DE19750677A1 - Verfahren zum Herstellen von lagerfähigen, tiefgefrorenen oder getrockneten, eßbaren Schaumpulversprühteilchen, insbesondere von Lebensmitteln mit erhöhtem Gasgehalt, und Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zum Herstellen von lagerfähigen, tiefgefrorenen oder getrockneten, eßbaren Schaumpulversprühteilchen, insbesondere von Lebensmitteln mit erhöhtem Gasgehalt, und Einrichtung zum Durchführen des VerfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von lagerfähigen, tiefgefro
renen oder getrockneten, eßbaren Schaumpulversprühteilchen, insbesondere
von Lebensmitteln, wie Milchprodukte (Eiskrem, Schlagsahne, Milch- bzw.
Milchproteinkonzentrate), von Früchteschäumen, Proteinschäumen oder der
gleichen mit erhöhtem Gasgehalt.
Des weiteren betrifft die Erfindung eine Einrichtung zum Durchführen des Ver
fahrens.
Bei der Herstellung von Lebensmitteln aus verschiedenen Komponenten erfor
dert das homogene und entmischungsstabile Vermischen oftmals einen erheb
lichen produktionsspezifischen und apparativen Aufwand. Dies gilt insbeson
dere für die Herstellung von Speiseeis, ebenso wie für die Herstellung von
Tortenmassen, gefrorenen Dessert- und Fruchtmassen, Sahne und Teig
massen. Bei der Herstellung von Speiseeis gehen die Investitionen für den ap
parativen Aufwand für die Installation von Mischanlagen, Homogenisierungs
vorrichtung, Lagertanks (Reifetanks) und Freezern (kontinuierliche Gefrier-Auf
schlag-Vorrichtungen) in die Millionen.
Aus der DE 42 02 231 ist eine Einrichtung zum Kühlen von eßbaren Schäu
men, insbesondere Milchprodukten wie Eiskrem oder Schlagsahne, also von
Lebensmitteln, vorbekannt, die den Schaum nach Herstellung auf Lagertempe
ratur tiefkühlt und worin Aufschlag-, Kühl- und Extrudiereinrichtungen durch
Rohrleitungen untereinander verbunden sind. Hierzu wird in der vorerwähnten
Druckschrift eine Einrichtung zum Kühlen von eßbaren Schäumen vorgeschla
gen, bei der einer Aufschlagvorrichtung unmittelbar ein Kühl- und Gefriergerät
zum Vorgefrieren des Schaumes, und dem Kühl- und Gefriergerät unmittelbar
eine als kombinierte Tiefgefrier- und Transportvorrichtung ausgebildete moto
risch antreibbare Extrudervorrichtung nachgeschaltet ist, in der der
vorgefrorene Schaum auf Lagertemperatur herunterkühlbar ist und die
Aufschlagvorrichtung, das Kühl- oder Gefriergerät und die Extrudervorrichtung
durch Rohrleitungen miteinander verbunden sind, wobei die
Extrudervorrichtung mindestens ein Doppelschneckensystem mit zwei mit ihren
Drehachsen parallel zueinander angeordneten Schnecken aufweist, und die
Schnecken des Doppelschneckensystems mit ihren Schneckenstegen
(Wendel) an der inneren Zylindermantelfläche des sie umgebenden Gehäuses
schaben, wobei die Stege der zweiten Schnecke mittig zwischen den Sagen
der ersten Schnecke angeordnet sind und ein erhöhter Drehachsenabstand der
Schnecken realisiert ist, so daß die der Zylindermantelfläche der jeweiligen
Schnecke zugekehrte Stirnseite des Schneckensteges zur anderen Schnecke
einen radialen Abstand aufweist, und wobei die Schneckenstege mit der
Zylindermantelfläche der Schnecken und der inneren Zylindermantelfläche des
Gehäuses einen extrem flachen Schneckenkanal begrenzen. Die Einrichtung
weist eine Steuerung auf, welche die Drehzahl der Schnecken
rezepturspezifisch unter Berücksichtigung der temperaturabhängigen kritischen
Schubspannungen für die Strukturveränderungen zur optimierten Abstimmung
von mechanischem Energieeintrag, homogener Strukturbeanspruchung des
jeweiligen Produktes, überkritischer Scherung, Kühlgradient und Gefrierprozeß
durch Erfassung der Produktkonsistenz als Zielgröße vornimmt, wobei die
Produktkonsistenz mittels einer on-line-Viskositätsmessung bestimmt wird,
derart, daß im Stoffsystem dissipierte, das heißt in Wärmeenergie
umgewandelte mechanische Energie ein kritisches Maß nicht überschreitet.
Durch diese vorbekannte Einrichtung soll ein lagerfertiges Tiefgefrieren von
Eiskrem oder anderen Fluiden auf Temperaturen von weniger
als -10°C unter gleichzeitiger Erzeugung eines kremigen Zustandes möglich
sein, bei weitestgehend homogenem mechanischem Energieeintrag aufgrund
der Verwendung eines speziellen Doppelschneckensystems.
Aus der FR-PS 1 507 738 ist ein Verfahren zum Herstellen von Gefrierproduk
ten in körniger Form auf der Basis von Flüssigkeitstropfen vorbekannt, bei dem
die zu gefrierende Flüssigkeit in einen kalten Gasstrom zerstäubt wird. Dabei
erstarren die Flüssigkeitstropfen durch Absorption der Wärme, ohne daß sie mit
einer festen Oberfläche in Berührung kommen. Dann wird anschließend das
pulverförmige Gefrierprodukt vom Gasstrom getrennt. Der Gasstrom ist hohem
Druck ausgesetzt. Das pulverförmige Gefrierprodukt wird unterkühlt, bevor es
vom Gasstrom getrennt wird. Die zerstäubte Flüssigkeit wird dabei durch einen
Gasstrom gefroren, der im Prinzip von unten nach oben durch eine Gefrier
kammer strömt, indem die Geschwindigkeit des Gasstromes während der
Dauer des Gefrierens herabgesetzt wird, und erhöht wird, während die Mi
schung die Gefrierkammer verläßt und sich trennt. Eine Anlage zum Durchfüh
ren dieses Verfahrens besteht aus einer Gefrierkammer, die mindestens eine
Zerstäubervorrichtung für die zu gefrierende Flüssigkeit, mindestens einen Se
parator für die Mischung des gefrorenen Produktes in Pulver und Gas und min
destens eine Vorrichtung zum Entnehmen des gefrorenen Produktes aus der
Anlage, sowie eine Vorrichtung enthält, die den Gasstrom heranführt und min
destens eine Vorrichtung zum Kühlen des Gasstromes, bevor er die Gefrier
kammer erreicht. Es ist außerdem ein Umlaufgebläse vorgesehen, das den
Gasstrom zirkulieren läßt. Neben einer Düse zum Zerstäuben der zu
gefrierenden Flüssigkeit ist außerdem eine Zerstäubervorrichtung für
zusätzliches Gas vorgesehen, die das Gas unter hohem Druck in die Anlage
einleitet. Dieses zusätzliche Gas unter hohem Druck gelangt als Überschuß
durch die Zerstäubervorrichtung in die Anlage und treibt ein Umlaufgebläse an.
Dann gelangt es in einen Wärmetauscher, der im Umlauf des Gasstromes
zwischen dem Gebläse und der Kältekammer in Gegenrichtung des
Gasstromes angeordnet ist und erwärmt sich dort beim Abkühlen des
Gasstromes auf etwa die Umgebungstemperatur.
Mit diesem Verfahren soll die Herstellung eines pulverförmigen gefrorenen Pro
duktes, das heißt in Form von sehr feinen Körnern, möglich sein, die auf der
Basis von Flüssigkeitstropfen erhalten werden insbesondere von wäßrigen Lö
sungen wie zum Beispiel Fruchtsaft, Milch oder Kaffee und ähnliche Produkte.
Die FR-PS 2 342 472 betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Gefrieren von flüssi
gen Produkten, wobei das flüssige Produkt in einer ausreichend kalten Umge
bung zerstäubt wird, um ein praktisch sofortiges Gefrieren der zerstäubten Pro
dukte zu erreichen. Das gefrorene Produkt wird in Form eines Pulvers aufge
fangen, dessen Granulometrie von der Größe der zerstäubten Partikel abhängt.
Später wird dieses Pulver einer mechanischen Bearbeitung unterzogen, wenn
die Granulometrie verfeinert werden muß. Normalerweise sollen Produkte so
gefroren werden, die im Normalzustand in einer mehr oder weniger viskosen,
sogar breiartigen flüssigen Form vorliegen.
Angewendet werden soll dieses Verfahren beim Gefrieren von Milch, Eiern,
Brei und Fruchtsaft.
Die BE-PS 595 605 bezieht sich auf ein Verfahren zur Konservierung von flüs
sigen Nahrungsmitteln, insbesondere auf ein Verfahren zum Gefrieren von
Vollmilch, Fruchtsäften, Bier und ähnlichen Flüssigkeiten, die nach ihrem Auf
tauen ihren ursprünglichen Zustand wieder zurückerhalten sollen. Hierzu wird
die Flüssigkeit in winzige, im Abstand zueinander befindliche Partikel in einer
gekühlten Kammer zerstäubt, um das schnelle Gefrieren dieser Partikel zu be
wirken, während sie sich im Abstand zueinander befinden. Das gefrorene Pro
dukt wird anschließend verpackt. Zum Durchführen dieses Verfahrens wird eine
abgekühlte Kammer verwendet, die unterhalb des Gefrierpunktes der betref
fenden Flüssigkeit gekühlt wird. Bei der Durchführung dieses Verfahrens zum
Konservieren einer Flüssigkeit wird die betreffende Flüssigkeit in Partikel von
rund 1/2 Mikron bis 500 Mikron, in einer gekühlten Kammer eingesprüht, um das
schnelle Gefrieren der Partikel zu bewirken. Es wird auch vorgeschlagen, die
zu konservierende Flüssigkeit unter Unterdruck zu setzen, sie anschließend in
winzige Partikel von 1/2 Mikron bis 500 Mikron in einer gekühlten Kammer zu
zerstäuben, um das erwähnte schnelle Gefrieren der Partikel zu bewirken.
Hierdurch wird ein gekühltes, nicht oxydierendes Gas in der Kammer in Zirkula
tion gehalten. Wird Milch auf diese Weise konserviert, so wird sie ebenfalls in
Partikel von 1/2 Mikron bis 500 Mikron in eine unterkühlte Kammer eingesprüht,
deren Temperatur -23,3°C bis -40°C aufweist, um das schnelle Gefrieren der
Milchpartikel zu bewirken. Auch die Milch kann hierbei einem Unterdruck
ausgesetzt werden. Das tiefgefrorene Pulver kann dadurch verpackt werden,
daß es in Blocks zusammengepreßt wird, um den Gasanteil im Block zu
eliminieren. Auch Bier soll auf diese Art und Weise haltbar gemacht und
transportiert werden.
Alles in allem verspricht man sich durch dieses Verfahren anscheinend eine
bessere Möglichkeit, um Vollmilch an einem beliebigen Ort durch Molkereien
herzustellen und zu konservieren und sie auch über lange Strecken transportie
ren zu können, und zwar zu günstigen Preisen.
Die WO 92/02146 betrifft eine gekühlte Mischkammer, durch die verschiedene
Bestandteile für Eiskrem hindurchgebracht werden. Hierbei wird kein Pulver,
sondern eine hochkonsistente Masse erzeugt. Auf das Einhalten eines Misch
verhältnisses kommt es nicht an. Zum Beispiel kann Schokoladenstreusel ein
fach in rieselfähigem Zustand oben aufgeschüttet werden. Befüllt werden Eis
becher, wie sie normalerweise zum Verzehr bereitstehen.
Die FR-PS 2 375 901 betrifft eine Anlage zum Gefriertrocknen mit einer Kühlko
lonne, Vorrichtungen zum Heranführen von Kühlmitteln und flüssigen Produkt
strömen und einer Auslaßöffnung für die gefrorenen körnigen Bestandteile am
unteren Teil der Kühlkolonne sowie Abzweigleitungen für ein gasförmiges
Kühlmittel. Das gekühlte, körnige Produkt wird über ein Förderband mit einer
fortlaufenden Anlage zum Gefriertrocknen verbunden. Die Produktlösung wird
dabei in einen fließenden Strom von flüssigem, leicht flüchtigen Kühlmittel
geleitet. Die Größe und der Feststoffgehalt der gefrorenen Körnchen wird mit
Hilfe von Änderungen der Konzentration, der Viskosität und des Einspritzdruckes
der Produktlösungen sowie durch Änderung des Düsendurchmessers vari
iert. Als Kühlmittel wird flüssiger Stickstoff verwendet. Durch diese Anlage soll
es möglich sein, im Dauerverfahren gleichförmig gefrorene Körnchen für die
Lyophilisierung bereitzustellen, das einen schnellen Produktwechsel ermöglicht,
ohne daß eine große Anlage erforderlich sei. Mit einer solchen Anlage sei das
schlagartige Gefrieren der Produktlösung mit Bildung von kleinen sphärischen
Partikeln möglich. Diese Kugeln sollen sich von dem gasförmigen Kühlmittel
leicht trennen lassen und können gefriergetrocknet und verarbeitet werden. Die
auf diese Weise erhaltenen gefriergetrockneten Körnchen sollen sehr gleich
mäßig und sehr löslich sein und aufgrund ihrer sphärischen Form die spätere
Verarbeitung unter den besten Voraussetzungen bieten.
Die DE-PS 289 262 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von Margarine,
insbesondere Pflanzenmargarine, wobei die Margarineemulsion mittels Streu
düsen in Nebelform innerhalb eines Raumes zerstäubt wird, in dem sich kalte
Luft oder sonstige indifferente kalte Gase befinden, worauf in üblicher Weise
die gekühlte Masse weiterbearbeitet wird. Dabei soll die Margarineemulsion in
durch Düsen nebelförmig zerstäubtem Zustand durch kalte Luft oder kalte
Gase, welche zweckmäßig im gleichmäßigen Kreislauf auf die zerstäubte
Emulsion einwirken, nur vorgekühlt werden und die so vorgekühlte, feinpulve
rige, lockere Masse durch andere Kühlmittel, insbesondere durch Stehenlassen
in Kühlräumen, fertig gekühlt werden.
Mischungen, die sich nicht entmischen dürfen, werden nicht beschrieben.
Die EP-OS 0 478 118 beschreibt eine Vorrichtung zum Herstellen von gefrier
getrockneten Partikeln. Hierbei handelt es sich um einen reinen Gefrier- bzw.
Gefriertrockenvorgang. Die Herstellung von Mischungen und deren Problematik
ist nicht erörtert. Vielmehr wird reines Pulver oder ein Granulat erzeugt.
Aus der DE-AS 26 02 454 ist eine Vorrichtung zum Behandeln pulveriger oder
körniger Stoffe mit einer Flüssigkeit vorbekannt, bestehend aus einem Behälter
mit einem Stoffeinlaß in seinem oberen Teil mit einem Raum für das freie Ab
wärtssinken des behandelten Stoffes unterhalb des Stoffeinlasses, mit in die
sem Raum gerichteten Sprühdüsen für die Flüssigkeit und mit Einrichtungen
zum Erzeugen eines aufsteigenden Gasstromes, die einen im unteren Teil des
Behälters gelegenen Gaseinlaß und einen höher gelegenen Gasauslaß umfas
sen. Der Raum für das Abwärtssinken des Stoffes ist von einer Wand einge
schlossen, an deren unteren Ende ein Gasauslaß-Ringspalt als Zugang zu ei
nem Ringraum für den Abzug der in den Behälter eingeführten Gasströme vor
gesehen ist. Hierdurch soll ein gleichmäßiges Benetzen des Stoffes mit Flüs
sigkeit gewährleistet sein, um zu besseren Eigenschaften des behandelten
Stoffes zu kommen. Dabei können feinste Teile durch Aneinanderkleben zu
einem porösen Agglomerat sich aufbauen. Hierdurch soll der so behandelte
Stoff weniger leicht zusammenbacken, gut rieselfähig bleiben und sich leicht in
Flüssigkeit auflösen bzw. dispergieren lassen. Vorgeschlagen wird, auf diese
Weise leicht lösliche Stoffe, zum Beispiel Zucker-Kakao-Getränke, Milchpulver,
Kleinkindernahrung, Waschmittel, Farben, Stärke und Vitaminpräparate herzu
stellen. Die Herstellung von Mischungen, insbesondere von Speiseeis- bzw.
gefrorenen Dessertmischungen ist ebenso wie die Erzeugung von
Schaumstrukturen nicht vorgesehen.
Die DE-AS 17 67 046 beschreibt eine Vorrichtung zum Besprühen von pulver
förmigen Stoffen oder Granulaten mit Flüssigkeiten, bestehend aus einem Turm
mit einer im Turmumfang vorgesehenen Reihe von Öffnungen und davon im
Abstand angeordnete Sprühdüsen, mit einer pneumatischen Feststoffzuführung
im Oberteil des Turmes, mit einer Auslauföffnung für die fertig besprühten
Stoffe im unteren konusförmigen ausgebildeten Turmauslauf, mit einer im
Turmoberteil angeschlossenen Sammelleitung und einer Umlaufleitung sowie
einer Kühl- und einer Filtereinrichtung für den Gasstrom. Die Umlaufleitung ist
nach dem Filter in mehrere Zweigleitungen derart aufgeteilt, daß die Zweiglei
tung andererseits mit dem Turmauslauf, andererseits mit der pneumatischen
Feststoffzufuhr und außerdem in eine der Sprühdüsenzahl entsprechenden
Anzahl von Teilleitungen aufgeteilt ist, die mit den im Turmmantel vorgesehe
nen Öffnungen für die Sprühdüsen korrespondieren. Außerdem sind die
Zweigleitungen über die Nachbehandlungseinrichtung mit dem Turmauslauf
verbunden. Hier soll vorhandenes Pulver besprüht werden, zum Beispiel um
Milchaustauschfutter für die Kälbermast herzustellen.
Aus der DE 43 44 393 ist ein Verfahren vorbekannt, durch das an sich beliebig
viele Komponenten in dem gewünschten Mischungsverhältnis, zum Beispiel die
Komponenten von Speiseeis, exakt homogen und entmischungsstabil mitein
ander vermischen lassen, ohne daß die bisher erforderliche Investition zum
Homogenisieren und Freezen, wie sie gerade bei der Herstellung von Speise
eis gebräuchlich sind, erforderlich sind. Grundsätzlich soll dieses Verfahren
aber auf alle eßbaren durch Wärmeentzug zu verfestigenden Massen anwend
bar sein, bei denen es auf ein homogenes Vermischen der einzelnen Kompo
nenten und die Vermeidung eines Entmischens ankommt. Des weiteren ist aus
dieser Vorveröffentlichung eine Einrichtung vorbekannt, mit der sich das Ver
fahren unter industriellen Bedingungen problemlos durchführen läßt. Zu diesem
Zweck wird in der vorerwähnten Druckschrift ein Verfahren zum Herstellen tief
gefrorener eßbarer Massen, insbesondere von Lebensmitteln, mit erhöhtem
Gasgehalt, vorgeschlagen, bei dem mehrere fluide Komponenten zu einer Ma
trix oder zu mehreren Matrizes vor oder während dem Feinversprühen in einen
gekühlten Raum vermischt und dann versprüht werden, wobei im Falle der
Herstellung von mehreren Matrizes diese gleichzeitig oder in zeitlichem Ab
stand zueinander in den gekühlten Raum eingesprüht werden und das aus ver
schiedenen Matrizes hergestellte gefrorene Pulver durch Verdichten portioniert
wird. Die aus verschiedenen Komponenten gewonnenen dispersen, tiefgefro
renen Pulver werden homogen gemischt und anschließend weiterverarbeitet.
Der versprühten Matrix wird zusätzlich zu einer Rotationsströmung eine recht
winklig dazu gerichtete Strömung in den gekühlten Raum aufgeprägt. Die Ein
richtung zum Durchführen des Verfahrens umfaßt einen Gefriersprühturm, der
den gekühlten Raum bildet, wobei mehrere Sprühdüsen zum Einbringen meh
rerer fluider Komponenten vorgesehen sind, die wenigstens eine Matrix bilden,
durch die die fluiden Komponenten in den Gefriersprühturm als tropfenförmig
fein verteilter Nebel eingesprüht werden. Eine Kühlvorrichtung ist dem Sprüh
turm zugeordnet. Des weiteren befindet sich am Boden des Gefriersprühturmes
eine Auffangvorrichtung zum Auffangen der während des Falles durch den Ge
friersprühturm gefrorenen Tropfen zu Pulver oder Schnee. Eine Fördervorrich
tung dient zum gekühlten Wegfördern des gefrorenen Pulvers oder Schnee und
zur Weiterverarbeitung desselben. Ferner ist eine Kompaktierungsvorrichtung
vorgesehen, durch die das gefrorene Pulver definiert verdichtbar ist.
Durch dieses vorbekannte Verfahren werden eine oder mehrere fluide Matrizes,
die ihrerseits aus einer oder mehreren Komponenten bestehen, frei in einen
gekühlten Raum versprüht und die zu einem feindispersen Pulver gefrorenen
Tropfen aufgefangen und anschließend weiterverarbeitet. Auf diese Weise wird
die Möglichkeit eröffnet, sonst als fluide Komponenten nur unter erhöhtem ap
parativen Aufwand miteinander fein dispers stabil vermischbare Komponenten,
zum Beispiel die Komponenten von Speiseeis, als flüssige Matrix bzw. Matrizes
in einen Raum einzusprühen und das anschließend gewonnene tiefgefrorene
Pulver nach geeigneter, den dispersen Gasanteil festlegender Kompaktierung
und/oder Portionierung gekühlt zwischen- bzw. endzulagert. Zu einem Entmi
schen der Komponenten kann es dann nicht mehr kommen. Alle Investitionen,
die sonst zum Homogenisieren, Reifen (Eismix), Freezen und Härten (zum
Beispiel bei der Herstellung von Speiseeis) erforderlich sind, können bei An
wendung des erfindungsgemäßen Verfahrens entfallen.
Sofern dieses vorbekannte Verfahren auf andere eßbare Massen, zum Beispiel
Tortenmassen, Sahne, Teige, Fruchtmassen oder dergleichen Anwendung fin
det, können diese dispersen tiefgefrorenen Pulver entweder als Pulver zwi
schengelagert, oder aber anschließend ebenfalls kompaktiert und portioniert
und anschließend gefroren zwischengelagert werden. Dabei wird ebenfalls die
Möglichkeit eröffnet, zum Beispiel der Matrix von Tortenmassen beliebige fluide
oder pulverförmige Zusatzkomponenten durch feines Einsprühen/Einblasen in
einen gekühlten Raum zuzuführen, die dann in der gewonnenen, gefrorenen
dispersen Pulvermischung enthalten sind, so daß sich eine besonders homo
gene Vermischung erzielen läßt, ohne daß die Gefahr des Entmischens gege
ben ist. Der Sprühagglomerationseffekt, das heißt eine "Haftverbindung" zwi
schen den gefrorenen Pulverteilchen läßt die Entmischung des Pulvers vermei
den.
Nach diesem Verfahren ist im Bedarfsfalle eine kontinuierliche Arbeitsweise zu
erzielen, mit hohen Durchsatzmengen, wie sie für die industrielle Anwendung,
zum Beispiel bei der Herstellung von Speiseeis, in größeren Mengen erforder
lich ist. Mehrere fluide Komponenten können zu einer Matrix vor oder während
des Versprühens homogen vermischt und dann das feindisperse Pulver an
schließend weiterverarbeitet werden.
Dem Gefriersprühturm wird die zu versprühende fluide Matrix über eine oder
mehrere Pumpen zugeführt und über im Kopfraum des Gefriersprühturmes an
geordnete, zum Beispiel als Ein- oder Mehrstoff-, insbesondere Zweistoff-
Sprühdüsen, homogen versprüht. Über den Umfang des Sprühturmes können
in mehreren übereinanderliegenden horizontalen Ebenen mehrere Kältemittel-,
Umluft- und/oder Produktdüsen in einem Winkel von ≦ 60 Grad zur Tangential
ebene, im Extremfall tangential (nur bei Kältemittel und Druckluft), angeordnet
sein, so daß beim Eindüsen von Kältemittel bzw. Druckluft eine Rotationsströ
mung oder bei parallel zur Turmlängsachse ausgerichteten Düsen eine auf-
oder abwärtsorientierte wandnahe Axialströmung hoher Wandgeschwindigkeit
erzeugt wird. Diese bewirkt ein Freihalten der Sprühturminnenwand von
"Anhaftungen" durch nicht bzw. nur tiefgefrorene Sprühtropfen. Im Gefrier
sprühturm werden zur definierten Erzeugung der Strömung bei konstanter
Gastemperatur N2 (Gas oder gesprühtes Fluid) sowie Druckluft eingedüst. Zur
optimalen Nutzung der eingesetzten "Kälteenergie" kann der Sprühturm ferner
mit einer Umluftvorrichtung ausgestattet sein. Nach dem "Kaltfahren" des Ge
friersprühturmes wird die turminterne Strömung im Umluftbetrieb aufrechter
halten. Die Absaugung der Umluft kann in der unteren Turmhälfte über einen
Doppelmantelspalt erfolgen.
Das Versprühen vorgeschäumter Fluidsysteme erfolgt nach der DE 43 44 393
nicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von
lagerfähigen, tiefgefrorenen oder getrockneten, eßbaren Schaumpulversprüh
teilchen, insbesondere von Lebensmitteln wie Milchprodukte (Eiskrem,
Schlagsahne, Milch- bzw. Milchproteinkonzentrate), von Früchteschäumen,
Proteinschäumen oder dergleichen, mit erhöhtem Gasgehalt von bis zu 90
Vol.%, vorzugsweise 30 bis 70 Vol.%, bereitzustellen.
Des weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum
Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 oder 2 wiedergegebenen
Merkmale gelöst.
Erfinderische Ausgestaltungen sind in den Patentansprüchen 3 bis 17 be
schrieben.
Durch das erfindungsgemäße Schaumsprühverfahren werden kleine Teilchen,
welche im Innern eine Schaumstruktur besitzen, hergestellt. Die Teilchengrö
ßen liegen in der Regel zwischen 5 Mikrometern und ca. 2 Millimetern. Prin
zipiell können auch größere Teilchen erzeugt werden; dann ist die präferierte
Kugelform jedoch nur noch näherungsweise gewährleistet (ellipsoide bzw. un
regelmäßig geformte ellipsoid-ähnliche Körper). Die inneren, die Schaumstruk
tur der Teilchen bildenden Gasblasen, besitzen charakteristische Abmessun
gen im Bereich von ca. 1 bis 50 Mikrometern. Der Gasanteil in den erzeugten
Schaumkugelteilchen kann bis zum 90 Volumenprozent, bevorzugt jedoch etwa
30 bis 70 Volumenprozent, betragen.
Die zu versprühenden Schaumteilchen werden in der Sprühapparatur entweder
durch Temperaturabsenkung oder Trocknung - Wasser- oder Lösungsmit
telentzug - verfestigt. Die geringen Abmessungen der Schaumpulversprühteil
chen erlauben eine derartige Verfestigung oder zumindest einer mechanisch
stabilen Außenhüllschicht innerhalb kurzer Zeit von weniger als einer Sekunde
bei Temperaturen im Sprühraum von ≦ ca. 30°C bis 70°C unterhalb der
Schmelztemperatur bei der Kaltverfestigung oder bei Temperaturen von ≧ ca.
20°C bis 120°C oberhalb der Siedetemperatur der zu versprühenden Fluid
grundmatrix der geschäumten Systeme. Die Fluidgrundmatrix kann aus wäßri
gen Lösungen, aus Fettschmelzen oder aus einer Mischung dieser beiden
Komponenten, zum Beispiel aus Emulsionen, bestehen.
Erfindungsgemäß wird im Herstellungsverfahren der Schaumteilchen eine Ab
stimmung der Stabilitätseigenschaften der inneren Schaumstruktur im Teilchen
mit den Betriebsparametern und Auslegungsparametern des Sprühvorganges
dadurch erreicht, daß
- a) die Herstellung des Schaumes in einer kontinuierlichen Schaumaufschlag- Apparatur mit nachgeschaltetem Gegendruckregler derart erzeugt wird, daß eine feindisperse, gleichmäßige Schaumstruktur unter minimalem statischen Druck von ≦ 1 bis 3 bar erzeugt und damit eine feinstmögliche Dispergierung der Gasphase mit enger Blasengrößenverteilung erreicht wird;
- b) die Schaummatrix mit sehr kleinen Druckgradienten über der Düsenlänge von zum Beispiel ≦ 0,1 bis 1 bar durch einen glatten inneren Düsenkanal einer Zweistoffdüse transportiert wird;
- c) eine drallfreie laminare Strömung der geschäumten Matrix in der Sprüh düse des inneren Düsenkanals erzeugt wird;
- d) eine Zweistoffdüse eingesetzt wird, welche das Sprühgas nicht mit der Schaummatrix vorvermischt, sondern erst am Düsenaustritt auf den aus tretenden Schaumstrang treffen läßt und diesen zerteilt bzw. zerwellt;
- e) die Sprühgasströmung am Austritt eines äußeren Ringkanals der Zwei stoffsprühdüse durch geeignete Wahl des Sprühgasvordruckes von etwa 1 bis 10 bar derart eingestellt wird, daß keine Überbeanspruchung mit einhergehender Zerstörung der Schaumstruktur am Düsenaustritt ent steht, sondern ein schonendes Zerwellen des Schaumstranges erfolgt.
Wie für das Sprühen von Flüssigkeiten im allgemeinen wird auch für das Ver
sprühen von vorgeschäumten Fluidsystemen ein Druck vor der Sprühdüse auf
gebaut, damit die Ausbildung einer Sprühlamelle und deren Zerteilung in ein
zelne feine Tröpfchen erfolgt. Da der Gasanteil stark kompressibel ist werden
sich beim Entspannungsvorgang in der Sprühdüse die Gasblasen der
Schaummatrix umgekehrt proportional zum Druck, also stark ausdehnen.
Aufgrund der kurzen Entspannungszeiten in der Sprühdüse ist die Belastung
der Lamellen zwischen den Schaumblasen, welchen in etwa äquibiaxiale Deh
nung erfahren, extrem hoch. Werden kritische Druckgradienten überschritten,
dann zerreißen die Schaumlamellen im Sprühstrahl vollständig. Die resultieren
den Sprühteilchen besitzen dann deutlich reduzierte oder keine für die
Schaumstrukturgebung maßgeblichen Gasanteile mehr.
Werden die Beschleunigung der vorgeschäumten Matrix in der Sprühdüse und
die Sprühdruckdifferenz über die Düse einhergehend mit einer drallfreien la
minaren Strömung der geschäumten Matrix in der Sprühdüse optimiert und die
Rheologie der zu sprühenden Schaummatrix sowie der Grenzflächenspannung
zwischen Gas und Fluid in geeigneter Weise aufeinander abgestimmt (eine
Erhöhung von Viskosität und Grenzflächenspannung zieht eine notwendige
Druckerhöhung nach sich) dann kann ein nahezu vollständiger Erhalt des
Gasanteils im Vergleich zum vorgeschäumten Fluidsystem sowie eine feindis
perse Schaumstruktur im Sprühteilchen erreicht werden.
Um eine gleichmäßige Zerteilung bzw. Aufteilung des Schaumstranges in
Schaumteilchen am Düsenaustritt zu erreichen, wird der Sprühgasströmung
durch den tangentialen Eintritt des Sprühgasstromes in die äußere Düsenring
kammer ein Drall aufgeprägt und der Sprühgasstrahl durch Reduktion des
Austrittsquerschnittes verschärft und beschleunigt. In Abhängigkeit von den
rheologischen Eigenschaften sowie der Oberflächenspannung der geschäum
ten Matrix am Austritt des inneren Düsenkanals, erfolgt bei Sprühgasdruckdiffe
renzen (über der Düse) von ca. 1 bis 10 bar die gewünschte Zertei
lung/Zerwellung/Aufteilung des Schaumstranges am Düsenaustritt. Eine zu
starke Beanspruchung bei diesem Zerteilungsvorgang bzw. Aufteilungsvorgang
würde die gesprühten Schaumteilchen derart klein entstehen lassen, daß
zwangsläufig Schaumgasblasen vermehrt aufgebrochen bzw. separiert würden
und damit ein markanter Verlust an Gasanteil im Schaum resultierte.
Bei steigendem Sprühgasdruck wird der aus dem inneren Düsenkanal austre
tende Schaumstrang zunehmend turbulent zerteilt bzw. zerwellt. Erst bei einem
bestimmten Druck des Sprühgasstrahles von zum Beispiel 3 bar in einem ange
führten Beispiel ergibt sich eine gleichmäßige Schaumteilchengrößenverteilung
zwischen ca. 50 und 800 Mikrometern.
Um bereits vor der Zerteilung des Schaumstranges in diesem keine Entmi
schungsvorgänge (Gasseparation) entstehen zu lassen, ist der Transport der
Schaummatrix durch die Rohrleitung vor der Sprühdüse sowie durch die
Sprühdüse selbst mit möglichst minimiertem Druckgradienten und möglichst
ohne Drall und lokale Turbulenzen, das heißt in laminarer Strömung zu realisie
ren. Erfindungsgemäß wird die minimierte mechanische Belastung der
Schaummatrix dadurch erreicht, daß
- a) die Fluidförderpumpe in geringem Abstand vor dem Gasdispergierkopf installiert wird;
- b) die Rohrleitung zwischen der Aufschlagvorrichtung und der Sprühdüse möglichst kurz, zum Beispiel ≦ 1 bis 2 Meter, gehalten wird und
- c) innerhalb der Düse nicht wie üblich ein Drallkörper eingesetzt oder eine ausgeprägte geometrische Verengung des Düsenkanals vorgenommen wird, sondern ein nur schonend verengender oder zylindrischer Durch trittskanal bevorzugt mit bearbeiteten extrem glatten Wänden eingesetzt wird. Die Wände können gegebenenfalls beschichtet sein.
Die zerteilten Schaumtropfen werden in einen Raum eingesprüht, in welchen
zum Beispiel mittels Eindüsen von verdampfenden Kältemitteln wie flüssiger
Stickstoff oder Kohlendioxid die Kammertemperatur auf ca. 30°C bis 50°C
unterhalb Schmelztemperatur der Fluidphase der gesprühten Schaummatrix
gebracht wird. Alternativ kann durch Einblasen trockener über ein Heizregister
aufgeheizter Heißluft eine geeignete Trocknungsatmosphäre erreicht werden.
Zum Beispiel kann Wasser bei Trocknungsgastemperaturen von 140°C bis
220°C entzogen werden. Die Schaumtropfen erstarren bzw. verfestigen zu
Schaumpulversprühteilchen während ihrer Sedimentation und sammeln sich als
erstarrte Schaumpulversprühteilchen im konischen unteren Teil der Sprüh
kammer an, von wo sie mittels eines Austragsorgans ausgebracht werden. Ein
solches Austragsorgan kann eine Zellenradschleuse und/oder ein Förderband,
ein Schneckenförderer oder dergleichen sein. Grundsätzlich kann auch gefro
renen Teilchen in einem anschließenden Gefriertrocknungsschritt das Wasser
weitestgehend entzogen werden.
Der Wasserentzug bei Trocknung der geschäumten Sprühtropfen führt zu einer
weitergehenden Vergrößerung des inneren Gasphasenanteiles. Insbesondere
werden innere Gasblasen durch bei der Trocknung entstehende Kapillarkanäle
mit der Teilchenoberfläche verbunden. Dies wirkt sich insbesondere bei derartig
zu erzeugenden Instantprodukten im Falle deren Rekonstitution
(Benetzung/Auflösung in Flüssigkeit) positiv aus, da eine beschleunigte und
erhöhte Fluidaufnahme gewährleistet wird.
In der Sprühkammer wird bevorzugt eine kontinuierliche Umluftströmung er
zeugt, was insbesondere beim Einsatz von Kältemittel gilt. Bei Heißlufteinsatz
kann auch in der gleichen Weise verfahren werden wie bei konventionellen
Trocknungssprühtürmen, wo die abgereinigte partikelfreie Warmluft abgeleitet
wird. Hierzu erfolgt die Absaugung des Gases über einen unteren Ringkanal
bei Gleichstrombetrieb des Sprühturmes oder über einen oberen Ringkanal bei
Gegenstromverfahren. Beim Absaugen von Luft-Kältemittelgasgemisch kann
ebenso verfahren werden. Über die Umluftleitung wird mittels eines Ventilators
der Gasstrom zum oberen (Gleichstrom) oder unteren (Gegenstrom) Ringkanal
und von dort wieder in die Sprühkammer transportiert. Die tangentielle Absau
gung und Wiedereindüsung des Gasstromes über die beschriebenen Ringka
näle erfolgt bevorzugt tangential. Damit entsteht in der Sprühkammer eine Ro
tationsströmung, welche die Schaumpulversprühteilchen auf ihrem Fallweg er
höhte Relativgeschwindigkeiten zum Gasstrom erreichen läßt. Dies verbessert
den Wärme- und Stoffübergang von den Schaumpulversprühteilchen auf den
Gasstrom.
Auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können mehrere fluide Matrizes,
die gegebenenfalls aus einer oder mehreren Komponenten bestehen, fein in
den gekühlten Raum versprüht und zu Schaumpulversprühteilchen gefroren
oder durch Trocknung und damit Entzug bzw. Teilentzug der Fluidphase stabi
lisiert werden, so daß sie entweder als tiefgefrorene Schaumpulversprühteil
chen oder aber als getrocknete, stabilisierte Schaumpulversprühteilchen gela
gert werden können, bevor sie weiter verarbeitet werden. Auf diese Weise wird
die Möglichkeit eröffnet, sonst als fluide Komponenten nur unter erhöhtem ap
parativen Aufwand miteinander feindispers stabil vermischbare Komponenten,
zum Beispiel Komponenten von Speiseeis, als flüssige Matrix bzw. Matrizes in
einen Raum einzusprühen und die anschließend gewonnenen, entweder tief
gekühlten Schaumpulversprühteilchenmischungen oder die getrockneten, sta
bilisierten Schaumpulversprühteilchenmischungen mit erhöhtem Gasgehalt
zwischen- oder endzulagern. Zu einem Entmischen der Komponenten kann es
hierbei ebenfalls nicht kommen. Auf diese Weise lassen sich auch andere eß
bare Massen, zum Beispiel Sahne, Fruchtmassen oder dergleichen, herstellen,
die als Schaumpulversprühteilchen bzw. derartige Mischungen mit erhöhtem
Gasgehalt zwischengelagert oder portioniert und anschließend weiterverarbei
tet werden.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist im Bedarfsfalle eine kontinuierli
che Arbeitsweise zu erzielen, mit hohen Durchsatzmengen, wie sie für die in
dustrielle Anwendung, zum Beispiel bei der Herstellung von Speiseeis bzw.
gefrorenen Dessertprodukten, in größeren Mengen, erforderlich ist.
Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 18, 19 oder 20 wiedergege
benen Merkmale gelöst.
Im Sprühturm wird die zu versprühende geschäumte Fluidgrundmatrix über
eine oder mehrere Pumpen zugeführt und über im Kopfraum des Sprühturmes
angeordnete, als Ein- oder bevorzugt Zweistoffdüsen ausgebildete Sprühdüsen
homogen schonend versprüht, um die Schaumstruktur der Fluidgrundmatrix so
weit wie möglich zu erhalten. Über den Umfang des Sprühturms können in
mehreren übereinanderliegenden horizontalen Ebenen mehrere Kältemittel-,
Umluft- und/oder Heizluftdüsen sowie gegebenenfalls auch Produktdüsen in
einem Winkel von zum Beispiel ≦ 60 Grad zur Tangentialebene, im Extremfall
tangential angeordnet sein, so daß beim Eindüsen von Kältemittel bzw.
Druckluft oder von Heizluft eine Rotationsströmung oder bei parallel zur Turm
längsachse ausgerichteten Düsen eine auf- oder abwärtsorientierte wandnahe
Axialströmung hoher Wandgeschwindigkeit erzeugt wird. Diese bewirkt ein
Freihalten der Sprühturminnenwand von Anhaftungen durch Schaumpulver
sprühteilchen.
Die Höhe des Sprühturms ist dabei eine Funktion des Materialverhaltens
(Viskosität, Schaumpulversprühteilchengröße und -verteilung, Wärmeleit- und
-übergangskoeffizienten) sowie abhängig von der Düsenauslegung und deren
Betriebsweise.
Die nach einer spezifischen "Fallzeit" im Sprühturm stabilisierten Schaumpul
versprühteilchen sammeln sich im Bodenraum des Sprühturmes. Von dort aus
können die Schaumpulversprühteilchen mit erhöhtem Gasgehalt mittels einer
Zellenradschleuse oder einer alternativen Austragsvorrichtung, zum Beispiel
Schnecke, Vibrationsboden oder dergleichen, entweder Verpackungsbehältern
oder einem Förderer zugeführt werden.
Im Falle eines Gefriersprühturmes werden zur definierten Erzeugung der Strö
mung bei konstanter Gastemperatur N2 (Gas oder gesprühtes Fluid) sowie
Druckluft eingedüst. Auch in diesem Falle kann zur optimalen Nutzung der ein
gesetzten "Kälteenergie" der Sprühturm ferner mit einer Umluftvorrichtung aus
gestattet sein.
Wird der Sprühturm zum Entzug bzw. Teilentzug der Fluidphase (Trocknung)
herangezogen, ist dem Sprühturm mindestens ein Heizregister zugefügt, von
dem aus Heißluft dem Innenraum zugeführt wird.
In allen Fällen bleibt das Schaumgefüge in den Schaumpulversprühteilchen
durch Erstarrung bzw. Entzug oder Teilentzug der Fluidphase stabilisiert.
Weitere erfinderische Ausgestaltungen sind in den Patentansprüchen 21 bis
31 beschrieben.
In der Zeichnung ist die Erfindung - teils schematisch - beispielsweise veran
schaulicht. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zum Erzeugen ge
schäumter, lagerfähiger, eßbarer Schaumpulversprühteilchen;
Fig. 2 eine Doppelmanteldüse, teils im Längsschnitt, teils in der Seitenan
sicht.
Mit dem Bezugszeichen 1 ist eine Pumpvorrichtung bezeichnet, die aus einer
oder mehreren motorisch angetriebenen Förderpumpen bestehen kann, die in
geeigneter Weise über eine Ansaugleitung 2 aus einem Tank 3 die Fluid
grundmatrix ansaugt. Statt eines Tankes 3 können auch mehrere hintereinan
der und/oder parallel geschalteter Tanks vorgesehen sein, in denen die ver
schiedenen Komponenten der Fluidmatrix angeordnet sind.
Es ist auch möglich, daß die Pumpvorrichtung 1 über getrennte Saugleitungen
(nicht dargestellt) aus verschiedenen Tanks verschiedene Komponenten der
Fluidgrundmatrix ansaugt, die dann über eine oder über mehrere (nicht darge
stellte) Förderleitungen 4 über ein Ventil 5, das als Mehrwegeventil ausgebildet
sein kann und über die Leitung 6 die Fluidgrundmatrix in einen oder mehrere
parallel und/oder in Reihe geschaltete Schaumaufschlagapparate 7 hineinför
dern. Dieser Schaumaufschlagapparat 7 ist mittels eines motorischen Antriebes
8 angetrieben, der vorzugsweise als regelbarer Elektromotor ausgebildet ist. Im
vorliegenden Falle besteht der Schaumaufschlagapparat 7 aus Stator und
Rotor, die koaxial zueinander angeordnet sind und die ineinandergreifende
Stiftsysteme aufweisen, die ineinander kämmen und Strömungskanäle
miteinander bilden, durch die der aufzuschlagende Mix in axialer Richtung hin
durchströmt. Gas- bzw. Luftzufuhrleitungen und Leitungen, durch die gegebe
nenfalls Kühlmittel einem Doppelmantel des Statorgehäuses zuführbar ist, sind
nicht dargestellt.
Mit 10 ist ein Sprühkopf bezeichnet, der eine Sprühdüse 12 aufweist, die in ei
nem aufrechtstehenden Sprühraum 13 angeordnet ist.
Jedem der Schaumaufschlagapparate 7 ist ein in einer Druckleitung 9 ange
ordneter Gegendruckregler 37 zugeordnet. Der Weg von dem jeweiligen
Schaumaufschlagapparat 7 bis zu dem Sprühkopf 10 ist kurz bemessen und
beträgt nur etwa 0,50 bis 3 m, um den Schaum möglichst schonend zu trans
portieren. Die Sprühdüse 12 ist im unmittelbaren Bereich der oberen Innenseite
des Sprühturmes 11 in dem Sprühraum 13 angeordnet. Im Gegensatz zu der
dargestellten Ausführungsform können auch mehrere parallel und/oder hinter
einander geschaltete Sprühköpfe 10 vorgesehen sein. Des weiteren ist es
möglich, jedem Sprühkopf 10 statt einer auch mehrere Sprühdüsen 12 oder
Sprühdüsengruppen zuzuordnen, denen der zu versprühende Schaum über
kurze Rohrleitungen zugeführt wird.
Der Sprühturm 11 weist bei der dargestellten Ausführungsform einen Isolati
onsmantel 14 auf, der aus üblichem Isolationsmaterial bestehen kann. Der Iso
lationsmantel 14 wärmeisoliert den Sprühturm 11 allseitig.
Wie man aus Fig. 1 entnimmt, ist der Sprühturm 11 über mehr als zwei Drittel
seiner Länge zylindrisch ausgebildet, an den sich ein konischer Längenab
schnitt 15 nach unten anschließt, der durch einen geeigneten Verschluß 16,
zum Beispiel eine Zellenradschleuse, einen Schieber oder dergleichen nach
unten abgeschlossen ist. An den Verschluß 16 kann sich ein nicht dargestelltes
Förderband oder ein Mundstück zum Befüllen von Behältern oder dergleichen
anschließen.
Mit 17 ist ein Vorratstank für Kältemittel, vorliegend vorzugsweise für N2
(flüssig) bezeichnet, der über eine Leitung 18 mit einem Sprühkopf 19 verbun
den ist der gegen die Sprührichtung der Sprühdüse 12 gerichtet ist und durch
den das flüssige Kältemittel in den Sprühraum 13 aufgrund des im Vorratstank
eingestellten Druckes einsprühbar ist.
Mit dem Bezugszeichen 20 ist eine geeignete Umluftvorrichtung bezeichnet, die
in einer Leitung 21 eingeschaltet ist und die durch einen Ringraum 22 aus dem
Sprühraum 13 des Sprühturmes 11 Kältemittel und Luft ansaugt und diese über
die Leitung 21 in einen Ringraum 23 hineinfördert, der sich im oberen Drittel
des Sprühturmes 11 befindet. Sowohl der Ringraum 22 als auch der Ringraum
23 sind jeweils über mindestens eine Schlitzöffnung 24 bzw. 25 an den
Sprühraum 13 des Sprühturmes 11 angeschlossen. Mit 39 ist eine Abluftleitung
bezeichnet.
Im Falle, daß der Sprühturm 11 den eingesprühten Schaum durch Trocknen,
also Feuchtigkeitsentzug, stabilisiert, wird statt Kältemittel über ein Heizregister
26 Luft erwärmt, die über eine Heizleitung 27 in den Sprühraum 13 einge
bracht, vorzugsweise eingeblasen, wird. In diesem Falle braucht die Einrichtung
weder einen Vorratstank 17 für Kältemittel, noch eine Fördervorrichtung für
Kältemittel, noch einen Sprühkopf 19 aufzuweisen.
Aus Fig. 2 ist eine als Doppelmanteldüse ausgebildete Sprühdüse 12 ersicht
lich, die einen Ringmantel 28 und ein konzentrisch dazu angeordnetes Förder
rohr 29 aufweist, dem der zu versprühende Schaum über einen konischen An
schlußstutzen 30 derart zugeführt wird, daß sich eine laminare, drallfreie
Schaumströmung ergibt.
An das Oberteil des Ringmantels 28 ist ein vorzugsweise tangential in den
Ringraum 32 einmündendes Rohr 31 angeschlossen, durch das Sprühgas z. B.
Luft, unter Druck zuführbar ist. Dadurch ergibt sich eine turbulente Gasströ
mung mit Drall, was durch die Pfeile in Fig. 2 angedeutet wird.
Der Ringmantel 28 ist auf seiner axialen Länge zylindrisch ausgebildet. An den
zylindrischen Längenabschnitt schließt sich nach unten ein konisch sich verjün
gender Längenabschnitt 38 an, dessen Mündungsöffnung 33 in der Ebene der
Mündungsöffnung des Förderrohres 29 endet. Dadurch ergibt sich im Bereich
der Mündungsöffnung 33 ein ringförmig verengter Düsenquerschnitt, der zu
einem scharfen, ringförmigen Gas-, insbesondere Luftstrahl 34, beiträgt. Dieser
Gasstrahl 34 trifft auf den Schaumstrang 35 und zerwellt bzw. zerteilt diesen in
bezüglich der Größenklasse vorbestimmbare Schaumpulversprühteilchen 36,
die in Fig. 2 übertrieben groß dargestellt sind.
Diese zerwellten bzw. zerteilten Schaumsprühteilchen 36 sammeln sich in dem
unteren, konischen Längenabschnitt 15 des Sprühturmes 11 und können von
dort wegtransportiert werden. Sowohl bei dem Abkühlen als auch bei der
Trocknung werden die Schaumpulversprühteilchen 36 stabilisiert, so daß diese
Schaumpulversprühteilchen 36 in dieser stabilisierten Form mit hohem Gasan
teil lagerfähig sind.
Die in der Zusammenfassung, in den Patentansprüchen und in der Beschrei
bung beschriebenen sowie aus der Zeichnung ersichtlichen Merkmale können
sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der
Erfindung wesentlich sein.
DE 289 262
DE 17 67 046
DE 26 02 454
DE 35 44 803 A1
DE 36 33 746 A1
DE 37 07 779 A1
DE 37 26 836 A1
DE 38 37 604 A1
DE 39 05 946 A1
DE 39 18 268 C1
DE 41 07 740 A1
DE 42 02 231 C1
DE 43 17 164.8-41
DE 43 44 393 C1
WO 88 07331
WO 92/02146
WO 96/29896
BE 559 605
FR 2 342 472
FR 2 375 901
FR 1 507 738
EP 0 225 081
EP 0 478 118
US-PS 2,132,364
US-PS 2,713,253
US-PS 3,304,737
US-PS 5,126,156
JP 3-27276 in: Patents Abstr. of Japan, Sekt. C, Bd 15, 1991, Nr. 150 (C-824)
JP 59-59165 A in: Patents Abstr. of Japan, Sekt. C, Bd. 8, 1984, Nr. 156, (C-234)
JP 62-55067 A in: Patents Abstr. of Japan, Sekt. C, Bd. 11, 1987, Nr. 251 (C-440)
DE 17 67 046
DE 26 02 454
DE 35 44 803 A1
DE 36 33 746 A1
DE 37 07 779 A1
DE 37 26 836 A1
DE 38 37 604 A1
DE 39 05 946 A1
DE 39 18 268 C1
DE 41 07 740 A1
DE 42 02 231 C1
DE 43 17 164.8-41
DE 43 44 393 C1
WO 88 07331
WO 92/02146
WO 96/29896
BE 559 605
FR 2 342 472
FR 2 375 901
FR 1 507 738
EP 0 225 081
EP 0 478 118
US-PS 2,132,364
US-PS 2,713,253
US-PS 3,304,737
US-PS 5,126,156
JP 3-27276 in: Patents Abstr. of Japan, Sekt. C, Bd 15, 1991, Nr. 150 (C-824)
JP 59-59165 A in: Patents Abstr. of Japan, Sekt. C, Bd. 8, 1984, Nr. 156, (C-234)
JP 62-55067 A in: Patents Abstr. of Japan, Sekt. C, Bd. 11, 1987, Nr. 251 (C-440)
1
Pumpvorrichtung, Pumpe
2
Ansaugleitung
3
Tank
4
Förderleitung
5
Ventil
6
Leitung
7
Schaumaufschlagapparat, Aufschlagvorrichtung
8
Antrieb, motorischer
9
Druckleitung
10
Sprühkopf
11
Sprühturm, Gefriersprühturm
12
Sprühdüse
13
Sprühraum
14
Isolationsmantel
15
Längenabschnitt
16
Verschluß
17
Vorratstank
18
Leitung
19
Sprühkopf
20
Umluftvorrichtung
21
Leitung
22
Ringraum
23
Ringraum
24
Schlitzöffnung
25
Schlitzöffnung
26
Heizregister, Heizvorrichtung
27
Heizleitung
28
Ringmantel
29
Förderrohr
30
Anschlußstutzen, konischer
31
Rohr
32
Ringraum
33
Mündungsöffnung
34
Luftstrahl
35
Schaumstrang, Schaum
36
Schaumpulversprühteilchen
37
Gegendruckregler
38
Längenabschnitt
39
Abluftleitung
Claims (31)
1. Verfahren zum Herstellen von lagerfähigen, tiefgefrorenen, eßbaren
Schaumpulversprühteilchen (36), insbesondere von Lebensmittel wie
Milchprodukte (Eiskrem, Schlagsahne, Milch- bzw. Milchproteinkonzen
trate), von Früchteschäumen, Proteinschäumen oder dergleichen, mit er
höhtem Gasgehalt von bis zu 90 Volumenprozent, vorzugsweise 30 bis 70
Vol.%, bei denen eine Fluidgrundmatrix, die aus einer oder mehreren
Komponenten besteht, zwecks Schaumbildung aufgeschlagen und der
Schaum anschließend schonend in einen gekühlten Sprühraum (13) unter
Vermeidung von Verlusten an dispergiertem Gas in den Schaumpul
versprühteilchen (36) mechanisch eingesprüht und in diesem Sprühraum
(13) in weniger als einer Sekunde bei Temperaturen von ≦ ca. 30°C bis
50°C unterhalb der Schmelztemperatur der zu versprühenden Fluid
grundmatrix des Schaumes auf Lagertemperatur abgekühlt und dadurch
das Schaumgefüge in den Schaumpulversprühteilchen (36) durch kri
stalline und/oder amorphe Erstarrung der Fluidphase stabilisiert wird.
2. Verfahren zum Herstellen von lagerfähigen, durch Entzug oder Teilentzug
der Fluidphase stabilisierten eßbaren Schaumpulversprühteilchen (36),
insbesondere von Lebensmitteln wie Milchprodukte (Eiskrem, Schlag
sahne, Milch- bzw. Milchproteinkonzentrate), von Früchteschäumen, Pro
teinschäumen oder dergleichen, mit erhöhtem Gasgehalt von bis zu 90
Volumenprozent, vorzugsweise 30 bis 70 Vol.%, bei denen eine Fluid
grundmatrix, die aus einer oder mehreren Komponenten besteht, zwecks
Schaumbildung aufgeschlagen und der Schaum anschließend schonend
in einen gekühlten oder erhitzten Sprühraum (13) unter Vermeidung von
Verlusten an dispergiertem Gas in den Schaumpulversprühteilchen (36)
mechanisch eingesprüht und in diesem Sprühraum (13) in weniger als ei
ner Sekunde bis zu einigen Sekunden bei Temperaturen von ca. 30°C-50°C
unterhalb des Gefrierpunktes der kontinuierlichen Fluidphase ver
festigt (gefroren) und anschließend gefriergetrocknet wird, oder bei ca. ≧
20°C bis 120°C oberhalb der Siedetemperatur der zu versprühenden
Fluidgrundmatrix der geschäumten Systeme durch Trocknung lagerfähig
stabilisiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schaumpulversprühteilchen mit einer Teilchengröße von etwa 5 Mikrome
tern bis einigen Millimetern hergestellt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der darauffolgenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die inneren, die Schaumstruktur der Teil
chen bildenden Gasblasen mit charakteristischen Abmessungen im Be
reich von 1 bis ca. 100 Mikrometern hergestellt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der darauffolgenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung in dem Sprühraum (13)
durch direktes Eindüsen eines verdampfenden Kältemittels - zum Beispiel
flüssigem Stickstoff oder Kohlendioxid - erzeugt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der darauffolgenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Schaum nach seiner Herstellung nur
über einen relativ kurzen Weg bis zum Sprühraum (13) transportiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Fluidgrundmatrix im kontinuierlichen Durchlauf
verfahren zu Schaum aufgeschlagen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der darauffolgenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der zu versprühende Schaum mit feindis
perser, gleichmäßiger Schaumstruktur in einer kontinuierlichen Auf
schlagapparatur unter minimalem statischen Überdruck von ca. ≦ 1 bis 3
bar zur Erzielung einer feinstmöglichen Dispergierung der Gasphase mit
enger Blasengrößenverteilung erzeugt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die in den Sprühraum (13) zu versprühende
Schaummatrix mit sehr kleinen Druckgradienten über der Düsenlänge von
zum Beispiel ≦ 0,1 bis 1 bar durch die Sprühdüse transportiert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der darauffolgenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der hergestellte, in den Sprühraum (13)
einzusprühende Schaum bevorzugt drallfrei und mit laminarer Strömung
beim mechanischen Verdüsen oder Versprühen durch die Sprühdüse
transportiert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der darauffolgenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der in den Sprühraum (13) eingesprühte
Schaum erst unmittelbar bei seinem Eintritt in den Sprühraum (13) durch
wenigstens einen Sprühgasstrom in die Schaumpulversprühteilchen (36)
zerteilt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck,
mit dem der Sprühgasstrahl auf den in den Sprühraum (13) eintretenden
Schaum (35) auftrifft, derart eingestellt wird, daß keine Überbeanspru
chung mit einhergehender Zerstörung der Schaumstruktur beim Eintritt in
den Sprühraum (13) entsteht, sondern nur eine schonende Auflösung, ein
schonendes Zerwellen oder Aufteilen des Schaumstranges (35) erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Sprüh
gasstrahl bevorzugt mit etwa 1 bis 10 bar auf den in den Sprühraum (13)
eintretenden Schaum (35) auftrifft.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der
Sprühgasstrahl auf den Schaumstrang (35) unmittelbar bei dessen Eintritt
in den Sprühraum (13) unter Drallbildung auf den Schaum (35) auftrifft.
15. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der darauffolgenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumpulversprühteilchen (36) aus
aufgeschäumten wäßrigen oder fettbasierten Fluidsystemen erzeugt wer
den.
16. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der darauffolgenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumpulversprühteilchen (36) aus
aufgeschäumten Wasser-Fett-(Öl)-Mischsystemen (z. B. Emulsionen oder
Doppelemulsionen O/W, W/O, W/O/W, O/W/O) hergestellt werden.
17. Verfahren nach Anspruch 2 oder einem der darauffolgenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumpulversprühteilchen (36) in
den Sprühraum (13) eingedüst werden, in dem die Temperatur um mehr
als 30°C über die Siedetemperatur der Fluidmatrix, welche das Schaum
system bildet, angehoben wird und damit einer teilweisen oder vollständi
gen Trocknung unterzogen werden.
18. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2
oder einem der darauffolgenden Ansprüche, zum Herstellen von lagerfä
higen, tiefgefrorenen, eßbaren Schaumpulversprühteilchen (36), insbe
sondere von Lebensmitteln wie Milchprodukte (Eiskrem, Schlagsahne,
Milch- bzw. Milchproteinkonzentrate), von Früchteschäumen, Protein
schäumen oder dergleichen, mit erhöhtem relativen Gasgehalt von 0 bis
90 Volumenprozent, vorzugsweise von 30 bis 70 Vol.%, mit einem als
Gefriersprühturm (11) ausgebildeten gekühlten Sprühraum (13), minde
stens einer Sprühdüse (12) zum Einbringen wenigstens einer vorge
schäumten Fluidgrundmatrix in den gekühlten Raum (13), wenigstens ei
ner Kühlvorrichtung zum Kühlen des Sprühraumes (13), einer Auffangvor
richtung am Sprühturm (11) zum Auffangen der während des Fallens
durch den Sprühturm (11) gefrorenen stabilisierten Schaumpulversprüh
teilchen (36) und einer Wegfördervorrichtung zum gekühlten Wegfördern
der gefrorenen Schaumpulversprühteilchen (36) zwecks Lagerung bzw.
Weiterbeförderung.
19. Einrichtung nach Anspruch 18 zum Durchführen des Verfahrens nach An
spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wegfördervorrich
tung (36) ein Vakuumtrocknungsraum zur Gefriertrocknung der Sprühpul
verteilchen nachgeschaltet ist.
20. Einrichtung nach Anspruch 2 oder einem der darauffolgenden Ansprüche,
zum Herstellen von lagerfähigen getrockneten, eßbaren Schaumpulver
sprühteilchen (36), insbesondere von Lebensmitteln wie Milchprodukte
(Eiskrem, Schlagsahne, Milch- bzw. Milchproteinkonzentrate), von Früch
teschäumen, Proteinschäumen oder dergleichen, mit erhöhtem Gasgehalt
von bis zu 90 Volumenprozent, vorzugsweise 30 bis 70 Vol.%, mit einem
Sprühturm (11), mindestens einem Heizregister (26) zum Aufheizen eines
Heizgases, insbesondere Luft, das über wenigstens eine Leitung (27) dem
Sprühraum (13), vorzugsweise regelbar, zuführbar ist,
mindestens einer Sprühdüse (12) zum Einbringen wenigstens einer vorge
schäumten Fluidgrundmatrix in den beheizten Raum (13), einer Auffang
vorrichtung am Sprühturm (11) zum Auffangen der während des Fallens
durch den Sprühturm (11) getrockneten, stabilisierten Schaumpulver
sprühteilchen (36) und einer Wegfördervorrichtung zum getrockneten
Wegfördern der stabilisierten Schaumpulversprühteilchen (36) zwecks La
gerung bzw. Weiterbeförderung.
21. Einrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß
die Fluidgrundmatrix mittels einer oder mehrerer Pumpen (1) einer im
kontinuierlichen Durchlaufverfahren arbeitenden, als Schaumauf
schlagapparat ausgebildeten Aufschlagvorrichtung zuführbar ist, in der die
Fluidgrundmatrix zu Schaum aufgeschlagen und der Schaum auf kurzem
Weg wenigstens einer Sprühdüse (12) förderbar ist, durch die die
Schaummasse in den gekühlten oder beheizten Sprühraum (13) bringbar
und während ihres Einbringens zu Schaumpulversprühteilchen (36) vor
bestimmbarer Größe aufteilbar ist, die auf Lagertemperatur herunterkühl
bar oder bei Trocknungstemperatur trockenbar und dabei stabilisierbar
sind.
22. Einrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Auf
schlagvorrichtung (7) unmittelbar ein Kühl- oder Gefriergerät zum Vorge
frieren des Schaumes nachgeschaltet wird, von der der vorgefrorene
Schaum der mechanischen Sprühvorrichtung zuförderbar ist.
23. Einrichtung nach Anspruch 20 oder einem der darauffolgenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß dem Sprühraum (13) wenigstens
eine Heizvorrichtung (26) zugeordnet ist, die durch mindestens eine
Leitung mit dem Sprühraum (13) verbunden ist.
24. Einrichtung nach Anspruch 18 oder einem der darauffolgenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß am unteren Ende des Sprühraumes
(13) eine geeignete Verschlußvorrichtung, zum Beispiel eine Zellen
schleuse (16), angeordnet ist.
25. Einrichtung nach Anspruch 18 oder einem der darauffolgenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufschlagvorrichtung (7) wenig
stens ein Gegendruckregler (37) angeordnet ist.
26. Einrichtung nach Anspruch 20 oder einem der darauffolgenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Sprühraum (13) eine kontinu
ierliche Umlaufströmung von heißer Luft oder Kaltluft aufrechterhalten
wird.
27. Einrichtung nach Anspruch 18 oder einem der darauffolgenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum mechanischen
Versprühen als Doppelmanteldüse (12) ausgebildet ist, in deren äußeren
Ringmantel (28) Sprühgas eintreibbar ist, während durch ein zentrisches
Förderrohr (29) der Schaum (35) zuführbar ist.
28. Einrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß das zen
trische Förderrohr (29) mit seiner Mündungsöffnung ebenfalls in der Mün
dungsebene (33) des Ringmantels (28) endet und daß der Ringmantel im
Bereich der Mündungsöffnung (33) des zentrischen, den Schaum führen
den Förderrohres (29) sich konisch zur Erzielung eines verengten Strö
mungsquerschnittes für das Sprühgas verjüngt.
29. Einrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß sich der
Ringmantel (28) schonend in Bezug auf seine Mündungsöffnung verjüngt
und daß Wandungen der Strömungswege für den Schaum (35) extrem
glatt, zum Beispiel beschichtet, ausgebildet sind.
30. Einrichtung nach Anspruch 27 oder einem der darauffolgenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß das Sprühgas tangential in den äu
ßeren Ringmantel (28) zur Erzielung einer turbulenten Gasströmung mit
Drall eintritt.
31. Einrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die turbu
lente Gasströmung als scharfer, ringförmiger Luftstrahl mit Drall an der
Mündungsöffnung (33) auf den Schaumstrang (35) auftritt und daß der
Schaumstrang laminar und drallfrei in dem glattwandigen, geraden, zen
trischen Förderrohr (29) geführt ist.
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