DE2810189A1

DE2810189A1 - Verfahren zum konzentrieren von fluessigen nahrungsmitteln u.dgl.

Info

Publication number: DE2810189A1
Application number: DE19782810189
Authority: DE
Inventors: Henricus Alexis Corne Thijssen
Original assignee: Douwe Egberts Koninklijke Tabaksfabriek Koffiebranderijen Theehandel NV
Current assignee: Douwe Egberts Koninklijke Tabaksfabriek Koffiebranderijen Theehandel NV
Priority date: 1977-03-19
Filing date: 1978-03-09
Publication date: 1978-09-21
Also published as: NL7802338A; AU3385878A; ES467990A1; AU513457B2; FR2384021A1; US4265920A; IT7821282A0; GB1570944A; PT67785A; ZA7801432D; IT1093429B

Description

7. März 1978 32 176 B

Douwe Egberts Koninklijke Tabaksfabriek;
Koffiebranderijen-ed Theehandel B.V.
Utrecht, Niederlande.

Verfahren zum Konzentrieren von flüssigen Ilahrungsmitteln u.dgl.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Konzentrieren von wässrigen Lösungen, die ausser nicht-flüchtigen Verbindungen Alkohol und geringe Mengen flüchtiger Aromakomponenten enthalten, wie Bier und Wein, durch die selektive Entfernung von Wasser. Eine übliche Methode dazu ist das Konzentrieren durch Eindampfen. Beim Eindampfen entweichen die meisten flüchtigen Stoffe zusammen mit dem Wasserdampf. Diese flüchtigen Stoffe können teilweise in das Konzentrat zurückgeführt werden, und zwar entweder durch Strippen der flüchtigen Stoffe aus der Flüssigkeit vor dem Konzentrieren durch Eindampfen und Zugeben dieser abgestrippten flüchtigen Stoffe an das Konzentrat, das die Eindampfvorrichtung verlässt, oder durch Gewinnung in einer Destillationskolonne der flüchtigen Stoffe aus Dampf, der aus der siedenden Flüssigkeit in der Eindampfvorrichtung entweicht, und Zugeben des destillierten Konzentrats flüchtiger Stoffe an die konzentrierte Flüssigkeit. Die Kombination von Destillation mit Konzentration durch Eindampfen wird in der Wahrungsmittelindustrie in grossem Massstab angewendet (siehe z.B. Advances in Food Research, Band 20, Academic Press, New York, London, 1973). Dabei werden jedoch immer

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-Jt-

Konzentrate erhalten, die nach Rekonstitution von geringerer Qualität sind als die ursprünglichen unkonzentrierten Getränke. Dies ist eine Folge der Tatsache, dass die flüchtigen Aromastoffe nur teilweise in das Konzentrat zurückgebracht werden.

Wenn die Aromastoffe in einer Strippkolonne von der Flüssigkeit abgetrennt werden, bevor die Konzentration durch Eindampfen erfolgt, können nur die flüchtigen Stoffe abgetrennt und gewonnen werden, die in Lösung eine Flüchtigkeit besitzen, die in genügendem Masse grosser als die von Wasser ist. Weil von vielen flüssigen nahrungsmitteln ein Teil der Aromastoffe dieser Bedingung nicht entspricht, werden sie bei der ansehliessenden Eindampfung verlorengehen.

Wenn die flüchtigen Stoffe in einer Destillationskolonne von dem die siedende Flüssigkeit in der Eindampfvorrichtung verlassenden Dampf abgetrennt werden, gehen die flüchtigen Stoffe, die eine Flüchtigkeit besitzen, die kleiner oder nur wenig höher als die von Wasser ist, verloren. Diese flüchtigen Stoffe verlassen die Destillationskolonne zusammen mit dem Bodenwasserstrom. Ausserdem wird ein Teil der sehr flüchtigen Aromastoffe zusammen mit nicht-kondensierbaren Gasen über den Kondensor des Strippers oder der Destillationskolonne entweichen. Weiter kann auch thermischer Abbau von Säften und Getränken in der Eindampfvorrichtung in vielen Fällen nicht vermieden werden.

Flüssige Wahrungsmittel können ohne Qualitätsverlust durch Gefrierkonzentration konzentriert werden. Da der wässrigen Lösung durch den Phasen-Uebergang von Flüssigkeit zu Eiskristall Wasser entzogen wird, können Aromaverluste durch Eindampfen völlig vermieden werden. Infolge der niedrigen Verfahrenstemperatur, die erheblich unter 0 C liegt, wird auch thermischer Abbau der wärme-empfindlichen Bestandteile vermieden. Wenn die in der gefrierenden Lösung gewachsenen Eiskristalle gross genug sind, und zwar nicht kleiner als etwa 100 Mikrometer in Diameter kann die konzentrierte Lösung wirksam in Waschkolonnen von den Eiskristallen abgetrennt werden. Die Verluste an gelöstem Stoff bleiben in auf richtige Weise betätigten Waschkolonnen erheblich unterhalb 0,1 Gew.% des gelösten Stoffes in dem Zufuhrmaterial.

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Beim Konzentrieren von alkoholischen Getränken, -wie Wein und Bier, ist der Alkohol der "beschränkende Faktor für den maximalen Konzentrationsgrad. Unter Kristallisationgefrier)bedingungen fuhrt eine Zunahme der Äthanolkonzentration zu einer progressiv abnehmenden Gefriertemperatur und einer progressiv zunehmenden Viskosität. Ueber etwa Uo Gew.% Alkohol wird die Alkoholkonzentration wirtschaftlich prohibitiv für das Gefrierkonzentratxonsverfahren.

Der Effekt des Konzentrationsfaktors, d.h. des Verhältnisses zwischen dem Gewicht der ursprünglichen Lösung und dem Gewicht der konzentrierten, dieselbe Gewichtsmenge an gelöstem Stoff enthaltenden Lösung auf die Gefriertemperatur wird in der Tabelle A gezeigt.

Tabelle A: Effekt des Konzentrationsfaktors auf die Gefriertemperatur in einer Probe-Weinlösung mit einer anfänglichen Alkoholkonzentration von 10 Gew.% und einem anfänglichen Gehalt an gelöstem Feststoff von 3 Gew.%

Konzentrationsfaktor Herabsetzung der Gefriertemperatur

durch gelösten durch

Äthanol, °C

	Feststoff,
1	0Λ
2	0,6
3	1,0
k	1,U
5	1,8
6	2Λ

Gefriertemperatur des Konzentrats °C

-11,6 -20,0 -28, U

-36,8 -k6,k

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Wie aus der Tabelle A ersichtlich ist der Effekt der Steigung der Konzentration gelösten Feststoff in dem Wein auf die Herabsetzung der Gefriertemperatur fast vernachlässigbar im Vergleich mit der Herabsetzung des Gefrierpunktes durch die entsprechende Steigung des Alkoholgehalts. Ein Aspekt der Gefrierkonzentration wässriger, alkoholhaltiger Lösungen bei sehr tiefen Gefriertemperaturen ist die grosse Viskosität der Lösung, die zu äusserst geringen Eiskristallwachstumsgesehwindigkeiten und daher zu einer geringen Eisproduktionskapazität der KristallisationsTorrichtung führt. Die Viskosität eines vierfach konzentrierten Weines ist viel grosser als die desselben Konzentrats, das nach Entfernung des Alkohols durch Destillation konzentriert; worden ist.

Ein roch grösserer Nachteil ist die starke Steigung der Energiekosten pro Gewichtseinheit Eis(wasser)entfernung bei abnehmender Temperatur. Die Kristallisationswärme wird immer indirekt mittels einer Wärmepumpe abgeführt (Kühlung erfolgt durch Verdampfung eines Kühlmittels, wie Freon, und anschliessende Kompression und Kondensation des Dampfes). Der Energieverbrauch pro Joule entfernter Wärme ist proportional zu dem Temperaturunterschied zwischen dem kondensierenden und verdampfenden Kühlmittel. Für einen Kühlmitteldampf, der bei +5 C kondensiert, und einen Temperaturunterschied zwischen dem verdampfenden Kühlmittel und der kristallisierenden Lösung von 10 C zeigt die Tabelle B den Effekt des Konzentrationsfaktors auf den Energieverbrauch einer alkoholhaltigen Probe-Weinlösung im Verhältnis zu dem Energieverbrauch einer alkoholfreien Lösung.

Tabelle B: Effekt des Konzentrationsfaktors auf den Energieverbrauch der Kristallisations-Vorrichtung beim Gefrierkonzentrieren von Probe-Weinlösungen mit und ohne Alkohol.

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Konzentrations- Temperaturunterschied zwischen dem Verhältnis zwischen faktor kondensensierden und dem verdampfen- dem Energieverbrauch

den Kühlmittel, C mit und ohne Alkohol

beim Gefrierkonzen-

ohne Alkohol	mit Alkohol	trieren.
15,6	26,6	1,7
16,0	35,0	2,2
16, k	^3,U	2,6
16,8	51,8	3,1
17Λ	61 Λ	3,5

Die Erfindung gibt jetzt für alkoholische Getränke eine Lösung für das Problem des negativen Effekts einer zunehmenden Alkoholkonzentration bei dem Gefrierkonzentrationsverfahren auf die Kapazität der Gefrierkonzentrationsvorrichtung und dadurch auf die Investierungs- und Energiekosten, durch Kombination zweier Behandlungen, und zwar der Destillation und der Gefrierkonzentration, Die Erfindung verschafft ein Verfahren zum Konzentrieren von wässrigen Lösungen, die ausser nicht-flüchtigen Komponenten, Alkohol und geringe Mengen flüchtiger Aromakomponenten enthalten, wie Wein und Bier, durch die selektive Entfernung von Wasser, welches Verfahren gekennzeichnet ist durch

(a) eins erste Stufe, in der der grösste Teil des Alkohols und der flüchtigen Aromakomponenten durch ein Destillationsverfahren, vorzugsweise unter stark vermindertem Druck, von der Masse der wässrigen Lösung abgetrennt wird und die bei dem Destillationsverfahren erhaltenen Dämpfe in einem Kondensor kondensiert werden,

(b) eine zweite Stufe, in der die in der Stufe (a) erhaltene wässrige Lösung durch Entfernung von Wasser in einem Gefrierkonzentrationsverfahren konzentriert wird, und

(c) eine dritte Stufe, in der das in der Stufe (a) erhaltene Kondensat mit dem in der Stufe (b) erhaltenen Konzentrat vermischt wird.

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Anders als bei der Kombination von Destillation mit Eindampfung der Fall ist, beeinträchtigt die erfindungsgemässe Kombination, wobei Alkohol, vorzugsweise unter stark vermindertem Druck, bevor Wasser durch Gefrierkonzentration aus dem Getränk entfernt worden ist, durch Destillation aus dem Dampf abgetrennt wird, mit anschliessender Gefrierkonzentration, die Qualität des rekonstituierten Getränks nicht oder kaum. Dies ist eine Folge der Tatsache, dass bei dem Verfahren Aromaverlust und thermischer Abbau auf ein Minimum beschränkt bleiben.

Bei dem erfindungsgemässen Verfahren braucht keine vollständige Trennung durch Destillation zwischen Wasser und flüchtigen Stoffen, wie Alkohol und Aromastoffen, durchgeführt zu werden, weil die Aromakomponenten, die in dem Bodenprodukt zurückgelassen werden, in dem Konzentrat bleiben. Es ist klar, dass während des anschliessenden Gefrierkonzentrationsverfahrens nur Wasser entfernt wird.

Das Auftreten von Verlusten durch Entweichen von Aromakomponenten zusammen mit nicht-kondensierbaren Gasen, die die Destillationskolonne verlassen, kann praktisch dadurch ausgeschlossen werden, dass vor der Trennung des Destillats von den nicht-kondensierbaren Gasen die Temperatur des Destillats auf einen derart niedrigen Wert herabgesetzt wird, dass der Dampfdruck der Aromakomponenten vernachlässigbar ist. Bei einer Temperatur von z.B. —^4-0 C sind die Aromaverluste über den Kopf der Destillationskolonne praktisch gleich null.

Zur Vermeidung des thermischen Abbaus der Aromakomponenten empfiehlt es sich in den meisten Fällen, den Druck in der Destillationskolonne auf einen solchen Wert herabzusetzen, dass die Temperatur des Bodenprodukts nicht über UO-50 C kommt und die Verweilzeit nicht langer als etwa 30 Minuten ist.

Es hat sich gezeigt, dass trotzdem in manchen Fällen unerwünschte Eeaktionen auftreten können. Die Ursache davon ist dann, dass ein gewisser Zeitverlauf notwendig ist, bevor sich in der Destillationskolonne ein Gleichgewicht für alle Aromakomponenten eingestellt hat. Für manche dieser Komponenten kann die Verweilzeit dann zu lang werden, wodurch die Qualität des Produkts "beeinträchtigt werden kann. In solchen Fällen empfiehlt es sich, alle Aromakomponenten periodisch aus der Destillationskolonne zu "spüllen^!r, z.B. etwa einmal je 15-60 Minuten. Das Spülen kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass man einige Zeit (z.B. 1-3 Minuten) bei einem Rückfluss von null arbeitet.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der ein Stromungsschema einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wiedergegeben ist.

Die zu konzentrierende FLüssigkeit 1 wird in eine unter vermindertem Druck arbeitende Destillationskolonne 2 eingeführt. Die Dämpfe 16, die fast alles Äthanol und einen Teil der Aromastoffe enthalten, werden als Kopfprodukt entfernt und in dem Kondensor h kondensiert. Ein Teil des erhaltenen Kondensats wird als Rückfluss 8 dem Kopf der Destillationskolonne 2 zugeführt. Der als Destillats anzugebende Rest des Kondensats wird in einem Wärmeaustauscher 5 auf etwa -I)-O⁰C abgekühlt. Die nicht-kondensierbarai Gase, wie Luft, werden in einem Gas-Flüssigkeit-Separator 6 von dem Destillat getrennt. Von dem Separator 6 wird das Destillat 9 einem Mischer 17 zugeführt und in diesem mit dem aus der Waschkolonne 12 herrührenden, durch Gefrierkonzentration konzentrierten Produkt Ik vermischt.

Der verminderte Druck in der Destillationskolonne 2 wird mittels einer Vakuumpumpe T auf einem gewünschten Wert gehalten. Infolge der äusserst niedrigen Temperatur (-^0 C) der Mischung von Kondensat und Inertgasen in dem Separator 6 wird praktisch ganz vermieden, dass Aromastoffe mit den entweichenden Gasen 18 verlorengehen. Die Flüssigkeit 10, welche die Destillationskolonne am Boden verlasst, ist praktisch alkoholfrei aber brauch nicht frei zu sein und wird im allgemeinen auch nicht frei sein von Aromastoffen, d.h. von den weniger flüchtigen Aromastoffen. Diese Flüssigkeit wird in eine Gefrierkristallisationsvorrichtung 11 eingeführt, in der die Flüssigkeit 3- bis 30-fach oder sogar hoher konzentriert werden kann, und zwar in Abhängigkeit von der Konzentration

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des gelösten Feststoffs. In einer Waschkolonne 12 wird die Flüssigkeit von den Eiskristallen abgetrennt. Wenn das Gefrierkonzentrationsverfahren in richtiger Weise durchgeführt wird, sind die Mengen an gelöstem Stoff, die mit dem Eis 13, das die Waschkolonne 12 verlässt, abgeführt werden vernachlässigbar klein.

Destillationskolonnen, die bei dem erfindungsgemässen Verfahren angewendet werden können, werden z.B. in Advances in Food Research (schon erwähnt) besehrieben. Eine Gefrierkristallisationsvorrichtung wird z.B. in der US Patentschrift h.00^.886 beschrieben und Waschkolonnen sind in den US Patentschriften 3.777.892 und 3.872.OO9 beschrieben worden.

Die Erfindung wird jetzt an Hand des nachstehenden Beispiels näher erläutert.

Beispiel: sechsfache Konzentration von Wein.

Es wurden je Stunde 1000 kg Wein, der 10 Gew.% Äthanol und 3 Gew.% an gelöstem Feststoff enthielt, einer Destillationskolonne 2 zugeführt. Die Verdampfungsgeschwindigkeit in dieser Destillationskolonne war 330 kg/Stunde. Die Kolonne enthielt zehn theoretische Teller in dem unteren Teil und fünf in dem oberen Teil. Der Durchmesser war Ό,3δ m und die Höhe 3,5 m. Die Destillation wurde unter einem Druck von 8 kPa durchgeführt. Als Kopfprodukt wurden aus der Kolonne pro Stunde 111 kg Destillat mit einem Äthanolgehalt von 90 Gew.% erhalten. Der Bodemstrom war praktisch alkoholfrei und betrug 889 kg/Stunde. Der Bodenstrom enthielt 3,^Gew.$ an gelöstem Feststoff. Dieser Bodenstrom wurde in der Kristallisationsvorrichtung 15-fach konzentriert. Das Konzentrat 1U wurde in einer Menge von 60 kg/Stunde erhalten und enthielt 50 Gew.% an gelöstem Feststoff. Aus der Waschkolonne 12 wurden pro Stunde 829 kg Eis abgeführt. Die Mischung 15 von dem Destillat 9 und dem Konzentrat lh betrug 171 kg/Stunde. Diese Mischung enthielt 58,5 Gew.% Äthanol, 17_s5 Gew.% an gelöstem Feststoff und 2H Gew.% Wasser. Der gesamte Konzentrationsfaktor betrug 5,85. Die Aromaverluste waren praktisch gleich null. Die Kolonne wurde dadurch "gespült" dass jede Stunde der Rückfluss 8 während 2 Minuten abgeschlossen wurde.

Nach Rekonstitution des' gesamten Konzentrats durch Verdünnung mit Wasser zu der ursprünglichen Konzentration hatte das erhaltene Produkt einen Geruch und Geschmack, die sich kaum von denen einer Probe der ursprünglichen Zufuhr unterschieden.

809838/0711

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Claims

Ί H 1 ϋ I 8 y Ansprüche

1. Verfahren zum Konzentrieren von wässrigen Lösungen, die ausser nicht-flüchtigen Komponenten Alkohol und geringe Mengen flüchtiger Aromakomponenten enthalten, wie Wein und Bier, durch selektive Entfernung von Wasser geiemzeichnet durch (a) eine erste Stufe, in der der grösste Teil des Alkohols und der flüchtigen Aromakomponenten durch ein Destillationsverfahren, vorzugsweise unter stark vermindertem Druck, von der Masse der wässrigen Lösung abgetrennt wird und die "bei dem Destillationsverfahren erhaltenen Dämpfe in einem Kondensor kondensiert werden, (b) eine zweite Stufe, in der die in der Stufe (a) erhaltene wässrige Lösung durch Entfernung von Wasser in einem Gefrierkonzentrationsverfahren konzentriert wird, und (c) eine dritte Stufe, in der das in der Stufe (a) erhaltene Kondensat mit dem in der Stufe (b) erhaltenen Konzentrat vermischt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck während des Destillationsverfahrens auf einem solchen Wert gehalten wird, dass die Temperatur des Bodenprodukts HO-50 C nicht überschreitet.

3. Vorjahren nach den Ansprüchen 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Destillationsverfahren der Strom Rückflussflüssigkeit periodisch während kurzer Zeit abgeschlossen wird.

h. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom Rückflussflüssigkeit jede 15-60 Minuten während 1-3 Minuten abgeschlossen wird.

ORIGINAL IMSPECTED