DE19641404A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Trocknen von wasserhaltigen Produkten durch Adsorption - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Trocknen von wasserhal­ tigen Produkten durch Adsorption von Wasserdampf gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 10.

Durch den Oberbegriff "Adsorption" wird ein Anlagerungsprozeß beschrieben, bei dem ein Adsorptionsmittel Wasserdampf unter Wärmefreisetzung aufsaugt (adsor­ biert), das unter Wärmezufuhr wieder abgegeben (desorbiert) wird. Bei der Ver­ dampfung aus dem wäßrigen Produkt wird diesem Wärme entzogen. Um eine un­ gewünschte Abkühlung zu verhindern, muß dem Produkt Wärme zugeführt werden. Zur Reaktivierung (Trocknung) des Adsorptionsmittels wird unter Zufuhr von Wär­ me bei hohen Temperaturen der zuvor sorbierte Wasserdampf dampfförmig ausge­ trieben (desorbiert). Der Dampf wird entweder an die Umgebungsluft abgegeben oder zum Zwecke der Wärmerückgewinnung rückverflüssigt.

Aus der EP 0 435302 A1 und der EP 92118802.5 sind Trocknungs- und Kühl­ verfahren bekannt, die nach diesem Sorptionsprinzip arbeiten. Diese Verfahren lau­ fen in geschlossenen Räumen ab, wobei der erforderliche Unterdruck, um Wasser bei entsprechend tiefen Temperaturen verdampfen zu lassen, mittels Vakuumpumpen erzeugt wird.

Die sich in einem Sorptionsraum befindlichen Produkte können ausgasen oder z. B. durch chemische Umwandlung Gase freisetzen. Diese störenden Inertgase oder -dämpfe verhindern einen schnellen Sorptionsvorgang, da sie den Zutritt von Wasserdampf zum Adsorptionsmittel erschweren. Ein erheblicher Leistungsabfall dieser Sorptionssysteme ist die Folge. Bei den auf diese Weise in einem Sorptions­ raum freigesetzten Gase kann es sich aber auch um Substanzen (z. B. Aromastoffe) handeln, die im getrockneten Produkt nach Möglichkeit in hoher Konzentration verbleiben sollen.

Zu den wasserhaltigen Produkten mit wertvollen, leichtflüchtigen Substanzen zählen beispielsweise Kaffee-Extrakte, die in Trocknungsanlagen zu Kaffeepulver aufkonzentriert werden. Die Kaffee-Extrake werden dabei nach speziellen Verfah­ ren aus gemahlenem Bohnenkaffee gewonnen. Der Wassergehalt der Extrakte liegt dabei typischerweise bei 40 bis 60%.

Der auf diese Weise gewonnene wäßriger Kaffee-Extrakt wird heute großtechnisch hauptsächlich nach zwei Verfahren getrocknet:

• - Beim Gefriertrocknungs-Verfahren wird der wäßrige Extrakt bei tiefen Tempera­ turen (bis -40°C) gefroren und im Vakuum getrocknet. Der dabei aus dem Pro­ dukt durch Sublimation entweichende Wasserdampf schlägt sich als Reif an einer sehr kalten Fläche (Verflüssiger) nieder. Der Energieaufwand dieses Verfahrens ist hoch.
• - Beim Sprühtrocknungs-Verfahren wird der wäßrige Extrakt unter hohem Druck durch Spezialdüsen gepreßt und in feinste Tröpfchen versprüht. Durch den entste­ henden Tröpfchennebel wird im Gegenstrom Heißluft geführt, die das Wasser von der Tröpfchenoberfläche aufnimmt und fortträgt. Zurück bleibt trockenes Kaffee­ pulver, das jedoch weniger Aromastoffe enthält als das durch das energieaufwen­ digere Gefriertrocknungs-Verfahren erzeugte.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein produktschonendes Trocknungsver­ fahren für wäßrige Produkte anzugeben, mit dem kostengünstig und ohne signifi­ kante Verluste leichtflüchtiger Substanzen getrocknet werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentan­ sprüche 1 und 10.

Im Gegensatz zu den oben beschriebenen Trocknungsverfahren werden bei der vorliegenden Erfindung die zusätzlich aus dem zu trocknenden Produkt austreten­ den, gasförmigen Substanzen nicht über eine Vakuumpumpe abgesaugt oder zusam­ men mit dem abströmenden Heißluftstrom aus den Tocknungsräumen entfernt, son­ dern verbleiben im Trocknungsraum und werden dem zu trocknenden Produkt kontinuierlich durch eine erzwungene Strömung wieder zugeführt. In kurzer Zeit wird sich deshalb ein Gleichgewicht zwischen abdampfenden und sich wieder anla­ gernden Substanzen einstellen. Zudem kann der jeweilige Sättigungsdampfdruck der Substanzen innerhalb des Gasgemisches nicht überschritten werden.

Das auf diese Weise erzeugte Trockenprodukt enthält demzufolge einen Groß­ teil seiner ursprünglich enthaltenen leichtflüchtigen Substanzen. Die Qualität von Pulverkaffee wird z. B. wesentlich vom Gehalt an Aromastoffen im Endprodukt be­ stimmt. Das vorliegende Verfahren führt bei diesem Produkt zu einem hervorragen­ den Ergebnis.

Besonders vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Verfahren ist zudem, daß die Einbringung des wäßrigen Ausgangsproduktes in den Trocknungsraum bzw. des­ sen Anfangs-Konsistenz für die Qualität des Endprodukts nicht entscheidend ist. Das noch wasserhaltige Produkt kann beispielweise durch Eindüsen, wie beim Sprühtrocknungs-Verfahren oder aber im gefrorenen Zustand, wie beim Gefrier­ trocknen, eingebracht werden. Sehr gute Ergebnisse lassen sich auch beim Trock­ nen dünner Schichten erzielen, die mit Raumtemperatur auf flachen Schalen aufgebracht werden.

Ein weiterer entscheidender Vorteil liegt darin, daß der Wasserdampf im Ge­ gensatz zum Gefriertrocknungs-Verfahren nicht an einer, unter hohem Energieein­ satz gekühlten Fläche, auskondensieren muß, sondern unter beträchtlicher Wärme­ freisetzung auf einem höheren Temperaturniveau adsorbiert wird. Da das Adsorpti­ ons-Temperaturniveau höher ist als die Temperatur des zu trocknenden Produktes, kann die erzwungene Strömung Wärme vom festen Adsorptionsmittel auf das Pro­ dukt übertragen. Auf eine zusätzliche, teure Wärmezufuhr in das Produkt und/oder eine aufwendige Kühlung einer kalten Fläche (wie beim Gefriertrocknen) kann des­ halb verzichtet werden.

Bei der Verwendung von Molekularsieben ist die Adsorptionswärme bei der Adsorption von Wasserdampf bis zu 30% höher als die Wärmemenge, die benötigt wird, um die gleiche Wasserdampfmenge (zuvor) zu verdampfen. Für den vorlie­ genden Anwendungsfall bedeutet dies, daß durch die Adsorptionswärme mehr Wär­ me bereitsteht, als das zu trocknende Produkt zum Verdampfen des Wassers braucht. Die überschüssige Wärme kann deshalb zum Erwärmen der Pro­ dukt-Trägermaterialien genutzt werden.

Ein weiterer Vorteil der erzwungenen Strömung liegt darin, daß das gesamte Adsorptionsmaterial mit Wasserdampf in Kontakt kommt. Ein Abblocken größerer Adsorptionsbereiche durch nicht sorbierbare Substanzen ist ausgeschlossen. Ein permanentes Absaugen dieser unter Umständen wertvollen Gase ist nicht nötig.

Vorteilhaft kann es auch sein, wenn die im Trocknungsraum enthaltene Luft vor dem Trocknungsvorgang mittels einer Vakuumpumpe abgesaugt wird. Auf diese Weise kann Wasserdampf leichter von dem wäßrigen Produkt abdiffundieren und schneller vom Adsorptionsmittel aufgenommen werden.

Falls der Luftdruck unter den Wasserdampfdruck des Produktes abgesenkt wird, verdampft Wasser ungehindert aus dem Produkt, das sich dadurch ohne aktive Käl­ tezufuhr abkühlt. Auf diese Weise kann das Produkt beispielsweise von Umge­ bungstemperatur auf -40°C abgekühlt werden, eine Temperatur, bei der im wäß­ rigen Kaffee-Extrakt eine kristalline Glasumwandlung stattfindet, die zu einer für den Kaffee erwünschten Pulver-Struktur beiträgt.

Beim Einsatz selektiv adsorbierender Adsorptionsmittel ist es möglich, nur Wasserdampf und keinerlei weitere Substanzen aus der erzwungenen Strömung auszukoppeln. Besonders vorteilhaft sind hierbei Zeolithe, welche durch ihre regel­ mäßige Kristallstruktur nur Moleküle adsorbieren, deren kritischer Durchmesser kleiner ist als der spezifische Porendurchinesser des Kristalls. So kann beispielswei­ se der Zeolith-Kristall mit der Bezeichnung 3A nur Moleküle mit einem Durchmesser kleiner als 0,3 nm anlagern. Damit können aus einem Luftstrom nur Wasserdampf- und keine Stickstoff- oder Sauerstoffmoleküle entfernt werden. Dank dieses Effektes ist es auch möglich, das mit Wasserdampf gesättigte Zeolith- Adsorptionsmittel im direkten Kontakt mit heißen Verbrennungsgasen zu regenerie­ ren. Der beim Desorbieren freigesetzte Wasserdampf kann zudem rückverflüssigt werden, und seine Verflüssigungswärme kann beispielsweise einer zweiten Produktcharge in einem zweiten Trocknungsraum zugeführt werden. Der für den Trocknungsprozeß aufzuwendende Energiebedarf reduziert sich dann zusätzlich.

Die zur Regeneration des Adsorptionsmittels erforderliche Wärmemenge kann vorteilhaft mittels eines Verbrennungsprozesses erzeugt werden. Erfindungsgemäß läßt sich die Regenerations-Wärme von einem Heizgerät, durch die durch das Ge­ bläse erzeugte Strömung, schnell und homogen in das Adsorptionsmittel übertra­ gen. Der dadurch aus dem Adsorptionsmittel entweichende Wasserdampf kann dann ebenfalls mit Hilfe des Heizgerätes überhitzt und vom Gebläse in eine er­ zwungene Strömung versetzt werden. Durch die Desorption entstehender Über­ druck kann durch ein Überströmventil an die Umgebung abgebaut werden.

In der Zeichnung ist ein praktisches Ausführungsbeispiel der Erfindung darge­ stellt.

In einem geschlossenen Trocknungsraum (6) befinden sich eine wechselbare Zeolith-Patrone (1) und ein Tablett-Stapel (2) mit wäßrigen Kaffee-Extrakt-Schich­ ten (3). Ein starkes, wasserdampf-resistentes Gebläse (4) sorgt für eine erzwungene Strömung, deren Richtung durch Pfeile angedeutet ist. Die Strömung besteht aus Gasen und Wasserdampf. Beim Durchströmen der Zeolith-Patrone (1) wird der Wasserdampf aus dem Gasstrom entfernt. Die bei der Adsorption freigesetzte Wär­ me wird vom Gasstrom aufgenommen und an die wäßrigen Kaffee-Extrakt-Schich­ ten (3) übertragen. Der hier durch die Wärmezufuhr freigesetzte Wasserdampf wird in die Zeolith-Patrone (1) mitgerissen und dort angelagert.

Über eine Vakuumpumpe (5) kann der Trocknungsraum (6) unter Vakuum ge­ setzt werden. Ein Sichtfenster (7) in der Klappe (8) erlaubt eine Kontrolle der Trocknungsvorgänge. Über ein Manometer (9) und einen Temperaturfühler (10) können die Trocknungszustände nach außen übertragen werden.

Nach Abschluß des Trocknungsvorganges werden die Klappe (8) geöffnet und der Tablett-Stapel (2) mit dem trockenen Pulver entfernt. Mittels eines Wandkrat­ zer-Systems kann es leicht von den Tabletts abtrennt werden. Ein neuer Tablett-Stapel (2) mit flüssigem oder gefrorenem Kaffee-Extrakt wird eingeschoben. Nach dem Verschließen der Klappe (8) evakuiert die Vakuumpumpe (5) den Trocknungsraum (6) auf einen Sollwert. Falls dieser tiefer liegt als der Was­ serdampfpartialdruck der wäßrigen Kaffee-Extrakt-Schichten (3), sinken deren Temperaturen unter Umständen erheblich ab. Die Vakuumpumpe (5) wird während des Abpumpens nicht mit Wasserdampf beaufschlagt, da der Ansaugstutzen (12) der Vakuumleitung (11) innerhalb der Zeolith-Patrone (1) beginnt und eventuell an­ gesaugter Wasserdampf von den vorgelagerten Zeolithkristallen adsorbiert wird. Nach Erreichen des Solldruckes wird die Vakuumpumpe (5) abgestellt.

Gesättigte Zeolith-Patronen werden aus dem Trockenraum entnommen und in einem separaten Wärmeschrank bei Temperaturen bis zu 300°C regeneriert. Falls der Antrieb des Gebläses (4) temperaturgeschützt ist, ist auch die Regeneration in­ nerhalb des Trocknungsraumes möglich. Bei geschlossener Klappe (8) und laufen­ dem Gebläse (4) wird die Zeolith-Patrone (1) dann durch die in einem nicht ge­ zeichnetem Heizgerät erhitzte Wasserdampfströmung schnell und homogen ge­ trocknet. Der dabei desorbierte Wasserdampf verläßt den Trocknungsraum (6) über ein Abströmventil (13).

Claims (13)

1. Trocknungsverfahren für wäßrige Produkte, bei dem der aus dem Produkt austretende Wasserdampf an einem festen Adsorptionsmittel sorbiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einem abgeschlossenen Trocknungsraum der aus dem zu trocknenden Produkt austretende Wasserdampf, zusammen mit eventuell zusätzlich aus dem Produkt austretenden gasförmigen Substanzen, mittels einer erzwunge­ nen, in sich selbst geschlossenen Strömung über das feste Adsorptionsmit­ tel und über das Produkt geführt wird und nur der Wasserdampf und nicht auch die zusätzlich austretenden Substanzen vom Adsorptionsmittel aufge­ nommen werden.

2. Trocknungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Beschicken des Trocknungsraumes mit dem zu trocknenden Pro­ dukt zunächst die Luft aus dem Raum abgesaugt wird.

3. Trocknungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Adsorptionsmittel Stoffe eingesetzt werden, die selektiv nur Wasser­ dampf sorbieren können.

4. Trocknungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch die erzwungene Strömung das Adsorptionsmittel gleichzeitig gekühlt wird.

5. Trocknungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem zu trocknenden Produkt Wärme zugeführt wird.

6. Trocknungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erzwungene Strömung Wärme aus dem Adsorptionsmittel aufrinnt und an das zu trocknende Produkt abgibt.

7. Trocknungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das gesättigte Adsorptionsmittel nach dem Trocknungsvorgang innerhalb des Trocknungsraumes durch eine erzwungene, heiße Gas- bzw. Wasser­ dampf-Strömung getrocknet wird.

8. Trocknungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zu trocknende Produkt in Schichtdicken von weniger als 2 mm in den Trockenraum eingebracht wird.

9. Trocknungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem zu trocknenden Produkt austretenden gasförmigen Substanzen durch die erzwungene Strömung wieder über das Produkt geführt werden und von dem Produkt wieder angelagert werden.

10. Trocknungsvorrichtung zur Durchführung eines Verfahrenes nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß der Trocknungsraum ein gasdurchlässiges Adsorptionsmittel, das zu trock­ nende Produkt und ein Umluft-Gebläse enthält, das auch unter einer Was­ serdampf-Atmosphäre arbeitet.

11. Trocknungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß an den Trocknungsraum eine Vakuumpumpe angeschlossen ist, die Luft aus dem Trocknungsraum entfernen kann.

12 Trocknungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Trocknungsraum eine Heizquelle enthält, die während der Regenerie­ rungsphase bereits desorbierten Wasserdampf überhitzt, der dann vom Ge­ bläse durch das Adsorptionsmittels gepreßt wird und dadurch weiteren Wasserdampf desorbiert.

13. Trocken-Produkt, hergestellt nach einem der vorangehenden Verfahren, da­ durch gekennzeichnet, daß das Ausgangsprodukt eine Wasser-Konzentration von 60 bis 20 Gew.-% aufweißt und nach dem Trocknungsvorgang eine Wasserkonzentration zwi­ schen 10 und 1 Gew.-%.