DE3852871T2

DE3852871T2 - Verfahren zum Entfernen der äusseren Schutzhaut von Esswaren mittels Laserenergie.

Info

Publication number: DE3852871T2
Application number: DE3852871T
Authority: DE
Inventors: Anthony A Boiarski; Glen R Green; Thomas A Macmurray; William T Mccomis; James R Proffitt
Original assignee: Kraft Heinz Foods Co
Current assignee: Kraft Heinz Foods Co
Priority date: 1987-11-30
Filing date: 1988-11-29
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2008-11-30
Also published as: EP0319240A2; EP0319240B1; DE3852871D1; CA1329720C; EP0319240A3; US4839181A; ES2066791T3

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf die Entfernung natürlich vorkommender äußerer Schutzschichten von eßbaren Materialien, beispielsweise Gemüse oder Obst. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren, bei welchem ein geeignet betriebener Dauerstrichlaser, wie beispielsweise ein Kohlendioxidlaserstrahl, dazu verwendet wird, die Oberflächenschichten von eßbaren Materialien wie Obst oder Gemüse zu verdampfen.
In der Lebensmittelindustrie gibt es eine Vielzahl von Situationen mit einem Verfahrensschritt der Entfernung der dünnen, natürlich vorkommenden äußeren Schutzschicht von einer Vielzahl von Gegenständen. Typischerweise gehört dieser Verfahrensschritt zu einem umfassenderen Verfahren. Ein derartiges Verfahren kann das Konservieren sein, wobei die Lebensmittel zum Zwecke des Transports und des Anbietens über einen längeren Zeitraum aufbewahrt werden können. Ein anderes Verfahren kann als zusätzliche Verfahrensschritte das Schneiden, Kochen oder ähnliches beinhalten.
Es gibt selbstverständlich eine Vielzahl von Lebensmitteln, für welche das vorliegende Verfahren der Entfernung einer dünnen, natürlich vorkommenden äußeren Schutzschicht anwendbar ist. Einige typische Ausführungsbeispiele werden im folgenden genauer beschrieben.

a. Fischverarbeitung

Die fischverarbeitende Industrie hatte in den letzten Jahren aufgrund einer gesteigerten Nachfrage wegen veränderter Diätgewohnheiten, höherer Kosten anderer Lebensmittel und verbesserter Verfahren bei der Verpackung und Konservierung von Lebensmitteln, hohe Zuwachsraten zu verzeichnen. Die Fischindustrie ist daher von einer regionalen Industrie zu einer weltweiten Industrie geworden, bei welcher Fischereischiffe über große Entfernungen von ihren Heimathäfen zu geeigneten Fischgründen fahren. Aus diesem Grund und aus Wettbewerbsgründen ist es notwendig geworden, wirtschaftlichere, automatisierte Verarbeitungs- und Behandlungsverfahren zu entwickeln. Dies gilt insbesondere für die Thunfischindustrie.
Der Thunfisch ist unter den von der fischverpackenden Industrie verarbeiteten Produkten dasjenige mit dem größten Volumen. Die Thunfischindustrie ist sehr wettbewerbsintensiv und verschiedene Verfahrensstufen werden extensiv automatisiert. Das Problem des Häutens, also der Entfernung der natürlich vorkommenden, dünnen äußeren Schutzschicht von dem Fisch, ist ein wesentlicher Faktor bei der Verarbeitung und Verpackung von Thunfisch. Typischerweise wird frischgefangener Thunfisch schnellgefroren (manchmal in Salzsole), während er sich immer noch an Bord des Fischereischiffs befindet. Der gefrorene Thunfisch wird dann an Lagerhäuser oder unmittelbar zu den Verarbeitern geliefert, wobei er sich noch immer in gefrorenem Zustand befindet.
Um den gefrorenen Thunfisch in die Produktion zu nehmen, wird er aus dem Lager genommen, nach Größe klassiert und aufgetaut. Nach dem Auftauen wird der Thunfisch üblicherweise auf ein Förderband gelegt, ausgenommen, von Hand gewaschen, auf Kochroste gelegt und in Dampföfen gekocht. Nach dem Kochen wird der Fisch zur manuellen Weiterbearbeitung gekühlt.
Nach dem Kühlen werden die Köpfe und Schwänze entfernt und die Fischkörper auf Förderbänder gelegt. Die gekochte Haut hat sich zu einer teerartigen Substanz zersetzt und wird manuell mit Messern oder Schabern abgekratzt. Die Fischkörper werden von Hand von den Knochen gezogen und das unerwünschte blutige Fleisch wird ebenfalls abgeschabt. Während des Abschabens geht ein Teil des eßbaren Fleisches mit der Haut und mit dem blutigen Fleisch verloren.
Sodann werden die eßbaren Fleischstücke auf Förderbänder gelegt und zu Dosenabfüllmaschinen transportiert. Jede Dose wird automatisch mit Thunfisch, Wasser und Öl sowie mit Gewürzen gefüllt. Schließlich wird jede Dose versiegelt und mit Hilfe eines "Retortenofens" sterilisiert.
Wie aus der vorgehenden Beschreibung des Thunfischverpackungsverfahrens ersichtlich ist, besteht eine kritische Verfahrensstufe in der stark arbeitsintensiven Entfernung der Haut von den Fischkörpern. Es werden erhebliche Anstrenungen unternommen, um die Fischhaut feucht und elastisch zu halten, um ihre Entfernung durch manuelles Abschaben mit dem Messer zu erleichtern. Dennoch ändert sich die Textur über einen Zeitraum von 10 bis 15 Minuten (oder länger), den der Arbeiter benötigt, um eine Anzahl von Fischen zu reinigen, welche von einem Wagen zu der Reinigungsstation gebracht wurden.
Die Entfernung der Haut ist insbesondere bei Thunfisch problematisch. Es wurde herausgefunden, daß roher Thunfisch, frisch oder gefroren, nicht erfolgreich gehäutet werden kann, ohne gleichzeitig Fetzen des darunterliegenden Thunfischfleisches mit der Haut zu entfernen. Weil das darunterliegenden Thunfischfleisch der kommerziell wichtigste Teil des Thunfisches ist, ist eine Verschwendung aus wirtschaftlichen Gründen unerwünscht.
Das angegebene Verfahren des Häutens von Thunfisch wird somit durchgeführt, nachdem der Thunfisch gekocht wurde. Es wurde herausgefunden, daß sich während des Kochvorgangs eine Gelatineschicht zwischen der Haut und dem darunterliegenden Thunfischfleisch bildet. Somit kann die Haut von dem darunterliegenden Thunfischfleisch abgleiten, wobei die Gelatineschicht wie eine Schmiermittelschicht wirkt. Die tatsächliche Entfernung der Haut muß jedoch noch immer von Hand durchgeführt werden. Es wurden bereits automatische Verfahren zur Entfernung der Haut vorgeschlagen, beispielsweise (a) das Häuten des Fisches mit einer Beizlösung, welche auf die Haut des Fisches aufgebracht wird, um das darauf befindliche Fett zu verseifen und eine teilweise Ablösung der Haut zu bewirken, (b) das selektive Schmelzen oder Erweichen der Haut an der Oberfläche des gefrorenen Fisches, (c) das Kontaktieren der Haut des Fisches mit einer Säure zur Erzeugung einer Denaturierung des Fisches und die nachfolgende Anwendung von Wasserstrahlen zur Entfernung der Haut, und (d) die Anwendung einer wässrigen Dispersion mindestens teilweise hydrolisierter Stärke auf die Haut des Fisches und die nachfolgende Trocknung der Haut zum Zwecke der teilweisen Ablösung bei nachfolgender Entfernung der Haut. Keines dieser Verfahren war jedoch bislang erfolgreich, so daß die Industrie noch immer die manuelle Entfernung der Fischhaut betreibt.
Es wurden auch mechanische Verfahren zum Abschaben oder Bürsten der Haut von dem gekochten Fisch vorgeschlagen. Diese mechanischen Veffahren weisen jedoch ihre eigenen Probleme auf, insbesondere führt ein zu vehementes Schaben zur Entfernung wertvollen eßbaren Fleisches, während ein zu sanftes Schaben nicht die gesamte Haut entfernt. Zweitens ist die Oberfläche des Fisches nicht immer glatt, sondern weist je nach der Vorbehandlung des Fisches Hervorstehungen oder Vertiefungen auf, welche die Entfernung der Haut mit mechanischen Verfahren erschweren oder Verhindern. Die Haut kann von diesen Stellen also nicht mechanisch entfernt werden, sondern muß manuell entfernt werden. Schließlich verunreinigt die haftende, fette Natur der öligen Fischhaut die Klingen von Schabern oder Bürsten mechanischer Vorrichtungen und beeinträchtigt die Wirksamkeit der Reinigung.
Darüberhinaus ist der voluminöse Abfall, der beim Häuten des Fisches entsteht, ein Problem für die fischverarbeitende Industrie. Der Abfall riecht schlecht und ist schwer zu handhaben.
Es ist daher ersichtlich, daß ein Bedürfnis danach besteht, ein Verfahren zur Häutung von Fischen bereitzustellen, welches die oben genannten Nachteile nicht aufweist.

b. Kartoffelzubereitung

Ein anderes komerzielles Verfahren, bei welchem die dünne, natürlich vorkommende, äußere Schutzschicht eines Lebensmittels entfernt werden muß, ist die Kartoffelzubereitung. Nachdem rohe Kartoffeln gewaschen wurden, um verbleibenden Schmutz zu entfernen, werden sie häufig zur Durchführung nachfolgender Verfahrensschritte gehäutet. Wenn beispielsweise Kartoffeln als Pommes Frittes, Julienne-Streifen, Kartoffelchips oder ähnliches zubereitet werden, muß üblicherweise der vorbereitende Verfahrensschritt des Häutens durchgeführt werden.
Bei kommerziell eingesetzten Kartoffelbehandlungsvorrichtungen erfolgt die Entfernung der Kartoffelschale automatisch. Die automatische Behandlung erfolgt aufgrund der großen Mengen von Kartoffeln, welche jeweils behandelt werden müssen. Eine typische Kartoffel hat zahlreiche Hervorstehungen und Vertiefungen und andere Irregularitäten in ihrer Oberfläche. Diese Irregularitäten erschweren die wirksame Entfernung der Schale. Es ist daher wenig überraschend, daß ein erheblicher Teil des Kartoffelfleisches unterhalb der Schale beim kommerziellen Schälen von Kartoffeln verlorengeht.
Das kommerzielle Schälen von Kartoffeln kann mit einer Vielzahl verschiedener Verfahren erfolgen. Bei einem vielfach verwendeten Verfahren wird die Schale kontinuierlich abgeschabt, wobei die Erhebungen verschwinden, bis auch die Schale in den Vertiefungen vollständig entfernt wurde. Bei einem anderen Verfahren wird eine Lauge zum Schälen der Kartoffeln verwendet. Weitere Verfahren sind das Flamm- und Dampfschälen, welche beide Hitze in das unter der Schale der Kartoffel liegende Gewebe einführen. Während das Dampfschälen bereits kommerziell verwendet wird, kam das Flammschälen nicht über den Laborversuch hinaus. Jedes dieser Verfahren führt dem unter der Schale liegenden Gewebe Schaden zu. Dieser Schaden führt zu einer verringerten Ausbeute bei dem fertigen Kartoffelprodukt.
Die Erfahrung mit kommerziellen Kartoffelschälverfahren lehrt, daß sich die Ausbeuteverluste aufgrund des Häutens oder Schälens zwischen 6 und 25 % des Kartoffelgewichts belaufen. Kommerziell betrachtet ergibt sich demzufolge eine entsprechende Umsatzeinbuße.
Es besteht also ein Bedürfnis nach einem Verfabren, welches diese Ausbeuteverluste reduziert.

c. Tomatenschälen

Ein weiteres kommerziell eingesetztes Verfahren, bei welchem die dünne, natürlich vorkommende äußere Schutzschicht von Lebensmitteln entfernt wird, ist die Tomatenverarbeitung. Beispielsweise wird zur Zubereitung von Tomatenketchup, Tomatenmark, Tomatenpürree und Dosentomaten, das rohe Gemüse geschält, bevor es weiterverarbeitet wird.
Es ist relativ schwierig, die Tomatenschale zu entfernen. Während der Entfernung der Schale hat das darunterliegende Fruchtfleisch außerdem die Tendenz, an der Schale haften zu bleiben und sich in einer irregulären und unvorhersehbaren Weise mit der Schale abzulösen. Es ergeben sich daher Materialverluste, die etwa denen bei den oben angesprochenen Kartoffeln entsprechen.
Bekanntlich befindet sich unter der Haut der Tomate ein Fruchtfleischbereich, der einen Mittenbereich mit Samen umgibt. Dieser Mittenbereich hat im allgemeinen einen höheren Flüssigkeitsgehalt als der Fruchtfleischbereich. Bei der Herstellung von Tomatenketchup und Tomatenmark im kommerziellen Maßstab führt daher ein Verlust von Teilen des Fruchtfleischbereichs zusammen mit der Haut zu Verarbeitungsschwierigkeiten, weil der Mittelbereich der Tomate zu einem höherem Wassergehalt des Endprodukts führt, der entsprechend reduziert werden muß, um die gewünschte Konsistenz zu erhalten.
Es ist daher ersichtlich, daß auch bei Tomaten ein Bedürfnis nach einem Verfahren besteht, welches die Entfernung des äußeren Fruchtfleisches mit der Haut vermindert.

d. Stand der Technik

Bei allgemeinen mechanischen Verfahren kann das Abschaben eines Materials von der Oberfläche eines anderen auf verschiedene Weise ausgeführt werden. Eine vor kurzem vorgestellte Methode beinhaltet die Verwendung eines kontinuierlichen Kohlendioxidlaserstrahls, der von einer vielfach facettierten Umfangsoberfläche einer rotierenden Scheibe reflektiert wird, während der Lichtstrahl auf die Oberfläche des abzuschabenden Objekts fokussiert wird. Die vielfach facettierte Umfangsoberfläche der Scheibe führt, zusammen mit der Rotation dieser Scheibe, zur Oszillation des fokussierten Laserlichts von Seite zu Seite, so daß der Lichtstrahl scheinbar eine große Breite aufweist. Wenn eine bemalte Metalloberfläche den Lichtstrahl durchkreuzt, wird die Farbe von der Oberfläche entfernt, ohne daß das darunterliegende Metall beschädigt wird. Eine solche Laservorrichtung wurde zur Verwendung mit Lebensmitteln für ungeeignet gehalten, da bei Lebensmitteln die Zusammensetzung kontinuierlich variiert und nicht der Situation entspricht, bei der ein Material, beispielsweise Farbe, von einem zweiten, verschiedenen Material, beispielsweise Metall, entfernt wird.
Es ist ebenfalls bekannt, einen Laserstrahl zum Knacken einer harten Nußschale in zwei Bereiche, welche anschließend zur Freisetzung der inneren Nuß entfernt werden können, zu verwenden. Ein derartiges System ist Gegenstand der US 4,358,467 von Patel vom 9. November 1982.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Entfernen einer dünnen, natürlich vorkommenden äußeren Schicht, wie der Schale bzw. Außenhaut von Gemüse, Obst, Fisch oder anderem eßbaren Material unter Verwendung eines fokussierten, kontinuierlichen Laserstrahls, wobei das eßbare Material in einer ersten Richtung bei einer ersten bestimmten Geschwindigkeit durch einen Schalenentfernungsbereich geführt wird, um die äußere Schutzschicht ablativ von dem eßbaren Material zu entfernen, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die der Laserquelle gegenüberstehende Oberfläche der äußeren Schutzschicht dem kontinuierlichen Laserstrahl ausgesetzt ist, während das eßbare Material körperlich durch den Schalenentfernungsbereich bewegt wird.
Die ablative Entfernung der Schale umfaßt, daß das eßbare Material einem fokussierten, kontinuierlichen Laserstrahl ausgesetzt wird, während es sich durch den Schalenentfernungsbereich bewegt. Der fokussierte Laserstrahl überstreicht das eßbare Material im Schalenentfernungsbereich sehr schnell. Die Bewegungsrichtung des Laserstrahls ist im wesentlichen senkrecht zur ersten Richtung. Darüberhinaus überstreicht der Laserstrahl das eßbare Material mit einer zweiten, vorbestimmten Geschwindigkeit, welche mit der ersten vorbestimmten Geschwindigkeit derart zusammenhängt, daß das eßbare Material sich während jedes Überstreichvorgangs durch den Laserstrahl nicht über eine größere Entfernung bewegt als der Breite des fokussierten Laserstrahls entspricht. Ein Luftstrom durchströmt den Schalenentfernungsbereich, um die Rauchwolke und die aus der Verdampfung der Haut entstandenen gasförmigen Produkte aus diesem Bereich zu entfernen. Der Laserstrahl ist so fokussiert, daß die Fokustiefe den Höhenbereich umfaßt, in welchem die Haut von dem eßbaren Material zu entfernen ist.
Auf Wunsch können die seitlichen Begrenzungen der Überstreichbreite des Laserstrahls so gewählt werden, daß sie mindestens gleich der maximalen Breite des eßbaren Materials sind, wodurch eine ganze Seite des eßbaren Materials bei einem einzigen Durchgang geschält bzw. enthäutet werden kann. Alternativ hierzu kann es hinsichtlich des Energieverbrauchs wirksamer sein, die seitlichen Grenzen des Überstreichvorgangs des Laserstrahls zusammenzuschieben, beispielsweise auf 1 Inch. In diesem Fall muß das eßbare Material mehrere Male durch den Schalenentfernungsbereich geführt werden, wobei im wesentlichen parallele Hautstreifen entfernt werden. In jedem Fall kann das eßbare Material zur Entfernung der Haut von seiner anderen Seite einfach umgedreht werden. Ein mehrmaliger Durchgang des eßbaren Materials durch den Schalenentfernungsbereich kann auch vermindert oder vollständig beseitigt werden, indem zwei oder mehr Schalenentfernungsbereiche vorgesehen werden, welche jeweils mit einem überstreichenden Laserstrahl ausgerüstet und so positioniert sind, daß sie sich bei Betrachtung in der Bewegungsrichtung des eßbaren Materials geringfügig gegenseitig überlappen.
Das erfindungsgemäße Schalenentfernungsverfahren kann unabhängig davon eingesetzt werden, ob das eßbare Material frisch, gefroren, aufgetaut oder gekocht ist. Die Energiedichte des Laserstrahls muß jedoch dem Zustand des eßbaren Materials angepaßt werden.
Vorzugsweise wird ein kontinuierlicher Kohlendioxidlaser (Dauerstrichlaser) als Quelle für den Laserstrahl verwendet. Der kontinuierliche Charakter ist erwünscht, weil der Laserstrahl auf diese Weise nicht intermittiert. Ein Kohlendioxidlaser wird bevorzugt verwendet, weil die Wellenlänge kohärenten Lichts des Laserstrahls von Wasser absorbiert wird. Weil Wasser ein erheblicher Bestandteil von Lebensmitteln ist, wechselwirkt der Kohlendioxidlaser mit dem zu schälenden Produkt auf selbstbegrenzende Weise. Darüberhinaus ist der Kohlendioxidlaser hinsichtlich der Kapitalkosten pro Kilowatt der wirtschaftlichste Laser.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Viele Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann ersichtlich, wenn er die folgende Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen liest, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Enthäutungsvorrichtung zur Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung der Art und Weise, in welcher der Laserstrahl fokussiert ist;
Fig. 3 eine vergrößerte Detaildarstellung eines Teils des Rasterrades der Vorrichtung gemäß Figur 1;
Fig. 4 ein Diagramm, welches den repräsentativen Wirkungsgrad der Schalenentfernung für verschiedene Laserenergiedichten und verschiedene Typen eßbaren Materials illustriert.;
Fig. 5 eine Darstellung einer anderen Ausführungsform, bei welcher die Schale gleichzeitig vom gesamten Umfang des eßbaren Materials entfernt wird; und
Fig. 6 eine Ansicht entlang der Linie 6 - 6 aus Figur 5 in verkleinerter Darstellung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Die vorliegende Erfindung verwendet ein hochintensives Energieübertragungssystem, wie einen fokussierten Laserstrahl, zur ablativen Entfernung der Haut bzw. Schale von einem eßbaren Material wie einer Fischkarkasse, einer Kartoffel, einer Tomate, Obst, Gemüse oder ähnlichem. Der fokussierte Laserstrahl verdampft die Haut des eßbaren Materials ohne das darunterliegende Fleisch aufzuheizen. Aus Gründen der einfacheren Darstellung wird das Verfahren im folgenden am Beispiel der Entfernung der Haut von Fischkarkassen beschrieben.
Während das erfindungsgemäße Verfahren erwartungsgemäß mit verschiedenen Apparaturen durchgeführt werden kann, wird eine geeignete Vorrichtung, welche sich besonders eignet, im folgenden beschrieben. Ein geeignetes, herkömmliches Förderband (Figur 1) bildet eine Trägerfläche für das eßbare Material. Das Förderband 10 kann das eßbare Material in einer ersten, vorbestimmten Richtung transportieren, was durch den mit der Bezugszahl 12 gekennzeichneten Pfeil dargestellt ist, wobei ein Schalenentfernungsbereich durchlaufen wird, der durch einen Doppelpfeil dargestellt ist.
Das Förderband 10 weist eine obere Oberfläche 16 auf, welche aus einem geeigneten, herkömmlichen, gut zu reinigenden Material bestehen oder damit beschichtet sein kann und welche sich darüberhinaus für das zu schälende bzw. zu enthäutende Material, im vorliegenden Fall Thunfisch, eignet.
Als Energiequelle wird ein kontinuierlicher Kohlendioxidlaser 20 bevorzugt, welcher einen Laserstrahl 22 erzeugen kann, der auf eine hohe Leistungsdichte PD fokussierbar ist, wobei die Leistungsdichte die Ausgangsenergie des Lasers dividiert durch den Querschnitt des fokussierten Strahls bedeutet. Beispielsweise kann mit einem 2,5 kw Kohlendioxidlaserstrahl eine Leistungsdichte von 79,6 kw/cm² bei einer Wellenlänge von 10,600 nm und einem Punktdurchmesser von 0,2 cm erzielt werden.
Ein kontinuierlich arbeitender Laser ist gegenüber einem intermittierenden Laser bevorzugt, weil der Laserstrahl 22 über den Schalenentfernungsbereich 14 oszilliert. Bei einem intermittierenden Laserstrahl führen alternierende Perioden von Energiepulsen zu einem zusätzlichen Komplexitätsgrad, weil die Vorrichtung mit den Energiepulsen synchronisiert werden muß, um sicherzustellen, daß jeder Laserpuls den Wirkungsbereich des vorangehenden Laserpulses auf dei zu entfernenden Hautoberfläche überlappt. Bei kontinuierlich arbeitenden Lasern besteht diese Anforderung nicht. Demzufolge kann auch die Geschwindigkeit des Förderbandes 10, mit welcher das eßbare Material durch den Schalenentfernungsbereich 14 geführt wird, bei einem kontinuierlich arbeitenden Laser entsprechend erhöht werden.
Gegenwärtig wird der Kohlendioxidlaser als Laserquelle bevorzugt. Die Wellenlänge des von einem kontinuierlich arbeitenden Kohlendioxidlaser 20 erzeugten Laserstrahls 22 wird von Wasser stark absorbiert. Weil die Vorrichtung dazu verwendet wird, Haut bzw. Schale von eßbaren Materialien zu entfernen und weil das unter der Haut liegende Fleisch einen erheblichen Wasseranteil aufweist, ist die ablative Wirkung des Laserstrahls 22 auf der Haut durch das eßbare Material aufgrund der Absorptionseigenschaften des Wassers gegenüber der Wellenlänge des Laserstrahls 22 selbstbegrenzt.
Von den gegenwärtig erhältlichen Lasern ist der Kohlendioxidlaser hinsichtlich seiner Kapitalkosten pro Kilowatt der wirtschaftlichste. Zwar wird der Kohlendioxidlaser gegenwärtig bevorzugt, es können jedoch auch andere Laser aus anderen Gründen verwendet werden. Darüberhinaus können neuartige Laser entwickelt werden, welche für die hier beschriebenen Zwecke noch geeigneter sind.
Die Anforderungen an die Leistungsdichte zum Häuten von Fisch mit dem kontinuierlichen Kohlendioxidlaser 20 werden gegenwärtig auf etwa 90 kw/cm² und höher geschätzt, wenn diese Leistungsdichten erhältlich werden. Die erforderliche Leistungsdichte hängt auch von der Art der zu enthäutenden Fischkarkassen und dem Zustand, in welchem sich diese Karkassen befinden (gekocht, frisch, gefroren oder aufgetaut) ab. Empirisch erhaltene Variationen (a) der Oberflächenentfernungsrate (in cm²/s) pro Kilowatt Laserenergie für (b) verschiedene Leistungsdichten des Laserstrahls 22 in Kilowatt pro Quadratzentimenter für eine bestimmte Fischkarkasse begründen die bevorzugte Leistungsdichte für einen bestimmten Anwendungsfall der Karkassenenthäutung. Die folgenden Tabellen beinhalten einen Vergleich der Leistungsdichte sowie andere Informationen für eine Thunfischart unter verschiedenen Präparationsbedingen (Tabelle 1) und für verschiedene eßbare Materialien (Tabelle 2) Tabelle 1 Entfernungswirkungsgrad als Funktion der Leistungsdichte für gefrorenen, aufgetauten und gekochten Skipjack Thunfisch Zustand Strahlleistung kw Leistungsdichte kw/cm² Durchgangsgeschwindigkeit cm/s Entfernung cm²/s Entfernugswirkungsgrad cm²/s/kw Gefroren Aufgetaut Gekocht Tabelle 2 Entfernungswirkungsgrad als Funktion der Leistungsdichte für Kartoffeln und Tomaten Gegenstand Strahlleistung kw Leistungsdichte kw/cm² Durchgangsgeschwindigkeit cm/s Entfernung cm²/s Entfernungswirkumgsgrad cm²/s/kw Kartoffeln Tomaten
In den Tabellen 1 und 2 beträgt der fokussierte Punktdurchmesser des kontinuierlichen Kohlendioxidlasers 0,2 cm und die Rasterlänge des Strahls 1,8 cm.
Der Laserstrahl 22 von dem kontinuierlichen Kohlendioxidlaser 20 durchläuft eine Fokussierlinse 24, deren Brennweite im wesentlichen der gesamten linearen Distanz entspricht, die von dem Laserstrahl 22 zwischen der Fokussierlinse 24 und der oberen Oberfläche 16 des Förderbandes 10 überstrichen wird. Eine geeignete Linse hat beispielsweise eine Brennweite im Bereich von 18 bis 24 Incb.
Die genaue Distanz von der oberen Oberfläche 16 des Förderbandes 10 zu der Fokussierlinse 24, gemessen entlang des Laserstrahls 22, hängt ab von (a) den oberen und unteren Hervorhebungen der zu entfernenden Hautoberfläche relativ zu der oberen Oberfläche 16 des Förderbandes 10, (b) der Feldtiefe im Brennpunkt des Laserstrahls 22 und (c) der Brennweite der Fokussierlinse (24). Im einzelnen wird die Feldtiefe am Brennpunkt des Laserstrahls 22 so positioniert, daß sowohl die unteren als auch die oberen Erhebungen der zu entfernen Hautoberfläche eingeschlossen werden. Die Brennweite, gemessen von der Mitte der Feldtiefe am Brennpunkt des Laserstrahls 22 positioniert die Fokussierlinse 24.
Im allgemeinen ist die Feldtiefe am Fokus Df (vgl. Figur 2) für jede Linse eine Funktion des Linsendurchmessers, der Wellenlänge des fokussierten Lichtstrahls, der Brennweite der Linse und der Qualität des Lichtstrahls (also des Divergenzbetrags über einen gegebenen Abstand, typischerweise gemessen in Steradian/Meter). Die Feldtiefe am Fokus für eine Linse kann ausgedrückt werden als:
Feldtiefe 8/3x Brennweite der Linse/ursprünglicher Strahldurchmesser
Weil die Fokussierlinse 24 (Figur 1) den Laserstrahl 22 auf einen Brennpunkt mit kleinerem Durchmesser bringt, ist es wünschenswert, diesen Brennpunkt schnell lateral zur Bewegungsrichtung 12 des Förderbandes 10 zu bewegen, so daß der Laserstrahl 22 im wesentlichen eine Linie im Schalenentfernungsbereich 14 bildet, welche im wesentlichen senkrecht auf der Bewegungsrichtung 12 steht. Wenn das schnelle Überstreichen des Brennpunkts so erfolgt, daß das Förderbard 10 sich dabei in der Bewegungsrichtung 12 nicht weiter als der Durchmesser des Brennpunktes bewegt, wirkt der Laserstrahl praktisch als breite Klinge.
Um das schnelle Überstreichen durch den Brennpunkt zu erreichen, wird der Laserstrahl 22 an einer Rastervorrichtung 26 auf den SchalenentEernungsbereich 14 reflektiert. Die Rastervorrichtung 26 umfaßt eine Rasterscheibe mit einer peripheren Oberfläche 30. Die Rasterscheibe 28 kann einen Durchmesier in der Größenordnung von 14 Inch haben und ist auf einer drehbaren Welle 32 gelagert. Geeignete herkömmliche (nicht dargestellte) Lager können zur Befestigung der Welle an eine (nicht dargestellte) Trägervorrichtung verwendet werden, so daß die Rasterscheibe 28 oberhalb der oberen Oberfläche 16 des Förderbandes 10 positioniert ist. Die Weltenachse 32 verläuft etwa parallel zur Bewegungsrichtung 12 des Förderbandes 10, so daß der Brennpunkt die obere Oberfläche 16 des Förderbandes 10 im wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung 12 überstreicht.
Ein geeigneter, herkömmlicher Motor 34 ist am Ende der drehbaren Welle 32 montiert und kann diese Welle drehen und die Rasterscheibe 28 mit einer Winkelgeschwindigkeit von etwa 200 bis 2000 Umdrehungen pro Minute in Bewegung setzen. Die periphere Oberfläche 30 der Rasterscheibe 28 hat eine ganzzahlige Anzahl im wesentlichen ebener refiektierender Oberflächen 36. Während in Figur 1 nur 16 reflektierende Oberflächen 36 dargestellt sind, können sich auch 36 oder mehr identische reflektierende Oberflächen auf der peripheren Oberfläche 30 befinden. Diese reflektierenden Oberflächen 36 können beispielsweise aus einem polierten Metall wie Kupfer hergestellt sein.
Der Rastereffekt, welcher durch die rotierende Rasterscheibe 26 erreicht wird, ist am besten aus Figur 3 ersichtlich. Zwei reflektierende Oberflächen 36', 36" (welche mit den reflektierenden Oberflächen 36 aus Figur 1 identsich sind, wobei also die Apostrophierungen ' und " nur zur verständlicheren Bezeichnung dienen), treffen an einer Kante 40 aufeinander, welche im wesentlichen parallel zur Rotationsachse der Rasterscheibe 26 ist. Jede der reflektierenden Oberflächen 36', 36", ist um einen Winkel δ um die Achse der Rasterscheibe 28 gewinkelt, wobei die Winkel gleich sind und - in Grad - dem Wert 360 geteilt durch die Anzahl der reflektierenden Oberflächen 36 entsprechen.
Ein auftreffender Lichtstrahl 42 von dem kontinuierlichen Kohlendioxidlaser 20 (Figur 1) trifft auf die reflektierende Oberfläche 36' (Figur 3) unter einem Einfallswinkel i, gemessen von der Normalen 44 der reflektierenden Oberfläche 36'. Weil sich die Rasterscheibe 28 bewegt und so der ein fallende Lichtstrahl 42 auf die Kante 40 trifft, ändert sich die Normale 44 der reflektierenden Oberfläche 36' in die in Figur 3 dargestellte Position, wobei zu Zwecken dieser Beschreibung angenommen wird, daß die Rasterscheibe 28 sich im Uhrzeigersinn bewegt. Diese Bewegungsrichtung ist jedoch nicht notwendig. Wenn sich die Rasterscheibe 28 weiterdreht, nachdem der Lichtstrahl auf die Kante 40 aufgetroffen ist, trifft der Lichtstrahl 42 auf die reflektierende Oberfläche 36" mit einem Einfallswinkel i* auf. gemessen relativ zur Normalen 48 der reflektierenden Oberfläche 36".
Aus Betrachtungen der elementaren ebenen Geometrie ist ersichtlich, daß der Winkel zwischen der Normalen 44 auf der reflektierenden Oberfläche 36' und der Normalen 48 auf der reflektierenden Oberfläche 36" gleich dem Winkel δ ist. Aus der elementaren Physik ist es bekannt, daß der Ausfallswinkel gleich dem Einfallswinkel ist. Jedesmal, wenn sich also die Rasterscheibe 28 über eine Kante 40 dreht, wandert das refiektierte Licht von der Richtung 46 mit einem Reflexionswinkel r, gemessen bezüglich der ersten Oberflächennormale 44, zu der Richtung 50 mit einem Reflexionswinkel r*, gemessen bezüglich der zweiten Oberflächennormalen 48. Durch elementare ebene Geometrie und elementare Physik kann gezeigt werden, daß der reflektierte Lichtstrahl seine Richtung um einen Winkdbetrag von 2δ ändert.
Darüberhinaus ist aus dieser Beschreibung erkennbar, daß die Winkeländerung des reflektierten Lichtstrahls, verglichen mit der Rate, mit der sich die zweite Oberflächennormale 48 bei Rotation der Rasterscheibe 28 in die Position 46 bewegt, instantan erfolgt. Aus Figur 1 und der obigen Beschreibung ist ersichtlich, daß der fokussierte Laserstrahl 22 einen Winkel von 2δ mit einem Zentrum auf der Oberfläche der Rasterscheibe 28 überstreicht. Im Ergebnis kann die Länge des Schalenentfernungsbereichs 14 durch vertikales Justieren der Position der Rasterscheibe 28 eingestellt werden. Klassische trigonometrische Beziehungen bestimmen die Wirkung der vertikalen Justierung auf die Länge des Schalenentfernungsbereichs 14. Die Länge des Schalenentfernungsbereichs 14 kann damit so eingestellt werden, daß die gesamte Oberfläche des eßbaren Materials bei einem einzigen Durchgang enthäutet bzw. geschält wird. Alternativ hierzu kann die Länge des Schalenentfernungsbereichs 14 so eingestellt werden, daß im wesentlichen parallele Streifen der Haut bzw. Schale von dem eßbaren Material im Schalenentfernungsbereich 14 entfernt werden. Es ist auch möglich, eine zweite fokussierende Linse 25 zwischen der Rasterscheibe und dem Förderband 10 anzubringen. Die zweite fokussierende Linse trägt dazu bei, den Laserstrahl weiter zu konzentrieren, nachdem er an dem Umfang der Rasterscheibe reflektiert wurde.
Aus Figur 1 ist ersichtlich, daß der Abstand der Fokussierlinse 24 von dem Reflexionspunkt auf dem Umfang der Rasterscheibe 28 und der Abstand der zweiten Linse 25, falls eine solche eingesetzt wird, die Höhe der Feldtiefe des Brennpunkts des Laserstrahls 22 bezüglich der oberen Oberfläche des Förderbandes 10 bestimmen. Eine Justierung der Fokussierlinsen 24 und 25 entlang der Achse des Laserstrahls kann somit zur Einstellung des Ortes der zu schälenden Oberfläche erfolgen.
Wenn die Haut bzw. Schale von dem eßbaren Material ablativ entfernt wird, bildet sich im Bereich des Schalenentfernungsbereichs 14 eine gasförmige Wolke. Diese gasförmige Wolke kann mit der Wirkung des kontinuierlichen Kohlendioxidlasers 20 interferieren, falls sie nicht entfernt wird. Die gasförmige Wolke kann durch einen Luftstrom, der den Schalenentfernungsbereich 14 durchströmt, entfernt werden. Zu diesem Zweck kann eine Sammelröhre 52 bei dem Förderband 10 in lateraler Ausrichtung auf den Schalenentfernungsbereich 14 angeordnet werden. Zusätzlich kann die Sammelröhre 52 so zentriert werden, daß sie auf die Mitte der Fokustiefe des Laserstrahls ausgerichtet ist. Eine geeignete herkömmliche Saugpumpe oder ein Gebläse 54 können an die Sammelröhre 52 angeschlossen werden. Wenn die Saugpumpe 54 in Betrieb ist, saugt sie Luft durch die Sammelröhre 52. Die Pumpe 54 ist so bemessen, daß ein genügend großer volumetrischer Luftfluß erzeugt wird, so daß die gasförmige Wolke mit ausreichender Geschwindigkeit in die Sammelröhre 52 eingesaugt wird, also nicht mehr mit dem Betrieb des Laserstrahls interferieren kann.
Die Vorrichtung kann selbstverständlich in einer Vielzahl von Modifikationen ausgeführt werden. Beispielsweise ist es möglich, Optiken zu verwenden, um den Laserstrahl von einer Zylinderform auf eine im wesentlichen ebene Form zu bringen, wozu eine Zylinderlinse oder ein zweidimensionaler Parabolspiegel zur Fokussierung des Laserstrahls in einer Richtung verwendet wird. Ein deraitiges optisches System könnte anstelle einer oder der beiden Fokussierlinssen 24, 25 und der Rasterscheibe 26 verwendet werden.
Während die Apparatur in Verbindung mit einer Sammelrö[ire unter Verwendung einer Saugpumpe beschrieben wurde, kann auch eine Druckpumpe oder ein Druckgebläse eingesetzt werden, welches einen Luftstrom erzeugt, der den Schalenentfernungsbereich 14 kontinuierlich reinigt. Zu diesem Zweck ist es auch möglich, sowohl eine Pumpe oder ein Gebläse zur Erzeugung eines Luftstroms als auch eine Sauganordnung zum Aufsaugen dieses Luftstroms zu verwenden. Sollte festgestellt werden, daß die gasförmigen Produkte des ablativen Schalenentlernungsverfahrens giftig oder schädlich sind, können die Auslaßgase aus der Saugpumpe oder dem Gebläse 54 auch weiterverarbeitet werden um die schädlichen oder giftigen Komponenten zu entfernen.
Aus der vorangehenden Beschreibung einer möglichen Vorrichtung ist ersichtlich, daß die Länge des Schalenentfernungsbereichs 14 in Querrichtung zur Bewegungsrichtung des Förderbandes 10 größer sein kann als die maximale Breite des zu schälenden eßbaren Materials. In diesem Fall würde eine Seite des eßbaren Materials während eines Durchgangs durch den Schalenentfernungsbereich geschält bzw. enthäutet.
Wenn auf der anderen Seite die maximale Breite des zu schälenden bzw. zu enthäutenden eßbaren Materials die Länge des Schalenentfernungsbereichs 14 übersteigt, entfernt die beschriebene Vorrichtung einen Hautstreifen von dem eßbaren Material. Zur Entfernung verbleibender Haut von dem eßbaren Material kann dieses ein oder mehrere weitere Male durch den Schalenentfernungsbereich 14 geführt werden, wobei das Material bei aufeinanderfolgenden Durchgängen so auf der oberen Oberfläche des Förderbandes positioniert wird, daß ein Teil des Materials, der vorher nicht enthäutet bzw. geschält wurde, in Längsausrichtung zum Schalenentfernungsbereich 14 orientiert ist.
Alternativ hierzu können zusätzliche Schalenentfernungsbereiche vorgesehen werden. In diesem Fall sind die zusätzlichen Schalenentfernungsbereiche vorzugsweise so angeordnet, daß die von ihnen entfernten Hautstreifen sich an die von dem ersten Schalenentfernungsbereich 14 entfernten Hautstreifen unmittelbar anschließen oder mit diesen überlappen.
Zur Entfernung der Haut von der zweiten Seite des eßbaren Materials kann dieses umgedreht und erneut durch den Schalenentfernungsbereich 14 geführt werden.
Während bei der vorangehenden Beschreibung der Vorrichtung aus Einfachheitsgründen angenommen wurde, daß die eßbaren Materialien sich horizontal bewegen, ist es ebenso möglich, daß das eßbare Material den Schalenentfernungsbereich vertikal durchläuft. In diesem Fall kann die Haut oder Schale vollständig entlang des Umfangs des eßbaren Materials während eines einzigen Durchgangs durch die Vorrichtung entfernt werden.
Es ist auch möglich ein Paar im wesentlichen horizontaler Förderbänder 60, 62 (vgl. Figur 5) mit einem geringen Abstand 64 zwischeneinander vorzusehen, wobei zwei oder mehr Laserstrahlen gleichzeitig auf verschiedene Seiten des zu häutenden bzw. zu schälenden Artikels fokussiert werden. Bei dieser Ausfübrungsform ist es auch möglich, eine ringförmige Rohrverteilung 66 in dem Raum zwischen den horizontalen Förderbändern anzuordnen, um einen Strahl komprimierter Luft auf das eßbare Material 68 zu richten, um die gasförmigen Produkte aus dem Wirkungsbereich der Laserstrahlen zu entfernen.
Wie am besten aus Figur 6 ersichtlich ist, kann die zur Entfernung der Haut bzw. Schale von dem eßbaren Material 68 verwendete Laserenergie durch drei Laser 70, 70' und 70" bereitgestellt werden. Diese Laserenergiequellen sind mit denen im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschriebenen vergleichbar. Jeder Laser erzeugt einen auf das eßbare Material 68 gerichteten Laserstrahl. Wenn die Laser alle in im wesentlichen paralleler Anordnung gemäß Figur 6 zueinander stehen, können herkömmliche Reflexionsspiegel 72 und 72" für die entsprechenden Laserenergiequellen 70 und 70" vorgesehen sein, so daß drei Laserstrahlen auf die Oberfläche des eßbaren Materials 68 in Winkeln zueinander etwa 120º auftreffen. Jeder Laserstahl trifft auch auf einen geeigneten Laserenergieabsorber 74, 74' und 74" auf, nachdem das eßbare Material 68 die Strahlen durchlaufen hat. Bei dieser Anordnung ist die Wahrscheinlichkeit gering, daß unerwünschte Laserenergie in die Umgebung entweichen kann.
Die mehreren Strahlen können auch durch Strahlteilung oder, wie dargestellt, durch Verwendung einer Vielzahl von Laserenergiequellen erzielt werden. In jedem Fall ist es möglich, die Haut vollständig entlang des Umfangs des eßbaren Materials bei einem einzelnen Durchgang zu entfernen.
In der obenstehenden Beschreibung wurde die für den Schäl- bzw. Enthäutungsvorgang geeignete Apparatur beschrieben und im folgenden wird das Verfahren in Verbindung mit diesem Apparat beschrieben.
Vor Durchführung des Verfahrens benötigt man ein empirisch ermitteltes Diagramm des Schalenentfernungswirkungsgrads in Abhängigkeit der Leistungsdichte des Kohlendioxidlasers für (a) die Art der zu schälenden bzw. zu enthäutenden eßbaren Materialien und (b) eßbare Materialien in verschiedenen Zuständen, beispielsweise frisch, gefroren, aufgetaut oder gekocht. Der Wirkungsgrad der Schalenentfernung kann als Oberflächenentfernungsrate pro Kilowatt Laserenergie dargestellt werden, also cm²/s/kw. Die Leistungsdichte PD wird in Kilowatt pro Einheitsquerschnittsfläche des fokussierten Laserstrahls ausgedrückt, also in kw/cm². Ein typisches, empirisch ermitteltes Diagramm des Wirkungsgrades der Schalenentfernung für Laserleistungsdichten ist in Figur 4 für gekochten Thunfisch 60 und gefrorenen Thunfisch 62 dargestellt.
Im allgemeinen ist es wünschenswert, den höchst möglichen Wirkungsgrad der Schalenentfernung zu erreichen. Der höchstmögliche Wirkungsgrad kann jedoch durch die maximal verfügbare Leistung des verwendeten kontinuierlichen Kohlendioxidlasers begrenzt sein. Aus diesem empirisch ermittelten Diagramm kann der höchste Wirkungsgrad der Schalenentfernung ermittelt werden. Beispielsweise ist für gefrorene Thunfischkarkassen ein maximaler Wirkungsgrad der Schalenentfernung von etwa 11 cm²/s/kw möglich bei einer Laserleistungsdichte von etwa 67 bis 93 kw/cm².
Für einen gerasterten Laserstrahl ist die oben genannte Leistungsdichte die Brennpunktleistungsdichte, das heißt die Leistungsdichte des fokussierten Strahls am Ort des Brennpunkts. Darüberhinaus gibt es bei einem gerasterten Laserstrahl eine zeitlich gemittelte Leistungsdichte. Die zeitlich gemittelte Leistungsdichte wird aus der Ausgangsleistung des Lasers und der Querschnittsfläche des Überstreichfeldes des gerasterten Strahls bestimmt. Diese Querschnittsfläche entspricht dem Produkt aus der Länge des überstrichenen Bereichs und dem Durchmesser des fokussierten Strahls. Für eine bestimmte Einstellung der Vorrichtung ist der Querschnitt des Laserstrahls bekannt und die zeitgemittelte Leistungsanforderung kann berechnet bzw. eingestellt werden. Die Beziehung zwischen der Punktleistungsdichte und der zeitgemittelten Leistungsdichte hängt ab von der Winkelgeschwindigkeit der Rasterscheibe, der Anzahl der reflektierenden Oberflächen auf dem Umfang der Rasterscheibe und der durch Fokussieren erreichten Konzentration des Laserstrahls. Weil diese Faktoren für eine gegebene Vorrichtung bekannt sind, kann die Beziehung zwischen der Leistung für den kontinuierlichen Kohlendioxidlaser und der zeitgemittelten Leistungsdichte auf einfache Weise bestimmt werden.
Bis hierher wurden die Ergebnisse der Entfernung der Haut bzw. Schale mit der Punktleistungsdichte korreliert, weil die Intensität der Laserenergie, gemessen durch die Punktleistungsdichte, ausreichend ist, um die Entfernung der Haut zu bewirken. Es ist noch nicht vollständig klar, ob die zeitgemittelte Leistungsdichte und die Punktleistungsdichte gleichermaßen bestimmende Parameter bei der Vorhersage des Wirkungsgrads der Hautentfernung sind. Bei bekannter Punktleistungsdichte des Lasers kann jedoch der entsprechende Wirkungsgrad der Hautentfernung aus Korrelationen empirischer Daten ermittelt werden.
Es ist ersichtlich, daß die Korrelationen der empirischen Daten ein Maximum des Wirkungsgrads bei der Hautentfernung anzeigen. Bei Ausführung der Erfindung wird der Laser vorzugsweise so betrieben, daß der Wirkungsgrad der Hautentfernung maximiert wird. Der Laser wird also bei einer Leistung betrieben, welche die Punktleistungsdichte ergibt, die dem maximalen Wirkungsgrad der Schalenentfernung für das zu schälende Produkt entspricht. Falls die Punktleistungsdichte für den maximalen Wirkungsgrad der Schalenentfernung größer ist als die durch den verwendeten Laser in Verbindung mit dem optischen System mögliche Punktleistungsdichte, so wird die maximal unter Verwendung dieses Laser- und seines optischen Systems mögliche Punktleistungsdichte eingesetzt, wobei sich der Wirkungsgrad der Schalenentfernung aus den empirischen Daten ergibt.
Nachdem der Wirkungsgrad der Schalenentfernung in cm²/s/kw und die Punktleistungsdichte des Lasers in kw/cm² bestimmt wurden und weiterhin die fokussierte Punktfläche bekannt ist, kann die benötigte Laserleistung bestimmt werden. Als nächstes kann die Oberflächenentfernungsrate in cm²/s aus der Laserleistung und dem Wirkungsgrad der Schalenentfernung bestimmt werden Bei bekannter Länge des Schalenentfernungsbereichs 14 kann die Geschwindigkeit des eßbaren Materials in cm/s bestimmt werden, bei welcher den Anforderungen an die Punktleistungsdichte und den Wirkungsgrad der Schalenentfernung genügt wird.
Unter Verwendung der voranstehenden Informationen ist die Geschwindigkeit des Förderbandes 10 in der ersten vorbestimmten Richtung bekannt und kann durch geeignete Regelvorrichtungen der Antriebsmotoren des Förderbandes 10 eingestellt werden.
Die zu enthäutenden bzw. zu schälenden eßbaren Materialien werden ebenfalls untersucht, um die maximale und minimale Höhe der Materialoberfläche oberhalb der oberen Oberfläche 14 des Förderbandes 10 zu bestimmten. Sodann wird die Höhe der Rastervorrichtung 26 über der oberen Oberfläche 14 so eingestellt, daß die Länge des Schalenentfernungsbereichs der Breite bei der Bestimmung der wirksamen Querschnittsfläche des Laserstrahls entspricht. Zusätzlich wird die Position der Fokussierlinse 24 so eingestellt, daß die Fläche des zu enthäutenden eßbaren Materials sich innerhalb der Feldtiefe des Brennpunkts des Laserstrahls befindet.
Bei derart justierter Vorrichtungs wird die Saugpumpe 54 gestartet, um einen Luftstrom entlang des Schalenentfernungsbereichs 14 aufzubauen, der Motor 34 wird gestartet, um die Rasterscheibe 28 in Drehung zu versetzen und der kontinuierliche Kohlendioxidlaser 20 wird mit der Leistung aktiviert, welche sich aus der beschriebenen Analyse als ideale Leistung ergab. Daraufhin werden eßbare Materialien auf die obere Oberfläche 16 des Förderbandes 10 gesetzt, auf welher sie in den Schalenentfernungsbereich 14 gefahren werden können. Während sich das eßbare Material durch den Schalenentfernungsbereich 14 bewegt wird die Haut bzw. Schale durch die Wirkung des Laserstrahls ablativ entfernt.
Während die Fischhaut durch den Laser ablativ entfernt wird, wird sie zu einer Rauchwolke verdampft, welche im wesentlichen asche- und rußfrei ist. Die Rauchwolke wird in die Sammelröhre 52 eingesaugt und entsorgt. Die Nebenprodukte des ablativen Entfernens umfassen nach derzeitigem Wissenstand Wasser, Kohlendioxid und Kohle. Es ist möglich, daß verbrannte Proteinmoleküle der Fischhaut während des ablativen Verfahrens zu schädlichen Dämpfen führen. Aus diesem Grund wird der gesammelte Rauch weiterbehandelt, um schädliche Abfallstoffe daraus zu entfernen.
Während des ablativen Entfernens der Haut überstreicht der Laser die Oberfläche des eßbaren Materials sehr schnell. Bei jedem Überstreichen der Fischoberfläche verdampft der Laserstrahl einen Hautstreifen mit einer der Lange des Schalenentfernungsbereichs entsprechenden Länge, gemessen senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Förderbandes 10, und mit einer Breite, welche dem fokussierten Durchmesser des Laserstrahls entspricht. Weil die Bewegungsgeschwindigkeit des Förderbandes wie oben beschrieben eingestellt ist, überlappt jeder Überstreichvorgang des Lasers auf dem eßbaren Material mindestens geringfügig die vorangehend überstrichene Fläche des eßbaren Materials. Im Ergebnis führen die aufeinanderfolgenden Uberstreichvorgänge zu einer vollständigen Entfernung der Haut.
Der Kohlendioxidlaser wird zur Durchführung dieses Verfahrens bevorzugt, weil Fischfleisch und andere eßbaren Materialien einen erheblichen Wasseranteil haben und weil Wasser eine starke Absorption für die Wellenlänge des Kohlendioxidlasers aufweist und üblicherweise ein erheblicher Farbunterschied zwischen der Haut und dem darunterliegenden Fleisch besteht. Diese Faktoren führen zu einer starken Veränderung des Wirkungsgrads zwischen Haut und Fleisch, wodurch der Ablationsprozeß auf natürliche Weise begrenzt wird.
Als Ergebnis der Wechselwirkung zwischen dem Laserstrahl und der Haut des Materials wird die Haut praktisch instantan in eine gasförmige Wilke verdampft. Diese gasförmige Wolke wird aus dem Schalenentfernungsbereich 14 durch einen Luftstrom entfernt, der den Schalenentfernungsbereich mit einer Geschwindigkeit durchquert, die groß genug ist, um die gasförmige Wolke aufzunehmen. Falls nötig können die gasförmigen Produkte nachbehandelt werden, um scliädliche und/oder giftige Komponenten zu entfernen.
Nach dem einmaligen Durchgang durch den Schalenentfernungsbereich kann das eßbare Material umgedreht und ein zweites Mal durch den Schalenentfernungsbereich geführt werden, um die Haut von der zweiten Seite der Karkasse zu entfernen. Eine derartige Prozedur wird eingesetzt wenn die überstreichbreite des Laserstrahls in dem Schalenentfernungsbereich die Breite des eßbaren Materials übersteigt, wie dieses auf der oberen Oberfläche 16 des Förderbandes liegt.
Wenn die Überstreichbreite des Laserstrahls geringer ist als die Breite des eßbaren Materials, kann das eßbare Material einmal oder mehrere Male durch den Schalenentfernungsbereich geführt werden. Während jedes Durchgangs wird das eßbare Material so positioniert, daß ein ungehäuteter Teil des Materials sich in Längsausrichtung zu dem Schalenentfernungsbereich 14 befindet. Demzufolge wird die Haut in im wesentlichen parallelen Streifen von dem eßbaren Material entfernt.
Alternativ hierzu kanii ein zusätzlicher Schalenentfernungsbereich vorgesehen werden, der typischerweise lateral neben dem ersten Schalenentfernungsbereich liegt, so daß sich zumindest eine geringe Überlappung zwischen benachbarten Bereichen ergibt, gesehen in Bewegungsrichtung des Förderbandes 10.
Obwohl die Erfindung nur in Verbindung mit Thunfisch beschrieben wurde, kann sie auch bei der Häutung von anderen Fischen, z.B. Katzenfisch, Schwertflsch, und anderen eßbaren Fischen eingesetzt werden. Darüberhinaus können das Verfahren und die Vorrichtung auch bei anderen eßbaren Materialien wie Kartoffeln, Tomaten, Obst, Gemüsen und ähnlichem eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist gegenüber bekannten Fischhäutungsverfahren erhebliche Vorteile auf. Beispielsweise wird die Haut mit dcm erfindungsgemäßen Verfahren auf dem eßbaren Material praktisch instantan verdampft. Durch diese Verdampfung muß der übelriechende feste Abfall in Form von Fischhäuten und anderen Überresten nicht entsorgt werden. Anstatt dessen ergibt sich eine gasförmige Wolke, welche wirksam weiterbehandelt werden kann, um Verunreinigungen zu entfernen. Die Durchführung des Verfahrens ergibt weder Ruß noch Asche.
Darüberhinaus ist die Energieübertragungsrate pro Einheitsfläche so groß, daß die Oberflächenschicht verdampft wird, ohne daß es zu einer erheblichen Wärmeleitung in das darunterliegende Fleisch oder Gewebe kommt. Dieser Vorteil ergibt sich bei anderen Verfahren nicht, und insbesondere nicht bei den bekannten Verfahren des Flammschälens oder Dampfschälens von Kartoffeln.
Weil der Laserstrahl gleichermaßen auf jede Stelle des eßbaren Materials auftrifft, haben Oberflächenstörungen auf der Materialoberfläche im wesentlichen keine unerwünschten Folgen. Die Laserrastertechnik entfernt die Haut auch aus Vertiefungen oder von Hervorhebungen, und zwar mit gleicher Wirksamkeit. Darüberhinaus ist das Vorhandensein von Vertiefungen oder Hervorstehungen ohne Einfluß auf die Menge des von der Materialoberfläche entfernten Materials, da der ablative Prozeß der Hautentfernung aufgrund des hohen Wassergehalts des darunterliegenden Fleisches oder Gewebes im wesentlichen selbstbegrenzend ist.
Ein weiterer Vorteil des vorliegenden Verfahrens der Hautentfernung betrifft die Wirkung der Hautentfernung auf das darunterliegende Fleisch oder Gewebe. Wie eingangs angemerkt, wird das darunterliegende Fleisch ode Gewebe im Bereich von Vertiefungen oder Hervorstehungen der Oberfläche nicht in größerem Maße abgetragen. Aufgrund der Schnelligkeit des Verfahrens wird keine Resthitze in dem unter der Haut liegenden Fleisch oder Gewebe erzeugt. Ein teilweises Kochen dieses Fleisches oder Gewebes wird somit vermieden.
Das Verfahren kann auf rohe, gekochte, aufgetaute oder gefrorene eßbare Materialien angewendet werden.
Aus dem Voranstehenden ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren eine erhebliche Reduktion an Handarbeit bei der Entfernung dünner, natürlich vorkommender äußerer Schutzschichten von eßbaren Materialien ermöglicht, beispielsweise bei der Thunfischverarbeitung, der Kartoffelverarbeitung, der Tomatenverarbeitung und in ähnlichen Industrien. Es muß nicht mehr jeder Gegenstand von Hand geschält oder gehäutet werden, sondern die Handarbeit begrenzt sich darauf, die eßbaren Materialien auf das Förderband zu setzen. Es wird gegenwärtig geschätzt, daß durch das neue Verfahren die Arbeitskosten in der Thunfischhäutung um mehr als 80 % gesenkt werden können. Bei Kartoffeln können die durch das Schälen entstehenden Verluste auf etwa 2 bis 3 % des Ausgangswichts begrenzt werden, verglichen mit 6 bis 25 % bei Schälverfahren nach dem Stand der Technik.
Aus der vorangehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß erfindungsgemäß ein neues Verfahren der Entfernung der Haut von eßbaren Materialien iorgestdlt wurde. Für den Fachmann ist ersichtlich, daß zahlreiche Modifikationen, Substitutionen und Äquivalente der Merkmale der Erfindung bestehen wobei der Rahmen der Erfindung, wie er in den Ansprüchen niedergelegt ist, nicht verlassen wird.

Claims

1. Verfahren zum Entfernen einer dünnen, natürlich vorkommenden äußeren Schicht, wie der Schale bzw. Außenhaut von Gemüse, Obst, Fisch oder anderem eßbaren Material unter Verwendung eines fokussierten, kontinuierlichen Laserstrahls, wobei das eßbare Material (68) in einer ersten Richtung (12) bei einer ersten bestimmten Geschwindigkeit durch einen Schalenentfernungsbereich (14) geführt wird, um die äußere Schutzschicht ablativ von dem eßbaren Material (68) zu entfernen, dadurch gekennzeichnet, daß die der Laserquelle gegenüberstehende Oberfläche der äußeren Schutzschicht dem kontinuierlichen Laserstrahl ausgesetzt ist, während das eßbare Milaterial körperlich durch den Schalenentfernungsbereich (14) bewegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des Bewegens die Durchführung einer ungehäuteten Fischkarkasse, einer ungeschälten Kartoffel oder Tomate durch den Schalenentiernungsbereich (14) mit Hilfe einer Transportvorrichtung (10) umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das eßbare Material (68) von dem fokussierten kontinuierlichen Laserstrahl (22) in dem Schalenentfernungsbereich (14) mit einer zweiten, vorbestimmten Geschwindigkeit in einer Richtung überstrichen wird, welche im wesentlichen senkrecht auf der ersten Richtung (12) steht, wobei durch die Wahl der zweiten Geschwindigkeit das eßbare Material sich über eine Entfernung bewegt, welche nicht größer ist als die Breite des fokussierten Laserstrahls.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennpunkt des kontinuierlichen Laserstrahls (22) über die Breite des eßbaren Materials (68) in einer im wesentlichen senkrecht auf der Bewegungsrichtung (12) des eßbaren Materials (68) durch den Strahl (22) stehenden Ebene oszilliert und durch die Wahl der Überstreichgeschwindigkeit des Strahls das eßbare Material (68) zwischen aufeinanderfolgenden Traversen nur um die Breite des Laserstrahls (22) fortbewegt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das eßbare Material (68) eine maximale Ausdehnung transversal zu der ersten Bewegungsrichtung (12) aufweist und wobei der kontinuierliche Laserstrahl (22) beim Überstreichen über eine Distanz transversal geführt ist, welche mindestens so groß ist wie diese maximale Ausdehnung.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der kontinuierliche Laserstrahl (22) beim Überstreichen über eine bestimmte Entfernung bewegt und das eßbare Material (68) mindestens einmal zusätzlich durch den Schalenentfernungsbereich (14) geführt wird, um die äußere Schutzschicht in im wesentlichen parallelen Streifen zu entfernen.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß beim Überstreichen der kontinuierliche Laserstrahl (22) über eine bestimmte Entfernung bewegt wird und mindestens ein zusätzlicher Schalenentfernungsbereich vorgesehen ist, der teilweise mit dem ersten Schalenentfernungsbereich (14) in Bewegungsrichtung des eßbaren Materials überlappt und das eßbare Material (68) durch die überlappenden Schalenentfernungsbereiche geführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß beim Überstreichen das eßbare Material (68) so durch die überlappenden Schalenentfernungsbereiche geführt wird, daß im wesentlichen die gesamte äußere Schutzschicht von einer Seite des eßbaren Materials (68) entfernt wird, wenn das eßbare Material einmal durch die Schalenentfernungsbereiche geführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das eßbare Material (68) umgedreht wird, um die zweite Seite den Laserstrahlen auszusetzen und das eßbare Material (68) durch die überlappenden Schalenentfernungsbereiche geführt wird, um im wesentlichen die gesamte äußere Schutzschicht von der zweiten Seite des eßbaren Materials zu entfernen.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß, während das Material dem Strahl ausgesetzt wird, gleichzeitig die Peripherie des eßbaren Materials (68) fokussierten, kontinuierlichen Laserstrahlen (22) ausgesetzt wird, während das eßbare Material (68) sich durch den Schalenentfernungsbereich (14) bewegt, wodurch die äußere Schutzschicht von allen Seiten des eßbaren Materials (68) bei einem einzigen Durchgang durch den Schalenentfernungsbereich (14) entfernt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne, natürlich vorkommende äußere Schutzschicht als Streifen entfernt wird, wobei der Streifen im wesentlichen breiter ist als die Dicke der natürlich vorkommenden äußeren Schutzschicht.

12. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen vorbereitenden Verfahrensschritt des Einfrierens des eßbaren Materials (68).

13. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch einen vorbereitenden Verfahrensschritt des Auftauens des eßbaren Materials (68).

14. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsdichte des kontinuierlichen Laserstrahls (22) so ausgewählt ist, daß der Laserstrahl (22) die äußere Schutzschicht des eßbaren Materials (68) vollständig entfernt.

15. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Luftstrom (54) über dem Schalenentfernungsbereich (14) erzeugt wird, um die gasförmigen Produkte der ablativ entfernten äußeren Schutzschicht zu beseitigen.

16. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kohlendioxidlaser verwendet wird.

17. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das eßbare Material (68) eine äußere Schutzschicht zwischen vertikal zueinander im Abstand stehenden Grenzen aufweist und der Laserstrahl (22) so fokussiert wird, daß die Feldtiefe des Brennpunkts diese vertikal beabstandeten Grenzen umfaßt.

18. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Abfallmaterial aus dem Kohlendioxidlaserstrahl in Form einer gasförmigen Wolke wiedergewonnen wird, welche durch die Anwendung dieses Strahls (22) auf die äußere Schutzschicht erzeugt wird.

19. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Entfernung der äußeren Schicht durch den Wassergehalt des eßbaren Materials (68) selbstbegrenzt ist.