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Die Erfindung betrifft ein Wärmebehandlungsverfahren zur Wärmebehandlung von festen Lebens- oder Futtermitteln nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Wärmebehandlungsverfahren zur Wärmebehandlung von festen Lebens- oder Futtermitteln und eine Wärmebehandlungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Lebens- und Futtermittel wie Pflanzen, Früchte, Gewürze, Kräuter, Getreide, Fasern, Samen oder Nüsse oder andere Produkte wie Mineralien und Salze müssen häufig einer Wärmebehandlung unterzogen werden, wobei unterschiedliche Ziele verfolgt werden. Eine Anwendung kann darin bestehen, die Verunreinigungen durch Mikroorganismen in Lebensmitteln, Futtermitteln und anderen Schüttgütern zu verringern. Schwarzer Pfeffer zum Beispiel ist stark keimbelastet. Andere Anwendungen sind das Trocknen von festen Lebensmitteln mit einem minimalen Verlust an technofunktionellen Eigenschaften und/oder das Trocknen zur Kontrolle der Feuchtigkeit und zur Stabilisierung des Geschmacks und/oder der Textur und der Haltbarkeit von Produkten.
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Die Wärmebehandlung wird häufig chargenweise in geschlossenen Behältern durchgeführt. Der Badge-Prozess lässt sich gut steuern, und weitere Einflüsse wie das Anlegen eines Vakuums an den Prozessbehälter oder das Einleiten von Inertgas können angewandt werden. Allerdings ist die zeitliche Kapazität im Chargenbetrieb begrenzt und daher oft unwirtschaftlich.
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Die Wärmebehandlung kann auch kontinuierlich erfolgen, wie in
US 10 598 435 B1 und
US 6 375 345 B1 beschrieben, die jeweils eine Vorrichtung zum Anwenden einer Wärmebehandlung auf eine Substanz beschreiben, wobei die Vorrichtung ein Gehäuse, eine Fördereinrichtung zum Fördern der Substanz zwischen einem Einlass des Gehäuses und einem Auslass des Gehäuses umfasst, wobei die Einrichtung zum Fördern der Substanz eine Schnecke umfasst, die so angebracht ist, dass sie sich innerhalb des Gehäuses um eine Drehachse dreht, und eine Antriebseinrichtung zum Antreiben der Schnecke in Drehung aufweist, sowie eine Heizeinrichtung zum Erwärmen der Schnecke durch den Joule-Effekt, d. h. durch Umwandlung elektrischer Energie in Wärmeenergie auf der Grundlage des Widerstandes des Materials der Schnecke.
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Um jeglichen Lichtbogen mit der Kammer zu vermeiden, wird das Isoliermaterial TEFLON verwendet. Letzteres ist wegen der möglichen Migration gefährlicher Moleküle in das Produkt oder der Verunreinigung durch kleine Späne oder Pulver dieses Makropolymers, die bei der Reibung zwischen der elektrischen Schraube und dem Polymer entstehen und für den Verbraucher gefährlich sein können, sehr umstritten. Außerdem können die Lichtbögen zum Brand des Isolators und der Geräte selbst führen.
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Ziel der Erfindung ist es daher, ein innovatives Wärmebehandlungsverfahren durchzuführen und es besser zu steuern und zu überwachen, ohne ein anderes Polymer und/oder Makropolymer zur Isolierung zu verwenden und anstelle einer elektrischen Beheizung auf Basis des Joule-Effekts als Heizquelle für die Förder- und Heizschnecke oder den Dorn in einer geschlossenen oder offenen Vorrichtung nur Dampf oder ein anderes Fluid zu verwenden. Es ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung, eine Wärmebehandlungsvorrichtung zur Durchführung des Wärmebehandlungsverfahrens bereitzustellen.
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Dieser Zweck wird erreicht durch ein Wärmebehandlungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Wärmebehandlungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7.
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Das Verfahren kann zum Sterilisieren, Blanchieren und Trocknen von festen Lebensmitteln, Futtermitteln und verschiedenen Schüttgütern eingesetzt werden.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Erwärmung des Produkts sowie die Aufrechterhaltung der Wärmebehandlungstemperatur während des Durchgangs des Produkts durch eine innere Kammer mittels Erwärmung durch Dampf oder ein anderes Fluid, das durch das Spiralförderelement geleitet wird. Das Spiralförderelement hat also zwei Aufgaben, nämlich sowohl den Transport als auch die Erwärmung des Produkts, wobei gleichzeitig jegliche Kondensationserscheinungen vermieden werden.
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Durch den Durchmesser der Schnecke bzw. der Spitze und die Höhe der Stege der innenliegenden Förderschnecke kann die Höhe des Bettes beeinflusst werden.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsverfahrens ist, dass sie durch direkten Kontakt mit den Stegen der Förderschnecke erwärmt werden.
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Wesentlich für die Erfindung ist daher die Erwärmung des Produktes durch Kontakt mit einem beheizten Förderelement, das mindestens einen Steg in Form einer Spirale, Schnecke oder Wendel aufweist, wobei das Förderelement im Inneren durch einen Strom eines temperierten Fluids beheizt wird. Bei dem Fluid kann es sich um ein gasförmiges oder flüssiges Fluid handeln.
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Vorzugsweise erfolgt die Erwärmung durch Dampf, was vorteilhaft ist, da Dampferzeuger in der Lebensmittelindustrie weit verbreitet sind.
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Im Allgemeinen werden gasförmige Fluid als Temperierfluid bevorzugt, da bei einem Wärmebehandlungsverfahren mit der erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsvorrichtung sowohl die Aufheizgeschwindigkeit des Förderelements als auch die zu erreichende Endtemperatur sehr gut gesteuert werden können. Die beiden zu steuernden Parameter sind zum einen die Temperatur des Fluids selbst und zum anderen die Durchflussrate des Fluids.
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Die Durchflussrate kann leicht durch ein steuerbares Element wie ein Ventil oder eine Düse gesteuert werden, das stromabwärts in der Fluidleitung angeordnet ist. Bei einer Pumpe, die das Temperierfluid in der Leitung umwälzt und mit konstanter Leistung arbeitet, kann der Druck durch teilweises Schließen und Öffnen des Ventils oder durch intermittierendes Öffnen und vollständiges Schließen beeinflusst werden, wodurch die Durchflussrate des Fluids durch das Spiralförderelement verringert wird.
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Somit ist die aktuelle Temperatur, die auf das Produkt einwirkt, bereits durch die Vorwahl der Heizmitteltemperatur und deren Durchflussmenge sehr genau bekannt.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass Wärmeverluste vermieden werden können, indem das Heizfluid rekompensiert wird, die einfach wiederverwendet und in einem Heizkreislauf nachgeheizt werden kann.
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Darüber hinaus können die Kammerwände auch beheizt oder gekühlt werden, wodurch sich die Kontaktfläche mit dem Produkt erheblich vergrößert. Die Kammerwände können in Form einer Doppelwand mit einem Hohlraum dazwischen und einer Isolierschicht auf der Außenseite ausgeführt werden. Die Kammerwände können auf die gleiche Weise beheizt werden wie der Spiralförderer oder durch ein anderes Heizmedium wie Gas, Heißluft, Wasser oder Öl.
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Vorzugsweise verläuft der Abschnitt der Kammerwände, der durch ein Fluid temperiert werden kann, genau dort, wo die Produktfüllung beginnt, also im Bodenbereich der Kammer. So kann zumindest ein Teil der Kammerwand mit einer bestimmten Heißlufttemperatur vorgewärmt werden oder auch nicht.
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Diese Kammer kann stationär oder durch Rotation oder Vibration direkt unter dem Produktbett in Bewegung sein.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können Mittel vorgesehen werden, um Dampf oder eine andere Art von Gas wie Heißluft oder Ozon direkt in die Kammer zu blasen, wobei eine spezielle, an die jeweilige Art des Gases angepasste Absaugvorrichtung zusätzlich am Gehäuse vorgesehen ist.
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Um die Kammertemperatur zu verbessern und besser zu kontrollieren, kann mindestens ein Kammertemperatursensor vorgesehen werden, der insbesondere am Auslassende der Kammer angeordnet ist, da das geförderte Produkt dort die Temperatur der Kammerwände und der beheizten Schnecke erreicht hat, die aufgrund der produkteigenen Leitfähigkeit exponentiell ansteigt und dort am höchsten ist.
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Einerseits wird durch die Temperaturregelung des Fluids sichergestellt, dass die Produkttemperatur ausreichend hoch ist und die Behandlung ausreichend lange durchgeführt wird. Andererseits ermöglicht sie eine erhebliche Energieeinsparung, da keine permanente Überhitzung erfolgen muss, nur damit die gewünschte Produktqualität gewährleistet ist.
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Wird durch Messung festgestellt, dass die Temperatur der Kammerwände und/oder des Wendelförderers ausreichend hoch ist, wird die Temperatur und/oder die Menge des Fluids heruntergeregelt.
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Der Vorteil des Einsatzes von Wandheizungen in Kombination mit der Beheizung einer Schnecke oder eines Dorns durch ein Fluid ist, dass nicht nur die Temperatur, sondern auch die Luftgeschwindigkeit leicht zu regeln ist, so dass der Wärmeeintrag leicht zu kontrollieren ist, ohne dass es zu Hot-Spots kommt, die für empfindliche Produkte gefährlich sind.
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Neben der Erwärmung des Produkts durch Dampf kann das Gerät auch zur vorübergehenden Kühlung der Kammer verwendet werden. Es ist möglich, eine Trommeltemperatur von 0 bis 100 °C einzustellen, ohne dass sich Kondensat ansammelt. Zu diesem Zweck wird ein Fluid zum Temperieren des Spiralförderers und der Kammerwände verwendet.
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Besonders vorteilhaft ist eine Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsvorrichtung und des Verfahrens durch mindestens fünf weitere Temperaturfühler, die über die Länge der Kammer mit der dampfbeheizten Schnecke verteilt sind, mit und ohne Kombination mit deren Wänden.
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Aufgrund der individuellen Wärmeleitfähigkeit jedes zu behandelnden Produkts erfolgt die Erwärmung exponentiell und ohne unterschiedlich heiße Punkte pro Schneckenwendel dank der homogenen Erwärmung der vom Dampf erwärmten Oberfläche.
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Die Temperierung des Produkts im Rahmen der Erfindung erfolgt also in erster Linie durch den Kontakt des Produkts mit der beheizten Schnecke und/oder den Wänden der Sterilisatorkammer, obwohl optional zusätzlich Dampf oder eine andere Art von Gas wie Heißluft und/oder Ozon in die Trommel eingeblasen werden kann, um die Effizienz der gezielten Behandlung und gründlichen Sterilisierung zu verstärken und/oder um die Feuchtigkeit, die Farbe usw. des Produkts während der Wärmebehandlungsphase zu beeinflussen.
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Ein bevorzugtes Produkt, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu behandeln ist, ist ein Lebensmittel mit geringer Feuchtigkeit, das eine Schüttdichte von 0,1 g/cm3 bis 1,0 g/cm3, einen Feuchtigkeitsgehalt von bis zu 30% und eine Eingangstemperatur von 0° bis 50°C aufweist.
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Die Beheizung des Spiralförderelements kann mit allen Arten von Dampf wie Nassdampf, Trockendampf und überhitztem Dampf in einem Temperaturbereich von 100 °C bis 200 °C erfolgen. Folglich liegt auch die Temperatur der Schnecke am Anfang und am Ende in einem Bereich von 100 °C bis 200 °C.
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Die Steigung und die Drehgeschwindigkeit des Förderelements werden in Abhängigkeit von der Verweilzeit des Produkts in der Kammer gewählt, die typischerweise im Bereich von 1 min bis 30 min liegt.
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Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Die Figuren zeigen:
- 1 eine Wärmebehandlungsvorrichtung in einer perspektivischen Ansicht;
- 2 ein geöffneter Teil der Vorrichtung in der Nähe eines Einlasses;
- 3 ein geöffneter Teil der Vorrichtung in der Nähe eines Auslasses und einer Antriebseinheit; und
- 4 ein Spiralförderelement in perspektivischer Ansicht.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Wärmebehandlungsvorrichtung 100 in einer perspektivischen Ansicht, die im Wesentlichen umfasst:
- - ein nach oben offenes Gehäuse 10;
- - ein Spiralförderelement 20, das drehbar im Gehäuse 10 gelagert ist und
- - eine Antriebseinheit 30 mit einem Elektromotor 31 zum Drehen des Förderelements 20.
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Die oberseitige Öffnung des Gehäuses 10 ist mit einer Reihe von Deckelelementen 14.1 ... 14.5 abgedeckt, so dass bei geschlossenem Zustand aller Deckelelemente 14.1 ... 14.5 mindestens eine geschlossene Kammer 3 vorhanden ist. Die Unterteilung des Gehäusedeckels in mehrere Deckelelemente 14.1 ... 14.5 ermöglicht einen einfachen Zugang zu verschiedenen Bereichen der Wärmebehandlungseinrichtung 100.
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Ein erstes Deckelelement 14.1 hat eine Einlassöffnung 11, in die das zu behandelnde Produkt eingelegt wird. Das Spiralförderelement 20 bewirkt, dass das Produkt entlang des Gehäuses zu einer Auslassöffnung 12 gefördert wird, die sich im Boden des Gehäuses 10 an einem stromabwärtigen Ende unter dem Deckelelement 14.5 befindet.
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Die Antriebseinheit 30 besteht aus dem Motor 31, der in einem Gehäuse 32 mit einem Verschlusselement 33 gekapselt ist, das mit dem Gehäuse 10 verbunden ist. Der Innenraum der Antriebseinheit 30 ist von dem Kammerinnenraum 13 getrennt.
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Außerdem sind ein Dampfleitungseingang 23 und ein Dampfleitungsausgang 25 vorgesehen.
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Das Förderelement 20 ist in 4 detaillierter dargestellt. Es besteht im Wesentlichen aus einer linearen, zentralen Welle 21, die von mindestens einem wendelförmigen, spiralförmigen Steg 22 umgeben ist. Die Ausrichtung des spiralförmigen Stegs 22 und die von der Antriebseinheit 30 bewirkte Drehrichtung sind so gewählt, dass das Produkt in den nachgelagerten Bereich am Deckelelement 14.5 (vgl. 1) gefördert wird.
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Außerdem verfügt die Welle 21 über mindestens eine Innenbohrung oder einen Kanal für ein temperiertes Fluid, wie Dampf, so dass die Welle 21 auch eine Dampfleitung darstellt, die sich von einem Dampfleitungseingang 23 zu einem Dampfleitungsausgang 25 erstreckt.
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2 zeigt ein stromaufwärts gelegenes Ende der Wärmebehandlungsvorrichtung 100. Das Abdeckelement 14.1 mit der Einlassöffnung 11 ist teilweise angehoben, so dass das stromaufwärts gelegene Ende der Kammer 13 und das Spiralförderelement 20 sichtbar sind. Die Welle 21 erstreckt sich bis zum vorderen Ende des Gehäuses 10, wo sie mit dem Dampfleitungsausgang 25 endet.
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In 3 ist das stromabwärtige Ende des Gehäuses 10 mit der angebauten Antriebseinheit 30 dargestellt. Die Welle 22 des Förderelements 20 erstreckt sich vom Dampfleitungseingang 23 (vgl. 1) durch die Antriebseinheit 30 und durch die Wand, die die Antriebseinheit von der Kammer 13 im Gehäuse 10 trennt.
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Die Wärmebehandlung fester Lebens- oder Futtermittel mit Hilfe der Wärmebehandlungsvorrichtung 100 wird wie folgt durchgeführt:
- Der Produktfluss des festen Lebens- oder Futtermittels in der Wärmebehandlungsvorrichtung 100 von der Einlassöffnung 11 zur Auslassöffnung 12 ist in 1 durch die fettgedruckten Pfeile dargestellt. Die Strömungsrichtung eines Heizfluids, das durch die Welle 21 des Spiralförderelements 20 geleitet wird, ist umgekehrt zur Richtung des Produktflusses. Das Heizfluid wird an der Fluideinlassöffnung 23 eingeleitet und tritt an der Fluidauslassöffnung 25 aus dem Schaft aus. Da die Fließrichtung des festen Produkts und die Fließrichtung des Heizfluids entgegengesetzt sind, ist die Temperatur an der Einlassöffnung am niedrigsten und an der Auslassöffnung am höchsten. So wird das an der Einlassöffnung 11 eingebrachte Produkt auf seinem Weg durch die Kammer 13 zunehmend erwärmt und erreicht seine höchste Temperatur am stromabwärts gelegenen Ende der Kammer 13 an der Auslassöffnung 12.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Wärmebehandlungsvorrichtung
- 10
- Gehäuse
- 11
- Einlassöffnung
- 12
- Auslassöffnung
- 13
- Kammer
- 14.1 -14.5
- Deckelelemente
- 20
- Spiralförderelement
- 21
- Welle
- 22
- Steg
- 23
- Dampfleitungseingang
- 25
- Dampfleitungsausgang
- 30
- Antriebseinheit
- 31
- Motor
- 32
- Gehäuse
- 33
- Verschlusselement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 10598435 B1 [0004]
- US 6375345 B1 [0004]
