DE2245320A1

DE2245320A1 - Verfahren und vorrichtung zum gefrierkonzentrieren von loesungen

Info

Publication number: DE2245320A1
Application number: DE19722245320
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Ing Steinbach
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1972-09-15
Filing date: 1972-09-15
Publication date: 1974-04-04
Also published as: DE2245320B2; FR2200029A1; SE401454B; CH563177A5; FR2200029B1; NL7312616A; DE2245320C3; JPS4993965A; GB1433538A

Description

387-42/KDB/RIM 4. Sept. 1972

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BATTZLLS - INSTITUT .i.V., FRANKFURT/MAIN

Verfahren und Vorrichtung zum Gefrierkonzentrieren von Lösungen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie auf Vorrichtungen zum Gefrierkonzentrieren von Lösungen, wobei die Kälteerzeugung durch teilweisesVerdampfen des Lösungsmittels im Vakuum erfolgt.

Sehr viele Fruchtsäfte, Fruchtextrakte und Chemikalien und Pharmazeutika fallen bei ihrer Produktion in einer sehr niedrigen Konzentration von max. 10 bis 15 % Feststoffgehalt an. Aus verschiedenen Gründen ist es oft erwünscht, die Feststoffkonzentration zu erhöhen bzw. die Wasserkon-

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zentration herabzusetzen . Hierzu werden verschiedene Verfahren angewandt, z.B. Eindampfen, Trocknen, Extrahieren, umgekehrte Osmose oder Gefrierkonzentrieren. Während das Eindampfen mit recht niedrigen Kosten durchgeführt werden kann, sind die Verfahren der umgekehrten Osmose, des Trocknens und besonders des Gefriertrocknens, und des Gefrierkonzentrierens noch sehr teuer und aufwendig. Gerade das Eindampfen besitzt aber Nachteile, die darauf zurückzuführen sind, daß das Produkt erhitzt werden muß, um das Lösungsmittel Wasser in die Dampfphase zu überführen. Durch das Erhitzen ergeben sich insbesondere bei den aus wirtschaftlichen Gründen erforderlichen höheren Arbeitstemperaturen Veränderungen des einzudampfenden Produkts, die sich unter anderem geschmacklich, oder durch Verlust wertvoller Vitamine und anderer Inhaltstoffe auswirken. Ein weiterer Nachteil des Eindampfens besteht darin, daß durch das Erhitzen nicht nur das Lösungsmittel Wasser, sondern viele andere flüchtige Stoffe, wie die Aromastoffe, verloren gehen. Somit entsteht durch das Eindampfen im allgemeinen ein relativ geringerwertiges Produkt.

Durch das Trocknen wird das Wasser nahezu vollständig entzogen, was in vielen Fällen unerwünscht ist. Auch hierbei können durch Erhitzen und durch den Verdampfungs- oder Verdunstungsvorgang, der auch beim Trocknen zum Entzug des Wassers angewandt werden muß, flüchtige Aroma- und

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andere Gehaltsstoffe verloren gehen.

Die Extraktion ist nur in wenigen Fällen anwendbar· die umgekehrte Osmose ist bisher noch nicht so weit ausgereift, daß sie überall vorteilhaft angewandt werden könnte.

Ganz besondere Vorteile bietet das Gefrierkonzentrieren. Das Lösungsmittel Wasser wird nicht in die Dampfphase, sondern in die feste kristalline Phase als Eis überführt. Durch mechanische Verfahren, z.B. Zentrifugieren, Filtern, Sieben, Pressen und Waschen kann die feste Phase, die aus fast reinem Eis besteht, von der flüssigen Phase, die nahezu alle löslichen Stoffe enthält, getrennt werden. Es lassen sich auf diesem Wege Konzentrate mit einem Feststoffgehalt von etwa 40 bis 50% erzeugen. Da die Aromastoffe, meistens ätherische Öle, ebenfalls nicht in die kristalline Phase übergehen, sondern in der Lösung zurückbleiben und da bei tiefen Temperaturen nahezu alle chemischen Reaktionen unterbunden sind, bleiben die hochwertigen Inhaltstoffe hinsichtlich ihrer Konzentration und ihrer chemischen Zusammensetzung unverändert erhalten.

Das Gefrierkonzentrieren wird daher zur Zeit als ein ideales Verfahren zur Herstellung von hochwertigen Konzentraten aus Fruchtsäften und dergleichen angesehen. Einer weiteren Verbreiterung stehen vorwiegend die hohen Kosten des Gefrier-

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konzentrierens sowie in manchen Fällen ein geringer Produktverlust entgegen, der durch das Haften von Konzentrat an den Eiskristallen hervorgerufen wird. Ans Kostengründen wird auch heute noch von den meisten Verarbeitern von Säften das Eindampfen zur Herstellung von Konzentraten angewandt. Nur in besonderen Fällen, wo es sich entweder um sehr hochwertige Ausgangsstoffe handelt, wie Kaffeextrakt und Teextrakt, oder wo der Verbraucher bereit ist, höhere Preise für ein hochwertiges Produkt zu bezahlen, wird das Gefrierkonzentrieren angewandt.

Die hohen Kosten werden vorwiegend durch das Einfrieren des Produkts verursacht, da es mit bisher bekannten Anlagen nicht möglich ist, große Produktmengen zu verarbeiten. Hingegen bietet die Erzeugung von Kälte keinerlei Schwierigkeiten. Weitere Probleme sind mit der Trennung von Konzentrat und Eis verbunden. Hier setzt die vorliegende Erfindung ein, die es sich zur Aufgabe gestellt hat, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem selbst Lösungen hoher Konzentration in wirtschaftlicher Weise durch Gefrieren hergestellt werden können. Ein solches Verfahren muß also den Aufbau und die Verwendung relativ einfacher Vorrichtungen ermöglichen.

Es hat sich gezeigt, daß diese Aufgabe mit einem Verfahren

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der eingangs genannten Art gelöst werden kann, das darin besteht, daß in einer rotierenden Trommel die Lösungsmittelkristalle durch Zentrifugalkraft von der Restlösung getrennt und axial aus der Trommel mit Hilfe von in die Lösung eintauchenden Fördereinrichtungen ausgetragen werden.

Dabei kann es in einigen Fällen vorteilhaft sein, die Lösungsmittelkristalle in entgegengesetzter Richtung zu dem der Lösung durch die Trommel zu fördern.

Nach einer weiteren Ausführungsart der Erfindung wird die frisch zulaufende Lösung auf das entstandene Lösungsmittelkristall-Konzentrat-Gemisch gesprüht.

Die Trommel kann erfindungsgemäß in Kammern mit unterschiedlichen Arbeitsdrücken unterteilt werden, wobei die frische Lösung einem höheren Druck als die bereits teilweise konzentrierte Lösung ausgesetzt wird.

Das Verfahren nach der Erfindung läßt sich vorteilhaft mit einer Vorrichtung ausführen, bei der die Fördereinrichtungen in Form von in der Trommel axial angeordneten Förderschnecken oder in Form von in die Flüssigkeit eintauchenden Schaufeln ausgebildet ist.

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Andererseits kann die Vorrichtung jedoch auch eine annähernd paraboloidförmig ausgebildete Trommel besitzen, die um eine senkrechte Achse rotiert, wobei die Fördereinrichtungen die Form von Förderschnecken oder Schaufeln aufweisen. Die Erfindung beruht also auf dem bekannten Verfahren zur Kälteerzeugung durch Verdampfen eines Teils des abzukühlenden bzw. einzufrierenden Gutes bei einem Dampfdruck, der niedriger ist als der Gleichgewichtsdampfdruck bei Gefriertemperatur des Gutes. Je kg verdampften Wassers, das in den meisten Fällen als Lösungsmittel vorhanden ist und teilweise entzogen werden soll, werden dem abzukühlenden Gut ca. 600 kcal entzogen. Wäre die Lösung bereits annähernd auf Gefriertemperatur vorgekühlt, so könnten durch Verdampfung von 1 kg Wasser ca. 7,5 kg Eis gebildet werden. Bei hohen Konzentrationen wird das Verhältnis noch günstiger, da die Schmelzenthalpie mit zunehmender Feststoffkonzentration erheblich abnimmt und bei der Verdampfung von 1 kg Wasser nicht nur 7,5 sondern 10 bis 15 kg Eis entstehen.

Das Kühlen und Einfrieren durch Verdampfen eines Teils des Lösungsmittels hat darüber hinaus den Vorteil, daß die Kühlflächen nicht unmittelbar mit der zu konzentrierenden Lösung in Berührung kommen und daher auch ohne Kratzvorrichtungen und dgl. kein Zuwachsen der Gefrierapparatur eintritt. Es bildet sich ein Gemisch von vorkonzentrierter

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Lösung und Eiskristallen, das auch als Eismatsch (sludge) bezeichnet wird. Wie bei jedem Kristallisierprozeß können die Kristalle und die Lösung unter Ausnutzung der verschiedenen Dichte nur mittels der Schwerkraft oder mit Hilfe eines durch Zentrifugieren unterstützten Absetzvorgang getrennt werden. Ferner kann das Trennverfahren darauf beruhen, daß der eine Teil flüssig ist, somit Filter passieren kann und daß die Kristalle durch Sieben oder Filtern abgeschieden werden können. Je nach der zum Kristallisieren angewandten Methode kann das Trennen in der Kristallisiervorrichtung selbst, so z.B. bei der Kristallisation von Salzen oder organischen Stoffen aus übersättigten Lösungen, oder in speziellen Verdampfern vorgenommen werden. Schließlich ist auch noch die Verwendung besonderer Apparate möglich. Letzeres ist zum Beispiel bei der Gefrierkonzentration nach dem Krause-Verfahren üblich, wenn der Einfrierprozeß in einem Wärmeaustauscher mit einem rotierenden Messer oder auf einer rotierenden Walze und der Trennprozeß in einer Schub- oder SchälZentrifuge durchgeführt werden.

In den meisten technisch vorkommenden Fällen besitzt die Lösung eine höhere spezifische Dichte als das kristalline Lösungsmittel. Das gefrorene Lösungsmittel kann daher durch unterschiedliche Dichte von der konzentrierten Lösung ge-

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trennt werden. Dieser Trenneffekt wird in der erfindungsgemäß igen Vorrichtung dadurch verstärkt, daß die Verdampfung unter Vakuum in einer rotierenden Trommel stattfindet, in der die Schwerkraftwirkung durch Zentrifugalkraft zusätzlich verstärkt wird. Dabei steigt das gefrorene Lösungsmittel an die Oberfläche der durch Zentrifugalkraft an der Wand der Trommel haftende Flüssigkeitsschicht und kann von dort abgeschöpft oder abgeschoben werden.

Beide Teilprozesse, d.h. Erzeugen der Kristalle durch Abkühlung und das Abtrennen der Lösungsmittelkristalle durch Zentrifugieren werden vorteilhaft in einer einheitlichen Vorrichtung, die aus einer entsprechend ausgebildeten Trommel besteht, zusammengefaßt. Für das Fördern der Eiskristalle in axialer Richtung kann eine schneckenförmige Rührvorrichtung verwendet werden, die teilweise in die Flüssigkeit eintaucht und mit ähnlicher Geschwindigkeit wie die Trommel rotiert. Durch die geringe Differenz der Trommelrotation und der Umdrehungsgeschwindigkeit des Rührers entsteht eine schraubenförmige Förderbewegung, so daß die LösungsmittelkristalJ.e allmählich zu einem Ende der Trommel hinbefördert werden und sich dort ansammeln. Die Förderbewegung der Schnecke hat zugleich einen Rühreffekt, durch den ständig die Flüssigkeitsschicht durchgerührt wird und die an der Trommelwand befindliche Lösung mit der stärker

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konzentrierten Lösung an der Oberfläche ausgetauscht wird. Dieser Effekt wird dadurch verstärkt, daß die an der Oberfläche befindliche Lösung eine höhere Konzentration als die an der Wand befindlichen Lösung besitzt und durch die Dichteunterschiede eine zusätzliche Konvektion hervorgerufen wird.

Es ist besonders günstig, wenn die frisch zulaufende Lösung dort in die Trommel gegeben wird, wohin die Lösungsmittelkristalle durch die Schnecke gefördert wurden. Am entgegengesetzten Ende wird sich die konzentrierte Lösung ansammeln, die keine Lösungsmittelkristalle mehr enthält. Sie kamiNals fertiges Produkt durch eine geeignete Vorrichtung, z.B. Überlauföffnungen, aus der Trommel austreten bzw. aus ihr entnommen werden. Wenn die Lösungsmittelkristalle durch die Fördereinrichtung im Gegenstrom zur Lösung bewegt werden, kommen sie während ihres Wachsens mit immer niedriger konzentrierter Lösung in Berührung, die einen höheren Gefrierpunkt besitzt. Das Kristallwachstum, das anfangs in der hochkonzentrierten Lösung sehr langsam vonstatten ging, wird zunehmend schneller. Dieser Vorgang kann dazu beitragen, daß sich statt sehr vieler feiner Kristalle große, gleichmäßige Lösungsmittelkristalle bilden, die später besonders leicht von der Lösung getrennt,werden können. Die Trommel kann an dem Ende, zu dem die Lösungsmittelkristalle durch die Fördereinrichtung bewegt werden,

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konisch ausgeführt werden, so daß die Fördereinrichtung die entstandenen Losungsmittelkristalle schließlich aus der Lösung herausfördert. Hierbei können die Losungsmittelkristalle von der frisch zulaufenden Lösung übersprüht werden, wodurch erfahrungsgemäß die Reste konzentrierterer Lösung, die noch an den Kristallen haften, abgewaschen werden. Die frische Lösung darf auch etwas erwärmt zulaufen, so daß der Wascheffekt durch ein oberflächliches Abschmelzen der groben Kristalle und ein vollständiges Auflösen der kleinen Kristallen oder von dendritischen Bildungen, an denen die Lösung besonders gut haftet, befreit wird. Auf diese Weise läßt sich, unterstützt von der Zentrifugalwirkung der Trommel, eine besonders gute Trennung der Lösungskristalle von der anhaftenden konzentrierten Lösung herbeiführen.

Da die frisch zulaufende Lösung mit der höchsten Temperatur und der niedrigsten Konzentration auch den bei weitem höchsten Dampfdruck besitzt, kann die dort auftretende Verdampfung so heftig sein, daß sie den wesentlich langsamer ablaufenden Kühl- und Verdampfungsprozeß am entgegengesetztem Ende, an dem sich die höher konzentrierte Lösung befindet, behindert. Das kann durch eine Stufung des Dampfdrucks in der Trommel verhindert werden. So können zum Beispiel Querwände in der Trommel vorgesehen werden, die hinreichend enge Bohrungen zur Drosselung des Dampfstromes aufweisen.

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Wenn nun die Dampfaustrittsöffnung der Trommel auf der Seite liegt, wo sich die konzentriertere Lösung sammelt, so wird auch der Verdampfungsvorgang auf der entgegengesetzten Seite, an der die frische Lösung zuläuft, entsprechend gedrosselt. Es kann sogar erreicht werden, daß in dem Bereich, in dem die Lösungsmittelkristalle durch frisch zulaufende Lösung gewaschen werden, nahezu keine Verdampfung stattfindet.

Die Trommel kann sowohl um eine waagerechte, eine senkrechte oder auch um eine geneigte Achse rotieren. Bei Verwendung von geneigten oder vertikalen Achsen wird sich die Flüssigkeitsoberfläche innerhalb der Trommel nicht mehr zylindrisch, sondern paraboloidisch ausbilden. Entsprechend kann auch die Trommel und insbesondere die Fördereinrichtungen gestaltet werden. Da nun die Förderschnecke einen annähern parabelförmigen Umriß erhält, kann sie aus der Trommel herausgezogen werden, was in vielen Fällen, wo eine häufige Reinigung oder gelegentliche Montagen oder Reparaturen erforderlich sind, vorteilhaft ist.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus der folgenden Darstellung anhand der beigefügten Abbildungen von Ausführungsarten der Erfindung hervor.

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Es zeigen in schematischer Vereinfachung

Figur 1 das Prinzip einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Gefrierkonzentrier-Verfahrens

Figur 2 eine abweichende Ausgestaltung der Trommel nach Figur 1,
und

Figur 3 eine durch Vakuumkammern ergänzte Trommel für die Anlage nach Figur 1.

Wie aus Figur 1 zu ersehen ist, enthält die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als wesentlichsten Bestandteil zunächst eine rotierende Trommel 1 In dieser Trommel befindet sich die Lösung, die ständig aus der Leitung 2 ergänzt wird. Die Trommel 1 befindet sich hier in einer Vakuumkammer 3. Bei Inbetriebnahme wird die Vakuumkammer durch die Pumpe 4 evakuiert, bis die Verdampfung der Flüssigkeit in der Trommel 1 einsetzt. Der dort entstehende Dampf wird auf dem Wärmetauscher 5 niedergeschlagen und als Eis abgeschieden. Die Kältemaschine 6 kühlt den Wärmetauscher 5 auf die erforderliche niedrige Temperatur. Nach einer hinreichenden Anlaufzeit beginnt das Lösungsmittel zu kristallisieren. Die aufschwimmenden Lösungsmittelkristalle werden durch die Förderschnecke 7, die sich ein wenig schneller oder langsamer als die Trommel 1 dreht, zur Austrittsöffnung

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der Trommel gefördert und dort,bevor sie aus der Trommel ausgeschleudert werden, nochmals durch Übersprühen mit niedrig konzentrierter frischer Lösung gespült. Die frische Lösung wird in einem Vorratsbehälter 8 bereitgehalten und durch die Lösungspumpe 9 in die Anlage hineindosiert. Eine Schneckenpresse oder eine Pumpe 10 fördert entweder zu einer festen Masse verdichtetes Lösungsmittel (z.B. einen Eisstrang oder ein Lösungsmittelkristall-Lösungsgemisch) auf Atmosphärendruck. Die konzentrierte Lösung kann durch Überlauföffnung 11 aus der Trommel austreten und wird durch die Konzentratpumpe 12 abgesogen. Die Trommel und die Schnecke werden über den Getriebeblock 13 angetrieben.

Eine andere Ausführungsart der Erfindung entsteht dadurch, daß die Trommel 1 nicht, wie in Figur 1 gezeigt, um eine waagerechte, sondern um eine senkrechte Achse rotiert, vergleiche Figur 2. In diesem Fall bildet die Flüssigkeitsoberfläche keinen Zylinder, sondern einen Paraboloid. Daraus ergibt sich der für Vakuumanlagen wichtige Vorteil, daß der abströmende Querschnitt für den Dampf sehr groß gewählt werden kann, da die Form des Flüssigkeitsspiegels den Strömungsverhältnissen besser angepaßt ist. Bei vertikaler Anordnung der Trommel 1 kann die Entnahme der Lösungsmittelkristalle am oberen, weiten oder am unteren, engen Ende der Trommel 1 erfolgen. In Figur 2 ist beispielsweise

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eine Entnahme der Lösungsmittelkristalle am unteren Ende der paraboloid förmigen Trommel vorgesehen.

In einer dritten Ausführungsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine Trennung des Vakuumraumes in zwei Bereiche vorgesehen. (Figur 3). Hierzu dienen das Abschlußblech 14, das ein wenig in die gefrierende Flüssigkeit eintaucht, und die Dichtung 15. Während in der rechten Kammer 16 z.B. ein Druck von 2 Torr herrscht, ausreichend, um in einer gefrierenden Zuckerlösung die Konzentration der nicht gefrorenen Restlösung auf ca. 50% zu erhöhen, stellt sich in der linken Kammer 17 infolge des teilweisen Abschlusses gegen Kammer 16 und durch Zulauf relativ warmer frischer Lösung ein höherer Druck ein. Dieser kann durch das zusätzliche Überströmventil und durch entsprechende Regelung der Temperatur der aus der Leitung zulaufenden Lösung so eingeregelt werden, daß entweder ein leichtes Abschmelzen des Eises stattfindet, das sich in Kammer 17 befindet, oder daß sich die frische Lösung aus der Leitung 2 bereits bis unter ihren Gefrierpunkt abkühlt. Durch Messen von Temperaturen und Drücken läßt sich der gewünschte Druck leicht kontrollieren und einregulieren.

Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht seinerseits im noch leichteren und gründlicheren Trennen von Eis und Lösung und andererseits darin, daß ein unkontrolliertes Schäumen der frischen Lösung vermieder wird.

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Claims

387-42/KDB/RIM 4. Sept. 1972 Patentansprüche

1. Verfahren zum Gefrierkonzentrieren von Lösungen, bei dem die Kälteerzeugung durch teilweises Verdampfen des Lösungsmittels im Vakuum erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß in einer rotierenden Trommel (1) die Lösungsmittelkristalle durch Zentrifugalkraft von der Restlösung getrennt und axial aus der Trommel (1) mit Hilfe von in die Lösung eintauchenden Fördereinrichtungen (7) ausgetragen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösungsmittelkristalle in entgegengesetzter Richtung zu dem Fluß der Lösung durch die Trommel (1) gefördert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die frisch zulaufende Lösung auf das entstandene Lösungsmittelkristall-Konzentrat-Gemisch gesprüht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trommel in Kammern mit unterschiedlichen Arbeitsdrücken unterteilt wird, wobei die frische Lösung einem höheren Druck als die bereits teilweise konzentrierte Lösung ausgesetzt wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördereinrichtungen in Form von in der Trommel (1) axial angeordneten Förderschnecken (7) oder in Form von in die Flüssigkeit eintauchenden Schaufeln ausgebildet ist.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Trommel (1) annähernd paraboloidförmig ausgebildet ist und um eine senkrechte Achse rotiert, wobei die Fördereinrichtungen die Form von Förderschnecken (7) oder Schaufeln aufweisen.

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