DE112019002916T5

DE112019002916T5 - System und Verfahren zur Reinigung von Trinkwasser, Ethanol und Alkoholgetränken von Verunreinigungen

Info

Publication number: DE112019002916T5
Application number: DE112019002916.9T
Authority: DE
Inventors: Roman Gordon; Igor Gorodnitsky; Maxim Promtov; Naum Voloshin
Original assignee: Cavitation Technologies Inc
Current assignee: Cavitation Technologies Inc
Priority date: 2019-02-26
Filing date: 2019-03-12
Publication date: 2021-03-11
Also published as: WO2020176114A1

Abstract

Ein System und ein Verfahren zur Reinigung von Getränkeflüssigkeiten, hauptsächlich alkoholischen Getränken, basierend auf der Wirkung hydrodynamischer Kavitationsverarbeitung von mikrobiologischen und chemischen Verunreinigungen, Mikropartikeln und kolloidalen Partikeln. Das System ist ein Chargensystem mit einem einzelnen Behälter aufweisend ein Extraktionsrohr und ein Auslassrohr, die sich in dasselbe Flüssigkeitsreservoir erstrecken. Flüssigkeit wird durch das Extraktionsrohr gezogen und durch das Auslassrohr gedrückt. Das Auslassrohr enthält Kavitationselemente, die entlang seiner Länge verteilt sind, um beim Durchpumpen hydrodynamische Kavitation in der Flüssigkeit zu erzeugen. Die Auslassflüssigkeit wird mit der bereits im Behälter befindlichen Flüssigkeit gemischt und bei kontinuierlicher Chargenverarbeitung durch das Extraktionsrohr wieder angesaugt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Verwendung in der Lebensmittelindustrie, insbesondere Vorrichtungen, die die organoleptischen Eigenschaften von Getränken, nämlich alkoholischen Getränken, d.h. Lösungen von Alkohol und alkoholischen Getränken - Wodka, Whiskey, Rum, Brandy, Wein usw., erhöhen. Das erfindungsgemäße System und Verfahren erfährt auch Anwendung bei der Reinigung von Trinkwasser und findet zahlreiche Anwendungen in der Alkoholproduktion, in der Lebensmittelindustrie und zu Hause. Entfernbare Verunreinigungen schließen Mikropartikel, kolloidale Partikel, mikrobiologische und chemische Verunreinigungen ein, deren Konzentration in einem Durchgang durch die vorliegende Vorrichtung auf die zulässigen Werte verringert werden kann. Das vorgeschlagene Verfahren erzeugt Änderungen der Geschwindigkeit, des Drucks, der Temperatur, der chemischen Zusammensetzung und der physikalischen Eigenschaften des Flüssigkeitsstroms, um die Konzentration von Verunreinigungen zu verringern.
Bei der Herstellung von Trinkwasser, Ethanol und alkoholischen Getränken werden deren Bestandteile (Wasser, Ethanol etc.) durch verschiedene Technologien gereinigt. Wasser wird typischerweise mit einem Reagenzverfahren (Koagulation, Kalk-Soda), Ionenaustauscherharzen (Na-Kationenaustauscher-, Kationen- und Anionenaustauscherharzen), einem Adsorptionsverfahren (unter Verwendung von Aktivkohle) und einem Redoxverfahren (Enteisenung, Ozonisierung) oder Membranfiltration (Ultrafiltration, Umkehrosmose) behandelt. Ethanol kann durch Mehrfachdestillation oder chemische Behandlung mit verschiedenen Reagenzien und Filtration gereinigt werden.
Zur Klärung von Wein können hydrophile Kolloide (Kasein, Eiweiß, Gelatine, Fischleim und andere) eingeführt werden, um mit Weinkolloiden zu interagieren. Unlösliche Verbindungen, die durch die Wechselwirkung von Protein- und Tanninsubstanzen entstehen, bilden Flocken, die, wenn sie sich auf dem Boden absetzen, die im Wein schwebenden feinen Partikel mit sich tragen und ihn leichter machen. Die Klärung von Wein erfolgt üblicherweise in zwei Schritten: Agglomeration der Partikel (Koagulation) und Ausfällung einer festen Phase (Sedimentation).
Nach der Zubereitung von alkoholischen Getränken nach einem bestimmten Rezept werden sie filtriert, um die während des Reinigungsprozess gebildeten feinen Partikel zurückzuhalten. Um Verunreinigungen zu entfernen, die alkoholischen Getränken einen unangenehmen Geruch und Geschmack verleihen, werden sie mit Aktivkohle behandelt. Nach der Behandlung mit Aktivkohle werden alkoholische Getränke filtriert, um die kleinsten Kohlepartikel zu entfernen.
Selbst nach der Reinigung in einer Industrieanlage weisen Ethanol und einige aus Ethanol hergestellte alkoholische Getränke geringe Geschmackseigenschaften und einen scharfen Geruch auf. Dies ist eine Folge des Vorhandenseins chemischer Verunreinigungen in Ethanol, die die organoleptische Qualität von alkoholischen Getränken beeinträchtigen.
Alkoholische Getränke können solche Verunreinigungen wie Acetaldehyd und / oder Acetal, Benzol, Methanol, Fuselöle (wie Isobutyl, Isoamyl und aktives Amyl), nichtflüchtige Stoffe, Schwermetalle und andere enthalten.
Die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Weinen sind durch den Gehalt an Ethanol, Zucker, Säuren, Polyphenolen und anderen Bestandteilen gekennzeichnet. Die Anzahl und Kombination dieser Substanzen hängt von den organoleptischen Eigenschaften der Weine ab. Um die organoleptischen Eigenschaften von alkoholischen Getränken und Trinkwasser zu verbessern, müssen Reinigungsmethoden und -vorrichtungen verwendet werden, mit denen der Verbraucher ihre Qualität verbessern kann. Dem normalen Verbraucher sollte die Möglichkeit gegeben werden, den Geschmack von alkoholischen Getränken auf die erforderliche Qualität zu verbessern und Trinkwasser zu reinigen. Dies ist möglich, wenn Verbraucher einfache und zuverlässige Haushaltsvorrichtungen zur Behandlung von alkoholischen Getränken und Trinkwasser kaufen und verwenden können, um ihre organoleptischen Eigenschaften zu verbessern und Verunreinigungen zu entfernen.
Verfahren zur Endbehandlung von alkoholischen Getränken durch Filter unterschiedlicher Bauart wie eine flexible Membran und ein starres poröses Septum sind weit verbreitet. Die Methoden zur Endbehandlung sind Mikrofiltration, Ultrafiltration, Nanofiltration und Umkehrosmose.
Mikrofiltration (üblicherweise als MF abgekürzt) ist eine Art physikalischer Filtrationsprozess, bei dem eine kontaminierte Flüssigkeit durch eine Membran mit spezieller Porengröße geleitet wird, um Mikroorganismen und Schwebeteilchen von der Prozessflüssigkeit zu trennen. Mikrofiltration ist ein Verfahren der Trennung von Flüssigkeit von Schwebeteilchen zwischen 0,1 und 100 µm.
Ultrafiltration (UF) ist eine Vielzahl von Membranfiltrationen, bei denen Kräfte wie Druck- oder Konzentrationsgradienten zu einer Trennung durch eine semipermeable Membran führen. Ultrafiltration ist ein Membrantrennverfahren und eine Fraktionierung, Konzentration von Substanzen, die durch Filtration der Flüssigkeit unter Einwirkung der Druckdifferenz vor und nach der Membran durchgeführt wird. Die Porengröße von Ultrafiltrationsmembranen reicht von 0,01 bis 0,1 µm.
Die Nanofiltration (NF) ist eine auf Membranfiltration basierende Methode, die zylindrische Durchgangsporen im Nanometerbereich verwendet, die durch die Membran im rechten Winkel verlaufen. Nanofiltrationsmembranen weisen Porengrößen im Bereich von 1 bis 10 Nanometer auf. Der Dead-End-Modus für den Prozess der Nanofiltration wird nicht verwendet, da ein solcher Filtermodus zwangsläufig zu einer schnellen Verstopfung der Membran führt. Somit kann der Nanofiltrationsprozess nur in einem Cross-Flow-Filtrationsmodus verwendet werden, d.h. in Gegenwart eines Flüssigkeitsstroms, der sich entlang der Membranoberfläche bewegt und die Entladung der Kontamination ausstößt.
Verfahren zur Reinigung von Flüssigkeiten durch poröses Septum (harte Mikrofilter und flexible Membran) sind problematisch, da sie die Ablagerung von Partikeln, biologischen Sedimenten und die Bildung eines Films auf der Oberfläche des porösen Septums in den Poren von Membranen und Mikrofiltern verursachen. Im Verlauf der Reinigung von Flüssigkeiten durch poröses Septum werden Mikrofilter und Membranen typischerweise durch Schwebeteilchen, organische Verunreinigungen und schwerlösliche Verbindungen verstopft. Ihre Oberfläche kann auch auf der Druckseite mit einem Film von Verunreinigungen bedeckt werden, wodurch der Flüssigkeitsstrom durch ein poröses Septum behindert wird. Dies führt zu einer Verringerung der spezifischen Leistung von Mikrofiltern und Membranen, wodurch deren Lebensdauer verringert wird. Um die Filtrationseigenschaften von Membranen und Mikrofiltern wiederherzustellen, werden sie mit verschiedenen Methoden gereinigt.
Hydrodynamische Methoden der Reinigung des porösen Septums beinhalten das Ausspülen externer Sedimente aus dem Druckkanal mit Druckflüssigkeit, Gas-Flüssigkeits-Emulsion, pulsierender Strömung und Rückspülen mit Permeat. In der Praxis ist das am weitesten verbreitete Verfahren das Waschen des Druckkanals der Filtermodule mit einem starken Flüssigkeitsstrahl. Die Waschflüssigkeit, die häufig die Lösung selbst ist, wird mit einer höheren Geschwindigkeit durch die Filter- und Membranvorrichtung gepumpt.
Die Wahl des Reinigungsverfahrens hängt von der Größe und den Eigenschaften der Partikel und Substanzen ab, von denen die Flüssigkeit gereinigt werden muss. Je kleiner die Partikel, Assoziate von Molekülen und Moleküle der zu entfernenden Substanzen sind und je höher ihre Konzentration ist, desto komplexer ist die Ausrüstung und Technologie zum Filtern.
Eine der Möglichkeiten, die Wirksamkeit zu erhöhen und die Kosten für Veredelungsverfahren zur Reinigung von Flüssigkeiten zu senken, ist die vorläufige physikalische Verarbeitung von Flüssigkeiten zur Verringerung der Konzentrationen chemischer Verunreinigungen und Änderungen ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften.
Verfahren zur hydrodynamischen Behandlung und Kavitationsbehandlung von Flüssigkeiten, die ihre physikalisch-chemischen Eigenschaften ändern, sind bekannt. Kavitation kann unterschiedlichen Ursprungs sein, einschließlich akustischer, hydrodynamischer, laserinduzierter oder durch Einspritzen von Dampf in eine kühle Flüssigkeit erzeugter Kavitation. Akustische Kavitation erfordert eine Chargenumgebung und kann bei der kontinuierlichen Verarbeitung nicht effizient eingesetzt werden, da Energiedichte und Verweilzeit für einen hohen Durchsatz nicht ausreichen würden. Zusätzlich nimmt der Effekt der akustischen Kavitation mit zunehmendem Abstand von der Strahlungsquelle ab, bei einem Anstieg in der Entfernung von der Strahlungsquelle. Die Wirksamkeit der Behandlung hängt auch von der Behältergröße ab, da an bestimmten Stellen Änderungen in der Flüssigkeit auftreten, abhängig von der Schallfrequenz und Interferenzmustern.
Wenn eine Flüssigkeit mit einer geeigneten Geschwindigkeit in eine hydrodynamische Durchflusskavitationsvorrichtung eingespeist wird, entstehen Kavitationsblasen infolge der Abnahme des hydrostatischen Drucks in den speziell konstruierten Durchgängen. Wenn die Kavitationsblasen in eine Hochdruckzone mit langsamer Geschwindigkeit übergehen, implodieren sie. Eine solche Implosion geht mit einem lokalisierten Druck- und Temperaturanstieg auf bis zu 1.000 atm und 5.000 °C einher und führt zur Erzeugung lokaler Strahlströme, Stoßwellen und Scherkräfte. Die Freisetzung einer signifikanten Energiemenge aktiviert Atome, Ionen, Moleküle und Radikale, die sich in den Blasen und / oder der angrenzenden Flüssigkeit befinden, und treibt chemische Reaktionen und Prozesse an. Die Blasenimplosion kann mit der Emission von Licht zusammenfallen, was photochemische Reaktionen katalysiert. (Suslick, 1989; Didenko et al., 1999; Suslick et al., 1999; Young, 1999; Gogate, 2008; Moholkar et al., 2008; Zhang et al., 2008.)
Die US-Patentanmeldungen, Veröffentlichungs-Nr. 2006/0081541 (Kozyuk) und 2007/0102371 (Bhalchandra et al.) sowie die US-Patente Nr. 5393417 und 5326468 an Cox, Nr. 9403697 von McGuire offenbaren Verfahren und Vorrichtungen, die Kavitation zur Behandlung und Reinigung von Wasser und anderen Flüssigkeiten verwenden.
Das russische Patent Nr. 2316481 von Sister beschreibt ein Verfahren zur Reinigung von Abwasser von oberflächenaktiven Substanzen, bei dem das Wasser einer Ultraschallkavitation mit einer Schallabstrahlungsintensität von 1,5-3 W / cm² ausgesetzt wird.
Komplexe physikalische und chemische Prozesse finden im Wasser unter Kavitationsbehandlung statt. Seine Härte nimmt ab, d.h. das Wasser wird weicher. Die elektrische Leitfähigkeit nimmt ebenfalls ab. Der Farbwert nimmt aufgrund des Zusammenbruchs von Huminsäuremolekülen zu freien Radikalen, die ausfallen, um mehr als das Zweifache ab. Aufgrund intensiver Kavitation werden mikrobiologische Verunreinigungen wie Bakterien, Sporen und Viren im Wasser nahezu vollständig neutralisiert. Jeder Wasseraufbereitungsprozess besteht aus der Umwandlung von im Wasser gelösten Substanzen in unlösliche Substanzen oder Gase und deren anschließender Entfernung (Kumar, J. K. Cavitation - a New Horizon in Water Disinfection. Water disinfection by ultrasonic and hydrodynamic cavitation / Verlag: VDM, 2010. - 304 S. Gogate, R. P. Application of cavitational reactors for water disinfection: Current Status and path forward // Journal of Environmental Management. - 2007. - Bd. 85. - S. 801 - 815. Inactivation of Food Spoilage Microorganisms by Hydrodynamic Cavitation to achieve Pasteurization and Sterilization of Fluid Foods / P. J. Milly [et al.] // Journal of Food Science. - 2007. - Bd. 72, Nr. 9. - S. 414 - 422. Arrojo, S. A. Parametrical Study of Disinfection with Hydrodynamic Cavitation / S. Arrojo, Y. Benito, A. Martinez // Ultrasonics Sonochemistry. - 2007. - Nr. 15. - S. 903 - 908.).
Die Kavitationsbehandlung von Ethanol und alkoholischen Getränken führt zur Auflösung von Verunreinigungen, verringert die Konzentration einfacher Aldehyde und Ester (Acetaldehyd, Methylacetat, Ethylacetat, Methanol, Isopropanol und andere Verunreinigungen) und die Ausfällung durch Schwermetallsalze.
Die US-Patentanmeldung Nr. 2013/0330454 von Mahamuni offenbart ein Verfahren und ein System zur Behandlung von alkoholischen Getränken. Ein Verfahren, das eine Ultraschallverarbeitung durch akustische und hydrodynamische Kavitation beinhaltet, wird kontrolliert auf das Getränkeprodukt angewendet, um eine gewünschte Umwandlung zu erreichen.
Die US-Patentanmeldung Nr. 2016/0289619 an Mancosky, die den Prozess des Alterns von Spirituosen zur Gewinnung gealterter Liköre offenbart, beinhaltet die Zirkulation von Spirituosen durch eine Kavitationszone. Das Verfahren und die Vorrichtung erzielen die gleiche Umwandlung von unerwünschten Alkoholen, Aromaextraktion und Farbe wie jahrelange Alterung in einem Eichenfass.
Die WO-Patentanmeldung Nr. 2005/042178 von Lee et al. offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Behandlung von Wein unter Verwendung von Ultraschalltechnologie. Innerhalb des Weins wird Ultraschallkavitation erzeugt, wodurch der Wein dekontaminiert wird.
Im russischen Patent RU2368657 (Denisov et al.) passiert eine alkoholhaltige Flüssigkeit den Aktivator mit Turbulenzteil. Nach der Behandlung von Wodka im Aktivator wird der Gehalt an Aldehyden, Fuselölen, Estern und Methylalkohol darin verringert.
Dementsprechend besteht ein Bedarf an einem effizienteren und konsistent wiederholbaren Behandlungsverfahren zur Reinigung von Getränkeflüssigkeiten, um die organoleptischen Eigenschaften der Getränkeflüssigkeiten zu verbessern. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese Anforderungen und bietet andere damit verbundene Vorteile.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung offenbart ein System und ein Verfahren zur Reinigung von Trinkwasser, Alkohol und alkoholischen Getränken von mikrobiologischen und chemischen Verunreinigungen, Mikropartikeln und kolloidalen Partikeln. Das Verfahren und die Vorrichtung basieren auf der Wirkung von hydrodynamischer Kavitation auf Partikel, kolloidale Partikel, mikrobiologische und chemische Verunreinigungen. Der Flüssigkeitsstrom bewegt sich mit hoher Geschwindigkeit, um hydrodynamische Kavitationsmerkmale im Flüssigkeitsstrom zu erzeugen, um Änderungen der Geschwindigkeit, des Drucks, der Temperatur, der chemischen Zusammensetzung und der physikalischen Eigenschaften des Flüssigkeitsstroms zu erzeugen, um die Konzentration von Verunreinigungen zu verringern und die Lebensdauer der Membranen und Filter zur Reinigung von Flüssigkeiten von mikrobiologischen, chemischen und mechanischen Verunreinigungen zu erhöhen.
Das Verfahren umfasst die Anwendung der Reinigung alkoholischer Getränke von mikrobiologischen und chemischen Verunreinigungen, Partikeln und kolloidalen Partikeln Durchfluss hydrodynamische Kavitation auf einen kontaminierten Flüssigkeitsstrom.
Dementsprechend sind neben den hier beschriebenen Zielen und Vorteilen der Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsaufbereitung mehrere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindungen:

o Bereitstellung eines Verfahrens, das einen hohen Durchsatz bei gleichzeitig hoher Reinigungseffizienz bietet.
o Bereitstellung einer Vorrichtung, die schnelle Änderungen der Geschwindigkeit, des Drucks, der Temperatur, der chemischen Zusammensetzung und der Eigenschaften eines Flüssigkeitsstroms erzeugt.
o Bereitstellung eines kompakten Geräts zur Verwendung in einer Industrieanlage und einer Haushaltsversion zu Hause.
o Bereitstellung einer kompakten Vorrichtung, in der die Kavitation die Zerstörung von Verunreinigungen erleichtert.
o Bereitstellung eines Systems, das organoleptische Indizes alkoholischer Getränke erhöht.

Die vorliegende Erfindung ist auf ein System zur Reinigung und Verbesserung der organoleptischen Eigenschaften von Getränken gerichtet, indem unter anderem Verunreinigungen reduziert werden, die Geschmack, Aroma und visuelle Qualität beeinflussen. Das System beinhaltet einen Getränkebehälter, einen Motor, eine Pumpe und eine Rohranordnung aufweisend ein Extraktionsrohr und ein Kavitationsrohr. Die Pumpe ist dazu ausgelegt, Flüssigkeit aus dem Getränkebehälter durch das Extraktionsrohr zu ziehen. Der Auslass aus der Pumpe leitet die Getränkeflüssigkeit mit ausreichendem Druck und ausreichender Flüssigkeitsströmungsrate durch das Kavitationsrohr, um eine hydrodynamische Kavitation an einem oder mehreren Kavitatorelementen im Kavitationsrohr zu erzeugen, die die verarbeitete Flüssigkeit in den Getränkebehälter zurückführt.
Die vorliegende Erfindung ist auf ein System zur Reinigung und Verbesserung der organoleptischen Eigenschaften von Getränkeflüssigkeiten gerichtet. Das System beinhaltet einen Getränkebehälter aufweisend einen im Wesentlichen zylindrischen, länglichen Körper zum Aufnehmen der Getränkeflüssigkeit. Eine Verarbeitungsvorrichtung ist zum abgedichteten Einführen in eine offene Oberseite des Getränkebehälters ausgebildet. Die Verarbeitungsvorrichtung beinhaltet eine Getränkepumpe aufweisend einen Einlass und einen Auslass, eine Rohranordnung und einen Motor. Die Verarbeitungsvorrichtung kann ferner eine Antriebswelle enthalten, die fest mit einem Rotor im Motor in Eingriff steht und sich in die Pumpe erstreckt, wo sie fest mit einem Antriebszahnrad in der Pumpe in Eingriff steht.
Die Rohranordnung ist selektiv und entfernbar mit der Pumpe verbunden. Die Rohranordnung weist ein Extraktionsrohr auf, das fluidisch mit den Einlass an der Pumpe verbunden ist, und ein Auslassrohr, das fluidisch mit dem Auslass an der Pumpe verbunden ist. In einer ersten bevorzugten Ausführungsform sind das Extraktionsrohr und das Auslassrohr vorzugsweise in einer nebeneinander angeordneten Konfiguration angeordnet, die ferner einen ersten Dichtungsring umfasst, der um das Extraktionsrohr angeordnet ist, wo dieses mit dem Einlass verbunden ist, und einen zweiten Dichtungsring, der um das Auslassrohr angeordnet ist, wo dieses mit dem Auslass verbunden ist. Der erste und der zweite Dichtungsring sind vorzugsweise O-Ringe.
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform sind das Extraktionsrohr und das Auslassrohr vorzugsweise in einer konzentrischen Konfiguration angeordnet, wobei das Auslassrohr innerhalb des Extraktionsrohrs angeordnet ist und sich sowohl von einem oberen Ende als auch einem unteren Ende des Extraktionsrohrs erstreckt. Das Verbindungselement umschließt sowohl ein oberes Ende des Auslassrohrs als auch das obere Ende des Extraktionsrohrs und umfasst ferner einen ersten Dichtungsring und einen zweiten Dichtungsring, die um das Verbindungselement angeordnet sind, wo es mit der Pumpe verbunden ist.
In jeder Ausführungsform umfasst das Auslassrohr eine Kavitatorvorrichtung, die aus mehreren Kavitationselementen besteht, die entlang einer Länge des Auslassrohrs angeordnet sind. In der ersten bevorzugten Ausführungsform umfassen die mehreren Kavitationselemente jeweils eine verdrehte Platte aufweisend eine Breite, die im Wesentlichen gleich einem Durchmesser des Auslassrohrs ist. Das Auslassrohr weist vorzugsweise mindestens zwei Kavitationselemente auf, wobei jedes Kavitationselement eine verdrehte oder spiralförmige Platte umfasst, die entlang des Kavitationsrohrs angeordnet ist. Das Kavitationsrohr beinhaltet bevorzugt mehrere Kavitationselemente, die entlang der Länge des Kavitationsrohrs beabstandet sind und ungefähr die Hälfte seiner Gesamtlänge davon einnehmen. Jedes der mehreren Kavitationselemente ist in dem Auslassrohr durch einen Sicherungsring gesichert und abgedichtet, der zwischen dem Kavitationselement und einer Wand des Auslassrohrs angeordnet ist. Der Sicherungsring besteht aus Polyoxymethylen.
In der zweiten bevorzugten Ausführungsform umfasst zusätzlich zu der verdrehten Platte jedes der mehreren Kavitationselemente ferner ein Venturi-Rohrelement, das unmittelbar nach jeder verdrehten Platte angeordnet ist. Die Vielzahl von Kavitationselementen ist in dem Auslassrohr durch einen oberen Sicherungsring, der in einem oberen Ende des Auslassrohrs angeordnet ist, und einen unteren Sicherungsring, der in einem unteren Ende des Auslassrohrs angeordnet ist, gesichert und abgedichtet. Der obere Sicherungsring und der untere Sicherungsring bestehen beide aus einem Polyacetal-Copolymermaterial oder Polyoxymethylen (wie POM-C™ von Nylacast Ltd. Co.) oder ähnlichem Material.
Das Kavitieren der Getränkeflüssigkeit beinhaltet das Erzeugen hydrodynamischer Kavitation in der Flüssigkeit durch Änderung der Flüssigkeitsgeschwindigkeit und des Flüssigkeitsdrucks im Kavitationsrohr. Die hydrodynamische Kavitation verändert die Temperatur, die chemische Zusammensetzung und die physikalischen Eigenschaften der Behandlungsflüssigkeit. Das Pumpen kann als kontinuierliche Charge durchgeführt werden, wobei die verarbeitete Flüssigkeit in den Getränkebehälter zurückgeführt wird, um mit der verbleibenden Flüssigkeit gemischt zu werden und zur erneuten Verarbeitung durch das Extraktionsrohr gezogen zu werden.
Die Getränkeflüssigkeit kann Alkohol wie Wodka, Brandy, Whiskey, Rum, Gin, Wein und wässrige Lösungen natürlicher oder synthetischer Alkohole enthalten. Die alkoholischen Getränke können roh, filtriert oder gereinigt sein. Die Getränkeflüssigkeit kann auch Trinkwasser, Leitungswasser, artesisches Wasser, Brunnenwasser, Quellwasser, Wasser aus Seen oder Süßwasser enthalten.
Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren zur Reinigung und Verbesserung der organoleptischen Eigenschaften von Getränken gerichtet. Das Verfahren beginnt mit der Bereitstellung des Behälters, der eine Menge zu reinigender Getränkeflüssigkeit enthält. Die Verarbeitungsvorrichtung wird vorzugsweise so in den Behälter eingeführt, dass sich das Extraktionsrohr und das Auslassrohr in die Menge an Getränkeflüssigkeit erstrecken. Ein Teil der Getränkeflüssigkeit wird aus dem Behälter in das Extraktionsrohr gezogen. Der aus dem Extraktionsrohr entnommene Teil der Getränkeflüssigkeit wird dann in das Auslassrohr gepumpt. Beim Pumpen in das Auslassrohr wird der Teil der Getränkeflüssigkeit über mehrere Kavitationselemente geleitet, die entlang des Auslassrohrs verteilt sind. Hydrodynamische Kavitation wird in dem Teil der Getränkeflüssigkeit erzeugt, wenn dieser jedes der mehreren Kavitationselemente passiert. Der Teil der Getränkeflüssigkeit wird dann aus dem Auslassrohr zurück in den Behälter abgegeben.
Die Verarbeitungsvorrichtung umfasst ferner einen monolithischen Motor und eine Pumpe, aufweisend einen Einlass an der mit dem Extraktionsrohr verbundenen Pumpe und einen Auslass an der mit dem Auslassrohr verbundenen Pumpe. In einer ersten bevorzugten Ausführungsform sind das Extraktionsrohr und das Auslassrohr in ihrer relativen Ausrichtung im Wesentlichen parallel. In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform sind das Extraktionsrohr und das Auslassrohr in ihrer relativen Ausrichtung im Wesentlichen konzentrisch. Das Verfahren beinhaltet ferner das Wiederverwenden des Teils der Getränkeflüssigkeit, der aus dem Auslassrohr abgegeben wird, durch Mischen mit der Getränkeflüssigkeit in dem Behälter. Der Prozess beinhaltet auch das Wiederholen der Zieh-, Pump-, Durchlauf-, Erzeugungs- und Auslassschritte für eine vorbestimmte minimale Verarbeitungszeit.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierteren Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, die beispielhaft die Grundlagen der Erfindung veranschaulichen.
Figurenliste
Die beigefügten Zeichnungen veranschaulichen die Erfindung. Die Zeichnungen zeigen Folgendes:

1 ist eine perspektivische Ansicht des Flüssigkeitsverarbeitungssystems einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Draufsicht auf den Getränkebehälter aus dem Flüssigkeitsverarbeitungssystem der bevorzugten Ausführungsform;
3 ist eine perspektivische Ansicht einer Verarbeitungsvorrichtung des Flüssigkeitsverarbeitungssystems einer ersten bevorzugten Ausführungsform;
4 ist eine teilweise Explosionsperspektive der Verarbeitungsvorrichtung des Flüssigkeitsverarbeitungssystems der ersten bevorzugten Ausführungsform;
5 ist eine Nahansicht der Rohranordnung von der Verarbeitungsvorrichtung des Flüssigkeitsverarbeitungssystems der ersten bevorzugten Ausführungsform;
6 ist eine perspektivische Teilquerschnittsansicht der Verarbeitungsvorrichtung, die die Rohranordnung der ersten bevorzugten Ausführungsform im Querschnitt zeigt;
7 ist eine perspektivische Teilquerschnittsansicht der Verarbeitungsvorrichtung, die die Pumpe und den Motor der ersten bevorzugten Ausführungsform im Querschnitt zeigt;
8 ist eine Explosionsperspektive der Verarbeitungsvorrichtung des Flüssigkeitsverarbeitungssystems der ersten bevorzugten Ausführungsform;
9 ist eine perspektivische Ansicht einer Verarbeitungsvorrichtung des Flüssigkeitsverarbeitungssystems einer zweiten bevorzugten Ausführungsform; 10 ist eine teilweise Explosionsperspektive der Verarbeitungsvorrichtung des Flüssigkeitsverarbeitungssystems der zweiten bevorzugten Ausführungsform;
11 ist eine perspektivische Teilquerschnittsansicht der Verarbeitungsvorrichtung, die die Rohranordnung der zweiten bevorzugten Ausführungsform im Querschnitt zeigt;
12 ist eine perspektivische Teilquerschnittsansicht der Verarbeitungsvorrichtung, die die Pumpe und den Motor der zweiten bevorzugten Ausführungsform im Querschnitt zeigt; und
13 ist eine Explosionsperspektive der Verarbeitungsvorrichtung des Flüssigkeitsverarbeitungssystems der zweiten bevorzugten Ausführungsform.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung richtet sich auf ein System und ein Verfahren zur Reinigung und Verbesserung der organoleptischen Eigenschaften von Getränken, insbesondere alkoholischen Getränken. Im Folgenden wird das System allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet, wenn die erste bevorzugte Ausführungsform beschrieben wird, und mit 10', wenn die zweite bevorzugte Ausführungsform beschrieben wird. Auf ähnliche Teile wird unter Verwendung ähnlicher Teile- oder Bezugszeichen in den beiden bevorzugten Ausführungsformen Bezug genommen.
In der ersten bevorzugten Ausführungsform, die in den 1 bis 8 dargestellt ist, beinhalten die Hauptkomponenten des Systems 10 einen Flüssigkeitsbehälter 12 und eine Verarbeitungsvorrichtung 14, wobei die Verarbeitungsvorrichtung 14 derart ausgebildet ist, dass sie in den Behälter 12 eingesetzt werden kann. Wie in den 1 - 2 gezeigt, ist der Behälter 12 im Wesentlichen zylindrisch mit einer offenen Oberseite 12a und einem geschlossenen Boden 12b. Der Behälter 12 hat eine ausreichende Größe, um eine Menge an Getränkeflüssigkeit aufzunehmen, die zur Verarbeitung erwünscht ist. Das System 10 kann verwendet werden, um die Eigenschaften der Getränkeflüssigkeit für eine einzelne Person oder eine größere Menge zu reinigen und zu verbessern. Am meisten bevorzugt wird das System 10 verwendet, um eine große Menge an Getränkeflüssigkeit wie einen Liter oder eine Gallone oder mehr zu verarbeiten. Das System 10 ist für den privaten oder persönlichen Gebrauch ausgelegt, aber die Grundprinzipien können skaliert werden, um kommerzielle Mengen an Getränkeflüssigkeit aufzunehmen.
Wie in 3 gezeigt, besteht die Verarbeitungsvorrichtung 14 hauptsächlich aus einer Rohranordnung 16, einer Pumpe 18 und einem Motor 20. Die Rohranordnung 16 ist hauptsächlich ein Extraktions- und Auslasselement, das dazu bestimmt ist, Getränkeflüssigkeit aus dem Behälter 12 herauszuziehen und dann die verarbeitete Getränkeflüssigkeit in den Behälter 12 zurückzuführen. Die Rohranordnung 16 weist ein Extraktionsrohr 22 und ein Auslassrohr 24 auf, die sich beide durch die offene Oberseite 12a in den Behälter 12 und im Wesentlichen die gesamte Länge des Behälters 12 erstrecken, um nahe am geschlossenen Boden 12b des Behälters 12 zu enden.
Das Extraktionsrohr 22 und das Auslassrohr 24 sind in einem Rohrgehäuse 26 befestigt, das entfernbar mit der Verarbeitungsvorrichtung 14 verbunden ist, wie in den 4 - 5 gezeigt. Das Rohrgehäuse 26 ist mit der Unterseite der Pumpe 18 durch Einführen eines Extraktionsrohrkopfes 22a und eines Auslassrohrkopfes 24a in eine Einlassöffnung 34a und eine Auslassöffnung 34b (8) an der Unterseite der Pumpe 18 verbunden. Die Rohrköpfe 22a, 24a haben eine sehr enge Presspassung mit den Öffnungen 34a, 34b an der Unterseite der Pumpe 18. Wie im Querschnitt von 6 gezeigt, beinhalten die Öffnungen 34a, 34b eine Dichtung 22b, 24b um jeden Rohrkopf 22a, 24a, um ein Austreten von Flüssigkeit zu verhindern. Für das Extraktionsrohr 22 ist die Dichtung 22b vorzugsweise ein O-Ring oder ähnliches. Für das Auslassrohr 24 kann die Dichtung 24b eine beliebige Dichtungsart sein, um ein Rohr in einer Öffnung, einschließlich eines O-Rings, fluidisch abzudichten.
Ein Verriegelungsstift 28 ist auf mindestens einer Seite des Rohrgehäuses 16, vorzugsweise jedoch auf beiden Seiten, vorhanden. Der Verriegelungsstift 28 weist einen versetzten Kopf 28a oder eine ähnliche Struktur auf, die dazu ausgebildet ist, in eine Kerbe oder Nut 28c (8) an der Unterseite der Pumpe 18 einzugreifen. Der Verriegelungsstift 28 ist vorzugsweise elastisch vorgespannt, so dass der versetzte Kopf 28a vollständig in die Kerbe 28c eingreift. Die Rohranordnung 16 kann durch Drücken auf den Knopf 28b von der Pumpe 18 entfernt werden, um der elastischen Vorspannung des Verriegelungsstifts 28 entgegenzuwirken und den versetzten Kopf 28a von der Kerbe 28c zu lösen. Die Rohranordnung 16 kann dann von der Pumpe 18 entfernt werden, indem sie in Richtung des in 5 gezeigten Pfeils gezogen wird.
Das Rohrgehäuse 26 ist im Wesentlichen eine Einfassung für die oberen Enden der Rohre 22, 24. Wie im Querschnitt in 6 gezeigt, ist das Rohrgehäuse im Wesentlichen ein Durchgangskörper, wobei das Extraktionsrohr 22 und das Auslassrohr 24 so durchgehen, dass die Rohrköpfe 22a, 24a aus der Oberseite des Rohrgehäuses 26 herausragen. Das Extraktionsrohr 22 ist ein offenes, zylindrisches Grundrohr, das als Strohhalm dient, um die Getränkeflüssigkeit aus dem Behälter 12 unter Absaugen von der Pumpe 18 zu ziehen. Vorzugsweise befindet sich das Ende des Extraktionsrohrs 22 in der Nähe des Bodens 12b des Behälters 12, um Flüssigkeit aus allen Teilen des Behälters 12 zu ziehen.
Das Auslassrohr 24 führt Getränkeflüssigkeit von der Pumpe 18 zum Behälter 12 zurück. Das Auslassrohr hat ein äußeres offenes Rohr 24b, das mindestens eine, vorzugsweise jedoch mehrere, Kavitationselemente 30 enthält, die über die Länge des offenen Rohrs 24b verteilt sind. Die Kavitationselemente 30 umfassen jeweils eine spiralförmige Form oder eine verdrehte Platte, die dazu ausgelegt ist, eine Verdrehung oder Turbulenz in dem Flüssigkeitsstrom zu verursachen, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Jedes Kavitationselement 30 wird vorzugsweise durch einen Ring 32 an Ort und Stelle gehalten, der dazu ausgebildet ist, eine Reibpassung zwischen dem Kavitationselement 30 und der Wand des Rohrs 24b zu erzeugen. Der Ring 32 besteht vorzugsweise aus einem lebensmitteltoleranten und alkoholbeständigen Material wie einem Polyacetal-Copolymer-Material oder Polyoxymethylen (POM-C™ von Nylacast Ltd. Co.) oder ähnlichem Material. Am meisten bevorzugt enthält das Auslassrohr 24 ausreichend Kavitationselemente 30, so dass die Kavitationselemente 30 bei gleichmäßigem Abstand entlang der Länge des Auslassrohrs 24 kumulativ mindestens die Hälfte der Länge des Auslassrohrs 24 einnehmen.
Die Kavitationselemente 30 zum Erzeugen von Kavitation in der Getränkeflüssigkeit umfassen vorzugsweise eine verdrehte Platte oder ein ähnliches Element, um eine Spirale zu bilden, um den Flüssigkeitsstrom zum Beginn der Kavitation zu straffen. Das Verdrehen des Flüssigkeitsstroms durch die Spirale sorgt für ausreichende Turbulenz in dem Strom, um Makrowirbel in dem Flüssigkeitsstrom zu erzeugen, was von lokalen Druckabnahmen auf den gesättigten Dampfpunkt der Flüssigkeit bei der gegebenen Temperatur begleitet wird. In diesem Fall sind die richtigen Bedingungen für das Wachstum von Kavitationskernen in den Kavitationsblasen erreicht. Die gebildeten Kavitationsblasen pulsieren und implodieren in stromabwärtigen Zonen zwischen jedem der mehreren Kavitationselemente 30.
7 zeigt die Pumpe 18 und den Motor 20 in Querschnittsansicht, um die jeweiligen Teile und ihre Verbindungen darin detailliert darzustellen. 8 zeigt alle Teile der Pumpe 18 und des Motors 20 in einer Explosionsansicht, um deren Zusammenbau und Betrieb näher zu beschreiben.
Die Pumpe 18 ist wie oben beschrieben mit der Rohranordnung 16 verbunden. Insbesondere ist die Rohranordnung 16 mit einer Grundplatte 34 am Pumpenkörper 18a verbunden. Ein oder mehrere Haltestifte 36 sind vorzugsweise enthalten, um die Grundplatte 34 in einer festen Drehposition relativ zum Pumpenkörper 18a zu verriegeln. Die Grundplatte 34 ist das Element, das die Einlassöffnung 34a und die Auslassöffnung 34b zum Eingriff mit den Rohrköpfen 22a, 24a wie beschrieben beinhaltet.
Die Pumpe 18 umfasst ein Gehäuse oder einen Körper 18a, der ein Antriebszahnrad 38 und ein angetriebenes Zahnrad 40 umschließt, die in einer Arbeitskammer 42 miteinander in Eingriff stehen, die sowohl mit der Einlassöffnung 34a als auch mit der Auslassöffnung 34b fluidisch verbunden ist. Eine Vielzahl von Dichtungen (gezeigt, aber nicht nummeriert) ist enthalten, um gegen Undichtigkeiten im Eingang der Einlassöffnung 34a und der Auslassöffnung 34b zur Arbeitskammer 42 abzudichten. Zusätzliche Dichtungen (gezeigt, aber nicht nummeriert) sind in dem Pumpengehäuse 18a oberhalb der Arbeitskammer 42 enthalten, um das Einbringen von Getränkeflüssigkeit in den Hauptkörper 18a der Pumpe 18 zu verhindern. Zusätzlich ist eine Vielzahl von Stiften (gezeigt, aber nicht nummeriert) enthalten, um eine relative Drehung der verschiedenen Teile des Pumpenkörpers 18a zu verhindern.
Das angetriebene Zahnrad 40 ist fest auf einer Leerlaufwelle 44 befestigt, die vollständig in dem Pumpenkörper 18a enthalten ist. Die Leerlaufwelle 44 ist unter Verwendung mehrerer reibungsarmer Lager (gezeigt, aber nicht nummeriert) befestigt, um eine relativ unbeeinträchtigte Drehung der Leerlaufwelle 44 während des Betriebs zu ermöglichen. Sicherungsringe (gezeigt, aber nicht nummeriert) sind enthalten, um die Lager auf der Leerlaufwelle 44 in Position zu halten.
Das Antriebszahnrad 38 ist fest auf einer Antriebswelle 46 befestigt, die sich aus der Oberseite des Pumpenkörpers 18a heraus erstreckt. Die Antriebswelle ist auf mindestens einem reibungsarmen Lager (gezeigt, aber nicht nummeriert) befestigt, um eine relativ unbeeinträchtigte Drehung der Antriebswelle 46 während des Betriebs zu ermöglichen. Zusätzliche reibungsarme Lager können enthalten sein, um die Stabilität zu erhöhen. Sicherungsringe (gezeigt, aber nicht nummeriert) sind enthalten, um die Lager auf der Antriebswelle 46 in Position zu halten.
Die Antriebswelle 46 erstreckt sich von der Oberseite des Pumpenkörpers 18a und in den Motor 20. Der Motor 20 umfasst einen Stator 48 und einen umlaufenden Rotor 50, der konzentrisch auf der Antriebswelle 46 angeordnet ist. Der Stator 48 ist ein üblicher drahtgewickelter Stator 48, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Der Stator 48 ist an dem Pumpenkörper 18a durch einen zwischen den beiden angeordneten dielektrischen Ring 52 befestigt. Der dielektrische Ring 52 dient dazu, die Pumpe 18 gegen die Leitung von elektrischem Strom vom Motor 20 zu isolieren.
Der Rotor 50 hat einen Stahlring 54, der mehrere Magnete 56 um seinen Umfang trägt, und eine Abdeckscheibe 58, die auf die Oberseite des Stahlrings 54 pressgepasst ist. Die Abdeckscheibe 58 weist eine zentrale Säule 58a auf, die derart ausgebildet ist, dass sie über die Oberseite der Antriebswelle 46 passt und den Rotor 50 wie einer Schraube oder einem anderen Sicherungsmechanismus daran verriegelt. Ein Schlüsselfixierungselement 60 wird vorzugsweise verwendet, um den Rotor 50 mit der Antriebswelle 46 zu verbinden und eine angemessene Übertragung des Drehmoments sicherzustellen.
Das System 10 zur Reinigung und Verbesserung der organoleptischen Eigenschaften von Getränken, insbesondere von alkoholischen Getränken, wird vorzugsweise in einem Maßstab hergestellt, der für ein Einzelchargen-Tisch-Heimgerät geeignet ist, kann jedoch in einer industriellen Version für hohe Leistung und Volumendurchsatz hergestellt werden. Eine bevorzugte Ausführungsform der Tischversion des Systems 10 ist in der isometrischen Ansicht in 1 gezeigt. In dieser Ausführungsform hat der Behälter 12 vorzugsweise eine Kapazität von 0,2-1,0 Gallonen Volumen. Die Verarbeitungsvorrichtung 14 wird in den Behälter 12 eingeführt, so dass sich die Rohranordnung 16 in Richtung des Bodens 12b erstreckt.
Das erfindungsgemäße Getränkeflüssigkeitsbehandlungssystem 10 funktioniert wie folgt. Ein alkoholisches Getränk wird in den Behälter 12 gegossen und die Verarbeitungsvorrichtung 14 wird in den Behälter 12 eingeführt, wobei sich die Rohranordnung 16 in Richtung des Bodens 12b des Behälters 12 erstreckt. Die Oberseite der Verarbeitungsvorrichtung 14 (die die Pumpe 18 und den Motor 20 enthält) bedeckt die offene Oberseite 12a des Behälters 12, um die Getränkeflüssigkeit einzuschließen. Mit einer Stromquelle (nicht gezeigt), die per Kabel oder Batterie versorgt wird, aktiviert der Motor 20 die Pumpe 18, so dass Getränkeflüssigkeit aus dem Behälter 12 in das Extraktionsrohr 22 gezogen wird. Die Pumpe 18 drückt dann die Getränkeflüssigkeit aus dem Extraktionsrohr 22 in das Auslassrohr 24.
Die Wirkung der Pumpe 18 drückt die Getränkeflüssigkeit durch jedes der Kavitationselemente 30, die entlang der Länge des Auslassrohrs verteilt sind. Aufgrund der Beschleunigung, die in der Getränkeflüssigkeit auftritt, wenn sie über die Kavitationselemente 30 läuft, werden Kavitationsblasen wie oben beschrieben gebildet. Die kavitierte Getränkeflüssigkeit wird dann vom Ende des Auslassrohrs 24 zurück in den Behälter 12 ausgestoßen. Die Verarbeitungsvorrichtung 14 läuft kontinuierlich, so dass die behandelte Getränkeflüssigkeit mit der im Behälter 12 verbleibenden Flüssigkeit gemischt und in das Extraktionsrohr 22 zurückgezogen wird, so dass sie durch die Verarbeitungsvorrichtung 14 so lange wiederaufbereitet wird, wie das System betrieben wird.
Eine zweite bevorzugte Ausführungsform, die allgemein in den 9-13 gezeigt ist, arbeitet mit Grundprinzipien, die der ersten bevorzugten Ausführungsform ähnlich sind. In der folgenden Diskussion werden ähnliche Teilenummern für ähnliche Komponenten verwendet. Für die zweite bevorzugte Ausführungsform verwendet das System 10' im Allgemeinen einen Flüssigkeitsbehälter 12, der dem oben für die erste bevorzugte Ausführungsform beschriebenen ähnlich oder identisch ist. Der Unterschied zwischen der ersten und der zweiten bevorzugten Ausführungsform liegt in der Verarbeitungsvorrichtung 14, 14'. Wie in 9 gezeigt, umfasst die Verarbeitungsvorrichtung 14' der zweiten bevorzugten Ausführungsform eine Rohranordnung 16', eine Pumpe 18 ‚und einen Motor 20‘.
Gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform umfasst die Verarbeitungsvorrichtung 14' eine monolithische Anordnung der Rohranordnung 16', der Pumpe 18 ‚und des Motors 20‘, vorzugsweise eines bürstenlosen Motors. 10 zeigt, wie die Rohranordnung 16', die durch ein Rohrrückhalteelement 26' abgedeckt ist, durch Gewinde oder eine ähnliche Struktur auf dem Rückhalteelement 26' selektiv mit einem Anschluss (nicht gezeigt) an der Unterseite der Pumpe 18' verbunden und von diesem trennbar ist. Diese Konfiguration wird bevorzugt, um die Wartung der Pumpe 18' sowie der Rohranordnung 16' zu vereinfachen. Das Rückhalteelement 26' weist vorzugsweise mindestens zwei Dichtungs-O-Ringe 26b' oder ähnliche Dichtungen auf, die um seinen Umfang herum angeordnet sind, um gegen Flüssigkeitslecks abzudichten, wenn das Rückhalteelement 26' an der Pumpe 18' angebracht ist.
In 11 sind die Rohranordnung 16' und das Rückhalteelement 26' in einer Querschnittsansicht gezeigt. Die Rohranordnung 16 ‚umfasst ein Ansaugrohr 22‘, das konzentrisch um ein Kavitationsrohr 24 ‚angeordnet ist. Das Ansaugrohr 22‘ und das Kavitationsrohr 24' sind an ihren oberen Enden 22a', 24a' mit dem Rückhalteelement 26' verbunden, wobei sich das obere Ende 24a' des Kavitationsrohrs 24' leicht über das obere Ende 22a' des Ansaugrohrs 22' erstreckt. Zusätzlich weist das Ansaugrohr 22' eine Länge auf, die kürzer als das Kavitationsrohr 24' ist, so dass, wenn die beiden Rohre 22', 24' an ihren oberen Enden 22a', 24a' mit dem Rückhalteelement 26' verbunden sind, das untere Ende 24b' des Kavitationsrohrs 24' aus dem unteren Ende 22b' des Ansaugrohrs 22' herausragt. Der Längenunterschied zwischen dem Ansaugrohr 22' und dem Kavitationsrohr 24' sollte ausreichend sein, so dass das Ansaugrohr 22' unbehandelte oder gemischte Getränkeflüssigkeit aus dem Behälter 12 zieht anstelle der Getränkeflüssigkeit, die gerade vom unteren Ende 24b' des Kavitationsrohrs 24' abgelassen wurde. Ein Sicherungsring 28' ist um das Kavitationsrohr 24' herum angeordnet und in das untere Ende des Ansaugrohrs 22' eingeführt, um eine ausgerichtete konzentrische Beziehung aufrechtzuerhalten. Dies stellt sicher, dass die Ansaugöffnung 22b' offen und frei ist, um Getränkeflüssigkeit aufzunehmen.
Nachdem Getränkeflüssigkeit durch die Ansaugöffnung 23 nahe dem unteren Ende 22b' des Ansaugrohrs 22' in Pfeilrichtung A eingetreten ist, wandert die Flüssigkeit den Raum zwischen dem konzentrischen Ansaugrohr 22' und dem Kavitationsrohr 24' hinauf. Am oberen Ende der Rohre 22a', 24a' tritt die Flüssigkeit aus dem Ansaugrohr 22' aus und gelangt durch die Auslassöffnung 26a' in eine Arbeitskammer 42 ‚(siehe unten) in der Pumpe 18‘. Es können mehrere Auslassöffnungen 26a' vorgesehen sein. In der Arbeitskammer 42' wird die Flüssigkeit in Pfeilrichtung B zur Oberseite 24a' des Kavitationsrohrs 24' geleitet. Die Flüssigkeit passiert dann die Länge des Kavitationsrohrs 24' und tritt aus dem Boden 24b' in Pfeilrichtung C aus.
Das Kavitationsrohr 24' umfasst mehrere in Reihe angeordnete Kavitationselemente 30'. Jedes Kavitationselement 30' besteht aus einer spiralförmigen Platte 30a', unmittelbar gefolgt von einem Venturi-Rohrelement 30b', wobei der Auslass des Venturi-Rohrelements 30b' in die nächste spiralförmige Platte 30a' führt. Das spiralförmige Plattenelement 30a' funktioniert wie oben beschrieben. Das Venturi-Rohrelement 30b' umfasst eine starke Verengung des Strömungswegs für die Flüssigkeit, bevor es sich nach außen auf die ursprüngliche Breite des Strömungswegs ausdehnt. Eine solche Verengung des Strömungswegs führt durch Anwendung des Bernoulli-Prinzips zu einer starken Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit und einer Abnahme des Fluiddrucks. Eine solche Abnahme des Fluiddrucks führt zur Bildung von Dampfblasen und entsprechenden Kavitationseffekten.
Vorzugsweise gibt es ausreichend Kavitationselemente 30' entlang der Länge des Kavitationsrohrs 24', um die Kavitationsmenge zu maximieren, die entlang der gegebenen Länge auftreten soll. Die obere Einlassöffnung 24a' und die untere Auslassöffnung 24b' beinhalten vorzugsweise Sicherungsringe 32', um die Kavitationselemente 30' an Ort und Stelle zu befestigen. Jeder Sicherungsring 32' kann aus jedem Material hergestellt werden, das eine angemessene Lebensmittel- und / oder Getränketoleranz und Alkoholbeständigkeit aufweist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform bestehen die Ringe 32' aus einem Polyacetal-Copolymermaterial oder Polyoxymethylen, wie POM-C™ von Nylacast Ltd. Co.
Die 12 und 13 zeigen die allgemeine Anordnung der Pumpe 18' und des Motors 20'. Der Motor 20' ist am obersten Ende der Verarbeitungsvorrichtung 14' angeordnet und umfasst einen Stator 48', der in einem Rotor 50' enthalten ist. Der Stator 48' ist aus mehreren Magneten 56' aufgebaut, die um den Umfang eines Stahlrings 54' angeordnet sind. Eine einteilige Antriebswelle 46' geht durch den Stator 48' und ist durch eine Kontermutter oder eine ähnliche Verbindung mit dem Stator 50' verbunden. Ein Schlüsselring 60' verriegelt die Antriebswelle 46' mit dem Rotor 50', um sicherzustellen, dass die Drehung des Rotors 50' die Antriebswelle 46' dreht. Die Antriebswelle 46' erstreckt sich von der Unterseite des Motors 20' und ist das Mittel, mit dem der Motor 20' das erforderliche Drehmoment auf die Pumpe 18' überträgt. Ein dielektrischer Abstandshalter 52' ist an der Unterseite des Motors 20' angeordnet. Eine Vielzahl von Schrauben oder ähnlichen Rückhaltevorrichtungen verbindet den Stator 48' mit dem dielektrischen Abstandshalter 52'.
Der dielektrische Abstandshalter 52' des Motors 20' ist an der Oberseite der Pumpe 18' angebracht, nämlich am Pumpengehäuse 18a', das vorzugsweise aus rostfreiem Stahl oder einem ähnlichen Material hergestellt ist. Das Pumpengehäuse 18a ‚enthält eine Abdeckung 18b‘, die so ausgelegt ist, dass sie beim Durchgang gegen die Antriebswelle 46' abdichtet und ein Austreten der Getränkeflüssigkeit aus der Pumpe 18' verhindert. Die Pumpe 18' beinhaltet einen Rotor 62, der am unteren Ende der Antriebswelle 46' durch Schrumpfen, Schweißung oder ähnliche Verbindungsverfahren angebracht ist. Die Verwendung von Dübeln oder Schrauben ist nicht erforderlich, um die Antriebswelle 46' am Rotor 62 zu befestigen, da dies die Ausfallhäufigkeit erhöhen würde. Der Rotor 62 weist mehrere Rollen 64 um seinen Umfang auf, wobei alle in einem Pumpenzylinder 66 eingeschlossen sind, der aus Kunststoff oder einem ähnlichen Material mit geeigneter Lebensmittel- und Getränketoleranz und -beständigkeit hergestellt ist. Die Anordnung des Pumpenzylinders 66 mit dem Rotor 62 und den Rollen 64 definiert eine Arbeitskammer 42' innerhalb der Pumpe 18', in der Druckerhöhungen wirken, um Getränkeflüssigkeit entsprechend zu extrahieren und abzulassen. Die Arbeitskammer 42' steht in Fluidverbindung mit der Auslassöffnung 26a' und der Oberseite 24a' des Kavitationsrohrs 24', wenn die Rohranordnung 16' an der Pumpe 18' befestigt ist.
Die Antriebswelle 46' erstreckt sich vom Motor 20' und wird durch mehrere Lager 46a' und 46b' an Ort und Stelle gehalten. Ein Clip 68 ist mit Stellschrauben oder ähnlichen Mechanismen an der Antriebswelle 46' befestigt, vorzugsweise zwischen den Lagern 46a', 46b'. Der Clip 68 dient dazu, den Hub der Antriebswelle 46' zu begrenzen. Eine Enddichtung 70 dichtet um die Antriebswelle 46' an der Oberseite des Rotors 62 ab. Eine Gehäuseplatte 72 aus gehärtetem Material ist in dem Pumpengehäuse 18a' neben der Oberseite des Rotors 62 und den Rollen 64 angeordnet, um die Haltbarkeit zu erhöhen und vor Verschleiß zu schützen. Eine untere Abdeckung 74 ist an der Unterseite des Pumpengehäuses 18a' angebracht und umschließt den Rotor 62 und die Rollen 64 von der Unterseite. Die gesamte Anordnung der Pumpe 18' wird durch Schrauben oder ähnliche Vorrichtungen in das Pumpengehäuse 18a' zusammengehalten.
Die Einzigartigkeit der beschriebenen zweiten bevorzugten Ausführungsform besteht darin, dass mit dieser Anordnung die maximale Leistung der Pumpe 18' bei einem gegebenen Druck pro Masseneinheit erreicht wird. Diese Konstruktion der Pumpe 18' bietet ein garantiertes Auswaschen von Restmaterial aus der Pumpengruppe nach dem Ende ihres Betriebs.
Gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform ist die Flüssigkeit, wenn die Flüssigkeit in das Auslassrohr 24 und wiederum in jedes der Kavitationselemente 30 fließt, der Einwirkung von Kavitation ausgesetzt, wobei Kolloide und Partikel, die Verunreinigungen enthalten können, und geschmacksverändernde Verbindungen gelöst werden. Die Verunreinigungen sind unter den chemischen und physikalischen Auswirkungen der Kavitation nicht geschützt. Intensive Stoßwellen und kumulative Fluidstrahlen während des Zusammenbruchs von Kavitationsblasen verursachen die Verteilung von Kolloiden und Partikeln.
An jedem Kavitationselement 30 fließt die Flüssigkeit um die spiralförmige Platte und dann in den offenen Bereich zwischen den Kavitationselementen 30. Wenn die Flüssigkeit relativ zur Oberfläche der spiralförmigen Platte fließt, wirbelt die Flüssigkeit. Die Wirbelströmung unterliegt einer Kavitation, wenn sie mit einer höheren Geschwindigkeit als eine vergleichbare Strömung mit Stromlinien parallel zur Strömungsrichtung durch das Kavitationselement 30 fließt. Die hohe Strömungsgeschwindigkeit in dem Kavitationselement 30 bewirkt eine Verringerung des Strömungsdrucks auf den gesättigten Dampfdruck und die Bildung von Kavitationsblasen, die pulsieren und kollabieren, wenn sie in eine Zone mit erhöhtem Druck im Bereich zwischen den Kavitationselementen 30 oder am Auslass des Auslassrohrs 24 eintreten.
In ähnlicher Weise wird in der zweiten bevorzugten Ausführungsform, wenn die Getränkeflüssigkeit in das Kavitationsrohr 24' fließt, die Flüssigkeit an jedem der Kavitationselemente 30' einer Kavitationswirkung ausgesetzt. Insbesondere stören die spiralförmigen Plattenelemente 30a' eine laminare Strömung, d.h. sie erzeugen eine Wirbelströmung und Kavitation, ähnlich der im Zusammenhang mit der ersten bevorzugten Ausführungsform beschriebenen. Die Venturi-Rohrelemente 30b' erzeugen einen starken Abfall des Flüssigkeitsdrucks, um eine weitere Kavitation in der Flüssigkeit zu erzeugen. Der Auslass aus den Venturi-Rohrelementen 30b', der zu einem verbreiterten Strömungsweg zurückgeführt wird, stellt im Allgemeinen den Fluiddruck auf den Normalwert wieder her, um Kavitation in der Flüssigkeit zu verringern oder zu eliminieren. Der Eintritt der Flüssigkeit in aufeinanderfolgende Kavitationselemente 30' erzeugt wieder Kavitationsmerkmale.
Der Zusammenbruch von Kavitationsblasen erzeugt genug Energie für die Dissoziation von Wasser, Alkohol und anderen Molekülen, gefolgt von der Erzeugung von Protonen, Hydroxylionen, Hydroxylradikalen, Peroxid- und Wasserstoffmolekülen. In diesen Blasen vorhandene Gasmoleküle werden durch mehrere Energie- und Ladungsaustauschprozesse angeregt und beeinflusst. Sauerstoff- und Wasserstoffmoleküle sind an einer Reihe von Reaktionen beteiligt, einschließlich der Bildung von Hydroperoxylradikalen.
Eine Untersuchung mit Raman-Streuspektroskopie und mit Fluoreszenzspektren wurde an mehreren Proben unbehandelter und behandelter Alkohollösungen in verschiedenen Konzentrationen im Bereich von 10% bis 50% durchgeführt. Einige Proben bestanden aus Alkohollösungen, die gemischt und dann einer Kavitationsverarbeitung unterzogen wurden. Andere Proben bestanden aus Alkohollösungen, die gemischt wurden, nachdem die Ethanol- und Wasserkomponenten getrennt einer Kavitationsverarbeitung unterzogen worden waren.
In Bezug auf die Raman-Streuspektroskopie wurde deutlich, dass die niederfrequente Raman-Lizenz von Ethanolmolekülen unempfindlich gegenüber der Kavitationsverarbeitung war. Da der Hauptmechanismus für die intermolekulare Bindung in Wasser-Ethanol-Lösungen die Wasserstoffbindung ist, ist der aufschlussreichste Teil des Schwingungsspektrums der Bereich der Streckschwingungen von OH-Gruppen von 3000 bis 3800 cm^-1. Diese Tests zeigten, dass die Anzahl der OH-Gruppen mit schwacher Wasserstoffbindung in Lösungen, die einer Kavitationsverarbeitung unterzogen werden, größer ist als in unverarbeiteten Lösungen. Zusätzlich ist das Verhältnis der Integralintensitäten der Streckbindungen der CH- und OH-Gruppen in Wasser-Ethanol-Lösungen für Lösungen, die vor der Kavitationsverarbeitung gemischt wurden, signifikant größer als für Lösungen, die gemischt wurden, nachdem die getrennten Komponenten getrennt verarbeitet worden waren.
Diese Untersuchung ergab auch, dass bei hohem Alkoholgehalt (etwa 40 Vol.-%) Cluster von Ethanolmolekülen auftreten, wie durch das Auftreten der Ethanollinie bei 400 MHz NMR gezeigt wird. Solche Ethanolcluster stimulieren den Gaumen anders als Wassercluster oder die Clathrat-ähnlichen Wasser-EthanolCluster. Es wird angenommen, dass Spurenverunreinigungen im Alkohol vor der Kavitationsverarbeitung die Wasserstoffbindung beeinflussen und somit die Komponentenverteilung verändern.
Nach dem Testen mit Fluoreszenzspektren wurde festgestellt, dass in den aus getrennt behandeltem Wasser und Ethanol hergestellten Lösungen die geringste Menge an fluoreszierenden Verunreinigungen vorhanden war. Die Kavitationsverarbeitung führt jedoch zu einer signifikanten Abnahme des Gehalts an organischen Verunreinigungen, die sowohl im UV- als auch im sichtbaren Bereich sowohl im behandelten Alkohol als auch in den daraus hergestellten Alkohollösungen fluoreszieren. Die Kavitationsbehandlung in Zwei-Pass-Systemen, insbesondere in einer hydrodynamischen Hochdruckkavitationsvorrichtung, führte zur Entfernung zusätzlicher Verunreinigungen mit einem Fluoreszenzmaximum von 400-450 nm. Es wird angenommen, dass der Wirkungsmechanismus der Kavitationsbehandlung auf organische Verunreinigungen in wässrigen Alkohollösungen das Aufbrechen von Doppelbindungen in der Kohlenstoffkette und die Verkürzung des konjugierten Systems beinhaltet, was zu einer Verringerung der Absorption von Licht im optischen UV-Bereich und zu einer Abnahme der Fluoreszenzemission führt. Die Kavitationsverarbeitung von Ethanol verringert den Gehalt an mono- und polyaromatischen Verunreinigungsverbindungen, d.h. Derivaten von Benzol, Phenol, Tyrosin, Tryptophan, Benzaldehyd und anderen, signifikant. Eine solche Verringerung von Verunreinigungen verbessert die organoleptischen Eigenschaften von alkoholbasierten Getränken erheblich.
Alkoholische Getränke auf der Basis einer wässrigen Lösung von Alkohol (Wodka, Brandy, Whiskey, Rum, Gin und anderen) sowie Ethanol in Lebensmitteln können Verunreinigungen wie Acetaldehyd und / oder Acetal, Benzol, Methanol, Fuselöle wie Isobutyl, Isoamyl und aktives Amyl, nichtflüchtige Stoffe, Schwermetalle und andere enthalten. Das Vorhandensein dieser Verunreinigungen in alkoholhaltigen Getränken verringert deren Geschmacks- und Aromaqualitäten. Die Kavitationsbehandlung von alkoholischen Getränken und Ethanol führt zur Zerstörung von Verunreinigungen, verringert die Konzentration von Acetaldehyd, Acetal, Benzol, Methanol, Fuselölen, Ausfällung von Schwermetallsalzen, wodurch die organoleptischen Indikatoren alkoholischer Getränke verbessert werden.
Das erfindungsgemäße Getränkeflüssigkeitsbehandlungssystem 10' der zweiten bevorzugten Ausführungsform funktioniert auf ähnliche Weise wie die erste bevorzugte Ausführungsform. Ein alkoholisches Getränk wird in den Behälter 12 gegossen und die Verarbeitungsvorrichtung 14' wird in den Behälter 12 eingeführt, wobei sich die Rohranordnung 16' in Richtung des Bodens 12b des Behälters 12 erstreckt. Die Oberseite der Verarbeitungsvorrichtung 14' (die die Pumpe 18' und den Motor 20' enthält) bedeckt die offene Oberseite 12a des Behälters 12, um die Getränkeflüssigkeit einzuschließen. Mit einer Stromquelle (nicht gezeigt), die per Kabel oder Batterie versorgt wird, aktiviert der Motor 20' die Pumpe 18', so dass Getränkeflüssigkeit aus dem Behälter 12 in das Ansaugrohr 22' gezogen wird. Die Pumpe 18' drückt dann die Getränkeflüssigkeit aus dem Ansaugrohr 22' in das Kavitationsrohr 24'. Die Kavitation tritt wie oben beschrieben auf.
Obwohl verschiedene Variationen bevorzugter Ausführungsformen zur Veranschaulichung ausführlich beschrieben wurden, können verschiedene Modifikationen vorgenommen werden, ohne vom Umfang und Geist der Erfindung abzuweichen. Dementsprechend ist die Erfindung nicht beschränkt, außer wie durch die beigefügten Ansprüche.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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Claims

Ein System zur Reinigung und Verbesserung der organoleptischen Eigenschaften von Getränken, umfassend: einen Getränkebehälter aufweisend einen im Wesentlichen zylindrischen, länglichen Körper; und eine Verarbeitungsvorrichtung, die zum abgedichteten Einsetzen in eine offene Oberseite des Getränkebehälters ausgebildet ist, wobei die Verarbeitungsvorrichtung Folgendes umfasst: eine Getränkepumpe aufweisend einen Einlass und einen Auslass; eine Rohranordnung, wobei die Rohranordnung ein mit dem Einlass verbundenes Extraktionsrohr und ein mit dem Auslass verbundenes Auslassrohr aufweist, wobei das Extraktionsrohr und das Auslassrohr beide derart ausgebildet sind, dass sie sich im Wesentlichen entlang die Länge des länglichen Körpers des Getränkebehälters erstrecken; und einen Motor, der betriebsmäßig mit der Pumpe verbunden ist.
System gemäß Anspruch 1, wobei die Verarbeitungsvorrichtung ferner eine Antriebswelle umfasst, die fest mit einem Rotor im Motor in Eingriff steht und sich in die Pumpe erstreckt und fest mit einem Antriebsrad in Eingriff steht.
System gemäß Anspruch 1, wobei die Rohranordnung durch selektives Eingreifen eines Verbindungselements entfernbar mit der Pumpe verbunden ist.
System gemäß Anspruch 3, wobei das Extraktionsrohr und das Auslassrohr in einer nebeneinander angeordneten Konfiguration angeordnet sind, ferner umfassend einen ersten Dichtungsring, der um das Extraktionsrohr angeordnet ist, wo dieses mit dem Einlass verbunden ist, und einen zweiten Dichtungsring, der um das Auslassrohr angeordnet, wo dieses mit dem Auslass verbunden ist.
System gemäß Anspruch 4, wobei der erste Dichtungsring vorzugsweise ein O-Ring ist.
System gemäß Anspruch 3, wobei das Extraktionsrohr und das Auslassrohr in einer konzentrischen Konfiguration angeordnet sind, wobei sich das Auslassrohr sowohl von einem oberen Ende als auch einem unteren Ende des Extraktionsrohrs erstreckt und das Verbindungselement sowohl ein oberes Ende des Auslassrohrs als auch ein oberes Ende des Extraktionsrohrs umschließt, ferner umfassend einen ersten Dichtungsring und einen zweiten Dichtungsring, die um das Verbindungselement angeordnet sind, wo dieses mit der Pumpe verbunden ist.
System gemäß Anspruch 1, wobei das Auslassrohr eine Kavitatorvorrichtung umfasst, die aus mehreren Kavitationselementen besteht, die entlang einer Länge des Auslassrohrs angeordnet sind.
System gemäß Anspruch 7, wobei die mehreren Kavitationselemente jeweils eine verdrehte Platte aufweisend eine Breite umfassen, die im Wesentlichen gleich einem Durchmesser des Auslassrohrs ist.
System gemäß Anspruch 8, wobei jedes der mehreren Kavitationselemente in dem Auslassrohr durch einen Sicherungsring gesichert und abgedichtet ist, der zwischen dem Kavitationselement und einer Wand des Auslassrohrs angeordnet ist.
System gemäß Anspruch 9, wobei der Sicherungsring aus Polyoxymethylen oder einem Polyacetal-Copolymermaterial hergestellt ist.
System gemäß Anspruch 8, wobei jedes der mehreren Kavitationselemente ferner ein Venturi-Rohrelement umfasst, das unmittelbar nach jeder verdrehten Platte angeordnet ist.
System gemäß Anspruch 11, wobei die mehreren Kavitationselemente in dem Auslassrohr durch einen oberen Sicherungsring, der in einem oberen Ende des Auslassrohrs angeordnet ist, und einen unteren Sicherungsring, der in einem unteren Ende des Auslassrohrs angeordnet ist, gesichert und abgedichtet sind.
System gemäß Anspruch 12, wobei der obere Sicherungsring und der untere Sicherungsring beide aus Polyoxymethylen oder einem Polyacetal-Copolymermaterial hergestellt sind.
Verfahren zur Reinigung und Verbesserung der organoleptischen Eigenschaften von Getränken, umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Behälters, der eine Menge zu reinigender Getränkeflüssigkeit enthält; Einführen einer Verarbeitungsvorrichtung in den Behälter, so dass sich ein Extraktionsrohr und ein Auslassrohr in die Menge der Getränkeflüssigkeit erstrecken; Ziehen eines Teils der Getränkeflüssigkeit aus dem Behälter in das Extraktionsrohr; Pumpen des Teils der Getränkeflüssigkeit aus dem Extraktionsrohr in das Auslassrohr; Leiten des Teils der Getränkeflüssigkeit über mehrere Kavitationselemente, die entlang des Ausstoßrohrs verteilt sind; Erzeugen einer hydrodynamischen Kavitation in dem Teil der Getränkeflüssigkeit, wenn diese jedes der mehreren Kavitationselemente passiert; und Ablassen des Teils der Getränkeflüssigkeit aus dem Auslassrohr zurück in den Behälter.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei die Verarbeitungsvorrichtung ferner einen monolithischen Motor und Pumpe umfasst, die einen Einlass an der mit dem Extraktionsrohr verbundenen Pumpe und einen Auslass an der mit dem Auslassrohr verbundenen Pumpe aufweisen.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei das Extraktionsrohr und das Auslassrohr in ihrer relativen Ausrichtung im Wesentlichen parallel sind.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei das Extraktionsrohr und das Auslassrohr in ihrer relativen Ausrichtung im Wesentlichen konzentrisch sind.
Verfahren gemäß Anspruch 14, ferner umfassend den Schritt des Wiederverwendens des Teils der Getränkeflüssigkeit, der aus dem Auslassrohr durch Mischen mit der Getränkeflüssigkeit in dem Behälter abgegeben wird.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei die Schritte des Ziehens, Pumpens, Passierens, Erzeugens und Auslassens mindestens zehn Minuten lang wiederholt werden.