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Ultraschall-Förderschnecken-Extraktor zur Gewinnung von löslichen
Extrakten aus Kaffee u. dgl.
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Die Erfindung betrifft einen Extraktor zur kontinuierlichen Gewinnung
von löslichen Stoffen zur Bereitung von Getränken. Derartige Verfahren sind z. B.
bei der Herstellung von löslichem Kaffee bekannt.
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Die Hersteller von löslichen Kaffeepräparaten streben schon lange
an, ein Erzeugnis herzustellen, daß bei der Hinzufügung von Wasser sich von einer
frisch aufgebrühten Tasse Kaffee nicht unterscheiden läßt.
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Eine Hauptschwierigkeit bei derartigen Verfahren besteht darin, daß
der lösliche Kaffee nicht den gleichen Geschmack und das gleiche Aroma wie frisch
zubereiteter Kaffee aufweist.
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Die bekannten Verfahren machen gewöhnlich von einer Extraktion des
gemahlenen gerösteten Kaffees mit heißem Wasser Gebrauch; die Extrakte werden dann
in einem heißen oder kalten Trocknungsverfahren getrocknet. Das Verfahren ist auch
abgeändert worden, indem der geröstete gemahlene Kaffee weiteren heißen oder kalten
Extraktionsvorgängen unterworfen wird, indem ferner verschiedene Arten von geröstetem
gemahlenem Kaffee verschiedenen Extraktionsvorgängen bei verschiedenen Temperaturen
und warmen oder kalten Trocknungsvorgängen unterworfen werden, und dann die verschiedenen
Extraktionen miteinander vermischt werden, um verschiedene Arten von löslichen Kaffeepräparaten
zu erhalten.
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Es ist ferner bekannt, bei der Extraktion und Behandlung fettiger,
vegetabiler Stoffe Ultraschall anzuwenden. Der bekannte Extraktor würde jedoch für
die Zwecke der Erfindung nicht brauchbar sein, da die Ultraschallerzeuger an einer
Stelle der Außenwand des Gehäuses angebracht sind, die keine gleichmäßige Extraktion
feinverteilter Stoffe ermöglichen und weil auch keine Vorkehrungen getroffen sind,
um die Extraktionsfiüssigkeit auf einer bestimmten Temperatur zu halten. Dies sind
aber, wie aus der folgenden Beschreibung noch näher hervorgeht, sehr wesentliche
Bedingungen zur Erzielung eines gleichmäßigen Extraktes.
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Gemäß der Erfindung ist eine zylindrische Kammer mit Einlaß- und
Auslaßöffnungen für den zerkleinerten festen Kaffee und mit Einlaß- und Auslaßöffnungen
für eine Extraktionsflüssigkeit vorgesehen, ferner eine Fördereinrichtung mit darauf
befestigten Ultraschallwandlern, die den zerkleinerten Kaffee beschallen, während
er in der Flüssigkeit von der Einlaßöffnung zur Auslaßöffnung befördert wird, wobei
eine Temperaturregeleinrichtung, welche die zylindrische Kammer umgibt, die Extraktionsfiüssigkeit
auf der vorbestimmten Temperatur hält.
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In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele dargestellt: Fig. 1
zeigt einen kontinuierlich arbeitenden Extraktor für die Ultraschallbehandlung der
verarbeiteten Stoffe; Fig. 2 ist ein Schnitt nach der Linie 6-6 nach Fig. 1; Fig.
3 ist ein Schnitt eines Teils der Vorrichtung nach Fig. 1 in größerem Maßstab, der
die angebauten Ultraschallwandler zeigt; Fig. 4 zeigt eine Abänderung der Fig. 1,
bei der die mittlere Welle der Fördereinrichtung in der Nähe der Ultraschallwandler
einen erweiterten Querschnitt aufweist, so daß zusammen mit dem Zylinder ein verengter
Raum entsteht, um ein genügendes Eindringen der Ultraschallschwingungen in die Masse
des behandelten Materials zu erzielen; Fig. 5 zeigt eine Abänderung der Einrichtung
der Fig. 4, bei der ebenfalls die Ultraschallschwingungen in den behandelten Stoff
eindringen sollen und bei
der eine Fördereinrichtung verwendet wird,
welche die Verweilzeit der behandelten Stoffe in dem Ultraschallextraktor begrenzt
oder anderweitig steuert.
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In Fig. 1 ist eine Ausführungsform eines Ultraschallextraktors gezeigt,
die nach dem Gegenstromprinzip arbeitet. Hierbei werden die festen Bestandteile
an einem Ende eingeführt und bewegen sich in einer bestimmten Richtung durch die
Vorrichtung hindurch, so daß sie am anderen Ende austreten, während die bei dem
Verfahren benutzte Flüssigkeit in den Extraktor in der Nähe des zweiten Endes eingeleitet
und als flüssiger Extrakt in der Nähe des ersten Endes entnommen wird.
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In Fig. 1 ist ein Extraktor 170 dargestellt, der ein zylindrisches
Gehäuse 171 mit einer Fördereinrichtung 172 aufweist. Diese enthält eine hohle Welle,
die in den Wänden 173 und 174 gelagert ist, welche das zylindrische Gehäuse 171
abschließen. Die Abschlußwände 173 und 174 tragen Lager 175 und 176, in denen die
Fördereinrichtung 172 läuft, die im vorliegenden Fall die hohle Welle 183 enthält.
Eine Einlaßleitung 177 für die festen Stoffe ist im vorliegenden Fall am unteren
Ende des Extraktors angeschlossen, um die Zuführung des gemahlenen Kaffees oder
anderer fester Stoffe in den Zylinder des Extraktors zu ermöglichen. Ein Auslaß
178 für die festen Stoffe ist am entgegengesetzten Ende des zylindrischen Gehäuses
vorgesehen, damit die festen Stoffe, die in dem Extraktor behandelt worden sind,
herausgeführt werden können.
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Die Anordnung enthält eine ortsfeste Leitung 180, die über eine Kupplung
181 mit dem oberen Ende 182 der hohlen Welle 183 verbunden ist. Die hohle Welle
trägt eine Förderschnecke 184, welche den gemahlenen Kaffee oder die anderen festen
Stoffe am unteren Ende des Zylinders aufnimmt und sie nach oben bis zu einer Stelle
fördert, an der sie durch die Auslaßleitung 178 nach außen abgegeben werden, nachdem
der teilweise extrahierte gemahlene Kaffee oder die anderen festen Stoffe in dem
Extraktor behandelt worden sind. Eine zweite ortsfeste Leitung 185 ist mit dem unteren
Ende 186 der hohlen Welle 183 über eine Kupplung 187 verbunden. Über die flüssigkeitsdichten
Kupplungen 181 und 187 kann die Fördereinrichtung 172 mit Hilfe einer geeigneten
Vorrichtung, z. B. mit Hilfe eines Riemens 188 und einer Riemenscheibe 189, die
an dem oberen Ende 182 der hohlen Welle befestigt ist, in Drehung versetzt werden.
Der Pfeil 190 zeigt an, daß die Förderanordnung in der bezeichneten Richtung umläuft,
so daß der gemahlene Kaffee oder die anderen festen Stoffe vor dem Einlaß 177 nach
oben zum Auslaß 178 befördert werden.
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Die in dem Extraktor benutzte Flüssigkeit tritt in das zylindrische
Gehäuse 171 über einen Einlaß g95 ein. Wenn sich der Extraktor in der in der Zeichnung
dargestellten aufrechten Stellung befindet, tröpfelt die Flüssigkeit infolge der
Schwerkraft nach unten und benetzt dabei den gemahlenen Kaffee oder die anderen
festen Stoffe, die durch das zylindrische Gehäuse mit Hilfe der Fördereinrichtung
nach oben gefördert werden. Mehrere äußere Mäntel oder Gehäuse 200 und 201 sind
mit Einlässen 202 und 203 an dem unteren Ende und mit Auslässen 204 und 205 am oberen
Ende versehen. Wenn die Apparatur für die Ultraschallkaltextraktion verwendet wird,
kann ein Kältemittel. z. B. eine Salzlauge, in die Mäntel durch
die Einlaßleitungen
202 und 203 eingeführt werden und über die Auslaßleitungen 204 und 205 abgelegte;
werden. Das Kältemittel dient dazu. den benetzten gemahlenen Kaffee oder die anderen
festen Stoffe auf einer niedrigen Temperatur zu halten.
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Eine Auslaßleitung206 für den flüssigen Extrakt ist an das zylindrische
Gehäuse 171 angeschlossen.
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Die Auslaßleitung ist in der Wandfläche des zylindrischen Gehäuses
durch ein Maschensieb 207 verschlossen. Dieses liegt tiefer als die Ultraschallwandler,
um den gemahlenen Kaffee oder die anderen festen Stoffe innerhalb des zylindrischen
Gehäuses zu halten, so daß der gemahlene Kaffee durch die Fördereinrichtung nach
oben gefördert wird, der flüssige Extrakt jedoch durch das Maschensieb 207 hindurchtreten
kann, um ihn weiterbehandeln zu können.
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Die ortsfesten Leitungen 180 und 185 sind mit der umlaufenden Fördereinrichtung
172 durch geeignete Kupplungen verbunden, so daß die Fördereinrichtung gedreht werden
kann, um den Kaffee zwischen dem Einlaß 177 und dem Auslaß 178 nach oben zu fördern.
Die hohle Förderschnecke und die hohle Welle können mit einem Wärmeübertragungsmittel
oder einer Flüssigkeit gefüllt sein, um eine Wärmeübertragung vorzunehmen. Metallringe
210 und 211 sind an den Enden der hohlen Welle angebracht und elektrisch gegeneinander
und gegenüber der hohlen Welle isoliert. Kontaktbürsten 212 und 213, die aus Kohlenstoff
od. dgl. bestehen können, stehen mit den Ringen in Berührung, die als Schleifringe
dienen, um elektrische Energie über Leitungen, z. B. ein Kabel 216, von einer Energiequelle,
z. B. einem Wechselstromgenerator, der mit einer Frequenz im Bereich von 19000 kHz
oder darüber arbeitet, einer Anzahl von Ultraschallwandlern 215, die in der Höhe
der hohlen Förderschnecke, und den Wandlern 215 A, die in der Nähe der hohlen Welle
183 angeordnet sind, zuzuführen.
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Ein Mantel 217 hat einen Einlaß 220 zur Aufnahme eines Kältemittels,
z. B. Wasser, und einen Auslaß 221, um das Wasser wieder aus dem Mantel 217 herauszuführen.
Die Ultraschallwandler 215 können über ein Kabel 216 an die Quelle der Wechselstromenergie
angeschlossen sein, während die Wandler 224 A elektrisch an dieselbe Wechselstromquelle
über Leitungen 223 und 224 angeschlossen werden.
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Fig. 2 und 3 zeigen Schnitte der Anordnung von Fig. 1 und lassen
insbesondere den Mantel 217 zur Aufnahme der Ultraschallwandler 224 A erkennen,
der das zylindrische Gehäuse 171 umgibt, und mit einer Einlaßleitung 220 versehen
ist. Im ganzen sind sechs Ultraschallwandler 224 A dargestellt, die in gleichen
Abständen am inneren Umfang des Mantels 230 verteilt sind, wobei zwei Gruppen von
Wandlern innerhalb des Mantels angeordnet sind.
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Die hohle Welle 183 trägt die Förderschnecke 184 mit vier Ultraschallwandlern215,
die auf eine vollständige Windung der Schnecke verteilt sind. Wandler 215A sind
auf gegenüberliegenden Seiten der hohlen Welle 183 zwischen den Windungen der Schnecke
184 angeordnet. Der Wandteil 240 zeigt einen waagerechten Schnitt durch einen Teil
des Mantels 241 der Schnecke. In dem Raum 241 zwischen der oberen und der unteren
Schicht 242 bzw. 243 der Schnecke sind die Ultraschallwandler 215 angeordnet Die
in Fig. 1 dargestellten Ultraschallwandler 215 A und 224 A sind so ausgerichtet,
daß sie das behandelte
Material in der gewünschten Stärke und während
der gewünschten Zeit in Abhängigkeit von der Zuführungsgeschwindigkeit der festen
Stoffe und der Zuführungsgeschwindigkeit und Temperatur des flüssigen Mittels beschallen.
Die Verteilung der Teilchengröße der festen Stoffe sowie die spezielle Aufnahmefähigkeit
der betreffenden festen Stoffe, ferner die Eigenschaften des behandelten Materials
mit Bezug auf die Dämpfung der Ultraschallenergie und andere veränderliche Größen
bestimmen die optimale Abmessung und die Ultraschalleigenschaften des Extraktors
sowie die Ausnutzung der besonderen Konstruktion während des Verfahrens.
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Die Ultraschallwandler 224 A in Fig. 1 können nach Wunsch über einen
angemessenen Teil der Gesamtlänge des zylindrischen Gehäuses 171 verteilt werden.
In ähnlicher Weise können die Ultraschallwandler 215 und 215 A in angemessener Anzahl
über einen gewünschten Teil der Gesamtlänge der Förderschnecke 184 und der Welle
183 verteilt werden. Die Erregung der Ultraschallwandler kann während des Extraktionsvorganges
nach einem Programm gesteuert werden, um das behandelte Material in der richtigen
Weise zu beschallen. Die Abmessungen der Extraktionsanlage und die Ausrichtung der
Wandler werden durch die Art des Ultraschallfeldes bestimmt und sind jeweils der
Ultraschallbehandlung angepaßt.
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Die hohle Ausbildung der Welle 183 und der Schnecke 184 ermöglichen
eine Erwärmung oder Kühlung des Materials in dem Extraktor durch Anwendung einer
passenden Wärmeaustauscherflüssigkeit. Die hohle Ausbildung der Welle 183 und der
Schnecke 184 kann auch dazu dienen, daß die Ultraschallenergie zur wirksameren Bestrahlung
des in dem Extraktor befindlichen Materials reflektiert wird. Die Erwärmung oder
Kühlung kann auch dadurch erzielt werden, daß eine geeignete Flüssigkeit durch die
Mäntel 200 und 201 in Fig. 1 geleitet wird. Die Anordnung der Mäntel 200 und 201
auf einem Teil des zylindrischen Gehäuses wird durch die Behandlungsverhältnisse
bestimmt, die dem betreffenden Material angepaßt sind, sowie durch den Wirkungsgrad
und die gewünschte Endqualität des Erzeugnisses.
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Die Fig. 4 und 5 zeigen Teile, die zum Teil denen der Fig. 1 ähnlich
sind und dann die gleichen Bezugszeichen tragen. Die Förderanordnungen der Fig.
4 und 5 sind jedoch voneinander verschieden und unterscheiden sich auch von der
Förderanordnung 172 der Fig. 1.
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Die Anordnung 171 und die verschiedenen Mäntel mit den Antriebsvorrichtungen
für die hohle Welle sind in Fig. 4 genauso ausgebildet wie diejenigen in Fig. 1.
Die hohle Welle 231 enthält einen hohlen Abschnitt 235, der die gleichen Abmessungen
an den beiden Enden der Welle aufweist, aber einen erweiterten Teil 232 trägt, in
welchem die Ultraschallwandler 233 in ähnlicher Weise angeordnet sind wie in Fig.
2 und 3. Die Ultraschallwandler 236 können denen der Fig. 1 ähnlich sein. Der erweiterte
Teil 232 der Welle ist ebenso wie der Schneckenteil 237, der im wirksamen Bereich
der Wandler 233 und 236 liegt, hohl ausgebildet. Der erweiterte Teil 232 der hohlen
Welle 231 hat mit Ausnahme desjenigen Teiles, der die Schnecke trägt, innerhalb
des wirksamen Bereiches der Wandler im wesentlichen den gleichen inneren und äußeren
Durchmesser, wobei der äußere Durchmesser des Teiles 232 im wesentlichen den gleichen
Abstand
von dem zylindrischen Teil 238 des Extraktors 239 hat.
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In Fig. 5 ist der Mantel 236 des Wandlers ähnlich ausgebildet wie
in Fig. 4. Die Förderanordnung 240 unterscheidet sich jedoch von den Förderanordnungen
der Fig. 1 und 4. Die Förderanordnung 241 der Fig. 5 enthält eine Schnecke 242,
die über die gesamte Länge der Welle annähernd die gleiche Abmessung hat nur der
mittlere Abstand zwischen den Windungen ändert sich in derselben Weise wie der mittlere
Abstand zwischen den Windungen der Förderschnecke 184 der Fig. 1.
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Die Fig. 4 und 5 zeigen hohle Wellen, die sich in ihren Abmessungen
von der Welle 183 der Fig. 1 unterscheiden. In Fig. 4 bildet der erweiterte Teil
der Welle 232 einen verengten ringförmigen Raum im Bereich der Wandlersätze 233
und 236. Ein Vorteil dieser Anordnung ist die bessere Durchschallung des Materials
in dem ringförmigen Raum im Bereich der Wandler 233 und 236. Die festen Stoffe können
sich, nachdem sie diesen ringförmigen Raum durchsetzt haben, mit langsamerer Geschwindigkeit
durch den übrigen Teil des Extraktors hindurchbewegen, was bei bestimmten Verfahrensverhältnissen
erwünscht ist.
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In Fig. 5 bildet die über die ganze Länge erweiterte Welle einen
gleichmäßig verengten ringförmigen Raum über die ganze Länge des Extraktors. Hierdurch
erhält man den Vorteil einer intensiveren Ultraschallbestrahlung innerhalb des verengten
ringförmigen Raumes, während gleichzeitig die Fördergeschwindigkeit des behandelten
Materials gleichförmig bleibt. Bei Materialien, die für die Extraktionsfiüssigkeit
und Wärme empfindlich sind, kann der gewünschte Wärmeaustausch und die Reflexion
der Ultraschallwellen ausgenutzt werden. um eine rasche Ultraschallkaltextraktion
zu bewirken.
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In der Beschreibung ist stets das Wort »Ultraschall« verwendet worden
es sei aber darauf hingewiesen, daß die Frequenzen, die bei der Beschallung des
Materials angewendet werden, auch im hörbaren Bereich oder im Überhörbereich liegen
können.
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Als besonders günstig haben sich Frequenzen für die Beschallung von
Materialien herausgestellt, die in dem Bereich von 16000 bis zu 800 000 Hz liegen.