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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zur Überwachung
und/oder Regelung eines Durchlaufpasteurs zur Pasteurisierung eines
Mediums, das einen z-Wert (z) und eine spezifische Temperaturkonstante
(T0) aufweist, mit mindestens einem Durchlauferhitzer,
in dem das Medium pasteurisiert wird. Weiterhin bezieht sich die
Erfindung auf eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Von der Anmelderin werden Registriergeräte, z.B.
der Memograph S produziert und vertrieben. Diese dienen z.B. dazu,
den Temperaturverlauf während
der Pasteurisierung eines Mediums, z.B. Milch oder Bier, zu registrieren
und ggf. zu protokollieren.
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Das Erhitzen z.B. einer Flüssigkeit
beim sog. Pasteurisieren hat abtötende
Wirkung auf Mikroorganismen in der Flüssigkeit. Dadurch ergibt sich
eine größere Haltbarkeit
für die
Flüssigkeit.
Beschrieben wird dies mit den sog. Pasteureinheiten (PE), die den Abtötungsgrad
angeben. Z.B. aus den Schriften
DE 100
18 741 und
GB 2 182
542 lässt
sich folgende Formel ableiten: F = t·10^((Th – T
0)/z).
Dabei gibt F die PE an, die sich durch das Erhitzen über die
Einwirkzeit t in der Heißhaltetemperatur
Th ergeben. Eine Pasteureinheit (1 PE) ist dabei z.B. für Bier definiert als
der Abtötungsgrad,
der erreicht wird, wenn das Medium für eine Minute auf 60°C erhitzt
wird. Geschieht die Pasteurisation über einen Durchlauferhitzer,
so ergibt sich die Heißhaltezeit
aus dem Volumen des Durchlauferhitzers (V1) und dem Durchfluss (FT1)
durch den Durchlauferhitzer: t = V1/FT1. Bei der Berechnung der
PE gibt es vom Medium her zwei spezifische Konstanten: Zum einen
die Temperaturkonstante (T
0), die angibt,
ab welcher Temperatur die abtötende
Wirkung einsetzt, bei Bier ist dies z.B. 60°C. Zum anderen ist dies der
sog. z-Wert (z).
Dieser Wert beschreibt, um wie viel °C die Heißhaltetemperatur (Th) erhöht oder
erniedrigt werden muss, um die PE zu verzehnfachen oder zu zehnteln.
Bei der Pasteurisierung muss jedoch auch darauf geachtet werden,
dass das Medium nicht überpasteurisiert wird,
um die Qualität
des Mediums nicht negativ zu beeinflussen.
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Die Aufgabe bezüglich des Verfahrens wird dadurch
gelöst,
dass an mindestens n Stellen (S) die Temperatur (T) des Mediums
gemessen wird, wobei n größer gleich
zwei ist, wobei an der i-ten Stelle (Si) die
Temperatur (Ti) des Mediums gemessen wird, wobei
i kleiner oder gleich n – 1
und größer oder gleich
eins ist, und wobei sich im Durchlauferhitzer zwischen der i-ten
(Si) und der (i + 1)-ten Stelle (Si+1) ein Volumen (Vi–i+1)
befindet, dass der Durchfluss (FT1) des Mediums durch den Durchlauferhitzer
gemessen wird, dass die abschnittsweisen Pasteureinheiten (F0,i) des Mediums für den Durchlauf des Durchlauferhitzers
zwischen der i-ten (Si) und der (i – 1)-ten
Stelle (Si+1) über folgende Formel berechnet werden:
F0,i = Vi–i+1/FT1·10^(((Ti + Ti+1)/2 – T0)/z), und dass die gesamten Pasteureinheiten
(F0) des Mediums berechnet werden, indem über alle
abschnittsweisen Pasteureinheiten (F0,i)
des Mediums summiert wird. Die Idee besteht also darin, dass die
Temperatur des Durchlauferhitzers an mehreren Stellen gemessen wird.
Aus dem Mittelwert der Temperaturen an zwei benachbarten Stellen
und dem Volumen des Durchlauferhitzers zwischen diesen Stellen lassen
sich dann die Pasteureinheiten berechnen, die sich auf diesem Abschnitt
des Durchlauferhitzers für das
Medium ergeben haben.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht
vor, dass das Medium nach einem Durchlauf des Durchlauferhitzers
auf Umlauf geschaltet wird, indem eine Umlaufleitung zwei Abschnitte
des Durchlauferhitzers miteinander verbindet, indem das Medium die Umlaufleitung
entgegen der Richtung des Durchlaufs durch den Durchlauferhitzer
durchläuft,
und indem das Medium den Durchlauferhitzer oder einen Teil des Durchlauferhitzers
nach dem Austritt aus der Umlaufleitung erneut durchläuft. Dieser
Umlauf kann z.B. nützlich
sein, wenn die Pasteureinheiten einen bestimmten Wert noch nicht
erreicht haben, d.h. wenn die Flüssigkeit
noch nicht ausreichend pasteurisiert ist. Eine andere Möglichkeit
ist, dass z.B. das Abfüllen
der Flüssigkeit
nicht möglich
ist. Durch den Umlauf kann dann ein Auffangbehälter vermieden werden. Dieser
erneute Durchlauf durch den Durchlauferhitzer erhöht dann
jedoch auch das Risiko einer Überpasteurisierung.
Dabei wird die Umlaufleitung üblicherweise
nicht erhitzt, so dass sich bei dem Rücklauf keine PE ergeben.
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Dafür sieht folgende vorteilhafte
Ausgestaltung vor, dass im Fall, dass das Medium auf Umlauf geschaltet
ist, und dass das Medium einen Bereich des Durchlauferhitzers erneut
durchläuft,
in dem an k Stellen (S) die Temperatur (T) des Mediums gemessen
wird, wobei k kleiner oder gleich n und größer oder gleich 2 ist, der
Durchfluss (FT2) des Mediums durch die Umlaufleitung gemessen wird,
die abschnittsweisen Pasteureinheiten (F0,j,umlauf)
des Mediums für
den Bereich des Durchlauferhitzers, den das Medium erneut durchläuft, zwischen
der j-ten (Sj) und der (j – 1)-ten
Stelle (Sj+1), an denen die j-te (Tj)
und (j + 1)-te Temperatur (Tj+1) gemessen
wird, und zwischen denen sich im Durchlauferhitzer ein Volumen (Vj–j+1)
befindet, über
folgende Formel berechnet werden: F0,j,umlauf =
(FT1 + FT2)/FT1·Vj–j+1·10^(((Tj + Tj+1)/2-T0)/z),
wobei j kleiner oder gleich k – 1
und größer oder
gleich 1 ist, die abschnittsweisen Pasteureinheiten (F0,i)
des Mediums für
den Bereich des Durchlauferhitzers, den das Medium nur einmal durchläuft, zwischen
der i-ten (Si) und der (i – 1)-ten Stelle
(Si+1), an denen die i-te (Ti)
und (i + 1)-te Temperatur (Ti+1) gemessen
wird, und zwischen denen sich im Durchlauferhitzer ein Volumen (Vi–i+1)
befindet, über
folgende Formel berechnet werden: F0,i = (FT1
+ FT2)/FT1·Vi–i+1/FT1·10^((Ti +Ti+1)/2-T0)/z), und die gesamten Pasteureinheiten
(F0) des Mediums berechnet werden, indem über alle
abschnittsweisen Pasteureinheiten (F0,i,
F0,j,umlauf) des Mediums summiert wird.
Die Idee besteht also darin, dass die Formel für die Pasteureinheiten für die Abschnitte,
die das Medium erneut durchläuft,
modifiziert werden und dass dann über alle abschnittsweisen Pasteureinheiten
summiert wird. Im Fall, dass der gesamte Durchlauferhitzer durch
die Umlaufleitung verbunden ist, sind natürlich alle abschnittsweisen
Pasteureinheiten dementsprechend zu berechnen. Die Schritte, um
zu dieser Formel zu gelangen, sind folgende:
Das Medium, das
durch den Abschnitt fließt,
der durch die Umlaufleitung verbunden ist, setzt sich zusammen aus
einem Anteil, der bereits einmal durch diesen Abschnitt geströmt ist (V(alt)),
und einem Anteil, der noch nicht durch diesen Abschnitt geströmt ist,
der also quasi neu ist (V(neu)). Beide Anteile erhalten durch den
Durchlauf durch den Durchlauferhitzer die gleichen PE. Jedoch für das gesamte
Medium sind die Volumenverhältnisse
der beiden Anteile wichtig, weil die Anteile unterschiedliche PE
tragen: der eine Anteil ist neu, hat daher keine PE, der andere
Anteil ist bereits einmal durchgelaufen und hat daher bereits PE.
Die PE des Anteil, der bereits einmal erhitzt worden ist, verdoppeln
sich dabei durch den erneuten Durchlauf. Betrachtet sei ein Volumen (V1–j+1),
das zwischen zwei Stellen liegt, an denen die Temperaturen Tj und Tj+1 gemessen
werden. Der Anteil, der noch nicht durch den Abschnitt geströmt ist, ergibt
sich über
die Differenz des Durchflusses durch den Durchlauferhitzer (FT1)
und durch die Umlaufleitung (FT2): V(neu) =(FT1 – FT2)·(Vj–j+1)/FT1.
Der Faktor (Vj–j+1)/FT1 ist dabei die
Zeit, die das Medium in dem Abschnitt des Durchlauferhitzers mit
dem Volumen (Vj–j+1) verbringt, somit
ist dies auch die Zeit, die den Anteil bestimmt, der durch die Umlaufleitung
geflossen ist. Dieser Anteil, der bereits einmal erhitzt worden
ist, ergibt sich zu: V(alt) = FT2·(Vj–j+1)/FT1.
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Die PE dieses Gemisches ergeben sich
dann zu: F0,i,umlauf =
2·F(V(alt))
+ F(V(neu)) = 2·(FT2·(Vj–j+1)/FT1)·1/FT1·10^(((Ti + Ti+1)/2 – T0)/z) + ((FT1 – FT2)·(Vj–j+1)/FT1)·1/FT1·10^(((Ti + Ti+1)/2 – T0)/z) = (FT2 + FT1)/FT1·(Vj–j+1)/FT1·10^(((Ti + Ti+1)/2 – T0)/z)
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Für
den Fall, dass der Durchfluss durch den Durchlauferhitzer (FT1)
gleich dem Durchfluss durch die Umlaufleitung (FT2) ist, d.h. wenn
gilt FT1 = FT2, so ergibt sich durch den Umlauf eine Verdoppelung der
PE. Je nach Anzahl der Umläufe
durch den Durchlauferhitzer muss über die jeweiligen PE summiert
werden. Je nach dem Messort des Durchflusses ist die Formel ggf.
auch zu adaptieren. Werden z.B. mehrere Durchflussmesser im Durchlauferhitzer verwendet,
so ist mit dem jeweiligen Durchfluss an dieser Stelle zu rechnen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht
vor, dass im Fall, dass das Medium auf Umlauf geschaltet ist, und
dass das Medium einen Bereich des Durchlauferhitzers erneut durchläuft, in
dem an einer Stelle (S) die Temperatur (T) des Mediums gemessen
wird, der Durchfluss (FT2) des Mediums durch die Umlaufleitung gemessen
wird, die abschnittsweisen Pasteureinheiten (F0,j, umlauf) des Mediums für den Bereich des Durchlauferhitzers
mit einem Volumen (V), den das Medium erneut durchläuft, über folgende
Formel berechnet werden: F0,umlauf = (FT1
+ FT2)/FT1·V/FT1·10^((T – T0)/z), die abschnittsweisen Pasteureinheiten
(F0,i) des Mediums für den Bereich des Durchlauferhitzers,
den das Medium nur einmal durchläuft,
zwischen der i-ten (Si) und der (i – 1)-ten Stelle
(Si+1), an denen die i-te (Ti)
und (i + 1)-te Temperatur (Ti+1) gemessen
wird, und zwischen denen sich im Durchlauferhitzer ein Volumen (Vi–i+1)
befindet, über
folgende Formel berechnet werden: F0,i =(FT1
+ FT2)/FT1·Vi–i+1/FT1·10^((Ti +i+1)/2-T0)/z), und die gesamten Pasteureinheiten
(F0) des Mediums berechnet werden, indem über alle
abschnittsweisen Pasteureinheiten (F0,i,
F0,umlauf) des Mediums summiert wird. Der
Unterschied besteht also darin, dass sich in dem Abschnitt, der
vom Medium erneut durchlaufen wird, nur ein Temperaturfühler vorhanden
ist, so dass die Mittelwertbildung der Temperaturen wegfällt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht
vor, dass im Fall, dass der Durchlauferhitzer ein Tunnnelpasteur
ist, die Durchflüsse
FT1 und FT2 durch die entsprechenden Bandgeschwindigkeiten ersetzt
werden. Tunnelpasteure sind z.B. dann interessant, wenn sich das
zu pasteurisierende Medium schon in Flaschen oder sonstigen Behältern befindet.
Bei Tunnelpasteuren muss dann jedoch noch der Übergangswiderstand der Behälter in
die Formel zur Berechnung der PE eingebaut werden. Es können auch Sterilisatoren übennracht
werden, bei denen neben der Bandgeschwindigkeit auch der Sterilluftstrom und
der Druck gemessen wird. Dabei ließe sich dann der erzielte Sterilisierungsgrad
in Anlehnung an die Reinraumklassen angegeben.
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In Hinsicht auf die Vorrichtung zur
Durchführung
des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
in dem Durchlauferhitzer mindestens zwei Temperaturfühler, mindestens
ein Durchflussmesser und mindestens eine Auswerte-/Regeleinheit
vorgesehen sind, wobei die Auswerte-/Regeleinheit mit den Temperaturfühlern und
dem Durchflussmesser verbunden ist, und wobei die Auswerte-/Regeleinheit
derartig beschaffen ist, dass sie die Pasteureinheiten (F0) des Mediums berechnet.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung beinhaltet, dass
ein Ventil und eine Umlaufleitung vorgesehen sind, dass die Umlaufleitung
zwei Punkte des Durchlauferhitzers miteinander verbindet, wobei
in dem Durchlauferhitzer zwischen den beiden durch die Umlaufleitung
verbundenen Punkten des Durchlauferhitzers mindestens ein Temperaturfühler befindlich ist,
und wobei in der Umlaufleitung mindestens ein Durchflussmesser vorgesehen
ist, mit dem die Auswerte-/Regeleinheit verbunden ist, und dass
das Ventil derartig beschaffen ist, dass ein Öffnen des Ventils dazu führt, dass
das Medium entgegen der Richtung des Durchflusses durch den Durchlauferhitzer
die Umlaufleitung durchläuft.
Mit dieser Ausgestaltung kann darauf reagiert werden, dass die Pasteureinheiten
zu gering sind oder dass z.B. ein Abfüllen nicht möglich ist.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht
vor, dass der Durchlauferhitzer derartig beschaffen ist, dass die
Auswerte-/Regeleinheit mindestens den Durchfluss (FT1) durch den
Durchlauferhitzer und/oder den Durchfluss (FT2) durch die Umlaufleitung
und/oder die Temperatur des Durchlauferhitzers regelt. Eine weitere
Ausgestaltung sieht vor, dass eine Ausgabeeinheit vorgesehen ist,
an die die Auswerte-/Regeleinheit mindestens die ermittelten Pasteureinheiten
des Mediums übergibt.
In der ersten Ausgestaltung vergleicht die Auswerte-/Regeleinheit z.B.
die Pasteureinheiten mit vorgegeben Werten und regelt die Pasteuranlage
passend. In der zweiten Ausgestaltung werden die Pasteureinheiten
an eine Ausgabeeinheit übergeben.
Dies kann z.B. eine Anzeigeinheit sein, so dass der Benutzer die
Anlage regelt oder es kann sich um eine Schnittstelle zu einem Regler
handeln.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung
ist vorgesehen, dass im Fall, dass der Durchlauferhitzer ein Tunnnelpasteur
(siehe z.B. die Schriften
GB
2 182 542 und
DE 694
14 611 ) ist, die Durchflussmesser durch entsprechende Bandgeschwindigkeitsmesser ersetzt
werden.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden
Figuren näher
erläutert.
Es zeigt:
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1:
ein Blockschaltbild der Pasteurisationseinheit; und
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2:
ein Flussdiagramm der Berechnung der Pasteureinheiten des Mediums.
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1 zeigt
den Durchlauferhitzer 2, durch den das Medium 1 strömt. Beim
Durchlauf des Durchlauferhitzers 2 wird das Medium 1 erwärmt und dadurch
pasteurisiert. Die Dauer der Erhitzung berechnet sich dabei über den
Durchfluss FT1 des Mediums 1 und das Volumen des Durchflusserhitzers 2. Der
Durchfluss FT1 wird durch den Durchflusserhitzer 4 gemessen.
Das Volumen zwischen zwei Temperaturfühlern 3 des Durchlauferhitzers 2 ist
durch die Konstruktion des Erhitzers 2 bekannt. Dabei wird angenommen,
dass immer soviel Medium 1 vorhanden ist, dass der Durchlauferhitzer
immer vollständig mit
Medium 1 ausgefüllt
ist. Die Temperaturfühler 3 bestimmen
an zwei unterschiedlichen Stellen S1, S2 die Temperatur T1,
T2 des Mediums 1. Zwischen den beiden
Stellen S1, S2 hat
der Durchlauferhitzer das Volumen V1- 2. Insgesamt ergibt sich daraus dann für die PE
des Mediums 1, die sich nach dem Durchlauf des Durchlauferhitzers 2 ergeben
haben: F0,1 = V1-2/FT1
10^(((T1 + T2)/2 – T0)/z). Diese Rechnung kann dann abschnittsweise
mit mehreren Temperaturfühlern
erweitert werden. Die gesamten PE des Mediums 1 nach dem
gesamten Durchlauf des Durchlauferhitzers 2 ergibt sich
dann über
die Summe der abschnittsweisen PE.
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Über
das Ventil 7 lässt
sich das Medium 1 auf Umlauf schalten. Das bedeutet, dass
zumindest ein Teil des Mediums wieder zurückfließt und den Durchlauferhitzer 2 erneut
durchläuft.
Dafür wird
durch den Durchflussmesser 4 der Durchfluss FT2 durch die Umlaufleitung 8 gemessen.
Das Medium 1, dass mit dem Umlauf den Durchlauferhitzer 2 ein
Volumen V durchläuft,
setzt sich zusammen aus einem Anteil, der bereits einmal durch den
Durchlauferhitzer 2 gelaufen ist: V(alt) und einem neuen
Anteil: V(neu). Der Anteil V(alt) berechnet sich dabei über den
Durchfluss FT2 durch die Umlaufleitung 8 und über die
Zeit, die das Medium 1 das Volumen V1-2 durchläuft, die gegeben
ist durch: V1-2/FT1. Somit gilt: V(alt)
= FT2·V1-2/FT1. Das neue Volumen berechnet sich dann
zu V(neu) = V1-2 – V(alt) = (1 – FT2/FT1)·V. Die Berechnung
der Pasteureinheiten nach dem Durchlauf und dem Umlauf erfolgt über F0 =
F(V(alt))·2
+ F(V(neu)) =(FT2 + FT1)/FT1· V/FT1·10^(((Ti + Ti+1)/2 – T0)/z) Ist der Durchfluss FT1 durch den Durchlauferhitzer 2 gleich
dem Durchfluss FT2 durch die Umlaufleitung 8, so gelangt
kein neues Medium 1 in den Durchlauferhitzer 2 und
der erneute Durchlauf durch den Durchlauferhitzer 2 führt dazu,
dass sich die Pasteureinheiten gerade verdoppeln. Dies kann z.B. dann
angewendet werden, wenn die Temperaturen zu gering sind.
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Im hier gezeigten Fall ist die Auswerte-/Regeleinheit
5 mit dem Durchlauferhitzer 2 verbunden, um diesen zu regeln,
d.h. um die Temperatur passend zu regulieren und/oder um den Durchfluss durch
den Durchlauferhitzer 2 und/oder durch die Umlaufleitung 8 zu
regeln. Und die Auswerte-/Regeleinheit 5 ist ebenfalls
mit einer Ausgabeeinheit 6 verbunden.
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2 zeigt
ein Flussdiagramm der Berechnung der Pasteureinheiten. Die wichtige
Entscheidung ist, ob Umlauf stattfindet oder nicht. Je nach Fall ändert sich
die Formel für
die Berechnung der Abschnitte, durch die das Medium 1 durch
den Umlauf erneut hindurchströmt.
Anschließend
werden die berechneten PE über
eine Ausgabeeinheit 6 an den Benutzer übergeben und/oder der Prozess
wird durch den Vergleich mit Soll- und/oder Maximalwerten direkt
geregelt. Eine Möglichkeit
ist auch, dass die PE passend abgelegt werden.
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- 1.
- Medium
- 2.
- Durchlauferhitzer
- 3.
- Temperaturfühler
- 4.
- Durchflussmesser
- 5.
- Auswerte-/Regeleinheit
- 6.
- Ausgabeeinheit
- 7.
- Ventil
- 8.
- Umlaufleitung