DE2008828A1 - Verfahren und Vorrichtung für das Gefrieren flüssiger oder halbflüssiger Stoffe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für das Gefrieren flüssiger oder halbflüssiger Stoffe, die in einem kalten Gasstrom zu Tröpfchen zerstäubt werden, und auf eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.

Ein derartiges Verfahren wird gegenwärtig für das Gefrieren flüssiger oder halbflüssiger Nahrungsmittel, wie Milch, Kaffee, Fruchtsäfte usw. angewandt. Die durch dieses Verfahren erzeugten gefrorenen Tröpfchen werden anschließend zumeist einer Trocknung im Vakuum unterworfen, um so ein wasserfreies Produkt zu erhalten.

Bei dem Gefrieren eines Tröpfchens lassen sich bekanntlich zwei Haupt-Phasen unterscheiden, nämlich ein erster Schritt, bei dem sich die Abkühlung und das oberflächliche Gefrieren des Tröpfchens sehr schnell vollzieht, und einen zweiten Schritt von längerer Dauer, während dessen der Gefriervorgang abgeschlossen und das Eis weiter abgekühlt wird. Dieser zweite Schritt, der im wesentlichen von der Größe der zerstäubten Tröpfchen abhängt, ist von erheblich längerer Dauer als der erste, insbesondere wenn die Endtemperatur der Tröpfchen nahe bei der des verwendeten kalten Gasstromes liegen soll.

Aus diesem Grund finden bei bekannten Gefriertrocknungsanlagen Gefrierräume von großen Abmessungen Verwendung, um die Aufenthaltszeit der Tröpfchen in dem kalten Gasstrom zu verlängern und damit sicherzugehen, dass das Einfrieren der Tröpfchen vollständig ist. Wenn jedoch nicht zu kleine Tröpfchen erhalten werden sollen, werden deshalb die benötigten Gefrierräume derart groß, dass sich ihre Verwendung von selbst verbietet.

Es ist daher ein Hauptziel der Erfindung, diesen Nachteil zu vermeiden.

Bei einem Gefrierverfahren der eingangs erwähnten Art sieht die Erfindung vor, dass die Tröpfchen während ihres Durchgangs durch den kalten Gasstrom nur an ihrer Oberfläche gefroren werden, worauf sie in fluidisiertem Schwebezustand an einem Bodenteil gesammelt und vor dem Austritt fertig ausgefroren werden.

Eine Anlage zum Durchführen dieses Gefrierverfahrens, mit einem Gefrierraum in Form eines senkrechten, von einem aufsteigenden kalten Gasstrom durchströmten Turmes und einem im Oberteil des Gefrierraumes mündenden Zerstäuber für den zu verstäubenden Stoff, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass sie im unteren Teil des Gefrierraumes einen Boden für die Fluidisierung, Vorrichtungen zum Einblasen zumindest eines Teiles des kalten Gasstromes unter dem Boden und Einrichtungen für den kontinuierlichen

Auslaß der gefrorenen Tröpfchen von dem Boden weg und aus dem Gefrierraum hinaus aufweist.

Somit werden die durch Zerstäubung erhaltenen Tröpfchen während ihres senkrechten Falles im aufsteigenden kalten Gasstrom zunächst an ihrer Oberfläche gefroren. Sie sammeln sich darauf im Unterteil des Gefrierraumes an dem Boden, über dem sie im fluidisierten bzw. Schwebezustand gehalten werden und während eines mehr oder weniger langen Zeitraumes fertig durchfrieren, ehe sie nach außen abgeführt werden.

Mit dem Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfindung lassen sich mithin vollständig durchgefrorene und verhältnismäßig große Tröpfchen erzielen, ohne dass deshalb die Abmessungen des Gefrierraumes übermäßig groß zu sein brauchten. Tatsächlich ist die Höhe des Gefrierraumes nur abhängig von der zum Gefrieren der Oberfläche der Tröpfchen erforderlichen Fallzeit; bekanntlich erfolgt dieser erste Gefrierschritt äußerst rasch.

Vorzugsweise weist der Boden für die Fluidisierung der Tröpfchen eine vor dem Auslaß für die gefrorenen Tröpfchen angeordnete Temperaturausgleichszone auf. Dank dieser Anordnung haben alle aus dem Gefrierraum abgeführten gefrorenen Tröpfchen die gleiche Temperatur. Außerdem wird dadurch vermieden, dass Tröpfchen, die in der Nähe des Auslasses niederfallen, zu schnell abgeführt werden, ehe sie vollständig durchgefroren sind.

Vorteilhaft sind im Unterteil des Gefrierraumes und oberhalb des Bodens für die Fluidisierung Düsen zum Einblasen eines kalten Gases in den Gefrierraum vorgesehen, wobei die Temperatur des letzteren dieses Gases niedriger als die des unter dem Boden eingeblasenen Gases ist. Auf diese Weise werden die durch das Zerstäuben erzeugten Tröpfchen an ihrer Oberfläche durch ein Gas eingefroren, dessen Temperatur niedriger ist, als die des Gases, welches die am Boden des Raumes im Schwebezustand befindlichen gefrorenen Tröpfchen kühlt. Hierdurch wird der thermische Wirkungsgrad der Anlage verbessert und die Fallzeit der Tröpfchen verkürzt, so dass die Höhe des Gefrierraumes noch weiter verringert werden kann.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. In dieser ist:

Fig. 1 eine schematisierte Ansicht, teilweise im Schnitt, einer Gefrieranlage nach der Erfindung, und Fig. 2 eine Schnittansicht entsprechend der Linie II-II in Fig. 1.

Im wesentlichen umfasst die Anlage einen zylindrischen Gefrierraum 1 in Form eines senkrechten Turmes, in dessen Oberteil ein Zerstäuber 2 angeordnet ist, dem der zu zerstäubende flüssige oder halbflüssige Stoff durch eine Leitung 3 in Pfeilrichtung zugeführt wird. Im Unterteil des Gefrierraumes 1 befindet sich ein waagrechter Boden für die Fluidisierung bzw. das Schwebendhalten der Tröpfchen. Der Boden 4 besteht aus eine perforierten, die gesamte Breite des Gefrierraumes 1 einnehmenden Blech.

Über eine Leitung 6 ist mit dem Unterteil des Gefrierraumes 1 ein Zentrifugalgebläse 5 verbunden, durch welches ein kalter Gasstrom, beispielsweise aus Stickstoff bestehend, unter dem Boden 4 eingeblasen werden kann. Dieses Gebläse bewirkt weiterhin die Rückführung der Gase durch eine vom Oberteil des Gefrierraumes 1 abzweigende Leitung 7. Dadurch wird der Gefrierraum 1 ständig von einem aufsteigenden kalten Gasstrom durchgespült. Die rezirkulierten Gase werden an der Anschlussstelle 8 durch eine (nicht dargestellte) geeignete Einrichtung rückgekühlt. Ein in die Leitung 7 einbezogener Zyklonabscheider 9 mit einer Klappe 10 und einem Sammelgefäß 11 scheidet die einen Tröpfchen ab, die durch die Zerstäuber mit anfallen.

Weiterhin weist der Gefrierraum 1 in seinem Unterteil eine Reihe von Düsen 12 auf, die oberhalb des Bodens 4 in den Raum münden. Diese Düsen 12 werden von einer (nicht dargestellten) gesonderten Quelle mit einem kalten Gas beschickt. Zweckmäßig ist das letztere Gas von gleicher Art wie das unter den Boden 4 eingeblasene Gas, wobei jedoch dessen Temperatur aus weiter unten näher erläuterten Gründen höher ist als die des zweiten (letzteren) Gases. Der nicht über die Leitung 6 erneut in Umlauf gesetzte Teil des Gases entweicht durch einen Abzug 13 in die offene Umgebung.

Am Umfang des Bodens 4 ist ein in Fig. 2 erkennbarer V-förmiger Vorsprung 14 angeordnet, der eine Temperaturausgleichszone bildet, deren Wirkungsweise im folgenden ersichtlich wird. Jenseits dieses Vorsprunges 14 befindet sich ein senkrechtes Auslassrohr 15, gleich welches die gefrorenen Tröpfchen des Stoffes aus dem Gefrierraum 1 abgeführt werden, beispielsweise zu einer Vakuumtrockenkammer, falls eine Trocknung erfolgen soll. Die Oberfläche des Bodens 4 ist im übrigen durch eine senkrechte Wandung 16 von geringer Höhe von dem Auslaß 15 getrennt.

Die vorstehend beschriebene Gefrieranlage arbeitet wie folgt. Der zu gefrierende flüssige oder halbflüssige Stoff wird über eine Leitung 3 dem Zerstäuber 2 zugeführt, der ihn in Richtung auf das Unterteil des Raumes 1 in Tröpfchenform zerstäubt abgibt. Der Fall dieser durch Zerstäubung erzeugten Tröpfchen wird durch den mittels des Gebläses 5 aufrechterhaltenen aufsteigenden Strom von kaltem Gas beträchtlich verlangsamt, so dass sie bei Erreichen des Unterteiles des Raumes 1 an ihrer Oberfläche bereits gefroren sind. Es ist bekannt, dass diese erste Phase des Gefriervorganges der Tröpfchen sehr kurz ist.

Bei Erreichen des Unterteiles des Gefrierraumes 1 sammeln sich die an der Oberfläche gefrorenen Tröpfchen am Boden 4, wo sie fertig ausfrieren. An diesem Boden werden die Tröpfchen als fluidisierte Schicht in dem durch das Gebläses 5 eingeblasenen kalten Gasstrom, z. B. einem Luftstrom, in der Schwebe gehalten. Außerdem werden sie dank der Wandung 16 zumindest für einen bestimmten Zeitraum zurückgehalten. Dadurch werden die Tröpfchen unabhängig von ihrer Größe vollständig durchgefroren, worauf sie gleichförmig und nach der Art einer Strömung durch Übertritt über die Wandung 16 in den Auslaß 15 austreten.

Nun benötigen die Tröpfchen offensichtlich, je nachdem, an welcher Stelle sie an den Boden gelangen, nicht die gleiche Zeit, um bis zu dem Auslaß 15 zu gelangen. Hier hat der Vorsprung 14 die besondere Aufgabe, die Temperatur der Tröpfchen auszugleichen, so dass diese den Gefrierraum 1 alle gleich temperiert verlassen. Durch diesen Vorsprung 14 ist auch sichergestellt, dass alle abgeführten Tröpfchen vollständig durchgefroren sind. Zu diesem Zweck ist die Länge des Vorsprungs 14 so bemessen, dass an der Oberfläche gefrorene Tröpfchen, die im Bereich des Auslasses 15 an den Boden 4 gelangen, eine zum vollständigen Durchfrieren ausreichende Zeit für das Durchlaufen dieses Vorsprungs bis zum Auslaß 15 benötigen.

Somit ermöglicht die erfindungsgemäße Gefrieranlage die Erzielung vollständig gefrorener und verhältnismäßig großer Tröpfchen, ohne dass die Abmessungen des Gefrierraumes 1 übermäßig groß wären. Tatsächlich braucht dieser Raum 1 nur so zu hoch sein, dass die durch Zerstäubung erzeugten Tröpfchen bei Erreichen des Unterteiles des Raumes 1 lediglich an ihrer Oberfläche gefroren sind, da sich der weitere Gefriervorgang im Schwebezustand am Boden 4 vollzieht. Es ist jedoch bekannt, dass dieser erste Schritt des Gefrierens der Oberfläche der Tröpfchen äußerst kurz ist. Darüber hinaus ist die Geschwindigkeit des in dem Gefrierraum 1 von unten nach oben strömenden Gases mittels des Gebläses 5 derart regelbar, dass der Fall der durch Zerstäubung erzeugten Tröpfchen beträchtlich verzögert wird, ohne dass jedoch die Tröpfchen durch den Gasstrom mitgerissen würden. Schließlich ist zu bemerken, dass das über die Düsen 12 erfolgende Einblasen eines Gases von niedrigerer Temperatur als der des zur Kühlung der Tröpfchen bis zum Einfrieren ihrer Oberfläche unter dem Boden 4 eingeblasenen Gases nicht nur eine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades der Anlage erbringt, sondern auch infolge einer Beschleunigung des Gefrierens der Tröpfchen-Oberfläche die Verkürzung der Fallzeit der Tröpfchen ermöglicht und damit gestattet, die Höhe des Gefrierraumes 1 weiter zu verringern.

Die zu feinen Tröpfchen, die sich bei der Zerstäubung mit bilden, werden mit den Gasen in die Leitung 7 angesaugt und durch den Zyklonabscheider 9 abgeschieden, um nicht erneut durch die Leitung 6 in Umlauf gesetzt zu werden. Das Material kann in dem Gefäß 11 gesammelt und nachfolgend erneut durch die Leitung 3 in den Gefrierraum 1 eingeführt werden.

Claims (4)

1. Verfahren zum Gefrieren flüssiger oder halbflüssiger Stoffe, die in einem kalten Gasstrom zu Tröpfchen zerstäubt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Tröpfchen während ihres Durchgangs durch den kalten Gasstrom nur an der Oberfläche gefroren werden, worauf sie in fluidisiertem bzw. Schwebezustand an einem Bodenteil gesammelt und vor dem Austritt fertig ausgefroren werden.

2. Anlage für die Durchführung des Gefrierverfahrens nach Anspruch 1, mit einem Gefrierraum in Form eines senkrechten, von einem aufsteigenden kalten Gasstrom durchströmten Turmes und einem im Oberteil des Gefrierraumes mündenden Zerstäuber für den zu gefrierenden Stoff, dadurch gekennzeichnet, dass sie im Unterteil des Gefrierraumes (1) einen Boden (4) für die Fluidisierung, Vorrichtungen (5) zum Einblasen zumindest eines Teiles des kalten Gasstromes unter dem Boden (4) und Einrichtungen (15) für den kontinuierlichen Auslaß der gefrorenen Tröpfchen von dem Boden weg und aus dem Gefrierraum (1) hinaus aufweist.

3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden für die Fluidisierung der Tröpfchen (4) eine vor dem Auslaß (15) für die gefrorenen Tröpfchen angeordnete Temperaturausgleichszone (14) aufweist.

4. Anlage nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Unterteil des Gefrierraumes (1) und oberhalb des Bodens (4) für die Fluidisierung Düsen (12) zum Einblasen eines kalten Gases in den Gefrierraum vorgesehen sind und dass die Temperatur des letzteren Gases niedriger ist als die des unter dem Boden (4) eingeblasenen Gases.