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Verfahren und Vorrichtung zum Gefrieren von Flüssigkeinen Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum raschen Gefrieren von Flüssigkeiten,
welche ggfO Feststoffe enthalten, vor einer nachfolgenden vollstandigen Entwäs-Ssruflgo
Die Erfindung findet besondere Anwendung als Vorbehandlung für die Entwässerung
von flüssigen Nahrungsmitteln.
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Es wurden bereits zahlreiche Versuche gemacht, trockene flüssige Produkte,
wie z. B. Fruchtsäfte, Gemüsesäfte, Milch, Kafee, Tee und dgl. gefrierzutrocken,
aber die resultierenden Pulver lassen sich entweder nicht rasch in ihre ursprüngliche
Form zurückverwandeln, oder sie ergeben bei der Rückverwandlung nicht mehr das natürliche
Aussehen des Nahrungsmittels, den Geschmack und das Aroma, welches der Verbraucher
gewöhnt ist, Be ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein gefrorenes
Produkt zu schaffen, welches zu Pulverform entwässert werden
kann
und dann wieder mit kaltem Wasser in ein Produkt mit den vorherigen Eigenschaften
zurückverwandelt werden kann, So wird gemäß der Erfindung ein Verfahren zum raschen
Gefrieren von Flüssigkeiten einschließlich Flüssigkeiten, die Feststoffteilchen
enthalten, vorgeschlagen, welches dadurch ausgeführt wird, daß man die Flüssigkeit
unter Hochvaktium und raschem Abzug von in Freiheit gesetztem Wasserdampf durch
einen lSnglichen schlitz in eine Kammer einführt, um sie. augenblicklich in expandierte
Bisklumpen zu gefrieren, die Eisklumpen augenblicklich in Form von gefrorenen Teilchen,
vorzugsweise nicht größer als Erbsengröße, aufbrioht, und die genannten Teilchen
in gefrorenen Zustand mit 80% oder weniger Feuchtigkeitsentfernung und. unter dem
gleichen Hochvakuums und unter der gleichen Dampfabführung einer weiteren Entwässerung
zuführt.
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Gemäß der Erfindung wird weiterhin eine Vorrichtung zum raschen Gefrieren
von PlUs sigkeit en einschließlich Flüssigkeiten, die Feststoffteilchen enthalten,
vorgeschlagen, welche folgende Teile aufweist: einen Vorratstank für die Aufnahme
der zu behandelnden Flüssigkeit bei atmosphärisohem Druck,eine Zuführleitung, die
das Produkt zu einer Zuführkammer bringt, eine Suführkammer mit einem rechteckigen
länglichen Schlitz für die Zuführung des Produkts zu einem ersten Abschnitt einer
Vakuum -kammer, eie zylindrische Vakuumkammer, die zwei fortlaufende und miteinander
in Verbindung ziehende Abschnitte aufweist, wobei der erste Abschnitt einen vergrößerten
Teil mit einem vergrößereten Innenvolumen und radial gerichtete, im Abstand an ordnete
innerlich befestigte Stifte an der inneren Oberfläche des Zylinders besitzt und
wobei der zweite Abschnitt iiber die volle Fläche mit dem ersten Abschnitt in Verbindung
steht, eine drehbare Welle, die sich axial durch beide Abschnitte der zylindrischen
Vakuumkammer erstreckt und radial gerichtete
Stifte entlang des
im ersten Abschnitt liegenden Teils, welche Stifte sich mit der Welle drehen und
zwischen den festen Stiften hindurchgehen, und eine durch den gesamten zweiten Abschnitt
hindurchgehende spiralenförmige Schnecke aufweist, eine Saianelleitung zum Abzug
des in Freiheit gesetzten Wasserdampis mit einer sehr hohen Geschwindigkeit von
beiden Abschnitten der Vakuumkammer, Verbindungseinrichtungen für eine kontinuierliche
Verbindung der zylindrischen Abschnitte mit der Sammelleitung, eine Einrichtung
für die Erzeugung und Aufrechterhaltung eines Vakuums von 2000-100 µ Quecksilber
in der Sammelleitung und eine Abgabeeinrichtung am Ende des zweiten Abschnitts für
die Abnahme der gefrorenen, teilweise entwässerten Teilchen.
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Die durch das erfindungsgemäße Verfahren und der erfindungsmäßen Vorrichtung
gefrorenen flüssigen Nahrungsprodukte kbnnen in Pulverform entwässert und später
wieder mit kaltem Wasser in die ursprüngliche Form zurückverwandelt werden, wobei
dieses zurückverwandelte Produkt das gleiche Aussehen den gleichen Geschmack und
das gleiche Aroma wie das ursprüngliche flüssige Nahrungsprodukt besitzt. Die gefrorenen
Milchprodukte, die gemäß der Erfindung' hergestellt worden sind, erleiden keine
Trennung oder Schädigung des Fettgehalts und kennen in Pulverform entwässert und
unb e schränkt aufbewahrt werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 eine schematische vertikale Ansicht
der Vorrichtung zur Herstellung und Aufbewahrung des gef.rorenen porösen Produkts
welche Vorrichtung einer Vakuumentwässerung vorgeschaltet ist, mit einem Fortsatz
in zwei Einheiten, der in gestrichelten Linien gezeigt ist; Fig 2 einen Vertikalschnitt
an der Linie II-II von Fig. 1; Fig. 3 einen Vertikalschnitt des Eintritts im vergrößerten
Maßstab; und Figb 4 eine schematische Darstellung des Schlitzentritte in Aufsicht.
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In den Zeichnungen bezeichnen bei den verschiedenen Ansichten gleiche
Bezugszeichen gleiche Teile, Zu Fig. 1 ist festsustellen, daß nur eine Einheit gezeigt
ist. Es wird jedoch darauf, hingewiesen, daß viele Einheiten vorhanden sein können,
wie dies durch gestrichelte Linien angedeutet ist, die durch eine gemeinsame Sammelleitung
verbunden sein können, welche die Flüssigkeitsdämpfe wegführt, wobei jede Einheit
eine gesondere Vorrichtung darstellt.
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Ein Lagertank für frische Flüssigkeit ist mit 10 bezeichnet.
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Eine Meßvorrichtung (nioht gezeigt) kann dazu verwendet werden, das
frische flüssige Produkt durch die Leitung 11 einer Kammer 12 zuzumessen. Jedoch
ist der Fluß der Flüssigkeit im allgemeinen aufgrund des sehr niedrigen Druckes
oder hohen Vakuums in der Rammer 12 ausreichend0 Für den Zuführungsstrom ist ein
schlitzförmiger Eintritt 41 vorgesehen, so daß ein Verstopfen mit Eie nicht Stattfinden
kann0 Die Beschickung aus dem Reeervoir
10 macht in der Leitung
11 einen rechten Winkel 42 und tritt in die Zuführkammer 43 eine Diese Kammer besitzt
einen rechtwinkligen Querschnitt und besitzt an der Oberseite einen verhältnisinäßig
schmalen Schlitz 44. Dieser Schlitz steht mit der Kammer 12 über einen entsprechenden
Schlitz an der Unterseite der Kammer 12,wie es in Fig. 3 gezeigt ist, in Verbindung.
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Die Kammer 12 kann eine zylindrische Form aufweisen, wie dies gezeigt
ist, und ist innerlich mit einer kastenartigen Struktur 14 verbunden, welche die
Ausdehnung des gefrorenen Produkts an diesem Punkt berücksichtigt. Es sind Einrichtungen
(nicht gezeigt) vorgesehen, durch welche die Vorrichtung zugänglich ist und gereinigt
werden kann0 Axial zur Kammer 12 verläuft eine Welle die in vakuumdichten Lagern
16 und 17 gelagert ist. Innerhalb der Kammer 12 sind Stifte 18 radial an der Welle
15 am Eintrittsende des Produkts vor'-gesehen, die sich mit der Welle drehen. Die
Welle 15 wird fort laufend durch daß Zahnrad 20 angetrieben, welche mit einer ge
eigneten Antriebsvorrichtung für eine kontinuierliche und im wesentlichen gleichförmige
Drehung mit einer festen Geschwindigkeit verbunden ist. Der Antrieb für das Zahnrad
20 kann ein Motor mit veränderbarer Geschwindigkeit sein, so daß die Drehgeschwindigkeit
gemäß den Erfordernissen des Produkts, welches dieser Vor; behandlung unterworfen
wird, eingestellt werden kann.
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Ebenfalls mm Eintrittsende 12 irad zusammenarbeitend mit den eich
drehenden Stiften 18 sind radial abstehende stationäre Stifte 21 vorgesehen, die
in Abständen im Innenraum befestigt sind, eo daß die sich drehenden Stifte 18 auf
der Welle 15 zwischen deni selben knapp hindurchgohen können. Innerhalb der Kammer
14 ist ein angewinkeltes Leitblech 41 vorgesehen, um den Dampf tritt 32 abzuschirmen.
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Die Kammer 12 ist direkt mit der Kammer 22 verbunden, die in Wirklichkeit
eine Fortsetzung der ersteren darstellt und welche ihrerseits mit der T-förmigen
Kammer 32 verbunden ist. Auf der Welle 15 innerhalb der Kammern 22 und 23 ist ein
Schneckenför derer 24 vorgesehen, der das Material in Richtung des Pfeils zu einem
vertikalen Ansatz an der Kammer 23 bewegt. Der vertikale Ansatz an der Rammer 23
steht direkt mit dem Lagerungstank 25 in Verbindung, an dessen Abgabeende ein Luftabsperrventil
26, eine Zwischenabgabeleitung 27 und ein Endluftabsperrventil 28 vorgesehen sind.
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Mit dem Tank 25 und der Leitung 27 ist ein Ventil 30 verbunden, welches
durch eine Magnetspule 91 betätigt' wird, die ihrerseits so wirkt, daß das Vakuwn
im Tank 25 und in der Leitung 27 ausgeglichen werden, um ein plötzliches Strömen
der Luft in der einen oder in der anderen Richtung zu vermeiden.
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Eine jede der Kammern 12, 22 und 23 ist mit Dampfaustritten 32, 33
bzwO 34 versehen, durch welche der Wasserdampf in die Sammelleitung 35 fließen kann.
Die Sammelleitung 35 ist mit einer Hochvakuumquelle (nicht gezeigt) und auch mit
geeigneten Kühlern verbunden. Um die Einheit von der Vakuumquelle und den Kühlern
zu isolieren, isst ein rennventil 36 in die Sammelleitung eingebaut, durch welche
alle Vorgänge in dieser Einheit abgeschlossen werden kdnnen.
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Die Arbeitsweise der Vorrichtung ist wie folgt: die Flüssigkeit wird,
ob sie nun klar oder kolloidal ist oder aus Fest stoffen in Suspension besteht,
vom Vorratstank 10 nach oben durch die Leitung 11 in die Zuführkammer 4), durch
den länglichen Schlitz 44 und in die Kammer 12 geführt und durch die Stifte 18 weggeführt.
Wenn der Fluß gemessen werden soll, dann kann eine Meßpumpe verwendet werden, aber
dies ist gewöhnlich nicht nötig.
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Bei diesem Punkt verläuft die Flüssigkeit mit Raumtemperatur in das
Vakuum, welches im System aufrechterhalten wird und 2000 bis 100 µ Quecksilber beträgt.
Ein Vakuum tiber oder unter diesem Wert iet schwierig zu verwenden, und ein Arbeiten
außerhalb dieses Bereichs beeinträchtigt die Wirksamkeit der Einheit.
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Beim Moment des Eintritts durch den Schlitz 44 entsteht eine Verdampfungsgefrierung
oder augenblickliche Gefrierung. Das Produkt explodiert förmlich in Eisklumpen mit
einer porösen Natur, und zwar in einem Ausmaß daq mindestens 15% des Dampfes im
Moment des Eintritts in die Kammer 12 aus dem Produkt beseitigt werden. Ein rasches
Gefrieren wird durch eine massive und rasche Verdampfung verursacht, welches Veriahren
die Wärme aus der Fltissigkeit wegnimmt, was einen Dampfdruckunterschied zwischen
der Flüssigkeit und dein takuum hervorruft.
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Dieee Verdampfung setzt sich fort, bis der Taupunkt des Arbeitsdrucke
erreicht ,ist0 Beispielsweise wird bei einem Druck ton 100 µ Quecksilber das Produkt
solange verdampfen, bis es eine Temperatur von ungefähr -40°C erreicht hat, welche
Temperatur nahezu augenblicklich beim Eintritt in das Rohr erzielt wird0 Natürlich
setzt sich die Entfernung des Wasserdampfes in den Kammern 12, 22 und 23 fort, bis
das gefrorene Produkt 80% oder weniger der Feuchtigkeit verloren hat. Bei Flüssigkeiten
mit darin enthaltenen Feststoffen wird das Produkt zäh-klebrig und kann nicht mehr
bewegt werden, wenn mehr als 80% Feuchtigkeit entfernt werden. Wenn andererseits
eine Flüssigkeit behandelt wird, dann wird sie so leicht und federig, daß sie durch
den Dampffluß durch 33 und 94 entweicht und verlorengeht, wenn mehr als 80$ der
Feuchtigkeit entfernt werden0 Der Dampf aus der Kammer 12 wird durch die Verbindung
92 in die Sammelleitung 35 und von dort zum Kühler geführt. Es herrscht
ein
momentaner Aufbau von Eisklumpen, deren ausgedehntes Volumen zeitlich durch den
Rasten 14 aufgenommen wird, Der' Wasserdampf, welcher die Eisklumpen so rasch verläßt,
erzeugt überall Dampfkanäle, und der gesamte S3.umpen wird schwammartig und besitzt
eine bemerkenswerte Porosität. Die Drehung der Stifte 18 bricht im Zusammenwirken
mit den stehenden Stiften 21 fortlaufend den Aufbau solcher Klumpen, die sehr bröckelig
sind, in Granalien zusammen, die eine Größe zwischen. pulverförmig und erbsenförmig
besitzen. Jede Grånalie ist wie der Klumpen mit Kanälen durchsetzt, welche durch
die Entfernung des Dampfs zurückbleiben, so daß die Teilchen wiederum porös sind
Wegen dieser explosionsartigen und koohenden Natur der augenblicklichön. Gefrierung
des Produkts ist ein Prallblech 45 an der Oberseite der Kammer 14 vorgesehen, welche
die Öffnung des Dampfaustritts 32 abschirmt, um ein Unbeabsichtigtes Entweichen
von gefrorenem Produkt zu verhindern und das gefrorene Produkt vom Dampfabzug fernzuhalten.
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Der Schlitz 44 ergibt eine selbstreinigepde Einrichtung, die nicht
zugefriert und den Betrieb unterbricht. Gewisse Bereiche innerhalb des Schlitzes
können gefrieren und einen Teil des Durchgangs während einer kurzen Zeit blockieren,
aber die durch den Reat des Schlitze eintretende wärmere Flüssigkeit nimmt dieses
Material bald weg, wodurch also diese Selbstreinigung bewerkstelligt wird.
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Dieses Phänomen wird durch die beobachtete Natur der augenblickhöhen
Gefrierung des eintretenden Materials unterstützt. Die augenblickliche Gefrierung
unter Hochvakuum ist so heftig und explosionsartig, daß nur der obere Teil eines
jeden Beschickungsincrements auf diese Weise gefroren wird, wobei eine flüssige
Unterseite verbleibt, die das nächste Inkrement bildete Diee bedeutet, daß immer
flüssige Beschickung in der Kammer 43 und
immer sehr nahe am Zuführschlitz
44 vorhanden ist, Unter den hier definierten Betriebsbedingungen wäre es fUr die
Beschickung ziemlich unmöglich, anders als auf dem Boden oder anders als ein Schlitz
zu sein.
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JXQs Material betritt die Kammer 12 mit einer Geschwindigkeit, die
praktisch Null ist, und wird augen blicklich den Betriebsbedingungen unterworfen0
Es gibt keinen merkS.ichen oder schädlichen Aufbau einer gefrorenen Haut innerhalb
der Kammer 12, und die Stifte 18 und 21 sind nicht nur primär Kratzer, sondern erfüllen
ihre Funktion des Zerbrechens der augenblicklich gebildeten Eisklumpen in kleinere
Stücke und Teilchen.
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Die gebrochenen Eisklumpfen in Form von gefrorenen Teilchen oder Stückchen
werden dann durch den Schneckenförderer 24 durch die Rammer 22 geführt, wo sie weiterhin)
der Entfernung von Wasserdampf unter Vakuum ausgesetzt werden. Es ist zu behbachten;
daß eine konstante Bewegung der Teilchen d Starke durch die Kammern 12 und 22 aufgrund
der Dampfgeschwindigkeit und der fortlaufenden Abnahme des spezifischen Gewichts
besteht Der Dampf in der Kammer 22 verläßt diese durch die Verbindung 33 und strömt
zur gemeinsamen Sammelleitung 55 und von dort aus zum Kühler (nicht gezeigt). Die
Kapazität dieser Vorrichtung wird durch die Geschwindigkeit bestimmt. mit der der
Wasserdampf entfernt werden kann0 Deshalb gilt, je größer die Öffnung für die Entfernung
des Wasserdampfes ist, desto größer ist auch die Kapazität der Vorrichtung. Die
durch den Schneckenförderer 24 veranlaßte Bewegung setzt sich durch die Kammer 23
fort und gleichzeitig werden die gefrorenen Teilchen einer Dampfent fernung unter
Vakuum mit hoher Geschwindigkeit unterworfen.
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Wie bereits festgestellt, werden nicht met als 80% Wasserdampf entfernt,
und aus diesem Grunde .lst das vorliegende Verfahren und die vorliegende Vorrichtung
kein Entwässerungsverfahren und keine Entwässerungsvorrichtung.
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Bei der Zuführung zum Ende der Kammer 23 fallen die gefrorenen porösen
Teilchen in einen Lagertank 25 und sammeln sich am Boden desselben an. Jegliche
Wärme, die von außen in den Tank 25 kommt, kann etwas Schmelze verursachen, aber
diese Schmelze wird wieder gefroren, und der Wasserdampf der Wiedergefrierung wird
durch den Tank entfernt, da dieser Tank unter dem gleichen Vakuum steht und durch
die Verbindung 34 mit der gleichen Sammelleitung 35 verbunden ist, Die Abführung
des gefrorenen porösen Produkt aus dem Tank verläuft aber das Luftsperrventil 26
in die Leitung 27. Da der Tank 25 sicb unter den gleichen Vakuumbedingungen befindet
wie das gesamte System, ist es, zum Ausgleich des Vakuums im Tank mit demjenigen
in der Leitung 27, nötig; daß ein Ventil 30 vorhang den ist, welches durch eine
Magnetspule betätigt wird, um die negativen Drücke im System auszugleichen. Es ist
wichtig, darauf hinzuweisen, daß das bei 23 entnommene Produkt direkt zu einem kontinuierlichen
Entwässerungssystem geführt werden kanne Wenn der Druck in der Masse, die auf dem
Boden des Tanks 25 liegt, ausreicht, den freien Fluß der gefrorenen porösen Teilchen
in die Leitung 27 zu blockierten, dann kann ein Vibrator 40 an der Außenseite des
Tanks in der Nachbarschaft des Luftsperrventils 26 angebracht werden, um das Material
wieder aufzulockeriO Die gefrorenen porösen Produkte werden in granularer Form durch
das Luftsperrventil 28 abgelassen, um anschließend behandelt-und entwdssert zu werden,
Um das System wirksam zu machen, ein Schmelzen zu vermeiden und ein rasches Gefrieren
aufrecht su erhalten, kann das gesamte System in geeigneter Weise isoliert werden,
und zwar insbesondere der Tank 25.
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Es ist klar, daß jede Anzahl dieser Einheiten aufgestellt werden kann,
so daß sie als separate Einheiten in einem kontinuierlichen System arbeiten Das
durch diese Vorrichtung erzeugte Produkt ist so porös, daß es die Verweilzeit des
behandelten Materials im Vakuumentwässer um mehr als 50% verringerte Es ist auch
klar, daß wenn die Teilchen den Entwässerer mit einer porösen Struktur betreten
und die Verweilzeit verringert wird die Aufrechterhaltung der porösen Struktur und
die Wiederherstellung der Gegenstände leichter und wirksamer sind.
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Zwar wurde eine Beschreibung in erster Linie für Nahrungsmittel gegeben,
aber das Verfahren ist auch auf das gesamte Blut ohne eine Abtrennung des Plasmas
anwendbar0 Weiterhin ist es für pharmazeutische oder biologische Produkte anwendbar,
bei denen das rasche Gefrieren so wirksam durchgefillirt wird, daß die ursprünglichen
Eigenschaften mit Ausniime der Form nicht verändert werden