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Die Erfindung betrifft ein Batchverfahren zur Aufkonzentrierung von Inhaltsstoffen CO2-haltiger Flüssigkeiten, insbesondere von Bier, und eine entsprechende Vorrichtung hierzu.
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Es ist allgemein üblich, CO2-haltige wässrige Flüssigkeiten wie zum Beispiel Bockbiere soweit zu kühlen, dass das darin enthaltene Wasser ausfriert, wodurch die zurückbleibenden Inhaltsstoffe aufkonzentriert werden. Für den Fall der Bockbiere wird ein derart hergestelltes Konzentrat allgemein als Eisbock bezeichnet, das sich durch einen stärkeren Geschmack, eine trübere Farbe und einen höheren Alkoholgehalt auszeichnet. Dies stellt eine Möglichkeit zur Herstellung von Starkbieren dar.
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Ein derartiges Ausfrierverfahren wird unter anderem auch in der Weinherstellung verwendet und ist dort als Gefrierkonzentration bekannt. Diese wird in einigen Ländern dazu verwendet, die Erzeugung von Eiswein nachzuahmen. Hierbei werden ganze Trauben gefroren und im gefrorenen Zustand gepresst, sodass das Eis in der gepressten Traube verbleibt und nur der aufkonzentrierte Extrakt abläuft.
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Auch für die Konzentration von Fruchtsäften wird die Gefrierkonzentration verwendet. Da hierbei die Flüssigkeiten nicht erhitzt werden müssen, gehen keine oder nur wenige Inhaltsstoffe verloren, der Geschmack wird intensiviert, der Anteil der Inhaltsstoffe erhöht. Auf diese Weise lassen sich auch Konzentrate herstellen, die vom Endverbraucher verdünnt werden müssen.
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Aus der
DE 102 00 523 B4 ist ein Bierherstellungsverfahren bekannt, bei dem ein Bierteilstrom kontinuierlich aus einem Vorratstank abgezogen, durch einen Wärmetauscher gekühlt und in den Vorratstank zurückgeführt wird. Diese Behandlungsphase wird solange durchgeführt, bis das Bier im Vorratstank eine gewünschte Soll-Konzentration an Inhaltsstoffen erreicht hat. Das sich an den kühlen Wänden des Wärmetauschers abscheidende Eis wird bei diesem bekannten Verfahren entweder nach dem Ende der Behandlungsphase oder wenigstens einmal während dieser entfernt. Hierzu ist ein zweiter Wärmetauscher vorgesehen, so dass die Eisentfernung in einem Wärmetauscher erfolgt, während die Behandlungsphase mit dem zweiten Wärmetauscher weiter durchgeführt wird, so dass diese nicht unterbrochen werden muß. Nach Erreichen der Sollkonzentration ist die Behandlungsphase beendet, eine weitere Charge kann in den Vorratstank eingefüllt und bearbeitet werden. Nachteilig an diesem Stand der Technik ist der konstruktive Aufwand.
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Als weiterer Stand der Technik wurde die
WO 89/11 319 A1 ermittelt.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Batchverfahren und eine entsprechende Batchvorrichtung zu beschreiben, die eine kontinuierliche und reibungslose Konzentrierung von Inhaltsstoffen CO2-haltiger Flüssigkeiten bei geringerem konstruktiven Aufwand ermöglicht.
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Die Verfahrensaufgabe wird bei einem Batchverfahren zur Konzentrierung von Inhaltsstoffen CO2-haltiger Flüssigkeiten gelöst, indem dieses die folgenden Schritte aufweist:
- a. Beschicken eines Tankbehälters mit einer CO2-haltigen Flüssigkeit;
- b. Durchführen einer Behandlungsphase der Flüssigkeit, in der ein Teilvolumen der Flüssigkeit aus dem Tankbehälter entnommen, durch einen mit diesem über Rohrleitungen zu einem Kreislauf verbundenen Wärmetauscher unter Kühlung und Eisabscheidung am Wärmetauscher geführt wird, das im Wärmetauscher entstehende Eis abgelöst und gemeinsam mit dem Teilvolumen in den Tankbehälter zurückgeführt wird und das im Teilvolumen mitgeführte Eis durch Aufschwimmenlassen einer Eisschicht im Tankbehälter abgetrennt wird, solange, bis eine gewünschte Konzentration der Inhaltsstoffe erreicht ist;
- c. Entnahme der aufkonzentrierten Flüssigkeit aus dem Tankbehälter und
- d. Auftauendes Entfernen des zurückgebliebenen Eises.
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Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft zunächst jede CO2-haltige Flüssigkeit, insbesondere Lebensmittelflüssigkeiten und im speziellen Bier.
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In der erfindungsgemäß bis zur Erreichung einer gewünschten Inhaltsstoffkonzentration durchzuführenden Behandlungsphase erfolgt die Aufkonzentration in bekannter Weise durch Ausfrieren von Wasser, also durch Eisbildung an den dafür vorgesehenen Wänden des oder der Wärmetauscher. Im Unterschied zum Stand der Technik wird dieses Eis jedoch in-situ entfernt, also während das Teilvolumen der zu behandelnden Charge durch den Wärmetauscher strömt. Damit wird die Bildung einer sich im Laufe der Behandlungsphase verdickenden und damit auch stärker wärmeisolierenden Eisschicht vermieden, die die Effizienz des Ausfrierens herabsetzt. Gleichzeitig ist die Notwendigkeit des Vorsehens eines zweiten Wärmetauschers hinfällig, da dieser nicht für die Durchführung der Behandlungsphase während des Abtauens des ersten Wärmetauschers benötigt wird. Stattdessen wird das Wasser erfindungsgemäß zunächst nicht aus der CO2-haltigen Flüssigkeit entfernt sondern vielmehr teilweise in einen anderen Aggregatzustand überführt aber nach wie vor im behandelten Teilvolumen belassen. Die Entfernung - und damit die Aufkonzentration - erfolgen erst im Tankbehälter durch Aufschwimmenlassen. Dieses Aufschwimmenlassen wird idealerweise dadurch erreicht, dass die Durchströmgeschwindigkeit der eishaltigen Flüssigkeit im Tankbehälter sehr gering ist, jedenfalls deutlich geringer als in den Rohrleitungen, und damit das weniger dichte Eis die Zeit erhält, sich von der Flüssigkeit durch Aufschwimmen zu trennen. Der erfindungsgemäße Tankbehälter weist daher ein entsprechend größeres Volumen auf als die zur Behandlung eingeführte Flüssigkeit (Charge), sodass er das aufgrund der Eisbildung vergrößerte Gesamtvolumen der Charge problemlos aufnehmen kann.
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Diese Behandlungsphase wird wie geschildert so lange durchgeführt, bis die gewünschte Konzentration der Inhaltsstoffe in der Flüssigkeit erreicht ist. Ist dies erreicht, wird die aufkonzentrierte Flüssigkeit aus dem Tankbehälter durch einen Auslass entnommen, der sich idealerweise am Boden, bevorzugt am tiefsten Punkt, des Behälters befindet, während das Eis im Tankbehälter verbleibt. Dieses wird anschließend aufgetaut und danach ebenfalls aus dem Tankbehälter entfernt. Nach einem Reinigungsschritt kann dann die nächste Charge bearbeitet werden.
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In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Eisablösung mittels rotierender Schaber im Inneren des Wärmetauschers erfolgt, idealerweise derart, dass diese im Betriebszustand während des Zirkulierens der Flüssigkeit durch den Wärmetauscher kontinuierlich Eis von den dafür vorgesehenen Oberflächen des Wärmetauschers abschaben.
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Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Batchverfahren, wenn die der Flüssigkeit durch den ersten Wärmetauscher entzogene Wärme zwischengespeichert wird, wobei die zwischengespeicherte Wärme nach dem Entnehmen der Flüssigkeit aus dem Tankbehälter zumindest teilweise zum Auftauen des in diesem verbliebenen Eises verwendet wird.
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Entsprechend ist es von Vorteil, wenn die oben genannte Zwischenspeicherung der der Flüssigkeit entzogenen Wärme durch einen zweiten Wärmetauscher erfolgt, der mit dem ersten Wärmetäuscher und dem Tankbehälter wirkmäßig verbunden ist. Hierdurch wird mit Vorteil die der Flüssigkeit entzogenen Wärmemenge vom ersten Wärmetauscher auf den zweiten Wärmetauscher übertragen, dort zwischengespeichert und nach Beendigung von Schritt c. während des Schrittes d. dem Tankbehälter zugeführt und dort für das Auftauen des dort verbliebenen Eises verwendet wird.
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Die Vorrichtungsaufgabe wird durch eine Batchvorrichtung zur Konzentrierung von Inhaltsstoffen CO2-haltiger Flüssigkeiten, aufweisend mindestens einen ersten Tankbehälter mit einem Tankvolumen, einem Flüssigkeitseingang und einem Flüssigkeitsausgang, mindestens einen ersten Wärmetauscher aufweisend mindestens einen Eisschaber und eine Rohrleitung, die den Tankbehälter an Flüssigkeitseingang und Flüssigkeitsausgang mit den Wärmetauschern zu einem Kreislauf verbindend ist, dadurch gelöst, dass das Tankvolumen um so viel größer ausgelegt ist als das im Tankbehälter aufzunehmende Flüssigkeitsvolumen, dass das unter Betriebsbedingungen der Batchvorrichtung aus der Flüssigkeit entstandene Eis im Tankbehälter aufnehmbar ist. hierdurch wird mit Vorteil eine einfache Konstruktion erreicht, die auf komplizierte Vorrichtungen zur Eisentfernung bei den Wärmetauschern verzichten kann. Überraschenderweise ist das Vergrößern des Tankvolumens über dasjenige Maß hinaus, welches für die sichere Aufnahme der zu behandelnden Flüssigkeit erforderlich ist, ausreichend, um eine effektiv arbeitende und kostengünstige Vorrichtung anzugeben.
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Es hat sich erwiesen, dass je nach zu konzentrierender Flüssigkeit das Tankvolumen um etwa ein Drittel größer als das Flüssigkeitsvolumen gewählt werden sollte.
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Um ein effektives und vor allem effizientes Auftauen des verbliebenen Eises zu gewährleisten, ist erfindungsgemäß ein zweiter Wärmetauscher vorgesehen, der mit dem ersten Wärmetauscher und dem Tankbehälter in Wirkverbindung stehend ist. Hierdurch ist die der Flüssigkeit vom ersten Wärmetauscher entzogene Wärme an den zweiten Wärmetauscher abgeb- und dort speicherbar. Durch dessen wirkmäßige Verbindung mit dem Tankbehälter wist die im zweiten Wärmetauscher zwischengespeicherte Wärme dazu nutzbar, das nach dem Ablassen der konzentrierten Flüssigkeit im Tankbehälter verbliebene Eis effektiv zu schmelzen. Hierdurch wird eine besonders energiesparend arbeitende Vorrichtung zur Verfügung gestellt.
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Die Erfindung sieht weiter vorteilhaft vor, dass sowohl der Tankbehälter, als auch der erste Wärmetauscher in zwei- oder mehrfacher Ausführung vorliegen können, wobei diese in Reihe oder parallel geschaltet sind. Eine Reihenschaltung der Wärmetauscher hat den Vorteil, dass kleinere und dementsprechend platzsparendere und kostengünstigere Wärmetauscher einsetzbar sind, um dieselbe Kühlleistung eines großen Wärmetauschers zu erreichen. Weiterhin ist durch das Verwenden von zwei oder mehr kleineren Wärmetauschern ein Austauschen einzelner Wärmetauscher oder auch ein Aufrüsten der Anlage durch Hinzufügen weiterer Wärmetauscher deutlich vereinfacht. Eine Parallelschaltung verschiedener Wärmetauschereinheiten und auch zweier oder mehrerer Tankbehälter ermöglicht es dem Betreiber der Batchvorrichtung, zwei Batchprozesse parallel laufen zu lassen, sodass die für sich genommen, batchartig ablaufende Verfahren zusammen ein kontinuierliches Verfahren zur Aufkonzentration von CO2-haltigen Flüssigkeiten ergeben. Die Verfahrensunterbrechung aufgrund der Notwendigkeit des Ablassens der Flüssigkeit und Auftauen und Entfernen des zurückgebliebenen Eises führt somit Vorteil nicht zu einer Unterbrechung des Gesamtprozesses.
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Um das Aufschwimmenlassen des Eises in dem Tankbehälter zu fördern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Flüssigkeitseingang des Tankbehälters in einem Bereich unterhalb eines oberen Drittels des Tankbehälters angeordnet ist. Entsprechend ist vorgesehen, dass der Tankbehälter nicht komplett mit der Flüssigkeit befüllt wird, sondern vielmehr nur zu etwa zwei Drittel des Tankvolumens. So wird die aus dem Wärmetauscher in den Tankbehälter geführte Flüssigkeit mit Eis unterhalb der erwarteten, auf der Flüssigkeit im Tankbehälter schwimmenden Eisschicht in den Tankbehälter eingeführt, sodass die abgesetzte Eisschicht nicht unnötig in die Flüssigkeit zurück gedrückt wird. Dies verhindert mit Vorteil zum einen ein erneutes Vermischen von Flüssigkeit und Eis, zum Anderen wird das Aufschwimmen des Eises begünstigt, da die Flüssigkeit so weniger turbulent im Tankbehälter strömt.
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Die Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Figuren beispielhaft beschrieben, wobei weitere Einzelheiten den Figuren zu entnehmen sind.
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Funktionsmäßig gleiche Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die Figuren zeigen im Einzelnen:
- 1: Batchvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform.
- 2: Batchvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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1 zeigt eine Batchvorrichtung gemäß einer ersten, einfachsten Ausführungsform. Ein üblicher, doppelwandiger und thermisch isolierter Tankbehälter 1 weist an seinem Kopf einen Flüssigkeitseinlass und an seinem Boden einen -auslass auf, die durch Pfeile gekennzeichnet sind. Flüssigkeitsein- und -auslass dienen zum Befüllen und Entleeren des Tankbehälters 1 mit einer Charge, gebildet aus einer CO2-haltigen Flüssigkeit, insbesondere einem Bier. Die Pfeile kennzeichnen dabei nicht die exakte Position von Ein- und Auslass, sie sollen jeweils nur den Bereich bevorzugter Anordnung bezeichnen. Es ist daher auch erfindungsgemäße, diese Ein- und Auslässe als Teile der Rohrleitung 2 auszubilden. Der Tankbehälter 1 ist mit dieser Rohrleitung 2 in einem Kreislauf mit einem ersten Wärmetauscher 3a verbunden ausgebildet, der bei dieser Ausführungsform unter anderem Messgeräte oder Sensoren zur Messung von Durchflussgeschwindigkeit und anderen physikalischen Größen, die den Flüssigkeitszyklus beschreiben, aufweist. Diese können erfindungsgemäß jedoch auch in oder an der Rohrleitung 2 und/oder in oder an dem Tankbehälter 1 angeordnet sein. Die zum Betrieb der Vorrichtung üblicherweise vorhandenen Ventile, Pumpen, Filter, etc. sind nicht oder nur skizzenhaft dargestellt. Der erste Wärmetauscher 3a weist einen Eisschaber auf, vorzugsweise einen rotierenden Eisschaber. Ein zweiter Wärmetauscher 3b ist wirkmäßig mit dem ersten Wärmetauscher 3a und dem Tankbehälter 1 verbunden ausgebildet. Der zweite Wärmetauscher 3b ist die der Flüssigkeit durch den ersten Wärmetauscher 3a entzogene und auf ihn übertragene Wärme speichernd ausgebildet. Er ist hier den ersten Wärmetauscher 3a mit Kühlmedium versorgend. Alternativ ist dieser auch mit Kühlmedium aus einer anderen Quelle versorgbar. Das Vorsehen dieses zweiten Wärmetauschers 3b ist von besonderem Vorteil, da die der Flüssigkeit entzogene Wärme nicht aus dem Prozeß entfernt sondern vielmehr aufgrund der Zwischenspeicherung zur späteren Verwendung zur Verfügung gehalten wird.
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Während der Behandlungsphase des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Teilvolumen der im Tankbehälter 1 befindlichen Charge durch den am Tankboden befindlichen Flüssigkeitsausgang 7 abgezogen und über die Rohrleitung 2 zum ersten Wärmetauscher 3a geführt, dort unter Eisbildung gekühlt und unter Mitnahme des vom Wärmetauscher 3a entfernten Eises über den Flüssigkeitseingang 6 in den Tankbehälter 1 zurückgeführt. Der Flüssigkeitseingang 6 befindet sich bei diesem Ausführungsbeispiel auf halber Höhe des Tankbehälters 1, er kann erfindungsgemäß ohne weiteres auch in höherer Höhe angeordnet sind, insbesondere innerhalb des oberen Drittels 8 des Tankbehälters 1. Hierdurch ist ein ausreichender Abstand von Flüssigkeitsentnahme zu -zufuhr gewährleistet, die zum einen zu einem laminaren Flüssigkeitsstrom mit niedriger Fließgeschwindigkeit im Tankbehälter 1 führt und so die für das Aufschwimmen des Eises benötigte Zeit zur Verfügung stellend ist und zum anderen ist die Rückleitung der Flüssigkeit in den Tank ohne Rückvermischung von Eis und Flüssigkeit ermöglicht. 1 zeigt eine angedeutete Eisschicht 4, schwimmend auf einer skizzierten Flüssigkeitsoberfläche sowie punktförmig Eisteilchen in der Flüssigkeit während des Aufschwimmens.
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Wie bereits geschildert, handelt es sich bei den Bauteilen der erfindunsgemäßen Vorrichtung um handelsübliche Bauteile, insbesondere was Wärmeisolierung, Reinigung, Flansche etc. anbelangt. Die zu einem Betrieb der Vorrichtung üblichen Sensoren, Schieber, Ventile, Pumpen, Steuerungen, etc. sind ebenfalls vorhanden.
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2 zeigt eine zweite, gegenüber der ersten Ausführungsform, prozeßtechnisch weiter optimierte Ausführungsform. Auch diese zweite Ausführungsform umfasst einen Tankbehälter, eine Rohrleitung und einen ersten und zweiten Wärmetauscher. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform sind jedoch zwei erfindungsgemäße Batchvorrichtungen vorgesehen, die teilweise gemeinsame Bauteile aufweisen, insbesondere im Hinblick auf die Rohrleitung 2. Einem ersten Tankbehälter 1a ist ein erster Wärmetauscher 3a1 zugeordnet, der aus zwei in Reihe geschalteten Wärmetauschern 3a1-1 und 3a1-2 besteht. Einem zweiten Tankbehälter 1b ist ein erster Wärmetauscher 3a2 zugeordnet, der ebenfalls aus zwei in Reihe geschalteten Wärmetauschern 3a2-1 und 3a2-2 besteht. Demnach sind die beiden Teilwärmetauscher einer Batchvorrichtung in Reihe geschaltet, die beiden Batchvorrichtungen jedoch parallel zueinander geschaltet und damit auch die beiden ersten Wärmetauscher 3a1 und 3a2.
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Wie bereits erläutert, ermöglicht dies den Einsatz kleinerer, platzsparender Wärmetauscher ohne Verluste in der Kühlleistung und damit auch eine hohe Modularität und Anpassbarkeit der Vorrichtung an Kundenwünsche.
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Die beiden ersten Wärmetauscher 3a1 und 3a2 sind mit einem zweiten Wärmetauscher 3b wirkmäßig verbunden, der wie beschrieben die der Flüssigkeit durch die ersten Wärmetauscher entzogene Wärme nun diesen entziehend und speichernd ausgebildet ist. Mit einer gestrichelten Linie ist die wirkmäßige Verbindung dieses zweiten Wärmtauschers 3b mit den beiden Tankbehältern 1a und 1b dargestellt. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gibt der zweite Wärmetauscher 3b seine Wärme an jeden der Tankbehälter ab, sobald diese dort zum Auftauen des abgeschiedenen Eises benötigt wird. Der zweite Wärmetauscher 3b kann dabei erfindungsgemäß selbstverständlich auch zwei oder mehr Teilwärmetauscher aufweisen oder aus diesen bestehen. Die räumliche Anordnung der in 2 dargestellten Bestandteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ebenfalls rein schematisch und gibt nicht deren exakte Position in der Vorrichtung an.
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Die vorliegende Erfindung gibt dem Fachmann mit großem Vorteil eine einfache, leicht erweiterbare und anpaßbare Vorrichtung an, die eine optimale Energieführung ohne unnötige Energieverluste ermöglicht und die konstruktiv einfach gehalten ist, bei der übliche Bauteile ohne bauliche Veränderungen verwendbar sind.
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Bezugszeichenliste
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| 1 |
Tankbehälter |
| 1a |
|
erster Tankbehälter |
| 1b |
|
zweiter Tankbehälter |
| 2 |
Rohrleitungen |
| 3 |
Wärmetauscher |
| 3a |
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erster Wärmetauscher |
| 3a1 -1, 3a1-2 |
|
zwei in Reihe geschaltete Wärmetauscher des ersten Wärmetauschers 3a |
| 3b |
|
zweiter Wärmetauscher |
| 3a2-1, 3a2-2 |
|
zwei in Reihe geschaltete Wärmetauscher des zweiten Wärmetauschers 3b |
| 4 |
Eisschicht |
| 5 |
Tankvolumen |
| 6 |
Flüssigkeitseingang |
| 7 |
Flüssigkeitsausgang |
| 8 |
oberes Drittel des Tankbehälters |
