DE19848847C2 - Process and plant for drying heat-sensitive goods - Google Patents
Process and plant for drying heat-sensitive goodsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trocknen von wärmesensiblen Gütern, insbesondere wirkstoffreichen Lebens- und Genußmitteln mittels Gefriertrocknung (Sublimationstrocknung).The invention relates to a method for drying heat-sensitive goods, especially those rich in active substances Food and luxury goods using freeze drying (Sublimation).
Insbesondere dient das Verfahren zum Trocknen von z. B. Kaffee-Extrakt und medizinischen oder biologischen Sub stanzen und pharmazeutischen und chemischen Gütern, die aufgrund der Temperaturempfindlichkeit durch Sublima tionstrockner (Gefriertrockner) behandelt werden. Obwohl das Gefriertrocknungsverfahren durch spezifisch sehr hohen Energieaufwand und Anlagenaufwand gekennzeichnet ist, hat es sich für die Produktion bestimmter Genußmit tel, Aromastoffe und Pharmaprodukte als unentbehrlich erwiesen, weil es die schonendste Trocknungsmethode dar stellt und damit Veränderungen der wesentlichen Produkt eigenschaften weitestgehend vermieden werden können.In particular, the method is used for drying z. B. Coffee extract and medical or biological sub stamping and pharmaceutical and chemical goods that due to the temperature sensitivity due to sublima tion dryer (freeze dryer) are treated. Even though the freeze-drying process by very specific characterized by high energy and plant expenditure is, it has certain uses for the production tel, flavorings and pharmaceutical products as indispensable proven because it is the most gentle drying method represents and thus changes the essential product properties can be largely avoided.
Die Sublimations- oder Gefriertrocknung hat ihren ersten Vorteil darin, daß der Trennvorgang, als den die Trock nung aufzufassen ist, aufgeteilt ist in die Trennung, die im wesentlichen in der Einfrierung vollzogen wird, bei der das Wasser kristallin erstarrt, und in der Ab fuhr des Wassers aus der Festphase Eis in Dampfform. Sublimation or freeze drying has its first Advantage in that the separation process than the dry is divided into the separation, which is essentially carried out in the freeze, in which the water solidifies crystalline, and in the Ab drove the water from the solid phase ice in vapor form.
Die Sublimationstrocknung macht Gebrauch von der physika lischen Eigenschaft des Wassers, daß bei entsprechend niedrigen Drücken eine Überführung des Eises zu Dampf ohne Berührung der flüssigen Phase bei niedrigen Tempera turen möglich ist, sofern der Systemdruck unterhalb des Dampfdruckes liegt. Im allgemeinen ist es jedoch ausrei chend, daß der Tripelpunkt unterschritten wird, doch kann eine Sublimation auch beispielsweise bei -45°C durchgeführt werden.The sublimation drying makes use of the physika lischen property of the water that at accordingly low pressures convert the ice to steam without touching the liquid phase at low temperatures is possible if the system pressure is below the Vapor pressure. In general, however, it is sufficient making sure that the triple point is undershot, yes sublimation can also be used, for example, at -45 ° C be performed.
Die vom Wasser getrennten Stoffe, auch wenn es sich um niedriger siedende Stoffe handelt, werden weitgehend in der Feststoffmatrix eingebunden und können so dem Endpro dukt erhalten bleiben.The substances separated from the water, even if they are lower boiling substances are largely in the solid matrix and can thus the end pro product remain.
Nachteilig sind die schlechten Wärmeübergangswerte üb licher Gefriertrockner, die sich mit zunehmender Trock nung durch die poröse Struktur des Guts, obwohl sie für die Rekonstitution erwünscht ist, immer weiter vermin dern.The poor heat transfer values are disadvantageous Licher freeze dryer, which increases with drying through the porous structure of the good, although it is for the reconstitution is desired, min countries.
Der immer flacher werdende Teil der Trocknungskurve (auch "Trocknungsschwanz" genannt) bedeutet nicht nur ein zeitliches Hinziehen des Prozesses, sondern kenn zeichnet auch eine Größendimension bei einer gewünschten Kapazität. Der Trockner wird entsprechend voluminös, um die benötigten Flächen unterzubringen.The increasingly flat part of the drying curve (also called "drying tail") doesn't just mean a temporal dragging of the process, but know also draws a size dimension at a desired one Capacity. The dryer becomes correspondingly voluminous in order to accommodate the required areas.
Um zu akzeptablen Verhältnissen zu kommen, bricht man allgemein den Prozeß bei Restfeuchten ab, die für Tee- oder Kaffee-Extrakt bei 2,5 . . . 3,5% liegen, bei Pharma produkten um 1%. Außerdem hat es sich als akzeptabel erwiesen, in der Endphase von der eigentlichen Sublima tionstrocknung abzugehen. "Nach Möglichkeit steuert man dann den Prozeß mit höheren Temperaturen an den Schädi gungsgrenzen des Guts entlang." (Krischer-Kröll "Trock nungstechnik" Band II, S. 512, Berlin, Heidelberg, New York 1978).To get to acceptable conditions, you break generally the process with residual moisture, which for tea or coffee extract at 2.5. , , 3.5% are in pharmaceuticals products by 1%. It also turned out to be acceptable proven in the final stages of the actual sublima tion drying. "If possible, you steer then the process with higher temperatures at the pest limits of the property. "(Krischer-Kröll" Dry technology "Volume II, p. 512, Berlin, Heidelberg, New York 1978).
Zur Steigerung der Leistung wird auch heute schon in Gefriertrocknungsanlagen nicht ausschließlich im Sublima tionsbereich unterhalb des Tripelpunktes getrocknet, son dern im Verlauf des "Trocknungsschwanzes" der Prozeß an der Schädigungsgrenze entlanggesteuert, da ab einer ge wissen Restfeuchte die Aromen und Wirkstoffe schon in die Feststoff-Matrix eingebunden sind und daher höhere Temperaturen zulässig werden, bevor eine Schädigung ein tritt. Dieser Verfahrensteil beansprucht durchaus die Hälfte oder ein Drittel der Verweilzeit und damit prak tisch der Trocknungsanlage.To increase the performance is already in today Freeze drying systems not only in the sublima dried below the triple point, son the process in the course of the "drying tail" steered along the damage limit, as from a ge residual moisture already know the aromas and active ingredients the solid matrix are integrated and therefore higher Temperatures are allowed before damage occurs occurs. This part of the process definitely claims Half or a third of the dwell time and therefore practical table of the drying system.
Aus der DE 14 92 735 A ist ein Verfahren zur Herstel lung von Kaffee-Extraktpulver bekannt, wobei gemahlener gerösteter Kaffee einem Dämpfprozeß unter Kondensation des Destillats, Extraktion des gedämpften Produktes, Trocknung des Extraktes und Verstärkung des Trockenpro duktes mit dem kondensierten Dämpfdestillat unterworfen wird. Wesentlich ist bei diesem Verfahren weiter vorgese hen, daß der gedämpfte Kaffee, erwünschtenfalls mit höch stens einer gleichen Menge ungedämpften Kaffees, extra hiert wird, das kondensierte Dämpfdestillat mit einem ge gebenenfalls eingedickten Teil des Extraktes gefrierge trocknet wird und der Rest des Extraktes in üblicher Wei se getrocknet wird, worauf die getrockneten Fraktionen vermischt werden. Mit diesem Verfahren wird zwar ein Kaffee-Extraktpulver erhalten, das eine bessere Qualität und eine lange Haltbarkeit im Vergleich zu vorher bekann tem Pulver aufweist, jedoch spielt der Aspekt eines ener gie- und kostensparenden Betriebes bei diesem Verfahren keine Rolle.DE 14 92 735 A describes a process for the production tion of coffee extract powder known, being ground roasted coffee a steaming process under condensation the distillate, extraction of the steamed product, Drying the extract and strengthening the drying pro product subjected to the condensed steam distillate becomes. This procedure is also essential hen that the steamed coffee, if desired with the highest at least an equal amount of und steamed coffee, extra is condensed steam distillate with a ge if necessary, thickened part of the extract freeze is dried and the rest of the extract in the usual white se is dried, whereupon the dried fractions be mixed. With this procedure, a Get coffee extract powder, which is better quality and long durability compared to before powder, but the aspect of an ener plays gie and cost-saving operation with this process not matter.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes, insbeson dere energiesparendes Trocknungsverfahren zu schaffen.The object of the invention is an improved, in particular to create their energy-saving drying process.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Anlage ge mäß den Patentansprüchen 1 und 6 gelöst.This task is done with the method and the system according to claims 1 and 6 solved.
Erfindungsgemäß wird die Endtrocknung auf eine preiswer tere und energiesparende Ergänzungsstrecke zum eigentli chen Gefriertrockner verlagert, die ebenfalls eine Trock nung unterhalb der Schädigungsgrenze gestattet. Damit kann die Trocknungsanlage bei gegebener Kapazität in der Kombination billiger werden oder bei gegebener Gefrier trocknungsanlage kann durch preiswerte Ergänzungen der stündliche Durchsatz wesentlich erhöht werden.According to the final drying is inexpensive tter and energy-saving supplementary route to the actual Chen freeze dryer shifted, which is also a dry allowed below the damage limit. In order to can the drying system with a given capacity in the Combination become cheaper or with a given freezer drying system can be achieved through inexpensive additions to the hourly throughput can be increased significantly.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Ver fahrens und der Anlage sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 und 7 bis 12 angegeben.Advantageous refinements and developments of the Ver driving and the system are in the subclaims 2 to 5 and 7 to 12.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigenIn the following the invention with reference to drawings described in more detail. Show it
Fig. 1 den zeitlichen Trocknungsverlauf, Fig. 1 shows the time course of drying,
Fig. 2 schematisch einen Sublimationstrockner, dessen Trockenstrecke der Fläche bei gegebener Breite und Anzahl der Etagen proportional zur Länge entspricht und Fig. 2 shows schematically a sublimation dryer, the drying section of the area for a given width and number of floors corresponds to the length and
Fig. 3 schematisch eine Trocknungsanlage gemäß der Erfindung. Fig. 3 shows schematically a drying plant according to the invention.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß im "Trocknungsschwanz" bei Sublimationstrocknungsanlagen von der Sublimations-Prozeßführung abgegangen wird und Guttemperaturen oberhalb des Tripelpunktes angewandt wer den. In dieser Phase wird der apparativ und energetisch aufwendige Trockner gar nicht mehr in seiner eigent lichen Zweckbestimmung genutzt, sondern als ein teurer Vakuum-Trockner. Dieser Prozeßteil soll in einen "echten" Vakuum-Trockner verlagert werden oder es ist ein anderes, gleichermaßen schonendes Trocknungsverfah ren anzuwenden. Dies kann ein Konvektionstrockner mit Warmluft oder einem anderen gasförmigen Trocknungsmedium in Form eines pneumatischen Trockners (Stromtrockner), der den Vorteil hat, zugleich einen Fördereffekt zu er lauben, der nachfolgendes Handling erleichtert, oder ein Wirbelschicht-Trockner oder eine Kombination der genann ten Trocknungsverfahren sein. Aber auch andere, an sich bekannte Trocknungsverfahren sind anwendbar, wenn sie genügend schonend gesteuert werden.The invention is based on the knowledge that in "Drying tail" in sublimation drying systems the sublimation process is abandoned and Good temperatures above the triple point are used the. In this phase, the equipment and energy elaborate dryer no longer at all Purpose, rather than an expensive one Vacuum dryer. This part of the process is said to be in one "real" vacuum dryer will be relocated or it is another, equally gentle drying process application. This can be done with a convection dryer Warm air or another gaseous drying medium in the form of a pneumatic dryer (current dryer), which has the advantage of also having a promotional effect leaves, which facilitates subsequent handling, or a Fluid bed dryer or a combination of these drying process. But also others, in themselves Known drying methods are applicable if they are controlled with sufficient care.
Da der "Trocknungsschwanz" bis zu 40% des Volumens eines Sublimationstrockners beanspruchen kann, führt die Ver lagerung auf ein anderes Verfahren zu nennenswerter Ein sparung. An vorhandenen Anlagen kann bis zu 30% mehr durchgesetzt werden oder Neuanlagen bestimmter Kapazität können im Sublimationsteil 30% kleiner gebaut werden. Dazu kommt, daß es möglich ist, die Restfeuchte mit schmalerer Bandbreite zu regeln und damit Übertrocknung zu vermeiden.Because the "drying tail" up to 40% of the volume of one Sublimation dryer can claim, the Ver storage on another process to noteworthy storage savings. Up to 30% more can be done on existing systems be enforced or new facilities of certain capacity can be built 30% smaller in the sublimation part. In addition, it is possible to use the residual moisture regulate narrower bandwidth and thus over-drying to avoid.
Die typische Durchlaufzeit von continuierlichen Sublima tionstrocknern liegt bei 3 . . . 12 Stunden, so daß ein Ein griff sich also mit entsprechender Verzögerung auswirkt und die Gefahr besteht, daß in der Zwischenzeit ein abweichendes Produkt erzeugt wird. Ein Wirbelschicht- Trockner hat demgegenüber Verweilzeiten von wenigen Minuten.The typical lead time of continuous sublima tion dryer is 3. , , 12 hours, so an on so took effect with a corresponding delay and there is a danger that in the meantime a different one Product is generated. A fluidized bed In contrast, dryer has residence times of a few Minutes.
Dazu kommt, daß es das Auftrennen des Verfahrens in zwei Schritte erlaubt, das Gut zwischenzeitlich zu klassie ren, denn bei gleicher Durchschnittsfeuchte sind die kleineren Partikel trockener als die größeren. Die Er findung sieht ergänzend vor, verschiedene Kornfraktionen auf unterschiedliche Weise zu Ende zu trocknen. Dies er fordert nicht unbedingt mehrere parallele Trockner, die unterschiedlich lang oder unterschiedlich intensiv einzelne Fraktionen behandeln. Es ist einfacher möglich, in einem End-Trockner die einzelnen Fraktionen an ver schiedenen Stellen aufzugeben, so daß sie unterschied liche Verweilzeiten haben.In addition, there is the separation of the process into two Steps allowed to classify the goods in the meantime ren, because with the same average moisture they are smaller particles are drier than the larger ones. The he In addition, the invention provides various grain fractions to finish drying in different ways. This he does not necessarily require multiple parallel dryers that different lengths or different intensities treat individual fractions. It's easier possible in a final dryer the individual fractions on ver to give up different places so that they distinguished have dwell times.
In Fig. 3 ist dargestellt, daß sich an einen Sublima tionstrockner eine Klassierung in zwei Fraktionen an schließt, wobei dies durch Absiebung oder durch Sichtung geschehen kann und wobei die Grobfraktion den Endtrock ner also in voller Länge durchläuft, während die Fein fraktion näher am Austrag-Ende aufgegeben wird und somit eine kürzere Verweilzeit hat.In Fig. 3 it is shown that a sublimation dryer includes a classification into two fractions, whereby this can be done by screening or by screening and the coarse fraction runs through the end dryer ner in full length, while the fine fraction closer to the discharge -End is abandoned and therefore has a shorter dwell time.
Während der eigentlichen Sublimation bleibt die Gut-Tem peratur trotz Wärmezufuhr unter dem Tripelpunkt, da die Verdampfung des Eises Wärme entzieht. Nach Erreichen ei ner gewissen Grenzfeuchte verlagert sich die Trocknungs front ins Innere der Partikel; durch den Wärmeleitwider stand baut sich ein Temperaturgefälle auf, wobei das Gut sich trotz geminderter Wärmezufuhr äußerlich über den Tripelpunkt erwärmt. Es hat sich für Extraktkaffee als unschädlich erwiesen, Aufheizung auf +25 . . . +45°C zuzu lassen oder bei Blutplasmatrocknung auf +15 . . . +28°C. The good temp remains during the actual sublimation temperature despite the addition of heat below the triple point, as the Evaporation of the ice removes heat. After reaching egg After a certain limit moisture, the drying is shifted front inside the particles; due to the thermal conductivity stand builds up a temperature gradient, the good despite the reduced heat supply, the outside Triple point warmed. It has proven to be for extract coffee Proven harmless, heating to +25. , , + 45 ° C too leave or with blood plasma drying to +15. , , + 28 ° C.
Bei Extraktkaffee ist als Eingangskonzentration in ei nen Gefriertrockner 30 . . . 50% Trockenmassegehalt üblich, typisch sind 40 . . . 45%. Bei 42,5% TM als Mittelwert sind für 97,5 kg Trockenmasse plus 2,5 kg Restfeuchte, d. h. für 100 kg Fertigprodukt, eine gesamte Wassermenge von 129,4 kg zu entfernen.In the case of extract coffee, the initial concentration is in egg a freeze dryer 30. , , 50% dry matter content usual, 40 are typical. , , 45%. At 42.5% DM as the mean for 97.5 kg dry matter plus 2.5 kg residual moisture, d. H. for 100 kg of finished product, a total amount of water Remove 129.4 kg.
Nimmt man die Grenzfeuchte, ab der die Sublimationstempe ratur überschritten wird, mit 10% an, so bedeutet dies, daß im "Trocknungsschwanz" ca. 7,5 kg entsprechend 5,8% der Gesamtwassermenge zu entfernen ist.Take the limit moisture from which the sublimation temp rature is exceeded with 10%, this means that in the "drying tail" approx. 7.5 kg corresponding to 5.8% the total amount of water has to be removed.
Die "Grenzfeuchte" ist z. B. abhängig vom Naturprodukt Kaffee, vom Mischen unterschiedlicher Provenienzen, von der Röstung, von den vorgeschalteten Prozeß-Stufen und auch von der technischen Gestaltung der Trocknungsanlage sowie den Prozeßparametern. Eine realistische Bandbreite für die Grenzfeuchte ist 7,5 . . . 11,5%.The "limit moisture" is e.g. B. depending on the natural product Coffee, from mixing different provenances, from roasting, the upstream process stages and also from the technical design of the drying system as well as the process parameters. A realistic range for the limit moisture is 7.5. , , 11.5%.
Setzt man die Trocknungskurve gemäß Fig. 1 in Beziehung zur Länge eines kontinuierlichen industriellen Trock ners, wobei dessen Länge der Verweilzeit proportional ist, so zeigt sich, daß die Wassermenge zwischen Grenz feuchte und zugelassener Restfeuchte zwar sehr klein ist, die zugeordnete Zeit und damit Länge des Trockners jedoch nicht. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, werden für den "Trocknungsschwanz" 30 . . . 40% der Länge des Trockners benötigt.Setting the drying curve according to FIG. 1 in relation to the length of a continuous industrial dryer, the length of which is proportional to the residence time, shows that the amount of water between the limit moisture and permitted residual moisture is very small, the associated time and thus length but not the dryer. As can be seen from FIG. 2, 30 for the “drying tail”. , , 40% of the length of the dryer needed.
Ein weiterer Nachteil üblicher Gefriertrockner besteht darin, daß die lange Trocknungsdauer sich regeltechnisch in einer großen "Tot-Zeit" auswirkt. Daher ist es sehr schwierig, die Restfeuchte in engen Grenzen zu kontrol lieren und Schwankungsbreiten um ± 1 Prozent sind schwer zu unterschreiten. Das bedeutet, daß man bei Extrakt kaffee, für den beispielsweise eine Obergrenze von 3,5% Restfeuchte vorgegeben wird, 2,5% ± 1% als Regelbereich hat. Erhält man aber eine durchschnittliche Feuchte an der Untergrenze, d. h. 2,5% - 1% = 1,5%, dann ergibt sich diese als Mittelwert von feuchteren, groberen Partikeln und von feineren Partikeln, die schon unter Aromabeein trächtigung übertrocknet sein können.Another disadvantage of conventional freeze dryers is in the fact that the long drying time regulates itself in a big "dead time". Therefore it is very difficult to control the residual moisture within narrow limits Mating and fluctuation ranges of ± 1 percent are difficult to fall below. That means that one with extract coffee, for example an upper limit of 3.5% Residual moisture is specified, 2.5% ± 1% as the control range Has. But you get an average humidity the lower limit, d. H. 2.5% - 1% = 1.5%, then it results this as the mean value of wetter, coarser particles and of finer particles that are already flavored pregnancy can be too dry.
Da die Erfindung ein Trocknungsverfahren schafft, das die Vorteile der Sublimationstrocknung wahrt, den appara tiven und energetischen Aufwand für den "Trocknungs schwanz" jedoch mindert und zugleich eine präzisere Steuerung der Restfeuchte zuläßt, so daß auf wirtschaft lichere Weise ein qualitativ überlegenes Gut produziert wird, kann von einer idealen Lösung der anstehenden Probleme gesprochen werden.Because the invention provides a drying process that the advantages of sublimation drying, the appara tive and energetic effort for the "drying tail "but reduces and at the same time a more precise Control of the residual moisture allows, so that economy more qualitatively superior product can be of an ideal solution to the upcoming Problems are spoken.
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DE1492735A1 (en) * | 1963-12-30 | 1969-03-13 | Douwe Egberts Tabaksmij | Process for the production of coffee extract powder |
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1998
- 1998-10-22 DE DE19848847A patent/DE19848847C2/en not_active Expired - Fee Related
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DE1492735A1 (en) * | 1963-12-30 | 1969-03-13 | Douwe Egberts Tabaksmij | Process for the production of coffee extract powder |
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