt. Die Einwirkung kann beispielsweise in einem Druckbehälter erfolgen, oder das Gemisch wird durch einen Röhrenreaktor geführt, der so bemessen ist, dass ihn das Gemisch für eine der Einwirkungszeit entsprechenden Zeitdauer durchläuft.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Druckwert so gewählt, dass das Gas bei diese Druckwert im gasförmigen Zustand befindet. Das Gas vermischt sich dabei teilweise mit dem Lebensmittel bzw. löst sich in diesem. Erfolgt die Mischung in einem Druckbehälter, bildet das nicht in Lösung gehende Gas eine Gasphase aus, die durch laufende Zufuhr von Gas ergänzt werden und so den Druck im Druckbehälter aufrecht erhalten kann. a. In einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der erste Druckwert so gewählt, dass das Gas bei diesem Druckwert zumindest teilweise in verflüssigter Form vorliegt, d.h. oberhalb des Siededrucks des Gases bei der bei der Durchmischung mit dem Lebensmittel vorherrschenden Temperatur. Mit dieser Vorgehensweise gelingt eine innige Durchmischung beider Flüssigkeiten.
Besonders bevorzugt sind die geometrischen Verhältnisse der Rohrleitung und die Druckdifferenz zwischen erstem und zweitem Druckwert so gewählt, dass sich eine Strömungsgeschwindigkeit in der Rohrleitung ergibt, die so groß ist, dass der Siededruck des im Gemisch enthaltenen verflüssigten Gases unterschritten wird und es zusätzlich zur Dampfkavitation des Lebensmittels zur Bildung von Gasblasen (Gaskavitation) kommt. Dabei ist der zweite Druckwert bevorzugt geringer als der Siededruck des Gases, das in den Gasblasen enthaltene Gas bleibt also auch nach Durchlaufen der Rohrleitung im gasförmigen Zustand und kann nachfolgend leicht vom Lebensmittel getrennt werden.
Als zur Mischung mit dem flüssigen Lebensmittel bestimmtes Gas kommt bevorzugt N₂O, CO₂, CO, He, Ar, N₂, O₂ oder ein Gemisch aus einem oder mehreren dieser Gase zum Einsatz.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Entkeimung kann sowohl in einem kontinuierlichen als auch in einem Batch-Prozess erfolgen. Im Batch-Prozess wird das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise derart durchgeführt, dass das Gemisch von einem Hochdruckbehälter, in dem ein Druck mit dem ersten Druckwert herrscht, über eine Rohrleitung in einen Niederdruckbehälter geführt wird, in dem ein Druck mit dem zweiten Druckwert herrscht. Die Drücke sind so gewählt und die Rohrleitung ist so ausgebildet, dass sich unter der Wirkung der Druckdifferenz zwischen Hoch- und Niederdruckbehälter innerhalb der Rohrleitung eine Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches einstellt, die so groß ist, dass es in der zuvor beschriebenen Weise zur Ausbildung von Dampf- und/oder Gaskavitation kommt. Eine hohe Strömungsgeschwindigkeit entsteht als Folge der Querschnittreduzierung in der Rohrleitung beim Übergang des Gemisches vom Hochdruckbehälter in den Niederdruckbehälter. Im Hochdruckbehälter kann dabei auch die Vermischung von Lebensmittel und Gas sowie eine Lagerung des Gemisches für die Dauer einer vorgegebenen Einwirkungszeit (beispielsweise 5min bis 45 min) erfolgen. Im Falle, dass das Gas in Gasform eingesetzt wird, bildet das Gas im Kopfraum des Hochdruckbehälters eine Gasphase aus. Um den ersten Druckwert im Hochdruckbehälter aufrecht zu erhalten oder auf vorgegebene Druckwerte zu regeln, ist es zweckmäßig, während der Durchführung des Verfahrens, also während der Durchleitung des Gemischs durch die Rohrleitung, kontinuierlich Gas mit dem entsprechenden Druck in den Hochdruckbehälter zuzuführen, bis das flüssige Lebensmittel möglichst vollständig in den Niederdruckbehälter überführt worden ist. Im Falle, dass das Gas in druckverflüssigter Form eingesetzt werden, werden Gas und flüssiges Lebensmittel mittels Pumpen unter Druck in den Hochdruckbehälter gefördert, wobei der erste Druckwert im Hochdruckbehälter durch laufende Zuführung von Gas und Lebensmittel in den Hochdruckbehälter während der Durchführung des Verfahrens aufrechterhalten bzw. geregelt werden kann.
In einem kontinuierlichen Prozess ist es vorteilhaft, wenn das Gemisch nach seiner Herstellung einen Rohrreaktor durchläuft, der so bemessen ist, dass eine hinreichend lange Einwirkungszeit (beispielsweise 5 min bis 45 min) garantiert wird, während der das verflüssigte Gas in die Zellen der Mikroorganismen eindringen kann.
Um eine besonders effiziente Entkeimung des flüssigen Lebensmittels zu bewirken ist es vorteilhaft, die Behandlung des Lebensmittels in zwei oder mehr nacheinander ablaufenden Zyklen durchzuführen. In diesem Falle wird das Gemisch nach Durchlaufen der Rohrleitung vollständig oder in einem Teilstrom rückgeführt, auf den ersten Druckwert gebracht und erneut der Rohrleitung zugeführt.
Beispielsweise beträgt der erste Druckwert zwischen 40 bar und 75 bar und der zweite Druckwert zwischen 1 bar und 5 bar. Der statische Druck in der Rohrleitung während des Durchleitens des Gemisches ist niedriger als der Dampfdruck des Gemisches bei der Temperatur des Gemisches in der Rohrleitung. Beispielsweise beträgt der statische Druck in der Rohrleitung zwischen 0,1 mbar und 50 mbar.
Während der Behandlung sollte die Temperatur des Lebensmittels bzw. des Gemisches im Übrigen nicht die Erstarrungstemperatur des flüssigen Lebensmittels unterschreiten, insbesondere sollte dieser Temperaturwert auch nicht während der Entspannung unterschritten werden. Gleichzeitig sollte eine allzu hohe Temperatur vermieden werden, um wertvolle Nährstoffe im Gemisch nicht zu zerstören. Bevorzugt beträgt die Mindesttemperatur des Lebensmittels während der gesamten Behandlung zwischen 0°C und 50°C, bevorzugt zwischen 5°C und 35°C. Bevorzugt ist die Rohrleitung derart bemessen, dass das Gemisch die Rohrleitung so schnell durchläuft, dass die Temperatur des Gemisches nicht unter die Mindesttemperatur absinkt. Alternativ oder ergänzend dazu kann die Rohrleitung zu diesem Zweck auch mittels einer Heizeinrichtung beheizt werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst.
Eine Vorrichtung zum Inaktivieren von Mikroorganismen in Lebensmitteln, mit einem Hochdruckbehältnis, in das eine Zuführung für ein flüssiges Lebensmittel und eine mit einer Quelle für ein unter Druck stehendes Gas strömungsverbundenen Zuführung einmündet, und mit Mitteln zum Erzeugen von Kavitationen in einem im Hochdruckbehältnis vorliegenden Gemisch aus dem flüssigen Lebensmittel und dem Gas, ist erfindungsgemäß also dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erzeugen von Kavitationen eine Rohrleitung umfassen, die im Einsatz der Vorrichtung eine flüssige Phase im Hochdruckbehältnis mit einem mit einem Gas-Überströmventil und einer Entnahmeleitung ausgerüsteten Niederdruckbehältnis verbindet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ein Hochdruckbehältnis und ein Niederdruckbehältnis sowie eine diese verbindende Rohrleitung, die gezielt zum Erzeugen von Kavitationen eingesetzt wird. Der Begriff „Behältnis“ ist hier allgemein zu verstehen; beim Hochdruck- oder Niederdruck-„Behältnis“ kann es sich also jeweils insbesondere um einen Druckbehälter oder um einen Rohrreaktor handeln. Über in das Hochdruckbehältnis einmündende Zuführungen wird das zu behandelnde flüssige Lebensmittel sowie ein Gas eingespeist, miteinander vermischt und der Innenraum des Hochdruckbehältnisses auf einen vorgegebenen ersten Druckwert gebracht. Nach Verstreichen einer vorgegebenen Einwirkungszeit von beispielsweise 5-60min wird das Gemisch, beispielsweise durch Öffnen eines Ventils an einem Hochdruckbehälter oder nach Durchlaufen eines entsprechend dimensionierten Rohrreaktors, der Rohrleitung zugeführt und in das Niederdruckbehältnis eingespeist, in dem ein zweiter Druckwert herrscht, der niedriger als der erste Druckwert gewählt ist. Ein am Niederdruckbehältnis angeordnetes Gas-Überströmventil dient dazu, während der Behandlung den Druck auf diesem Druckwert zu halten. Die Druckdifferenz zwischen den Behältnissen bewirkt eine rasche Strömung in der Rohrleitung, aufgrund der es zu einem Absinken des statischen Drucks in der Rohrleitung kommt. Die Rohrleitung ist so zu dimensionieren, dass die Geschwindigkeit der unter der Wirkung der Druckdifferenz zwischen dem ersten Druckwert und dem zweiten Druckwert entstehende Strömung in der Rohrleitung ausreicht, um den Siededruck des flüssigen Lebensmittels bzw. einer darin enthaltenen Komponente, beispielsweise Wasser, zu unterschreiten. Dadurch kommt es beim Durchleiten des Gemisches zur Dampfkavitation innerhalb der Rohrleitung.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Niederdruckbehälter mit dem Hochdruckbehälter zusätzlich zur Rohrleitung über eine mit einer Verdichtungseinrichtung, beispielsweise einer Pumpe, ausgerüstete Rückleitung verbunden. Bei dieser apparativen Ausgestaltung kann das Lebensmittel nach Durchlaufen der Behandlung in den Hochdruckbehälter rückgeführt und einer erneuten Behandlung unterworfen werden.
Um zu verhindern, dass das flüssige Lebensmittel oder das Gas während der Behandlung ganz oder teilweise gefriert, ist/sind die Rohrleitung und/oder das Hochdruckbehältnis und/oder das Niederdruckbehältnis bevorzugt mit einer oder mehreren Heizeinrichtung/en ausgerüstet, die beispielsweise als elektrische Heizeinrichtung/en ausgebildet ist/sind.
Anhand der Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden. Die einzige Zeichnung (1) zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Vorrichtung (1) umfasst zwei Druckbehälter 2, 3, einen Hochdruckbehälter 2 und einen Niederdruckbehälter 3. Hochdruckbehälter 2 und Niederdruckbehälter 3 sind über eine Rohrleitung 4 miteinander strömungsverbunden, die in den Behältern 2, 3 in einem jeweils unteren Bereich ausmündet und mittels eines Ventils 5 geöffnet und geschlossen werden kann. Mittels einer Heizeinrichtung 6, bei der es sich beispielsweise um eine elektrische Heizeinrichtung oder einen Wärmetauscher handelt, kann die Rohrleitung 4 beheizt werden. Weitere, hier nicht gezeigte Heizeinrichtungen können auch im Hochdruckbehälter und/oder im Niederdruckbehälter angeordnet sein.
Eine weitere Strömungsverbindung zwischen dem Hochdruckbehälter 2 und dem Niederdruckbehälter 3 besteht in einer Rückleitung 7. Die Rückleitung 7 kann mittels Ventilen 8, 9 strömungstechnisch von den Behältern 2, 3 getrennt werden und ist mit einer Pumpe 10 ausgerüstet. Von der Rückleitung 7 zweigt eine Entnahmeleitung 11 ab, die mittels eines Ventils 12 geöffnet und geschlossen werden kann.
In den Hochdruckbehälter 2 mündet eine Gaszuleitung 14 für Kohlendioxid ein, in der eine Einrichtung 15 zum Regulieren des Drucks sowie ein Ventil 16 angeordnet ist. Die Zuleitung 14 mündet in einen unteren Bereich des Hochdruckbehälters 2 aus. Niederdruckbehälter 3 und Hochdruckbehälter 2 sind des Weiteren jeweils mit Druckmessern 17, 18, einem Überströmventil 19 sowie mit Gasableitungen 20, 21 ausgerüstet. Weiterhin mündet in den Hochdruckbehälter 2 eine Zuleitung 22 ein, durch die ein zu behandelndes flüssiges Lebensmittel in den Hochdruckbehälter 2 eingebracht werden kann. Nicht gezeigt, gleichwohl vorhanden, sind Sicherheitseinrichtungen wie beispielsweise Berstscheiben o.ä, die allerdings für die Beschreibung des Ausführungsbeispiels nicht weiter interessieren.
Im Betrieb der Vorrichtung 1 wird zunächst der Hochdruckbehälter 2 über die Zuleitung 22 mit der zu behandelnden Flüssigkeit, beispielsweise Fruchtsaft, bis zu einer Höhe eines Pegels 23 gefüllt. Beispielsweise wird der Hochdruckbehälter 2 zu einem Drittel bis zur Hälfte seines Volumens mit Flüssigkeit gefüllt. Anschließend wird das Ventil 22 geschlossen. Die Ventile 5, 8 und 16 und 20 sind währenddessen geschlossen.
Anschließend wird das Ventil 16 geöffnet und ein unter Druck stehendes Gas, beispielsweise unter Druck stehendes, gasförmiges Kohlendioxid, wird über die Gaszuleitung 14 in den Hochdruckbehälter 2 eingefüllt. Am Ende der Leitung 14 ist ein CO₂ - Verteiler 24 angeordnet, der dafür sorgt, dass das Kohlendioxid gleichmäßiger in der Flüssigkeit verteilt wird sich damit auch besser löst. Mittels des Druckreglers 15 wird gewährleistet, dass der Druck im Hochdruckbehälter einen vorgegebenen Wert, hier „erster Druckwert“ genannt, erreicht. Der erste Druckwert beträgt beispielsweise zwischen 40 bar und 60 bar. Während und nach der Zuführung des Gases vermischt sich dieses teilweise mit dem Lebensmittel und/oder löst sich in diesem. Oberhalb des Pegels 23 liegt eine reine Gasphase vor. Während der Behandlung bleibt das Ventil 16 geöffnet, und den Druck im Hochdruckbehälter auf dem ersten Druckwert zu halten.
Im Rahmen der Erfindung ist es im Übrigen auch möglich, ein unter Druck verflüssigtes Gas, beispielsweise druckverflüssigtes Kohlendioxid mit einem ersten Druckwert von beispielsweise zwischen 40 bar und 80 bar, in den Hochdruckbehälter 2 einzuspeisen. In diesem Fall vermischen sich beide Flüssigkeiten innig miteinander.
Für eine vorgegebene Einwirkungsdauer von beispielsweise 1 bis 60 min wird der Hochdruckbehälter auf dem ersten Druckwert gehalten. Im Niederdruckbehälter wird während der Behandlung ein Druck aufrecht erhalten, hier „zweiter Druckwert“ genannt, der niedriger ist als der erste Druckwert und höher als der Siededruck des Lebensmittels, bzw. der Komponente des Lebensmittels mit dem höchsten Siededruck. Beispielsweise beträgt der zweite Druckwert 1 bar bis 3 bar. Der Druck im Niederdruckbehälter 3 wird während der Durchführung des Verfahrens durch Einstellung des Überströmventils 19 kontrolliert. Das über das Überströmventil 19 abgeführte Gas kann anschließend aufgefangen und einer weiteren Verarbeitung zugeführt oder beispielsweise verdichtet und erneut dem Hochdruckbehälter 2 zugeführt werden. Um wertvolle Inhaltstoffe in der zu behandelnden Flüssigkeit zu schonen, wird die Behandlung bei einer moderaten Temperatur von beispielsweise 5°C bis 35°C durchgeführt. In dieser Zeit dringt das Gas in die Zellen von Mikroorganismen ein, die sich in der zu behandelnden Flüssigkeit befinden und sorgen für eine Übersäuerung der Zellen.
Nach Ablauf der Einwirkungszeit wird das Ventil 5 geöffnet, und das im Hochdruckbehälter 2 befindliche Gemisch strömt unter der Wirkung der Druckdifferenz zwischen Hochdruckbehälter 2 und Niederdruckbehälter 3 über die Rohrleitung 4 in den Niederdruckbehälter 3 ein. Gleichzeitig führt die hohe Druckdifferenz zwischen Hochdruckbehälter 2 und Niederdruckbehälter 3 zu einer hohen Strömungsgeschwindigkeit in der Rohrleitung 4, die wiederum zu einem niedrigen statischen Druck in der Rohrleitung 4 führt. Die Geometrie der Rohrleitung 4 wird dabei so gewählt, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches in der Rohrleitung 4 ausreicht, um die die zu behandelnde Flüssigkeit in der Rohrleitung 4 lokal zu verdampfen, es kommt also zur Bildung von Gasblasen (Dampfkavitation), die sich nach Durchlaufen der Rohleitung 4 und dem damit verbundenen Druckanstieg auf den im Niederdruckbehälter 3 herrschenden Druck wieder zurückbilden. Wird das Gas dem Hochdruckbehälter 2 im druckverflüssigten Zustand zugeführt, können die Druckverhältnisse dabei so gewählt sein, dass es beim Durchströmen der Rohrleitung 4 zugleich zur schlagartigen Druckentspannung des Gases kommt und damit zur Entstehung von Gaskavitationen. Die Kavitationen sowie die implosionsartige Zurückbildung der in der Rohrleitung erzeugten Gasblasen der zu behandelnden Flüssigkeit üben eine heftige mechanische Einwirkung auf die noch im Gemisch vorhandenen mikrobiologischen Zellen auf und zerstören diese zumindest in einem erheblichen Umfang. Um zu verhindern, dass das Gemisch in der Rohrleitung 4 auf einen Temperaturwert absinkt, bei dem die zu behandelnde Flüssigkeit gefriert, sollte die Durchleitung des Gemischs durch die Rohrleitung 4 sehr rasch erfolgen. Falls erforderlich, wird die Rohrleitung 4 mittels der Heizeinrichtung 6 beheizt. Nach Unterschreiten eines vorgegebenen Druckwerts im Hochdruckbehälter 2 oder nach vollständiger Überführung des Gemisches in den Niederdruckbehälter 3 im Hochdruckbehälter wird das Ventil 16 und anschließend das Ventil 5 geschlossen.
Im Niederdruckbehälter 3 wird das Gas von der behandelten Flüssigkeit getrennt, Nach Abschluss des Verfahrens kann der Niederdruckbehälter über die Gasableitung 21 komplett entlastet werden. Die behandelte und vom Gas zumindest weitgehend getrennte Flüssigkeit wird über die Entnahmeleitung 11 aus dem Niederdruckbehälter abgezogen und einer weiteren Verarbeitung oder einer Verpackung zugeführt. Bei Bedarf kann die behandelte Flüssigkeit jedoch auch ganz oder teilweise über die Rückleitung 7 mittels der Pumpe 10 in den Hochdruckbehälter 2 rückgeführt und einer erneuten Entkeimungsbehandlung unterzogen werden.
Im Übrigen kann anstelle des Hochdruckbehälters 2 ein Rohrreaktor vorgesehen sein (hier nicht gezeigt), durch den das Gemisch aus flüssigem Lebensmittel und Gas mit einem dem ersten Druckwert entsprechenden Druck geführt wird und dessen Länge so bemessen ist, dass eine hinreichend lange Einwirkungszeit von 1 min bis 60 min ermöglicht wird. Bei einer solchen Ausgestaltung ist eine kontinuierliche Zuführung von Lebensmittel und Gas in den Rohrreaktor möglich. Weiterhin ist es vorstellbar, einen zusätzlichen, hier nicht gezeigten Behälter vorzusehen, der mit dem Hochdruckbehälter 2 in Strömungsverbindung steht, in dem ein unter Druck stehendes Gemisch von Flüssigkeit und Gas hergestellt werden kann. Aus diesem Behälter kann dann der Hochdruckbehälter 2 kontinuierlich mit dem zu behandelnden Gemisch versorgt werden kann. Ebenso kann in diesem Fall der Niederdruckbehälter 3 durch eine Rohrleitung mit einem gegenüber der Rohrleitung 4 erweiterten Querschnitt ersetzt sein, mittels der das Gemisch zu nachfolgenden Prozessschritten der Trennung des Lebensmittels vom Gas und/oder zu weiteren Stufen der Verarbeitung und/oder Verpackung des Lebensmittels geführt wird.
Beispiel:
Fruchtsaft, beispielsweise Orangensaft, wird in einem Hochdruckbehälter bei einem Druck von etwa 40 bis 75 bar mit flüssigem Kohlendioxid vermischt. Nach einer Einwirkungszeit von 5 bis 45 min wird das Gemisch über eine Kapillare (Rohrleitung) zu einem Niederdruckbehälter geleitet, in dem ein Druck von 1-2 bar herrscht. Die Kapillare besitzt einen Strömungsquerschnitt zwischen 0,5 und 2 mm² und eine Länge von 30cm bis 100 cm. Mittels einer an der Kapillare angeordneten Heizeinrichtung wird gewährleistet, dass die Temperatur des Gemisches in der Kapillare nicht unter 0°C absinkt. Bei der Entspannung des Gemisches innerhalb der Kapillare entstehen Gas- und Dampfkavitationen, die zu starken Scherkräften auf Mikroorganismen führen, die auch nach der Einwirkung des flüssigen Kohlendioxids auf den Fruchtsaft noch im Gemisch vorhanden sind. Die Kombination aus Hochdruckbehandlung mit Kohlendioxid und mechanischer Behandlung durch Kavitationen führt zu einer sehr effizienten Entkeimung des Fruchtsafts.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Hochdruckbehälter
3: Niederdruckbehälter
4: Rohrleitung
5: Ventil
6: Heizeinrichtung
7: Rückleitung
8: Ventil
9: Ventil
10: Pumpe
11: Füll- und Entnahmeleitung
12: Ventil
13: -
14: Gaszuleitung
15: Einrichtung zum Regulieren des Drucks
16: Ventil
17: Druckmessesr
18: Druckmesser
19: Überströmventil
20: Gasableitung
21: Gasableitung
22: Zuleitung
23: Pegelhöhe
24: CO₂-Verteiler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2004/026452 A1 [0003]
US 5393547 A1 [0004]
US 2004/0033296 A1 [0005]
EP 0979657 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Inaktivieren von Mikroorgansimen in Lebensmitteln, bei dem ein flüssiges Lebensmittel mit einem Gas in Kontakt gebracht und zumindest teilweise vermischt wird und das dabei entstehende Gemisch anschließend von einem ersten Druckwert auf einen zweiten Druckwert entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch vor oder während der Entspannung auf den zweiten Druckwert durch eine Rohrleitung (4) geleitet und in der Rohrleitung (4) auf eine Strömungsgeschwindigkeit gebracht wird, die ausreicht, um Kavitationen im flüssigen Lebensmittel zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Druckwert so gewählt ist, dass das Gas bei diesem Druckwert in Gasform oder zumindest teilweise in druckverflüssigter Form vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas beim ersten Druckwert zumindest teilweise in verflüssigter Form vorliegt und das Gemisch in der Rohrleitung (4) auf eine Strömungsgeschwindigkeit gebracht wird, die ausreicht, um das verflüssigte Gas zu verdampfen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas N₂O, CO₂, CO, He, Ar, N₂, O₂ oder ein Gemisch aus einem oder mehreren dieser Gase zum Einsatz kommt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung des Lebensmittels in einem kontinuierlichen Prozess oder in einem Batch-Prozess erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung des Lebensmittels in mehreren Zyklen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Druck einen Wert zwischen 35 und 80bar beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Druck einen Wert zwischen 1 und 5 bar beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch während der Entspannung beheizt und auf einen Temperaturwert zwischen 0°C und 40°C gehalten wird.
Vorrichtung zum Inaktivieren von Mikroorganismen in Lebensmitteln, mit einem Hochdruckbehältnis (2), in das eine Zuführung (22) für ein flüssiges Lebensmittel und eine mit einer Quelle für ein unter Druck stehendes Gas strömungsverbundenen Zuführung (14) einmündet, und mit Mitteln zum Erzeugen von Kavitationen in einem im Hochdruckbehälter vorliegenden Gemisch aus dem flüssigen Lebensmittel und dem Gas, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erzeugen von Kavitationen eine Rohrleitung (4) umfassen, die im Einsatz der Vorrichtung eine flüssige Phase im Hochdruckbehältnis (2) mit einem mit einem Gas-Überströmventil (19) und einer Entnahmeleitung (11) ausgerüsteten Niederdruckbehältnis (3) verbindet.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, das das Niederdruckbehältnis (3) mit dem Hochdruckbehältnis (2) über eine mit einem Verdichtungseinrichtung (10) ausgerüstete Rückleitung (7) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung (4) und/oder das Hochdruckbehältnis (2) und/oder das Niederdruckbehältnis (3) mit einer Heizeinrichtung (6) ausgerüstet ist/sind.