DE3806816A1 - Vorrichtung zum gleichmaessigen und schnellen erwaermen, pasteurisieren oder sterilisieren von lebensmitteln oder dergleichen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit den Merkmalen ge­ mäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Aus der DE 34 47 544 A1 ist eine derartige Vorrichtung be­ kannt. Sie weist eine längliche Mikrowellenbehandlungskammer mit einem durch die Kammer geführten, endlosen Transportband auf. In die Behandlungskammer werden von oben Mikrowellenein­ speisekanäle geführt, an die jeweils ein Mikrowellengenerator angeschlossen ist. Ein mit dem Mikrowellengenerator verbun­ denes Regelgerät schaltet die Generatoren immer dann ab, wenn die Ränder einer zu beaufschlagenden Packung unter die Ein­ speiseöffnung hindurchlaufen, um ein Überhitzen der Packungs­ ränder zu vermeiden. Durch z.B. eine Fotozelle oder eine an­ dere beliebige Einrichtung, die ebenfalls an dem Regelgerät angeschlossen ist, wird dem Regelgerät ein Signal übermittelt, wenn die Stirnseiten der auf dem Transportband befindlichen Lebensmittel unter den Einspeiseöffnungen der Mikrowellenge­ neratoren hindurchlaufen.

Eine gleichmäßige und schnelle Aufheizung läßt sich mit dieser Einrichtung nicht verwirklichen.

Aus der DE-PS 12 91 429 ist eine Vorrichtung zum dielek­ trischen Erwärmen von Stoffen bekannt, die mit einem Mikrowel­ lengenerator und mit einem Hochfrequenzgenerator gespeist wird. An den kammerseitigen Enden der Hohlleiter sind auswech­ selbare Feldformer angeordnet, mittels welcher gezielt auf die Eindringtiefe der Mikrowellenenergie in das Produkt, d.h. auf die Bündelung der Mikrowellenenergie, eingegangen werden kann.

Eine gleichmäßige Erwärmung eines Produktes über die gesamte Produktgröße bzw. Fläche ist mit dieser Vorrichtung nicht durchführbar, weil eine Steuerung der Eindringtiefe eine ge­ zielte Energiebündelung voraussetzt und darüber hinaus von dem jeweiligen zu erwärmenden Produkt abhängig ist.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, die gattungsgemäße Vorrich­ tung derart zu verbessern, daß eine sehr gleichmäßige und schnelle sowie energiesparende Temperierung von Lebensmitteln mittels Mikrowellenenergie in einer länglichen Behandlungs­ kammer durchführbar ist, wobei der Vorteil eine Überhitzung der Ränder zu verhindern, erhalten bleiben soll.

Die Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beschriebenen Merk­ male gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch die Ausbildung des Querschnitts der einzelnen Mikrowel­ leneinspeisekanalöffnungen hinsichtlich ihrer Geometrie, ange­ paßt an die geometrische Form der Oberfläche der Packung bzw. des Behälters, z.B. bei einer runden Packung auch runde Aus­ trittsquerschnitte der Einspeisekanäle, wird eine sehr effek­ tive und wirtschaftliche Energieeinleitung mit sehr geringen Abstrahlungsverlusten erreicht. Außerdem wird eine gleichmäs­ sige Erwärmung von den Rändern zur Produktmitte wesentlich be­ günstigt.

Eine weitere Verbesserung hinsichtlich einer gleichmäßigen und wirtschaftlichen Energieeinleitung in das Produkt, wird durch die Festlegung der jeweiligen Flächenverhältnisse, d.h. der Querschnittsfläche der Austrittsöffnung der Einspeisekanäle zur Produktoberfläche erreicht, wobei die besten Werte er­ reicht werden, wenn das Verhältnis Querschnittsfläche Mikro­ wellenaustrittsöffnung zur Produktoberfläche von 1 : 4 einge­ halten wird.

Wird ein Abstand von der Austrittsöffnung zur Produktoberflä­ che von gleich oder kleiner einer Wellenlänge (z.B. weniger als 12 cm bei einer 12 cm Welle (2450 GHz) eingehalten, er­ höht sich die Energieeinleitung nochmals, wobei insbesondere eine sehr gleichmäßige Temperaturverteilung über die Produkt­ fläche, d.h. von der Mitte zu den Rändern erreicht wird.

Die geometrisch ähnlichen Austrittsquerschnittsformen

• a) des Querschnitts der Mikrowellenaustrittsöffnung und
• b) der Produktoberfläche bzw. der Behälter- oder Ver­ packungsoberfläche

sind besonders vorteilhaft, weil durch diese Maßnahme die Ab­ strahlung bzw. die über die Ränder des Produktes hinweggehende Strahlen der eingespeisten Mikrowellenenergie verringert wird, so daß die Randbezirke der Packung weniger energiebeaufschlagt werden, wodurch die schädliche Ränderüberhitzung vermieden wird. Die nicht direkt in das Produkt eingespeiste Energie verbleibt in der Behandlungskammer als diffus verteilte Energie geringer Dichte.

Wird beispielsweise mit einem runden Querschnitt der Mikrowel­ lenaustrittsöffnung gearbeitet und es soll eine rechteckige Verpackung beaufschlagt werden, ist der Anteil der direkten kontrollierbaren Energieeinstrahlung geringer, so daß ein un­ gleichmäßiges Temperaturfeld im Produkt entsteht.

Durch die Anordnung von Verschiebehülsen auf die Enden der Einspeisekanäle wird in vorteilhafter Weise eine einfache Ver­ stellmöglichkeit des Abstandes von der Austrittsöffnung zur Produktoberfläche erreicht.

Die Verschiebung der Hülse kann bei runden Einspeisekanälen durch das Anbringen eines Gewindes auf dem Einspeisekanal, welches mit einem Innengewinde der Hülse zusammenwirkt, verwirklicht werden.

Bei rechteckigen Einspeisekanälen kann die Verschiebehülse z.B. durch Zahnstangentriebe auf dem Einspeisekanal, die mit drehbaren Antriebsritzeln an der Hülse zusammenwirken, ver­ schoben werden, um den Abstand von der Austrittsöffnung zur Produktoberfläche verstellen zu können, wodurch eine erheb­ lich verbesserte, direkte und kontrollierbare Energieeinstrah­ lung in das Produkt begünstigt wird.

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Er­ findung anhand einer Zeichnung erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 einen schematisierten Längsschnitt durch eine Mikrowellenanlage.

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Enden der Ein­ speisekanäle.

Fig. 3 bis 5 Temperaturverteilungsdarstellungen bei un­ terschiedlichen Abständen.

Durch die Behandlungskammer 1 wird ein endloses Transportband 2 geführt und um die Umlenkrollen 3 und 4 umgelenkt. An der Umlenkrolle 4 ist ein schematisiert dargestellter Antrieb 5 angeschlossen.

In die Behandlungskammer münden obere Mikrowelleneinspeiseka­ näle 6 und untere Mikrowelleneinspeisekanäle 7 ein, an die je­ weils obere Generatoren bzw. Magnetrone 8 bzw. untere 9 für die Erzeugung der Mikrowellenenergie angeschlossen sind.

Die oberen Magnetrone 8 sind mittels der Leitungen 10 und die unteren Magnetrone 9 mittels der Leitungen 11 an ein computer­ gesteuertes Regelgerät 12 angeschlossen.

Der Antrieb 5 ist durch eine Leitung 13 mit dem Regelgerät verbunden, um evtl. auch einen taktweisen Betrieb des Trans­ portbandes 2 zu ermöglichen.

Auf dem Transportband 2 sind zwecks Durchführung eines takt­ weisen Betriebes der Anlage Markierungsleisten 14 in regel­ mäßigen Abständen angebracht. Anstelle der Markierungsleisten können auch farbliche, durch eine Fotozelle erkennbare Mar­ kierungen oder für Näherungsschalter erkennbare Metallteile vorhanden sein.

Zwecks Abtastung der Markierungen bzw. -leisten wird bei die­ sem Ausführungsbeispiel eine Fotozelle 15 vorgesehen, die mittels der Leitung 16 mit dem Regelgerät 12 verbunden ist.

Anhand eines praktischen Beispiels wird nachfolgend die Funk­ tionsweise der Mikrowellenanlage erläutert.

In die Lebensmittelverpackung aus z.B. einer tiefgezogenen und versiegelten Kunststoffolie wird ein vorgefertigtes Lasagne-Gericht eingegeben, das einem Pasteurisiervorgang unterworfen werden soll, um Keime abzutöten zwecks Verlänge­ rung der Verbrauchszeit bzw. der Haltbarkeit.

Die Packungen haben folgende Abmessungen (Fig. 3):

Länge:190 mm Breite:140 mm Höhe: 28 mm Gewicht:400 g

Nachfolgend wird ein Beispiel beschrieben, welches unter Zur­ hilfenahme einer taktweisen Beaufschlagung mit Mikrowellenen­ ergie durchgeführt wurde. Die taktweise Energiebeaufschlagung ist jedoch für die gleichmäßige Erwärmung des Produktes über die gesamte Produktfläche nicht von Bedeutung.

Um die für einen Pasteurisiervorgang erwünschte Produkttempe­ ratur von 80°C eine Minute lang aufrecht zu erhalten, wird ein Leistungsbedarf von 2,4 kW pro Packung für die Durchlauf­ zeit errechnet, wobei von einer Produkteingangstemperatur von 20°C ausgegangen wird.

Das Regelgerät wird folgendermaßen eingestellt:

• a) Alle oberen Magnetrons 8 und unteren Magnetrons 9 werden auf eine Leistungsabgabe von je 1,2 Wh programmiert, so daß von unten und von oben je­ weils durch die Einspeisekanäle 6 und 7 zusammen eine Mikrowellenleistung von 2,4 KW auf jede Lasagne-Packung 1 Minute lang einwirkt.
• b) Es sind sieben obere und sieben untere Einspeise­ kanäle 6 und 7 vorhanden. Die Gesamtbeaufschla­ gungszeit von einer Minute wird aufgeteilt auf 8,5 Sekunden pro oberer und unterer Einspeise­ öffnung, d.h. die Verweilzeit des Transportban­ des mit der Lasagne-Packung im Mittelpunkt 18 der Energieeinspeiseöffnung 6 und 7, beträgt je­ weils 8,5 Sekunden.

Es wird somit eine Gesamtenergiebeaufschla­ gungszeit von 7×8,5 Sekunden 1 Minute bei konstanter Mikrowellenleistungsabgabe von 2,4 kW verwirklicht, und zwar jeweils mit der vollen erforderlichen Leistung von 2,4 kW pro Packung.

Entsprechend der rechteckigen Packungsoberfläche von 190× 140 mm wird ein rechteckiger Mikrowelleneinspeisekanalquer­ schnitt von 43×86 mm eingesetzt. Beide Austrittsquer­ schnittsformen beziehen sich somit auf geometrisch etwa ähn­ liche Rechtecke.

Die Querschnittsfläche der Austrittsöffnung des Mikrowelleneinspeisekanals bei Abmessungen von 43 mm × 86 mm beträgt 3 700 mm².

Die Packungsoberfläche von 190×140 mm beträgt 26 600 mm².

Es ergibt sich somit ein Verhältnis der beiden Flächen von rund 1 : 7.

Der Abstand (D) von der Austrittsöffnung zur Produktoberfläche beträgt 50 mm (D=50 mm).

Zur Anwendung gelangte eine Mikrowellenanlage, die mit einer Wellenlänge von 12 cm bzw. 120 mm arbeitet (Frequenz von 2450 GHz).

Die Temperaturverteilung in der Verpackung wird in Fig. 3 wie­ dergegeben.

Aus Fig. 3 wird ersichtlich, daß die Temperaturdifferenz in der Packung, insbesondere hinsichtlich der Randbereiche nur gering ist, so daß ein Verbrennen der Randbereiche vermieden wird. Es wird eine sehr gleichmäßige Keimabtötung über die gesamte Fläche festgestellt.

Bei einem in Fig. 4 dargestellten Vergleichsversuch mit 20 mm (D=20 mm) Abstand zwischen der Mikrowellenkanalaustrittsöff­ nung von 43×86 mm und der Produktoberfläche von 190×140 mm werden Werte ermittelt mit einer Verteilung über die Produkt­ fläche, wie angegeben.

Die Temperatur im Produktmittelpunkt ist mehr als 25% höher als an den Rändern.

Ein derartiges Temperaturprofil ist hinnehmbar, weil sich eine Temperaturvergleichmäßigung einstellt durch ein Wandern der Innentemperatur nach außen.

Bei dem in Fig. 5 gezeigten Beispiels mit gleichem Austritts­ querschnitt und Packungsgröße, wie in Fig. 3 und 4, betrug der Abstand Einspeiseöffnung - Produktoberfläche 180 mm (D=180 mm), also mehr als die Wellenlänge von 120 mm.

Das Temperaturprofil zeigt deutlich, daß die Ränder fast dop­ pelt so hoch erhitzt wurden als der Mittelpunkt.

Wird ein Pasteurisiervorgang unter Beibehaltung eines Abstan­ des von 180 mm durchgeführt, mit dem Zweck im Produktmittel­ punkt die Pasteurisiertemperatur von 80°C zu erreichen, erge­ ben sich Randtemperaturen von etwa 120°C und höher, die ein Entflammen des Produktes nach sich ziehen bzw. ein Aufplatzen der Packungen durch den Dampfdruck verursachen.

• Bezugszeichenliste:  1 = Behandlungskammer
   2 = Transportband
   3 = Umlenkrollen
   4 = Umlenkrollen
   5 = Antrieb
   6 = obere Einspeisekanäle
   7 = untere Einspeisekanäle
   8 = Magnetron, obere
   9 = Magnetron, untere
  10 = Leitung, oben
  11 = Leitung, unten
  12 = Regelgerät
  13 = Leitung, Antrieb
  14 = Markierungsleisten auf Transportband
  15 = Fotozelle
  16 = Leitung
  17 = Lebensmittelbehälter
  18 = Fokussierungspunkt (Mittelpunkt)
  20 = Kanalende
  21 = Hülsen
  22 = Gewinde

Claims (5)

1. Vorrichtung zum gleichmäßigen und schnellen Er­ wärmen, Pasteurisieren oder Sterilisieren von Lebensmitteln,
die durch eine längliche Mikrowellenbehandlungs­ kammer (1) auf einem endlosen Transportband (2) geführt werden, und
die sich in Behältern (17) oder in abgeschlos­ senen, Mikrowellen durchlässigen Verpackungen befinden,
mit in die Behandlungskammer (1) geführten Mikro­ welleneinspeisekanälen (10, 11), an die ein oder mehrere Mikrowellengeneratoren (8, 9) angeschlos­ sen sind,
mit einem von einem Mikroprozessor gesteuerten Regelgerät (12) für die Generatoren (8, 9),
und mit einer mit dem Regelgerät (12) verbundenen Abtasteinrichtung (15), dadurch gekennzeichnet,
daß die Austrittsquerschnittsform bzw. die Aus­ trittsquerschnittsfläche der von oben und/oder unten in die Behandlungskammer ragenden Mikro­ welleneinspeisekanäle (6, 7) geometrisch etwa entsprechend der zu behandelnden Lebensmittel­ oberflächenform ausgebildet ist,
daß der Abstand (D) von der Austrittsöffnung zur Oberfläche des zu behandelnden Lebensmit­ tels gleich oder kleiner einer Wellenlänge der eingesetzten Mikrowellenenergie ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsquerschnittsfläche der Mikro­ welleneinspeisekanäle (6, 7) zur Oberfläche des zu behandelnden Lebensmittels in einem Verhältnis von 1 : 2 bis 1 : 8, vorzugsweise 1 : 4 bis 1 : 6, insbesondere 1 : 4 gewählt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrisch ähnlichen Austrittsquer­ schnittsformen bzw. -flächen der Mikrowellen­ einspeisekanäle und der Behälter oder Verpak­ kungsoberfläche quadratisch, rechteckig oder rund ausgebildet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge 12 cm beträgt, entsprechend der Frequenz f = 2,450 GHz.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den, in die Behandlungskammer (1) ra­ genden Einspeisekanalenden (20) vertikal ver­ schiebbare und arretierbare, den Abstand von der Austrittsöffnung bis zur Produktoberfläche verändernde runde oder rechteckige Hülsen (21) angeordnet sind.