DE4206978A1 - Verfahren und vorrichtung zur abtoetung von mikroorganismen - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur abtoetung von mikroorganismenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtötung von Mikroor
ganismen in einem gasförmigen und/oder flüssigen und/oder pastö
sen Medium. Soweit das Medium gasförmig ist, kann es Trockenmas
se und/oder Feuchtigkeit enthalten. Ferner betrifft die Erfin
dung eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfah
rens.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für Milch und/
oder Milchprodukte geeignet. Es ist aber auch für alle anderen
gasförmigen, flüssigen und/oder pastösen Medien geeignet, in
denen sich Mikroorganismen befinden. Unter Mikroorganismen wer
den dabei Bakterien, Viren, Schimmelpilze, Sporen, Zellen und/
oder Hefen und/oder sonstige Mikroorganismen verstanden. Als
Medien, in denen sich abzutötende Mikroorganismen befinden,
kommen neben Milch und/oder Milchprodukten insbesondere folgende
Medien in Betracht: Blut, Flüssigei, Marmelade, Fruchtsäfte,
Bier, Wein.
Zur Abtötung von Mikroorganismen ("Keimen", insbesondere pathoge
nen Keimen) in Medien sind bereits verschiedene Verfahren be
kannt. So kann beispielsweise Milch durch folgende Verfahren
behandelt werden: Dauererhitzung, Kurzzeiterhitzung, Hocher
hitzung, Ultrahocherhitzung und Sterilisierung. Bei den beiden
letztgenannten Verfahren soll eine vollständige Abtötung der
Mikroorganismen erreicht werden. Bei den übrigen Verfahren wird
nur eine teilweise Abtötung der Mikroorganismen erreicht (also
eine "Reduzierung" der Mikroorganismen).
Es wurde allerdings kürzlich entdeckt, daß auch bei der Ultra
hocherhitzung auf 135°C oder mehr gewisse Sporen nicht abge
tötet werden. Der Keim "Germanicus" ist nach derzeit vorliegen
den Erkenntnissen bis 145°C resistent.
Insbesondere im Labormaßstab wurden bereits Ultraschallbehand
lungen in nicht bewegten Medien (oftmals in destilliertem Was
ser, aber auch in Vollmilch) durchgeführt. Allerdings waren die
Erfolge nicht durchschlagend, weil das Medium ruhte, die zeit
liche Ultraschallbehandlung viel zu lange (bis zu 30 min.) und
die eingesetzte Energie (bis zum 250 Watt) viel zu niedrig war.
Bei einer derartigen Behandlung haben Mikroorganismen (MO) immer
ausreichend Gelegenheit zur Anpassung; sie sind dann in der
Lage, die Prozedur zu überstehen.
Aus der Literaturstelle "Stomatol DDR" (1975 August) 25 (8) 551-3
ist es bekannt, Geräte, Werkzeuge und Arbeitsprodukte in einer
Reinigungslösung in Verbindung mit Ultraschall zu behandeln.
Aus J. APPL. Bacteriol. 71 (5) 1991, 445-451 ist eine Untersu
chung bekannt, die zum Ziel hatte, die Hitzeresistenz von Sporen
durch eine kombinierte Anwendung von Ultraschall und Hitze zu
reduzieren. Die Ultraschallbehandlung wurde mit einer Frequenz
von 20 kHz und einer Leistung von 120 Watt bei 12°C über 30
min. durchgeführt. Das mit Ultraschall behandelte Medium wurde
inhaltsstoffmäßig verwendet.
Aus SCR MED (BRNO) 63 (7) 1991, 437-442 sind Untersuchungen be
kannt, Ultraschallzerkleinerer mit einer Frequenz von 22 kHz und
einer Oszillationsamplitude von 48 mm sowie mit einer Frequenz
von 20 kHz und einer Oszillationsamplitude von 110 mm einzuset
zen. Die Ergebnisse zeigten, daß dabei keine exakte Sterilisa
tion eintrat. Aus APPL ENVIRON Mikrobil. 57 (7) 1991, 2079-2084
ist es bekannt, eine sich ausbreitende Ultraschallenergie mit
einer Frequenz von 26 kHz zu benutzen, um in einer wäßrigen
Suspension mit verschiedenen Bakterienkulturen die keimtötende
Wirkung von Ultraschall beurteilen zu können. Es zeigte sich,
daß bei dieser Behandlung mit zunehmender Dauer der Behandlung
und zunehmender Intensität signifikante Veränderungen eintreten.
Die Zeitdauer der Behandlung und die Intensitätsdauer führen je
doch zu irreversiblen Veränderungen der sonstigen Inhaltsstoffe.
Aus J. of Applied Bacteriology (1989) 67 (6) 619-628 ist eine
Behandlung mit Ultraschallwellen zur Reduzierung der Hitzeein
wirkung bei Sterilisationsmaßnahmen in Milch und anderen Lebens
mitteln bekannt. Die Ultraschallbehandlung wurde vor der Hitze
behandlung mit einer Frequenz von 20 kHz und einer Leistung von
150 Watt für 15 min. bei 31°C durchgeführt; es wurde also die
Ultraschallbehandlung (Beschallung) mit der Hitzebehandlung
(31°C) kombiniert. Es zeigte sich, daß in destilliertem Wasser sig
nifikante Reduzierungen bei 70 bis 95°C eintraten. Allerdings
konnte auch hierbei keine befriedigende Sterilisation erreicht
werden.
Aus der DE-OS 24 38 067 ist ein Sterilisationsverfahren bekannt,
bei dem ein zu sterilisierender Gegenstand in einer nicht-letale
Umgebung gebracht wird und unter Aufrechterhaltung dieser
Umgebung einer Ultraschallvibration unterzogen wird.
Alle soeben erwähnten, zum Stand der Technik aufgeführten Verfah
ren haben erhebliche Nachteile, da alle diese Verfahren in unbe
wegten Medien mit langer (1 min. bis 30 min.) Beschallungsdauer
durchgeführt wurden und außerdem in keinem Fall eine für Halt
barkeitszwecke und Sterilisationszwecke befriedigende Keimabtö
tung erreicht worden ist. Im Falle einer signifikanten Verände
rung (J. of Applied Bacteriology (1989) 67 (6) 619-628) wurden
sonstige Inhaltsstoffe irreversibel geschädigt.
Eine sinnvolle wirtschaftliche Anwendung, insbesondere ein kon
tinuierlicher Ablauf, sowie die Erhaltung bzw. Verbesserung der
ernährungsphysiologischen und sensorischen Wertigkeit ist bei
allen aufgezeigten Verfahren nicht möglich.
In vielen Fällen wird eine Ultraschallbehandlung zur Reinigung
von Gegenständen verwendet, jedoch nicht zur Keimabtötung. In
einem anderen Fall werden Gegenstände in nicht-letaler Umgebung
in Vibration gebracht. Auch diesen Verfahren haften bezüglich
einer zufriedenstellenden Keimabtötung erhebliche Nachteile an.
Sie werden in nicht bewegten Medien, in Reinigungsflüssigkeiten
bzw. in einer nicht-letalen Umgebung durchgeführt.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen und
ein verbessertes Verfahren zur Abtötung von Mikroorganismen in
einem gasförmigen, flüssigen und/oder pastösen Medium vorzuschla
gen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Me
dium für einen Zeitraum von höchstens 60 sec. mit Ultraschall
einer Frequenz von mindestens 20 kHz und einer Leistung von min
destens 2000 Watt behandelt wird, wobei das Medium bewegt wird.
Es hat sich gezeigt, daß hierdurch die Mikroorganismen teilweise
oder vollständig abgetötet werden können. Als weiterer vorteil
hafter Effekt der Ultraschallbehandlung ergibt sich eine Homoge
nisierung des Mediums. Während der Ultraschallbehandlung wird
das Medium bewegt; dies kann dadurch erfolgen, daß das Medium
fließt und/oder strömt. Die Ultraschallbehandlung wird also in
einem bewegten und/oder fließenden und/oder strömenden Medium
durchgeführt.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß
der nach Anspruch 1 durchzuführenden Ultraschallbehandlung eine
Ultraschallbehandlung eines bewegten oder unbewegten mikro
organismenhaltigen Mediums bei Temperaturen von 0 bis 50°C, vor
zugsweise 45°C, und einer Intensität von 1800 Watt oder mehr
sowie einer Beschallungsdauer von 30 bis 60 sec. derart voraus
geht, daß die Wasseraktivität im Medium durch Oberflächenver
änderung der dispergierten, emulgierten und gelösten Stoffe im
zu behandelnden Medium geändert wird.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeich
net, daß die nach der soeben erläuterten vorteilhaften Weiterbil
dung durchgeführte Ultraschallbehandlung durch Impulsbeschallung
und/oder durch Mehrfachbeschallung und/oder durch unterschied
lich gerichtete Beschallung bei Temperaturen von 0 bis 50°C,
einer Beschallungsdauer von 30 bis 60 sec. und einer Intensität
von 500 bis 2500 Watt zu einer Oberflächen- und/oder Membranände
rung der Mikroorganismen führt.
Vorzugsweise wird das Medium mit gerichtetem Ultraschall behan
delt. Die Ultraschallwellen sind also gerichtet; es wird eine
"gerichtete Ultraschallbehandlung" durchgeführt.
Die Ultraschallbehandlung wird vorzugsweise bei variierenden
Temperaturen durchgeführt. Vorzugsweise beträgt die Temperatur
des Mediums 0 bis 100°C.
Vorzugsweise wird die Behandlung mit Ultraschall bei erhöhter
Temperatur durchgeführt. Es hat sich gezeigt, daß die Ultra
schallbehandlung zum Zwecke der Mikroorganismen- Abtötung in
einem Temperaturbereich von 25 bis 50°C zwar funktioniert, aber
wenig effektiv ist. In diesem Bereich entfalten nämlich die
Mikroorganismen eine verhältnismäßig rege Stoffwechseltätigkeit.
Die Ultraschallbehandlung wird folglich vorzugsweise mit einer
Temperatur durchgeführt, die mindestens 60°C beträgt. Ab dieser
Temperatur läßt sich eine deutliche Verbesserung der Ergebnisse
feststellen. Es ist bei bestimmten Bedingungen bereits möglich,
die Mikroorganismen nicht nur zu reduzieren, also nicht nur eine
teilweise Abtötung der Mikroorganismen herbeizuführen, sondern
die Mikroorganismen abzutöten, also eine vollständige Abtötung
der Mikroorganismen zu erreichen. Nach einer weiteren vorteil
haften Weiterbildung wird die Ultraschallbehandlung bei einer
Temperatur von mindestens 70°C durchgeführt. Es hat sich ge
zeigt, daß ab dieser Temperatur die Mikroorganismen vollständig
abgetötet werden können.
Es ist ferner vorteilhaft, die Behandlung mit Ultraschall bei
erniedrigter Temperatur durchzuführen. Praktische Versuche haben
ergeben, daß auch bei einer erniedrigten Temperatur die Mikroor
ganismen besonders effektiv abgetötet werden können. Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Temperatur höchstens 15°C beträgt.
Bei einer Temperatur von höchstens 10°C ist eine weitere Stei
gerung der Effektivität des Verfahrens möglich.
Vorzugsweise wird die Behandlung mit Ultraschall während einer
vorbestimmten Zeit durchgeführt. Praktische Versuche haben erge
ben, daß im Prinzip mit der Dauer der Ultraschallbehandlung die
Anzahl der abgetöteten Mikroorganismen ansteigt. Vorzugsweise
beträgt die Ultraschall-Behandlungszeit mindestens 10 Sekunden.
Bei einer Erhitzung auf 85°C ist es dann möglich, alle Mikro
organismen in Milch abzutöten. Nach einer weiteren vorteilhaften
Weiterbildung beträgt die Zeitdauer der Behandlung mit Ultra
schall mindestens 30 Sekunden. Eine vollständige Abtötung der
Mikroorganismen ist dann in Milch möglich, wenn die Temperatur
höchstens 10°C oder mindestens 70°C beträgt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung beträgt die
Zeitdauer der Ultraschallbehandlung mindestens 45 Sekunden. Dann
kann in Milch eine vollständige Abtötung der Mikroorganismen
erreicht werden, wenn die Temperatur mindestens 60°C beträgt.
Es hat sich gezeigt, daß um so mehr Mikroorganismen abgetötet wer
den, je geringer die Viskosität des Mediums ist. Eine weitere
vorteilhafte Weiterbildung ist deshalb dadurch gekennzeichnet,
daß die Behandlung mit Ultraschall bei verringerter Viskosität
des Mediums durchgeführt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei einem pH-Wert von 7,
also in einem neutralen Medium, durchgeführt werden. Es ist
allerdings vorteilhaft, wenn der pH-Wert von 7 verschieden ist,
wenn das Medium also mehr oder weniger sauer oder basisch ist.
Vorzugsweise ist der pH-Wert des Mediums geringer als 7. Dies
ist besonders bei Milch von Bedeutung, weil die Eiweißbindungen
in der Milch aufgelöst werden, wenn der pH-Wert über 7 liegt.
Bei anderen Medien kann statt einer Verringerung des pH-Wertes
auch eine Steigerung des pH-Wertes über 7 vorgenommen werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird die Tempe
ratur des Mediums während der Behandlung mit Ultraschall auf
einer konstanten Temperatur gehalten. Durch die Behandlung mit
Ultraschall wird Energie in das Medium eingebracht, die norma
lerweise zu einer Temperatursteigerung in dem Medium führt. Um
zu verhindern, daß dadurch die höchstzulässige Temperatur
überschritten wird, wird das Medium derart gekühlt, daß seine
Temperatur gleich bleibt. Hierdurch wird der Vorteil erreicht,
daß die optimale und höchstzulässige Temperatur während des
Verfahrens beibehalten wird. Von besonderer Bedeutung ist dies
für Flüssigei, das keinesfalls bestimmte Temperaturen über
schreiten darf.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeich
net, daß die Behandlung mit Ultraschall zunächst bei erhöhter
Temperatur und anschließend bei erniedrigter Temperatur durch
geführt wird. Bei diesem zweistufigen Verfahren ist es nicht
unbedingt erforderlich, daß bereits in der ersten Stufe, also
bei erhöhter Temperatur, alle Keime abgetötet werden. Folglich
muß die Temperatur der ersten Stufe nicht ganz so hoch gewählt
werden, wodurch das Medium geschont wird. Hierdurch kann eine
gewisse Steigerung der Naturbelassenheit erreicht werden. Es ist
aber auch möglich, die erste, erhöhte Temperatur so hoch wie bei
einer ausschließlichen Behandlung bei erhöhter Temperatur zu
wählen. In diesem Fall wird die erreichbare Sicherheit verdop
pelt.
Es ist auch möglich, das umgekehrte Verfahren durchzuführen, die
Behandlung mit Ultraschall also zunächst bei erniedrigter Tempe
ratur und anschließend bei erhöhter Temperatur durchzuführen. In
beiden Fällen ist unter einer "erhöhten" Temperatur die oben
beschriebene erhöhte Temperatur zu verstehen, ebenso eine "ernie
drigte" Temperatur.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird das Medium
vor, während und/oder nach der Ultraschallbehandlung mit Mikro
wellen bestrahlt. Durch diese Mikrowellenbestrahlung kann die
erforderliche Temperatur eingestellt werden. Es ist ferner mög
lich, statt dessen oder zusätzlich durch die Ultraschallbehand
lung die Effektivität der Mikroorganismen-Abtötung zu steigern.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden das Me
dium und damit die darin befindlichen Mikroorganismen, Zellen,
Sporen und dergleichen einer variierenden Ultraschallintensität
ausgesetzt. Die Ultraschallintensität kann ansteigend sein. Sie
kann aber auch abfallend sein. Sie kann ferner zunächst anstei
gend und dann abfallend sein. Schließlich kann die Ultraschall
intensität auch zunächst abfallend und dann ansteigend sein.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeich
net, daß die unterschiedlichen Ultraschallintensitäten impuls
artig durchgeführt und/oder kurzfristig unterbrochen werden.
Vorzugsweise werden die impulsartig durchgeführten und/oder
kurzfristig unterbrochenen unterschiedlichen Ultraschallinten
sitäten durch eine Mikrowellenbehandlung begleitet, deren Zeit
dauer vorzugsweise 3 sec - bevorzugt weniger als 3 sec. beträgt.
Vorteilhaft ist es, wenn die Bewegung des Mediums zur Ultra
schallquelle hin oder von der Ultraschallquelle weg oder quer
zur Ultraschallquelle gerichtet ist. Die Bewegungsrichtung des
Mediums kann auch aus einer Kombination der soeben beschriebenen
Möglichkeiten bestehen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird die Intensi
tät der Beschallung durch Abstände der Ultraschallquelle zum Me
dium, durch Berührung der Ultraschallquelle mit dem Medium und
durch die Eintauchtiefe der Ultraschallquelle in das Medium re
guliert.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden mehrere
Ultraschallquellen verwendet. Die Ultraschallquellen können hin
tereinander geschaltet oder parallel geschaltet sein.
Vorzugsweise besitzen die Ultraschallquellen eine spezielle An
ordnung zum Medium. Sie können senkrecht, quer oder schräg an
geordnet sein. Es ist auch möglich, eine abwechselnde Anordnung
aus diesen Möglichkeiten vorzusehen.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeich
net, daß der Effekt der Ultraschallbehandlung durch die Wirkungs
tiefe erzielt wird.
Die Ultraschallbehandlung kann mehrmals durchgeführt werden.
Ferner kann die Ultraschallbehandlung durch in der Leistung
unterschiedliche Ultraschallquellen durchgeführt werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird in strömen
den gasförmigen Medien der Trockenmasseanteil und/oder der
Feuchtigkeitsanteil variiert.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeich
net, daß in den zu behandelnden Medien während, vor oder nach
einer Ultraschallbehandlung die Temperaturen, pH-Werte, Visko
sitäten, Trockenmassebestandteile, Feuchtigkeitsanteile, Fließ
geschwindigkeiten, Strömungsgeschwindigkeiten und/oder die Be
wegungsintensität variiert werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeich
net, daß grob- und/oder feindisperse Substanzen in den Beschal
lungsraum eingeleitet werden und/oder grob- und/oder feindisper
se Substanzen im zu beschallenden Substrat zusätzlich entstehen
und diese im Beschallungsraum zurückgehalten werden, so daß die
Abtötung vorhandener Mikroorganismen und/oder Homogenisierungs
effekte beschleunigt werden.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens, also eine Vorrichtung zur Be
handlung eines gasförmigen, flüssigen und/ oder pastösen Mediums
mit Ultraschall. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus
einem vorzugsweise zylindrischen Gefäß mit einem Zufluß und
einem Abfluß und aus einer Ultraschallquelle (Sonotrode). Vor
zugsweise ragt die Ultraschallquelle in das Gefäß und in das
Medium hinein. Es ist aber auch möglich, die Ultraschallquelle
in einem gewissen Abstand von dem Medium anzuordnen, also bei
spielsweise in einem gewissen Abstand über einem Flüssigkeits
spiegel.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der weiteren Unter
ansprüche.
Vorzugsweise ist der Zufluß im unteren Bereich des Gefäßes und
der Abfluß im oberen Bereich des Gefäßes angeordnet. Die Ultra
schallquelle ist dann im oberen Bereich des Gefäßes vorgesehen.
Nach einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist der Zufluß im
oberen Bereich des Gefäßes und der Abfluß im unteren Bereich des
Gefäßes angeordnet. Die Ultraschallquelle ragt in das Gefäß hin
ein. Hierbei beträgt der Abstand zwischen der Ultraschallquelle
und dem Abfluß vorzugsweise 60 bis 80 mm.
Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind mehrere, vor
zugsweise zwei Ultraschallquellen vorgesehen, vorzugsweise auf
verschiedenen Seiten des Gefäßes.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung besitzt die Ul
traschallquelle eine bestimmte Form, bevorzugt eine runde Form.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeich
net, daß die Ultraschallquelle in einen abgeschlossenen Raum
eintaucht, in dem Drücke bis zu 10 bar, bevorzugt 6 bar, erzeugt
werden können und/oder in dem Unterdrücke erzeugt werden können.
Vorzugsweise sind die Ultraschallquellen so gelagert, daß keine
direkte Berührung mit Umgebungsmaterial gegeben ist.
In einer besonderen Ausgestaltung des Verfahrens und der Vor
richtung wird eine in sich variierende Ultraschallintensität
mittels einer oder mehrere Ultraschallquellen in bestimmten An
ordnungen durchgeführt bzw. erreicht. Weiterhin hat es sich als
vorteilhaft herausgestellt, die Ultraschallbehandlung selbst im
pulsartig oder mit kurzfristigen Unterbrechungen durchzuführen.
Diese Behandlung wird insbesondere durch entsprechende Abstände
der Ultraschallquelle zum bewegten Medium bzw. durch Berührung
bzw. durch entsprechende Eintauchtiefen der Ultraschallquelle
des bzw. in das bewegte Medium gefördert.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der
beigefügten Zeichnung im einzelnen erläutert. In der Zeichnung
zeigt
Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur
Behandlung eines Mediums mit Ultraschall in einer
schematischen Darstellung,
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer derartigen Vor
richtung und
Fig. 3 eine dritte Ausführungsform einer derartigen Vor
richtung.
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung zur Behandlung eines Mediums
mit Ultraschall besteht aus einem zylindrischen, aufrechtstehen
den Gefäß 1 mit einem Zufluß 2 und einem Abfluß 3. Der Zufluß 2
ist im unteren Bereich des Gefäßes 1 angeordnet, der Abfluß 3 im
oberen Bereich des Gefäßes 1. Ferner ist im oberen Bereich des
Gefäßes 1 eine Ultraschallquelle 4 vorgesehen, die in das Gefäß
und in das darin befindliche Medium hineinragt. Um eine optimale
Wirkung der Ultraschallquelle zu erreichen, muß diese eine gewis
se Mindesteintauchtiefe haben. Praktische Versuche haben erge
ben, daß die optimale Eintauchtiefe bei 1 mm liegt. Das Gefäß 1
wird kontinuierlich durchströmt.
Die Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrich
tung zur Behandlung eines flüssigen Mediums mit Ultraschall.
Auch dort ist ein zylindrisches Gefäß 11 mit einem Zufluß 12 und
einem Abfluß 13 vorhanden. Die Ultraschallquelle 14 ragt in das
Gefäß 11 und in das darin befindliche Medium hinein. Der Zufluß
12 ist im oberen Bereich des Gefäßes 11 angeordnet, der Abfluß
13 führt unten aus dem Gefäß heraus. Das Gefäß 11 ist im unteren
Bereich trichterförmig 15 ausgebildet. Der Abstand zwischen der
Ultraschallquelle 14 und dem Eintrittsquerschnitt 16 des Abflus
ses 13 beträgt 60 bis 80 mm. Auch die Vorrichtung gemäß Fig. 2
wird kontinuierlich durchströmt.
Die Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vorrich
tung zur Behandlung eines Mediums mit Ultraschall. Das zylindri
sche Gefäß 21 besitzt einen Zufluß 22 und einen Abfluß 23. Es
sind zwei Ultraschallquellen 24, 25 vorgesehen, die sich auf
verschiedenen Seiten des Gefäßes 21 befinden und die auch einen
horizontalen Abstand voneinander aufweisen. Auch die Vorrichtung
gemäß Fig. 3 wird kontinuierlich durchströmt. Je nach Bedarf
können auch mehr als zwei Ultraschallquellen vorgesehen werden.
Bei praktisch durchgeführten Versuchen wurde Rohmilch mit Ultra
schall behandelt. Es hat sich gezeigt, daß um so mehr
Mikroorganismen abgetötet werden, je größer der auf die
Mikroorganismen wirkende "Streß" ist. Hierbei hat sich
herausgestellt, daß auf die Mikroorganismen folgende
Streßfaktoren wirken: Temperatur, pH-Wert, mechanischer Streß
durch Ultraschallbehandlung. Hinsichtlich der Temperatur ist
der auf die Mikroorganismen wirkende Streß im Temperatur
bereich von 35 bis 50°C am geringsten. Über 50°C steigt der
Streß an, ebenso unter 35°C. Hinsichtlich des pH-Werts
steigt der Streß ebenfalls mit der Abweichung vom neutralen
pH-Wert 7 nach oben oder unten an. Hinsichtlich der mechani
schen Beanspruchung durch Ultraschall steigt der Streß auf
die Mikroorganismen mit der Intensität (Energie) des Ultra
schalls und der Zeitdauer der Ultraschallbehandlung an.
Bei praktischen Versuchen wurden unterschiedliche Zeit-
Temperaturkorrelationen untersucht. Ausgangsmaterial war
jeweils 400 ml Rohmilch in einem Becherglas von 500 ml
Inhalt. Die durchgeführten Versuche und deren Ergebnisse
werden nachstehend in Tabellenform wiedergegeben:
- I.
a) Rm beschallt bei 10°C, 30 sec.
b) Rm beschallt bei 10°C, 45 sec. II.
a) Rm beschallt bei 10°C, 30 sec.
b) Rm beschallt bei 30°C, 45 sec.III.
a) Rm beschallt bei 60°C, 30 sec.
b) Rm beschallt bei 60°C, 45 sec.IV.
a) Rm beschallt bei 70°C, 30 sec.
b) Rm beschallt bei 70°C, 45 sec.
Claims (44)
1. Verfahren zur Abtötung von Mikroorganismen in einem gasför
migen, flüssigen und/oder pastösen Medium, insbesondere
Milch oder Milchprodukte,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Medium für einen Zeitraum von höchstens 60 sec. mit
Ultraschall einer Frequenz von mindestens 20 kHz und einer
Leistung von mindestens 2000 Watt behandelt wird, wobei das
Medium bewegt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
nach Anspruch 1 durchzuführenden Ultraschallbehandlung eine
Ultraschallbehandlung eines bewegten oder unbewegten mikro
organismenhaltigen Mediums bei einer Temperatur von 0 bis
50°C, bevorzugt 45°C, und einer Intensität von 1800 Watt
oder mehr sowie einer Beschallungsdauer von 30 bis 60 sec.
derart vorausgeht, daß die Wasseraktivität im Medium durch
Oberflächenveränderung der dispergierten, emulgierten und
gelösten Stoffe im zu behandelnden Medium geändert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
nach Anspruch 2 durchgeführte Ultraschallbehandlung durch
Impulsbeschallung und/oder Mehrfachbeschallung und/oder
durch unterschiedlich gerichtete Beschallung bei Tempe
raturen von 0 bis 50°C, einer Beschallungsdauer von 30 bis
60 sec. und einer Intensität von 500 bis 2500 Watt zu einer
Oberflächen- und/oder Membranänderung der Mikroorganismen
führt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Medium mit gerichtetem Ultraschall
behandelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ultraschallbehandlung bei variieren
den Temperaturen durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Temperatur des Mediums 0 bis 100°C
beträgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Behandlung mit Ultraschall bei er
höhter Temperatur durchgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Temperatur mindestens 60°C beträgt.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Temperatur mindestens 65°C beträgt.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Temperatur mindestens 70°C beträgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Behandlung mit Ultraschall bei erniedrig
ter Temperatur durchgeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die
Temperatur höchstens 10°C beträgt.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Behandlung mit Ultraschall während
einer vorbestimmten Zeit durchgeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zeit mindestens 10 sec. beträgt.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zeit mindestens 30 sec. beträgt.
16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zeit mindestens 45 sec. beträgt.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Behandlung mit Ultraschall bei ver
ringerter Viskosität des Mediums durchgeführt wird.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Behandlung mit Ultraschall bei einem
von 7 verschiedenen pH-Wert durchgeführt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der
pH-Wert geringer als 7 ist.
20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der
pH-Wert höher als 7 ist.
21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Temperatur des Mediums während der
Behandlung mit Ultraschall konstant gehalten wird.
22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Behandlung mit Ultraschall zunächst
bei erhöhter Temperatur und anschließend bei erniedrigter
Temperatur durchgeführt wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Behandlung mit Ultraschall zunächst bei
erniedrigter Temperatur und anschließend bei erhöhter Tem
peratur durchgeführt wird.
24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Medium vor, während und/oder nach
der Ultraschallbehandlung mit Mikrowellen bestrahlt wird.
25. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Medium einer variierenden Ultra
schallintensität (ansteigend oder abfallend bzw. ansteigend
und abfallend oder umgekehrt) ausgesetzt wird.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die
unterschiedlichen Ultraschallintensitäten impulsartig durch
geführt und/oder kurzfristig unterbrochen werden und vorzugs
weise durch eine Mikrowellenbehandlung von vorzugsweise 3
sec., bevorzugt weniger als 3 sec., begleitet werden.
27. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Bewegung des Mediums zur Schallquel
le hin oder von der Schallquelle weg oder quer zur Schall
quelle oder kombiniert erfolgt.
28. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Intensität der Beschallung durch Ab
stände der Schallquelle zum Medium, durch Berührung der
Schallquelle mit dem Medium und/oder durch die Eintauchtiefe
der Schallquelle in das Medium reguliert wird.
29. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß mehrere Ultraschallquellen verwendet wer
den, die vorzugsweise durch Hintereinanderschaltung
und/oder Parallelschaltung miteinander verbunden sind.
30. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ultraschallquellen eine spezielle
Anordnung zum Medium besitzen, wobei die Ultraschallquellen
vorzugsweise senkrecht und/oder quer und/oder schräg
und/oder abwechselnd angeordnet sind.
31. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Effekt der Ultraschallbehandlung
durch die Wirkungstiefe erzielt wird.
32. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ultraschallbehandlung mehrmals durch
geführt wird.
33. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ultraschallbehandlung durch in der
Leistung unterschiedliche Ultraschallquellen durchgeführt
wird.
34. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß in strömenden gasförmigen Medien der
Trockenmasseanteil und/oder der Feuchtigkeitsanteil variiert
wird.
35. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß in dem Medium während, vor oder nach der
bzw. einer Ultraschallbehandlung die Temperaturen, pH-Werte,
Viskositäten, Trockenmassebestandteile, Feuchtigkeitsantei
le, Fließgeschwindigkeiten, Strömungsgeschwindigkeiten
und/oder Bewegungsintensitäten verändert werden.
36. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß grob- und/oder feindisperse Substanzen
in den Beschallungsraum eingeleitet werden und/oder grob-
und/oder feindisperse Substanzen im zu beschallenden Sub
strat zusätzlich entstehen und diese im Beschallungsraum
zurückgehalten werden, so daß die Abtötung vorhandener
Mikroorganismen und/oder Homogenisierungseffekte beschleu
nigt werden.
37. Vorrichtung zur Behandlung eines gasförmigen, flüssigen
und/oder pastösen Mediums mit Ultraschall, bestehend aus
einem vorzugsweise zylindrischen Gefäß (1) mit einem Zufluß
(2) und einem Abfluß (3)
und einer Ultraschallquelle (4), die vorzugsweise in das
Gefäß (1) und in das Medium hineinragt.
38. Vorrichtung nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß
der Zufluß (2) im unteren Bereich des Gefäßes (1) und der
Abfluß (3) im oberen Bereich des Gefäßes (1) angeordnet ist
und daß die Ultraschallquelle (4) im oberen Bereich des
Gefäßes (1) vorgesehen ist.
39. Vorrichtung nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß
der Zufluß im oberen Bereich des Gefäßes und der Abfluß im
unteren Bereich des Gefäßes angeordnet ist und daß die Ultra
schallquelle in das Gefäß hineinragt (Fig. 2).
40. Vorrichtung nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß
der Abstand zwischen der Ultraschallquelle und dem Abfluß 60
bis 80 mm beträgt.
41. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 37 bis 40, dadurch ge
kennzeichnet, daß mehrere, vorzugsweise zwei Ultraschall
quellen auf vorzugsweise verschiedenen Seiten des Gefäßes
vorgesehen sind (Fig. 3).
42. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 37 bis 41, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Ultraschallquelle eine bestimmte Form,
vorzugsweise eine runde Form besitzt.
43. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 37 bis 42, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Ultraschallquelle in einem abgeschlos
senen Raum eintaucht, in dem Drücke bis 10 bar, bevorzugt 6
bar, erzeugt werden bzw. Unterdrücke erzeugt werden können.
44. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 37 bis 43, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Ultraschallquellen so gelagert sind,
daß keine direkte Berührung mit Umgebungsmaterial gegeben
ist.
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