DE102021133279A1

DE102021133279A1 - Vorrichtung zum thermischen Zubereiten von Lebensmitteln und Verfahren zum thermischen Zubereiten von Lebensmitteln unter Verwendung der Vorrichtung

Info

Publication number: DE102021133279A1
Application number: DE102021133279.6A
Authority: DE
Inventors: Markus von Bargen; Florian Stukenborg; Magnus Rienäcker
Original assignee: Verein Zur Foerderung Des Tech An Der Hochschule Bremerhaven E V; Verein Zur Forderung Des Technologietransfers An Der Hochschule Bremerhaven Ev
Current assignee: VEREIN ZUR FOERDERUNG DES TECHNOLOGIETRANSFERS, DE
Priority date: 2021-12-15
Filing date: 2021-12-15
Publication date: 2023-06-15
Also published as: EP4197336A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum thermischen Zubereiten von Lebensmitteln, umfassend eine Brennkammer; einen katalytischen Brenner, der in der Brennkammer angeordnet ist und der ausgebildet ist, um Wasserstoff und Sauerstoff unter Bildung von Wasser und Wärme umzusetzen; einen Behandlungsraum, der ausgebildet ist, um Lebensmittel in dem Behandlungsraum thermisch Zuzubereiten; und einen Verbindungsteil, der die Brennkammer und den Behandlungsraum verbindet und der ausgebildet ist, um einen Ablaufstrom, der das Wasser und die Wärme umfasst, von der Brennkammer zu dem Behandlungsraum zu transportieren; sowie ein Verfahren, in dem Die Vorrichtung verwendet wird; und die Verwendung eines in einem katalytischen Brenner erzeugten Ablaufstroms zum Befeuchten und gleichzeitigen thermischen Zubereiten eines Lebensmittels.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtung zum thermischen Zubereiten von Lebensmitteln. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum thermischen Zubereiten von Lebensmitteln unter Verwendung der Vorrichtung. Schließlich betrifft die Erfindung die Verwendung eines in einem katalytischen Brenner erzeugten Ablaufstroms zum Befeuchten und gleichzeitigen thermischen Zubereiten eines Lebensmittels.
Hintergrund der Erfindung
Bei der thermischen Zubereitung von Lebensmitteln wird einem System, in dem die Lebensmittel zur Zubereitung bereitgestellt sind, Wärme zugeführt. Herkömmlicherweise wird die Wärme aus elektrischer Energie oder Verbrennungsenergie, die durch die Umsetzung von zumeist fossilen Energieträgern wie Erdgas gewonnen werden, erzeugt.
Dem zur Zubereitung verwendeten System wird die erzeugte Wärme produktspezifisch auf bestimmte Systemkomponenten und/oder auf ein Heizmedium wie Wasser oder Luft übertragen. Die entsprechende Systemkomponente bzw. das entsprechende Heizmedium hat prozessabhängig direkten oder indirekten Kontakt mit dem Lebensmittel. Hierdurch wird das Lebensmittel aufgrund der zugeführten Energie komplett oder partiell erwärmt.
Wasserstoff kann unter anderem aus fossilen Energieträgern durch Erdgasreformierung, die partielle Oxidation von Schweröl sowie über die Vergasung von Kohle erzeugt werden oder fällt als Nebenprodukt der Chlorherstellung an. Ebenso kann Wasserstoff durch die Wasserelektrolyse (als sogenannter „grüner Wasserstoff“) erzeugt werden
Die direkte energetische Nutzung des Wasserstoffes erfolgt durch Verbrennung zur Wärmebereitstellung sowie die Umwandlung der chemischen Reaktionsenergie in elektrische Energie unter Verwendung von Brennstoffzellen. Bei der Umsetzung von chemischer Reaktionsenergie in Wärmeenergie reagiert Wasserstoff mit Luftsauerstoff in einer exothermen Reaktion miteinander. Der Wasserstoff und der Sauerstoff reagieren hierbei unter Bildung von Wasser in Form von Heißdampf, wobei Wärmeenergie freigesetzt wird. Wird die Reaktion mit Luftsauerstoff durchgeführt bildet sich abhängig vom Verbrennungsluftverhältnis und der Brennraumtemperatur durch die Reaktion mit Luftstickstoff eine gewisse Menge an Stickoxiden.
In der DE 697 11107 T2 wird der Einsatz eines katalytischen Brenners in einem Ofen zum Verarbeiten eines Lebensmittelprodukts beschrieben. Durch den katalytischen Brenner wird hierbei aus einem Luft-Brennstoff-Gemisch Wärme gewonnen. Der erzeugte Abgasstrom enthält allerdings klimaschädliches CO₂ und nicht unwesentliche Mengen von nicht umgesetztem Brennstoff, die in die Umgebung freigesetzt werden.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum thermischen Zubereiten von Lebensmitteln bereitzustellen, die Nachteile des Stands der Technik überwinden. Insbesondere ist es die Aufgabe eine umweltfreundliche thermische Zubereitung von Lebensmitteln durch Energie, die aus Wasserstoff gewonnen wird, zu ermöglichen. Hierbei soll insbesondere die Bildung von CO₂ und Stickoxiden sowie fossile Brennstoffreste in dem Abgasstrom, der bei der Wärmeerzeugung aus Erdgas oder anderen fossilen Brennstoffen entsteht, vermieden werden, um so den Abgasstrom selbst zur Behandlung der Lebensmittel verwenden zu können.
Überblick über die Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum thermischen Zubereiten von Lebensmitteln, umfassend

- eine Brennkammer;
- einen katalytischen Brenner, der in der Brennkammer angeordnet ist und der ausgebildet ist, um Wasserstoff und Sauerstoff unter Bildung von Wasser und Wärme umzusetzen;
- einen Behandlungsraum, der ausgebildet ist, um Lebensmittel in dem Behandlungsraum thermisch Zuzubereiten; und
- einen Verbindungsteil, der die Brennkammer und den Behandlungsraum verbindet und der ausgebildet ist, um einen Ablaufstrom, der das Wasser und die Wärme umfasst, von der Brennkammer zu dem Behandlungsraum zu transportieren.

Der katalytischen Brenner, der geeignet ist, um Wasserstoff und Sauerstoff (insbesondere Luftsauerstoff) unter Bildung von Wasser und Wärme zu reagieren, kann in der erfindungsgemäßen Anordnung überraschenderweise in vorteilhafter Weise für die das thermische Zubereiten von Lebensmitteln verwendet werden. Insbesondere kann der gesamte Abluftstrom, der bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff entsteht und der Wasser, etwa in Form von Wasserdampf und/oder Wassergas, und Wärme umfasst, zum thermischen Zubereiten von Lebensmitteln verwendet werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt eine umweltfreundliche Zubereitung der Lebensmittel, da keine umwelt- oder klimaschädlichen Schadstoffe, etwa CO₂, Stickoxide oder fossile Brennstoffreste, entstehen. Auch kann die bei der katalytischen Verbrennung freigesetzte Wärmeenergie sehr effektiv genutzt werden.
Der katalytische Brenner ist geeignet, eine flammenlose, thermische Verbrennung von Wasserstoff/ Luft-Gasgemischen in einem weiten Wasserstoffkonzentrationsbereich (auch außerhalb der Zündgrenzen) zu katalysieren. Entsprechende katalytische Brenner sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt.
Die Brennkammer kann aus einem beliebigen Material gefertigt sein, dass unter den Bedingungen, unter denen der katalytische Brenner erfindungsgemäß betrieben wird, inert und (thermisch) stabil ist. Es kann etwa vorgesehen sein, dass die Brennkammer im Wesentlichen aus Edelstahl, etwa dem Material 1.4571, gefertigt ist. Als Brennkammer kann etwa ein Flansch-Formstück (FF-Stück) verwendet werden, vorzugsweise zusammen mit einem Flanschadapter.
Geeignete Katalysatoren, die in dem katalytischen Brenner verwendet werden können, um eine flammenlose, thermische Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff unter Bildung von Wasser und Wärme zu katalysieren, sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt. Als Katalysator kann etwa ein Metalloxid-Platin-Katalysator verwendet werden, wobei vorgesehen sein kann, dass das Platin auf einem Metalloxidträger abgeschieden ist. Der Metalloxid-Platin-Katalysator kann insbesondere nanostrukturiert sein. Der Metalloxid-Platin-Katalysator kann insbesondere auf einem Träger, etwa einem Gitter wie einem Titanträgergitter angeordnet sein. Hierdurch ist es möglich, den Katalysator in einer im Wesentlichen rohrförmigen Brennkammer so anzuordnen, dass der Katalysator mit einem Gasstrom, der die im Wesentlichen rohrförmigen Brennkammer durchströmt, in Kontakt gebracht wird. Hierdurch kann eine effiziente und kontinuierliche Verfahrensführung erreicht werden.
Der Wasserstoff und der Sauerstoff können der Brennkammer getrennt oder als Gemisch zugeführt werden, vorzugsweise getrennt zugeführt werden. Der Wasserstoff und der Sauerstoff können der Brennkammer in reiner Form oder in Form eines Gasgemischs zugeführt werden, das Wasserstoff und/oder der Sauerstoff sowie ein oder mehrere weitere Gase, vorzugsweise ein oder mehrere weitere inerte Gase, wie etwa Stickstoff oder Edelgas, umfasst. Es kann vorgesehen sein, dass der Sauerstoff der Brennkammer in der Form von Luft zugeführt wird.
Es kann vorgesehen sein, dass die Brennkammer einen ersten Einlass und einen zweiten Einlass aufweist. Hierdurch ist es auf einfache Weise möglich, durch etwa den ersten Einlass Wasserstoff und durch etwa den zweiten Einlass Sauerstoff der Brennkammer getrennt zuzuführen, um ein brennfähiges Gemisch erst in der Brennkammer entstehen zu lassen. Hierdurch kann ein sicherer Betrieb erreicht werden.
In der Ausführungsform, in der die Brennkammer einen ersten Einlass und einen zweiten Einlass aufweist, kann vorgesehen sein, dass die Brennkammer ferner eine Mischkammer umfasst, die zwischen dem ersten Einlass und dem zweiten Einlass einerseits und dem katalytischen Brenner andererseits angeordnet ist. Die Mischkammer ist ausgebildet, um Wasserstoff, der durch beispielsweise den ersten Einlass zugeführt wird, und Sauerstoff, der durch beispielsweise den zweiten Einlass zugeführt wird, zu einem Gemisch zu vermischen, bevor dieses Gemisch dann dem katalytischen Brenner zugeführt wird.
Es kann vorgesehen sein, dass der Wasserstoff in der Brennkammer in einer Konzentration von ≤4,0 Vol. % bezogen auf das Volumen des gesamten Gases, das in der Brennkammer enthalten ist, verwendet wird. Hierdurch kann die Sicherheit des Gesamtsystems gewährleistet werden.
Alternativ könne auch höherer Wasserstoffkonzentrationen vorgesehen sein, etwa um schneller mehr Wärme erzeugen zu können oder um den Wassergehalt in dem Ablaufstrom auf eine gewünschte Menge einzustellen.
Der Abluftstrom, der bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff entsteht, umfasst (im Wesentlichen, wobei „im Wesentlichen“ bedeuten kann „bis auf Spuren übriger Substanzen, die durch gängige technische Mittel nicht entfernt oder unterbunden werden können“) nur Wasser, etwa in Form von Wasserdampf und/oder Wassergas, und Wärme, und, sofern der Sauerstoff der Brennkammer in der Form von Luft zugeführt wird, nicht reagierte Luft. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Gas, das den Ablaufstrom zur thermischen Behandlung von Lebensmitteln bildet, ein „heiße Luft-Wasser(dampf)-Gemisch“ ist. Der Ablaufstrom umfasst Wasser(dampf) im Wesentlichen in Mengen, die sich aus der stöchiometrischen Umsetzung des Wasserstoffes mit dem Sauerstoff in der Brennkammer ergeben.
Es kann vorgesehen sein, dass der katalytische Brenner bei einer Temperatur in einem Bereich von 20°C bis 400°C, insbesondere 50°C bis 350°C, insbesondere 100°C bis 300°C, insbesondere 150°C bis 300°C, insbesondere 200°C bis 250°C betrieben wird. In diesem Temperaturbereich entstehen keine (oder nur vernachlässigbare Spuren) weiteren Produktgase, etwa Stickoxide (NO_x). Die Betriebstemperatur wird im Wesentlichen durch den Betrieb des katalytischen Brenners (d.h. die katalysierte exotherme Reaktion) selbst erreicht. Es kann vorgesehen sein, dass in räumlicher Nähe zu dem katalytischen Brenner ein Heizelement angeordnet ist. Das Heizelement ist vor allem so ausgebildet, dass mit dem Heizelement die Oberfläche des in dem katalytischen Brenner enthaltenen Katalysators erhitzt werden kann, um Feuchtebelege vor dem Betrieb zu entfernen und einen sicheren Start des Prozesses zu gewährleisten.
Der Behandlungsraum ist hinsichtlich seiner Größe und Beschaffenheit nicht beschränkt, solange der Behandlungsraum unter den Bedingungen des thermischen Behandelns der Lebensmittel stabil, insbesondere wärmestabil ist und das Bereitstellen und das anschließende Entnehmen von Lebensmitteln erlaubt.
Es kann vorgesehen sein, dass die Innenwände des Behandlungsraums aus Edelstahl gefertigt sind. Hierdurch kann ein langlebiger und kostengünstiger Behandlungsraum erhalten werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die der Behandlungsraum eine Vorderseite, die eine verschließbare Öffnung aufweist, die zum Einbringen und Entnehmen von Lebensmitteln in/aus dem Behandlungsraum geeignet ist, eine Rückseite, die der Vorderseite entgegengesetzt ist, zumindest zwei Seitenwände, die die Vorderseite und die Rückseite verbinden, eine Oberseite sowie eine Unterseite, in einer Anordnung umfasst, dass der Behandlungsraum, bei verschlossener Öffnung der Vorderseite, geschlossen ist.
Es kann vorgesehen sein, dass der Behandlungsraum, vorzugsweise an den Seitenwänden des Behandlungsraums angeordnet, Schienenelemente umfasst, die vorzugsweise in Höhenrichtung des Behandlungsraums justierbar sind. Hierdurch kann eine Anordnung der Lebensmittel in der Behandlungskammer in Abhängigkeit von der Art der Lebensmittel in der Behandlungskammer, etwa auf Blechen durch Einschieben mittels der entsprechenden Schienenelemente erreicht werden, um die Lebensmittel in Abhängigkeit von der Art der Lebensmittel optimal thermisch zu behandeln.
Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung ferner Mittel zum Umwälzen umfasst, die ausgebildet sind, um den Transport des Ablaufstroms durch den Verbindungsteil in den Behandlungsraum zu fördern und/oder eine homogene Verteilung der Wärme in dem Behandlungsraum zu erreichen. Vorzugsweise umfassen die Mittel zum Umwälzen einen Lüfter, etwa einen drehzahl- bzw. frequenzgesteuerten Lüfter, der vorzugsweise an der Rückseite des Behandlungsraums angeordnet ist. Durch Steuerung der Drehzahl des Lüfters kann der Ablaufstrom und die Wärmeverteilung in dem Behandlungsraum abhängig von der Art des zu behandelnden Lebensmittels gesteuert werden.
Der Verbindungsteil wirkt unter anderem als direkter Wärmetauscher, d. h. dient zur direkten Wärmeübertragung der Wärmeenergie, die in der Brennkammer freigesetzt wird, durch Einbringen der erwärmten Bestandteile des Ablaufstroms in die Behandlungskammer.
Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung ferner einen indirekten Wärmetauscher umfasst, der ausgebildet ist, um Wärme von der Brennkammer auf den Behandlungsraum zu übertragen. Hierbei kann vorgesehen sein, dass der indirekte Wärmetauscher ein Luft-Luft-Wärmetauscher ist. In diesem Fall wird der Ablaufstrom durch den Luft-Luft-Wärmetauscher geleitet und erwärmt dort zugeführte Frischluft. Die erwärmte Frischluft kann durch Umluft, etwa unter Verwendung eines Lüfters, über die Wände des Behandlungsraums dem Lebensmittel zugeführt werde. Hierdurch wird die Behandlungskammer erwärmt und die Wärmeenergie wird durch Konvektion auf die Lebensmittel übertragen.
Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung ferner Mittel zur Wassermengenregulierung umfasst, die ausgebildet sind, um die Menge des Wassers in dem Ablaufstrom vor dem Behandlungsraum zu ändern.
Die Mittel zur Wassermengenregulierung könne Mittel zum Regulieren der Wasserstoffkonzentration in der Brennkammer umfassen. Hierdurch kann die erzeugte Wassermenge und dadurch Feuchte im heißen Luft-Wasser-Gemisch des Ablaufstroms reguliert werden.
Es kann vorgesehen sein, dass, als Mittel zur Wassermengenregulierung eine Vorrichtung, die Ausgebildet ist, um Wasser zu enthalten und durch Energieeintrag zu verdampfen, beispielsweise eine Verdampferschale, vorzugsweise aus Edelstahl, verwendet wird, die in dem Behandlungsraum, vorzugsweise an der Oberseite des Behandlungsraumes, angeordnet ist, in der weiteres Wasser, d.h. Wasser, das nicht mittels des katalytischen Brenners erzeugt wird, bereitgestellt werden kann. Hierdurch kann auf einfache Weise eine Regulierung der Feuchtigkeit, d.h. der Menge an Wasser in der Gasphase des Behandlungsraums, erreicht werden, insbesondere in dem Fall, dass eine Feuchtigkeit gewünscht wird, die durch den Ablaufstrom alleine nicht erreicht werden kann.
Ebenso kann eine zusätzliche Erhitzungseinheit vorgesehen sein, mittels der das heiße Luft-Wasser-Gemisch des Ablaufstroms zusätzlich befeuchtet werden kann.
Darüber hinaus können Mittel vorgesehen sein, die geeignet sind, dem Ablaufstrom weitere Frischluft zuzuführen und hierdurch das heiße Luft-Wasser-Gemisch des Ablaufstroms abzukühlen, um so eine Kondensation des Wassers im Gasgemisch zu erreichen.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum thermischen Zubereiten von Lebensmitteln unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

- Bereitstellen eines Lebensmittels in dem Behandlungsraum;
- Bereitstellen von Wasserstoff und Sauerstoff, insbesondere Luftsauerstoff, in der Brennkammer;
- Reagieren von Wasserstoff und Sauerstoff in der Brennkammer mittels des katalytischen Brenners und hierdurch Erzeugen eines Ablaufstroms, der Wasser und Wärme umfasst;
- Transportieren des Ablaufstroms von der Brennkammer durch den Verbindungsteil in den Behandlungsraum;
- Inkontaktbringen des Ablaufstroms und der Lebensmittel in dem Behandlungsraum und hierdurch Befeuchten und thermisches Zubereiten der Lebensmittel.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt ein einfaches thermisches Zubereiten von Lebensmitteln unter idealen Bedingungen, insbesondere unter einer Luftfeuchtigkeit, die abhängig von der Art der Lebensmittel passgenau eingestellt werden kann, in umwelt- und klimaschonender Weise.
Soweit nicht ausdrücklich anders angegeben ist „ein“ als „zumindest ein“ zu verstehen. Das Bereitstellen „eines Lebensmittels“ schließt also etwa ausdrücklich das Bereitstellen mehrerer Lebensmittel mit ein.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist hinsichtlich der Art des Lebensmittels grundsätzlich nicht limitiert. Erfindungsgemäß kann das Lebensmittel etwa ein Brot, ein Brötchen, Feingebäck, Gemüse, Fleisch oder Fisch sein.
Es kann vorgesehen sein, das thermische Zubereiten Garen, Backen, Dämpfen, Trocknen, Schmoren und Frittieren ist, vorzugsweise Garen, Backen oder Dämpfen. Bevorzugte Produkte zum Backen sind u.a. Brötchen, Brote und Feingebäck. Bevorzugte Produkte zum Garen und Dämpfen sind u.a. das Zubereiten von Gemüse und Fischprodukten sowie das Schmoren von Fleisch.
Es kann vorgesehen sein, dass der Ablaufstrom eine Temperatur von 20 bis 400°C, insbesondere 50°C bis 350°C, insbesondere 100°C bis 300°C, insbesondere 150°C bis 300°C, insbesondere 200°C bis 250°C, hat.
Es kann vorgesehen sein, dass die Temperatur des Ablaufstroms von der Brennkammer zum Behandlungsraum hin abnimmt, insbesondere auf dem Weg zum Behandlungsraum hin, abhängig von der Art des Lebensmittels, reguliert wird. Es kann etwa vorgesehen sein, dass die Temperatur des Ablaufstroms in der Brennkammer oder in unmittelbarer Nähe dazu etwa 400°C ist und die Temperatur des Ablaufstroms in dem Behandlungsraum oder in unmittelbarer Nähe dazu etwa 200°C bis etwa 250°C ist. Durch die Regulierung der Temperatur zum Behandlungsraum hin, kann ein optimales Zubereitungsergebnis, etwa beim Backen von Brot in einem Temperaturbereich von 200°C bis 250°C erreicht werden.
Zur Regulierung der Temperatur des Ablaufstroms von der Brennkammer zum Behandlungsraum hin können weitere Mittel umfasst sein, insbesondere der hierin beschriebene indirekte Wärmetauscher oder Mittel zum Regulieren der Menge des Sauerstoffs und/oder des Wasserstoffs in der Brennkammer.
Es kann vorgesehen sein, dass das Reagieren von Wasserstoff und Sauerstoff in der Brennkammer in Abwesenheit von kohlenstoffhaltigem Brennstoff erfolgt.
Schließlich wird die Aufgabe gelöst durch Verwendung eines in einem katalytischen Brenner erzeugten Ablaufstroms zum Befeuchten und gleichzeitigen thermischen Zubereiten eines Lebensmittels. In diesem Zusammenhang zu nennende Ausführungsformen werden oben im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Im Folgenden soll die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und/oder auf besonders bevorzugte Ausführungsformen und Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese besonders bevorzugten Ausführungsformen und Ausführungsbeispiele beschränkt, wobei einzelne Merkmale der besonders bevorzugten Ausführungsformen und Ausführungsbeispiele zusammen mit anderen Merkmalen oder Merkmalen der vorangehenden allgemeinen Offenbarung der Erfindung der Verwirklichung der Erfindung dienen können.
1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum thermischen Zubereiten von Lebensmitteln.
In der 1 wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum thermischen Zubereiten von Lebensmitteln gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gezeigt, die eine Brennkammer 2, einen Verbindungsteil 3 und einen Behandlungsraum 4 umfasst. In der Brennkammer 2 ist ein katalytischer Brenner 5 angeordnet, der ausgebildet ist, um Wasserstoff und Sauerstoff unter Bildung von Wasser und Wärme zu reagieren.
Durch das Bilden von Wasser und Wärme mittels des katalytischen Brenners 5 wird ein Ablaufstrom erzeugt. Der Ablaufstrom wird bei Betrieb der Vorrichtung 1 im erfindungsgemäßen Verfahren durch den Verbindungsteil 3 von der Brennkammer 2 zu dem Behandlungsraum 4 transportiert. Hierdurch werden insbesondere Wasser und Wärme, die in Brennkammer 2 erzeugt werden, von der Brennkammer 2 zum Behandlungsraum 4 transportiert. Hier kann das Wasser dazu genutzt werden, um ein in dem Behandlungsraum 4 angeordnetes Lebensmittel zu befeuchten. Die Wärme dient dazu, das Lebensmittel in dem Behandlungsraum thermisch zuzubereiten, etwa zu Backen, zu Garen, zu Dämpfen etc.
Die in der 1 gezeigte Brennkammer 2 hat einen ersten Einlass 6 und einen zweiten Einlass 7. Über den ersten Einlass 6 kann ein erster Gasstrom, der beispielsweise Wasserstoff umfasst oder aus Wasserstoff besteht, in die Brennkammer 2 eingeführt und dem katalytischen Brenner 5 zugeführt werden. Über den zweiten Einlass 7 kann ein zweiter Gasstrom, der beispielsweise Sauerstoff umfasst, etwa ein Luftstrom, oder aus Wasserstoff besteht, in die Brennkammer 2 eingeführt und dem katalytischen Brenner 5 zugeführt werden.
Die in der 1 gezeigte Vorrichtung 1 weist ferner einen indirekten Wärmetauscher 8 auf, der ausgebildet ist, um Wärme von der Brennkammer 2 auf den Behandlungsraum 8 zu übertragen.
Beispiele
Vergleichsbeispiel
Zur Herstellung von Backwaren werden diese herkömmlich in einem Ofensystem mit ruhender oder bewegter Atmosphäre bei Temperaturen zwischen 180°C-280 °C oder darunter, je nach Produktkategorie gebacken. Die erzeugte Wärmenergie wird dabei mittels Konduktion bzw. Konvektion sowie Strahlung durch eine elektrische betriebene Wärmequelle bzw. durch die Verbrennung von einem Brenngas wie z.B. Erdgas über ein Wärmetauschersystem auf die Backware übertragen. Für die Ausbildung von typischen Gebäckeigenschaften werden die Backwaren zumeist am Anfang eines Backprozesses mit Feuchtigkeit dem sogenannten „Schwaden“ beaufschlagt wobei im Laufe des Backprozesses produktspezifisch die Feuchtigkeit im Backofen reguliert wird. Sobald die gewünschte Kerntemperatur erreicht und die innere Struktur der Backwaren stabilisiert ist, sowie die äußeren Merkmale hinsichtlich Bräunungsgrad und Krusteneigenschaften erreicht wurden, ist der Backprozess beendet und die Produkte werden zum Abkühlen und ggf. zu einer anschließenden Verarbeitung aus dem Ofen entnommen.
Ausführungsbeispiel
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels zum thermischen behandeln von Backwaren, hier am Beispiel von Weizenbroten, beschrieben. Das Ausführungsbeispiel dient lediglich der Veranschaulichung der Erfindung, ohne dass dieses notwendigerweise eine einschränkende Wirkung auf den Erfindungsgegenstand der Vorrichtung zum thermischen Zubereiten und zum Befeuchten in Form von Garen, Backen, Dämpfen und Frittieren, vorzugsweise Garen, Backen oder Dämpfen hat.
In einer erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum thermischen Zubereiten von Lebensmitteln mit einer Brennkammer (2) mit einem katalytischen Brenner (5), einen Behandlungsraum (4) und einen Verbindungsteil (3) wurden Weizenbrote zubereitet. Hierzu wurden über einen ersten Einlass (6) und einen zweiten (7) Einlass Luft mit einem maximalen Volumenstrom von 170 m³/h und Wasserstoff mit einer maximalen Wasserstoffkonzentration von unter 4 Vol.-% und einem maximalen Volumenstrom von 7,08 m³/h in die Brennkammer (2) geleitet, welche ferner eine Mischkammer umfasste.
Innerhalb der Brennkammer war ein katalytischer Brenner (5) in Bauform eines FF-Stücks mit Flanschadapter aus dem Material 1.4571 mit einen Titanträgergitter mit nanostrukturierter Metalloxid-Platin-Beschichtung als Katalysator und einem Zylinderheizband als Zusatzheizung angeordnet, welcher das zugeführte Brenngas bestehend aus Luft und Wasserstoff, ohne Zugabe von kohlenstoffhaltigem Brennstoff, katalytisch mit einer maximalen thermischen Leistung von ca. 17 kW mit einer maximalen Temperatur des Ablaufstromes von 400 °C sowie 5,7 Ltr/ h Wasser umsetzte.
Die bereitgestellte Wärme und Feuchte stand dem Prozess unmittelbar nach der Wasserstoffumsetzung zur Verfügung. Der Behandlungsraum wurde parallel und unter Zuhilfenahme des entstandenen Ablaufstroms auf die erforderliche Gartemperatur aufgeheizt. Die Backware, hier Weizenbrot, wurde auf einem Blech zum Start der Garzeit in dem Behandlungsraum platziertDie Anpassung der Prozessparameter, insbesondere Wasserstoffkonzentration, Luftmenge und dem Strömungsverhalten des Ablaufstromes innerhalb des Behandlungsraumes, wurde an die Zieltemperatur anzgepasst. Beispielweise kann eine thermische Leistung von etwa 15 kW durch eine entsprechende Steuerungstechnik durch Zuführen von 6 m³/h Wasserstoff und 144 m³/h Luft in die Brennkammer erreicht werden.
Der Ablaufstrom bestehend aus Wärme und Wasser wurde durch den Verbindungsteil (3) in den Behandlungsraum geleitet. Die Wärmeübertragung an das zu garende Lebensmittel erfolgte hierbei über zwei miteinander kombinierbare Zuführungsvarianten zum Behandlungsraum.
Die indirekte Wärmeübertragung erfolgte durch einen Luft-Luft Wärmetauscher (8), welcher die Heißluft vom Katalysator auf die Umluft des Ofens bis zu einer maximalen Temperatur von 280 °C auf das Lebensmittel übertrug. Die heiße Luft zirkulierte hierbei durch den Behandlungsraum und wurde durch einen Umluftventilator gleichmäßig in diesem umgewälzt und verteilt.
Über die zweite Abzweigung des Verbindungsteils (3) wurde das thermisch zu behandelnde Lebensmittel direkt mit dem erzeugten Heißdampf aus der Wasserstoffumsetzung in Kontakt gebracht. Durch den direkten Kontakt des Ablaufstromes mit dem Lebensmittel wurde dieses zusätzlich befeuchtet. Die maximale Feuchtebeladung des Ablaufstromes betrug 5,7 Ltr/h.
Die zusätzliche Befeuchtung durch die direkte Einspeisung des Ablaufstromes in den Behandlungsraum reduzierte den energetischen Aufwand, welcher bei einem herkömmlichen Backprozess durch die „Beschwadung“ erforderlich wird, signifikant. Durch die Bereitstellung von 5,7 Ltr/h Wasser durch den Ablaufstrom wurden circa 4 kWh eingespart, die sonst nötig gewesen wären, um Wasser durch herkömmliche Verdampfer in den gasförmigen Zustand zu überführen.
Zusätzlich wurde in die Vorrichtung ein System zur Wassermengenregulierung integriert, welche die Menge des Wassers im Ablaufstrom vor dem Behandlungsraum durch die Einspeisung von gesättigten Dampf variiert. Am Ende des Backprozesses werden die Produkte zum Abkühlen aus dem Behandlungsraum entnommen.
Die in der vorstehenden Beschreibung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 69711107 T2 [0006]

Claims

Vorrichtung (1) zum thermischen Zubereiten von Lebensmitteln, umfassend - eine Brennkammer (2); - einen katalytischen Brenner (5), der in der Brennkammer angeordnet ist und der ausgebildet ist, um Wasserstoff und Sauerstoff unter Bildung von Wasser und Wärme umzusetzen; - einen Behandlungsraum (4), der ausgebildet ist, um Lebensmittel in dem Behandlungsraum (4) thermisch Zuzubereiten; und - einen Verbindungsteil (3), der die Brennkammer (2) und den Behandlungsraum (4) verbindet und der ausgebildet ist, um einen Ablaufstrom, der das Wasser und die Wärme umfasst, von der Brennkammer (2) zu dem Behandlungsraum (4) zu transportieren.
Vorrichtung (1) zum thermischen Zubereiten von Lebensmitteln nach Anspruch 1, wobei die Brennkammer (2) einen ersten Einlass (6) und einen zweiten Einlass (7) aufweist.
Vorrichtung (1) zum thermischen Zubereiten von Lebensmitteln nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorrichtung (1) ferner Mittel zum Umwälzen umfasst, die ausgebildet sind, den Transport des Ablaufstroms durch den Verbindungsteil (3) in den Behandlungsraum (4) zu fördern und/oder eine homogene Verteilung der Wärme in dem Behandlungsraum (4) zu erreichen.
Vorrichtung (1) zum thermischen Zubereiten von Lebensmitteln nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung ferner einen indirekten Wärmetauscher (8) umfasst, der ausgebildet ist, um Wärme von der Brennkammer (2) auf den Behandlungsraum (4) zu übertragen.
Vorrichtung (1) zum thermischen Zubereiten von Lebensmitteln nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (1) ferner Mittel zur Wassermengenregulierung umfasst, die ausgebildet sind, um die Menge des Wassers in dem Ablaufstrom vor dem Behandlungsraum (4) zu ändern.
Verfahren zum thermischen Zubereiten von Lebensmitteln unter Verwendung der Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: - Bereitstellen eines Lebensmittels in dem Behandlungsraum (4); - Bereitstellen von Wasserstoff und Sauerstoff in der Brennkammer (2); -Reagieren von Wasserstoff und Sauerstoff in der Brennkammer (2) mittels des katalytischen Brenners (5) und hierdurch Erzeugen eines Ablaufstroms, der Wasser und Wärme umfasst; - Transportieren des Ablaufstroms von der Brennkammer (2) durch den Verbindungsteil (3) in den Behandlungsraum (4); - Inkontaktbringen des Ablaufstroms und der Lebensmittel in dem Behandlungsraum (4) und hierdurch Befeuchten und thermisches Zubereiten der Lebensmittel.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das thermische Zubereiten Garen, Backen, Dämpfen und Frittieren ist, vorzugsweise Garen, Backen oder Dämpfen.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, von Ablaufstrom eine Temperatur von 20°C bis 400°C hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei Reagieren von Wasserstoff und Sauerstoff in der Brennkammer in Abwesenheit von kohlenstoffhaltigem Brennstoff erfolgt.
Verwendung eines in einem katalytischen Brenner (5) erzeugten Ablaufstroms zum Befeuchten und gleichzeitigen thermischen Zubereiten eines Lebensmittels.