DE1492360B2

DE1492360B2 - Verfahren zur kontinuierlichen thermischen entkeimung von stroemenden fluessigkeiten

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Publication number: DE1492360B2
Application number: DE19651492360
Authority: DE
Priority date: 1965-07-03
Filing date: 1965-07-03
Publication date: 1971-12-16
Also published as: ES328595A1; DE1492360A1; CH457725A; GB1118095A; NL6609119A; BE683575A; AT268533B; LU51457A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zu einer kontinuierlichen thermischen Entkeimung von strömenden Flüssigkeiten, bei dem die zu behandelnde Flüssigkeit durch einen Kanal mit einer Flüssigkeitsströmungsturbulenz geleitet wird.

Die Versorgung von Großstädten mit flüssigen Nahrungs- und Genußmitteln bzw. der Versand von solchen setzt eine gewisse Haltbarkeit dieser Erzeugnisse voraus. Bekannt ist die Verlängerung der Haltbarkeit durch Pasteurisierung (Erhitzung mit unterschiedlichem Zeitfaktor auf Temperaturen unterhalb von 100⁰C) sowie eine Sterilisation (Erhitzung auf Temperaturen oberhalb von 100⁰C) nach der Richtung, daß in unbegrenzten Volumina der behandelten Flüssigkeiten keine lebensfähigen Keime mehr vorhanden sind. Bekannt ist beispielsweise die Sterilisation von Kondensmilch bei Temperaturen von 115⁰C während einer Zeitdauer von 25 bis 45 Minuten. Dieses Verfahren hat aber den Nachteil, daß es hierbei zwangläufig zu einer starken Substratdenaturierung kommt. Dieser Nachteil läßt sich vermeiden, wenn man die zu behandelnden Flüssigkeiten mit hoher Geschwindigkeit aufheizt. Es ist bekannt, daß man vorgewärmte Milch durch direkte Dampfinjektion (Uperisation) in etwa 2,5 Sekunden auf eine Endtemperatur von 150° C bringen kann. Die Durchführung dieses Verfahrens erfordert einen großen technischen Aufwand.

Die Erwärmung viskoser Flüssigkeiten in dampfbeheizten Wärmeaustauschern ist nun einerseits auf der Flüssigkeitsseite durch deren hohen Wärmeübergangswiderstand und andererseits auf den hohen Strömungswiderstand enger Rohre begrenzt. Bei dampfbeheizten Apparaten ist ferner von wesentlicher Bedeutung die Tatsache, daß die Einhaltung hoher Temperaturen, wie sie für eine Ultrahocherhitzung erforderlich sind, nur durch aufwendige Einrichtungen gesichert werden können. So muß beispielsweise beachtet werden, daß bei einem betriebsbedingten Absinken der Temperatur der Durchfluß der zu behandelnden Flüssigkeit sofort unterbrochen werden muß. Durch Vorsehen einer Schaltautomatik muß dann die Flüssigkeit so lange durch den Erhitzungsapparat hindurchgeführt werden, bis die Nenntemperatur ausreichend lange gehalten worden ist, damit eine beim Absinken der Temperatur etwa erfolgte Infektion des Flüssigkeitsweges eliminiert wird. Im praktischen Betrieb kommt es bei längeren Kreislaufverfahren nicht selten zu Abscheidungen von Flüssigkeitsbestandteilen an der Rohrwandung und sogar zu Verstopfungen des Flüssigkeitsweges.

Bei einer bekannten Einrichtung zum Entkeimen von Flüssigkeiten, insbesondere von flüssigen Nahrungsmitteln und Getränken, wird die zu behandelnde Flüssigkeit durch einen Kanal geleitet, und durch Öffnungen in der Kanalwand wird ein dampf- oder gasförmiger Wärmeträger in die Flüssigkeit eingeführt. Im Innern des Kanals ist ein die Turbulenz der Flüssigkeitsströmung erhöhendes Mittel angeordnet. Hierbei treten die vorstehend beschriebenen Nachteile ebenso auf (schweizerische Patentschrift 306 359).

Es ist weiterhin eine Vorrichtung zur Durchlauferhitzung von Flüssigkeiten mittels direkter elektrischer Widerstandsheizung bekannt. Ein Teil der Durchflußstrecke wird hierbei von Heizelektroden gebildet. Die Geschwindigkeit, mit der die zu behandelnde Flüssigkeit diese Elektrodenstrecke passieit, ist jedoch so niedrig, daß keine Turbulenz stattfindet (deutsche Patentschrift 831132).

Schließlich ist noch ein Verfahren zum Sterilisieren oder Pasteurisieren von Fruchtsäften und ähnlichen leicht verderblichen Flüssigkeiten bekannt, das unter anderem die Nachteile beseitigen soll, die der vorstehend beschriebenen bekannten Vorrichtung anhaften. Dieses bekannte Verfahren arbeitet so, daß die Flüssigkeit mittels elektrischen Stromes durchsetzt wird, der durch entsprechende, in einem Durchflußrohr angeordnete und in Längsrichtung verlaufende Elektroden zugeführt wird. Die Elektroden sind hierbei möglichst so angeordnet, daß die zu behandelnde Flüssigkeit gleichmäßig vom Strom durchsetzt wird (deutsche Patentschrift 638 791). Auch hier wird keine Turbulenz erzeugt.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die vorstehend präzisierten Nachteile vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Flüssigkeit in einem gleichmäßigen konstanten Strom mit einer Strömungsturbulenz entsprechend einer Reynoldschen Zahl

Strömungsgeschwindigkeit in cm/sec · R kinetische Zähigkeit in Stoke

von mindestens 3000 durch eine in an sich bekannter Weise elektrisch beheizte, rohrförmige Vorrichtung geleitet und gegebenenfalls anschließend entspannt wird. In vorteilhafter Weise liegt die Reynoldsche Zahl bei dem Verfahren nach der Erfindung über 5000.

Nach der Erfindung wird die zu behandelnde Flüssigkeit, z. B. Milch, Bier, Obstsäfte, in einem konstanten, gleichmäßigen Strom durch eine rohrförmige Vorrichtung geleitet, deren Wandungen nicht mit Dampf, sondern auf elektrischem Wege beheizt werden, beispielsweise derart, daß die metallischen Wandungen der flüssigkeitsführenden Rohre mittels elektrischen Stroms aufgeheizt werden. Hierbei können in vorteilhafter Weise Rohre aus korrosionsfestem Stahl in ausreichender Länge und passendem Querschnitt verwendet werden, deren Zutritts- und Austrittsöffnungen entsprechend isoliert sind. Das Metallrohr kann spiralig gestaltet oder aus geraden Rohren zusammengesetzt sein, die an ihren Enden mittels eines Krümmers miteinander verbunden sind.

Erfindungsgemäß ist es weiterhin möglich, daß als elektrische Beheizung eine Widerstandsheizung oder eine Heizwicklung vorgesehen ist. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, daß die metallische Wandung des Strömungskörpers, durch den die zu behandelnde Flüssigkeit strömt, einen entsprechenden elektrischen Widerstand bildet, oder auf der Außenseite des Strömungskörpers ist eine Heizwicklung vorgesehen.

Durch die verwendete hochturbulente Strömung erreicht man, daß jedes Flüssigkeitsteilchen infolge der spiralförmig verlaufenden Rotationsbewegung in gleichmäßige Berührungen mit der Rohrwandung kommt und somit eine gleichmäßige Erhitzung jedes Teilchens erfolgt. Dadurch wird einem Anbrennen von Flüssigkeitsteilchen, z. B. von Milchbestandteilen, entgegengewirkt, wie es sonst bei einer laminaren Strömung der Fall ist, bei der bekanntlich die Strö-

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mungsgeschwindigkeit in der Mitte des Flüssigkeits- sind. Diese Krümmer sind gut wärmeisoliert und

stromes größer ist als an den bremsend wirkenden brauchen keine Heizwicklungen zu erhalten.

Wandungen. Am Ausgang des Erhitzers 7 ist ein elektrisches

Da das Verfahren nach der Erfindung mit einem Kontaktthermometer 16 vorgesehen, welches auf die konstant bleibenden, gleichmäßigen Flüssigkeitsstrom 5 gewünschte Behandlungstemperatur der zu behandelndurchgeführt werden soll, wirkt sich auf die End- den Flüssigkeit einstellbar ist. Dieses Kontaktthermobehandlungstemperatur lediglich die Anfangstempera- meter regelt die Rück- bzw. Weiterleitung des behantur der unerhitzten Flüssigkeit aus. Diese ist nun delten Gutes über das Umschaltventil 10 sowie die jahreszeitlich verschieden und entsprechenden Schwan- elektrische Beheizung des Erhitzers 7 und die Durchkungen ausgesetzt. Zur Beseitigung dieses Mangels io satzmenge der Anlage durch Beeinflussung der Zentriwird nach einem weiteren Merkmal der Erfindung fugalpumpe 2.

die Temperatur der die Vorlauf zone durchströmenden Durch das als Dreiwegehahn ausgebildete Umschalt-

Flüssigkeit automatisch so vorgewählt, daß einerseits ventil 10 wird die behandelte Flüssigkeit, wenn sie

ein Kennwert von beispielsweise 2O⁰C nicht unter- am Ausgang des Erhitzers 7 die vorbestimmte Tem-

schritten und andererseits mit Sicherheit eine End- 15 peratur erreicht hatte, in den Wärmeaustauscher 3

temperatur von beispielsweise 150 bis 16O⁰C während und von dort zur weiteren Kühlung geleitet. Diese

einer Durchlaufzeit von 2,5 bis 5 Sekunden durch Ventilstellung ist in F i g. 1 dargestellt,

die Endbehandlungszone bzw. an deren Auslauf Hatte die behandelte Flüssigkeit am Ausgang des

erzielt wird. Dies erreicht man dadurch, daß die Tem- Erhitzers 7 die vorbestimmte Temperatur jedoch

peratur in der Endbehandlungszone auf einen ge- 20 nicht erreicht, was beispielsweise beim Anlaufen der

wünschten, vorbestimmten Wert eingestellt und die Anlage oder bei Betriebsstörungen eintreten kann,

Temperatur in der Vorlaufzone in Abhängigkeit wird das Umschaltventil 10 durch das Kontaktthermo-

hiervon je nach den vorliegenden Verhältnissen und meter 16 betätigt und auf Rücklauf geschaltet, wobei

proportional dem Flüssigkeitsdurchsatz entsprechend eine Ventilstellung gemäß F i g. 2 eingenommen und

automatisch erhöht wird. 25 die Flüssigkeit in die Schlange 3a des Wärmeaus-

Es ist zwar auch möglich, bei relativ niedrigen tauschers 3 zurückgeleitet wird. Der hierdurch erzielte

Anfangstemperaturen der zu behandelnden Flüssig- Kreislauf der Flüssigkeit wird erst wieder unterbro-

keiten die Beheizung der Behandlungszone zu ver- chen, wenn die behandelte Flüssigkeit am Ausgang

stärken, um die v.orbestimmte Endtemperatur der des Erhitzers 7 die vorbestimmte Temperatur erreicht

behandelten Flüssigkeit zu erreichen. Diese Maß- 30 hat, indem dann das Kontaktthermometer 16 anspricht

nähme ist jedoch nur beschränkt anwendbar, da bei und das Ventil 10 auf die Weiterleitungsstellung gemäß

zu hohen Behandlungstemperaturen eine Denaturie- F i g. 1 schaltet,
rung der zu behandelnden Substanz eintreten kann.

Obgleich die Viskosität von Flüssigkeiten, z.B. Beispiel 1

Milch, Obstsäften, mit steigender Temperatur be- 35

kanntlich abnimmt, wird zur sicheren Überwindung Es soll eine Milch entkeimt werden, die mit 8 ⁼ C des hohen Strömungswiderstandes im Rohrsystem an die Molkerei angeliefert worden ist und deren eine geeignete Pumpe, z. B. eine Hochdruckpumpe, Keimgehalt 5 · 10⁵/ml beträgt. Mittels einer mehrfür die Zuführung der Flüssigkeit in die Behandlungs- stufigen Zentrifugalpumpe oder Kolbenpumpe 2 wird zone eingesetzt. 40 die Milch aus einem Behälter 1 angesaugt und mit

In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführung»- konstanter Stundenleistung durch das Aggregat 3 a

form für eine Vorrichtung zur Durchführung des er- hindurchgedrückt. Sie passiert dabei zunächst den

findungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt. Vorwärmer 3 und erreicht hier unter Berücksichtigung

Es zeigt der Anwärmung durch die austretende heiße Milch

Fig. 1 eine vollständige Anlage und 45 (Wärmeaustauscher) eine Temperatur von 8O⁰C.

F i g. 2 einen die Erfindung betreffenden Aus- Danach tritt sie in den eigentlichen Erhitzer 7 ein,

schnitt hiervon. dessen Fließweg so bemessen ist, daß bei der zugeführ-

Aus einem Vorratstank 1 pumpt eine Zentrifugal- ten Wärmemenge die gewünschte Endtemperatur pumpe 2 die erfindungsgemäß zu behandelnde Flüs- (im vorliegenden Fall beispielsweise 135°C) erreicht sigkeit durch die Schlange 3 a eines Wärmeaustau- 50 wird. Danach wird der Flüssigkeitsstrom weiterschers 3 in eine Reinigungszentrifuge 4. Von dort geleitet in die Rückkühlseite des Wärmeausgelangt die Flüssigkeit in eine Entkeimungszentri- tauschers 3 und schließlich durch einen Wasserfuge 5 und wird dann durch die Hochdruckpumpe 6 kühler 11, alsdann durch den Solekühler 12, um schließmit der erforderlichen Strömungsturbulenz dem Er- lieh in einem keimfreien Sammeltank 13 gesammelt hitzer 7 zugeführt, in welchem die Hitzebehandlung 55 zu werden,
erfolgt. An der Ausgangsseite des Erhitzers ist das

Entspannungsgefäß 8 angeschlossen, worin sich die Beispiel 2
behandelte Flüssigkeit entspannt und abkühlt.

Die sich in dem Entspannungsgefäß 8 ansammelnde Die gleiche Ausgangsmilch wie im Beispiel 1 kann

Flüssigkeit wird dann mittels einer weiteren Zentri- 60 einem abgewandelten Verfahren unterworfen werden,

fugalpumpe 9 über das Umschaltventil 10 durch den wobei vor Eintritt in den eigentlichen Erhitzer 7 die

Wärmeaustauscher 3 gedrückt und fließt von dort Flüssigkeit alternativ eine Reinigungs- 4 und/oder

durch den Wasserkühler 11 und den Solekühler 12 eine Entkeimungszentrifuge 5 durchläuft. In diesem

in den Sammeltank 13. Fall werden die Bakterien und Bakteriensporen weit-

Die Behandlungszone innerhalb des Erhitzers 7 ist 65 gehend aus der Milch entfernt, so daß Sterilität bereits

ein schlangenlinienförmiges Rohrsystem aus geraden, unterhalb einer Endtemperatur von 135⁰C (im vor-

außen mit Heizspiralen 14 versehenen Rohrstücken, liegenden Fall beispielsweise bei 105⁰C) erreicht welche durch abnehmbare Krümmer 15 verbunden wird.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zu einer kontinuierlichen thermischen Entkeimung von strömenden Flüssigkeiten, bei dem die zu behandelnde Flüssigkeit durch einen Kanal mit einer Flüssigkeitsströmungsturbulenz geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit in einem gleichmäßigen konstanten Strom mit einer Strömungsturbulenz entsprechend einer Reynoldschen Zahl

Strömungsgeschwindigkeit in cm/sec · R
kinetische Zähigkeit in Stoke

von mindestens 3000 durch eine in an sich bekannter Weise elektrisch beheizte, rohrförmige Vorrichtung geleitet und gegebenenfalls anschließend entspannt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsturbulenz auf eine Reynoldsche Zahl über 5000 eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrische Beheizung eine Widerstandsheizung oder eine Heizwicklung vorgesehen ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zu behandelnde Flüssigkeit dem Rohrsystem mittels einer Hochdruckpumpe zugeführt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der die Vorlaufzone durchströmenden Flüssigkeit automatisch so vorgewählt wird, daß einerseits ein Kennwert von beispielsweise 20⁰C nicht unterschritten und andererseits mit Sicherheit eine End temperatur von 150 bis 16O⁰C während einer Durchlaufzeit von 2,5 bis 5 Sekunden durch die Endbehandlungszone bzw. an deren Auslauf erzielt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen