DE4413855A1 - Verfahren zum gleichmäßigen Erwärmen, Pasteurisieren und Sterilisieren von Produkten mittels Mikrowellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung, wie ge­ schildert im Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.

Aus der DE-PS 38 30 867 der Anmelderin ist ein gattungsgemäßes Ver­ fahren bekannt. Durch eine impulsartige, taktweise Einspeisung der für die Erhitzung auf eine bestimmte Temperatur erforderlichen Mikro­ wellenenergie wird sichergestellt, daß sich die Produktoberfläche nicht unerwünscht erhitzt. Es werden unterschiedliche Formen der Mi­ krowellenleistung eingesetzt. Eine rechteckige Leistungsform bewirkt die stärkste Beeinflussung der Produktoberfläche. Aber auch mit trapezförmigen oder sinuskurvenförmigen Leistungsformen werden bei einem Impulsbetrieb der Anlage brauchbare Ergebnisse erzielt.

Als besonders nachteilig, hinsichtlich der Aufheizzeit, hat sich der lange Einschwingbereich pro Impuls beim Einsatz von mit 2.450 Giga­ hertz arbeitenden Anlagen erwiesen, so daß pro Energieeinspeisungs­ impuls relativ wenig Energie eingespeist werden kann, weil eine größere Energiemenge pro Impuls zu einer Schädigung der Produktober­ fläche führt.

Eine impulsartige, taktweise Energieeinspeisung in die zu behandeln­ den Produkte ist sinnvoll, weil sonst die eingespeiste Mikrowellen­ energie (Leistung × Zeit) im Verhältnis zur zeitlichen Absorptions­ fähigkeit des Produktes zu hoch ist, d. h. es kommt zu einer kri­ tischen Überhöhung der Temperatur der Produktoberfläche. Eine impuls­ artige Energieeinkoppelung bedeutet eine Energieeinspeisung mit be­ stimmter zeitlicher Länge und Wiederholung.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Verbesserung einer impulsar­ tigen Einspeisung der Mikrowellenenergie in zu behandelnde Produkte zu erreichen. Es soll eine Steigerung der absorbierten Energie im Produkt in kürzerer Zeit, mit höherer Leistung und somit eine Stei­ gerung der Bandgeschwindigkeit bzw. des Ausstoßes einer kontinuier­ lichen Anlage zum Erwärmen, Pasteurisieren und Sterilisieren von Lebensmitteln in verpackter oder loser Form erreicht werden, ohne daß kritische Überhitzungserscheinungen an der Produktoberfläche auftreten. Angestrebt wird eine Erhöhung der vom Produkt in einer bestimmten Zeit ohne Schäden absorbierten Energiemenge.

Die Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil der Patentansprü­ che beschriebenen Merkmale in Verbindung mit den Merkmalen des Ober­ begriffs gelöst.

Es wird ein Energieimpuls mit einem fast rechteckigen Leistungsprofil für eine rasche Erwärmung der Produkte eingesetzt, wodurch eine be­ trächtliche Erhöhung der absorbierten Energiemenge eintritt, ohne daß es zu einer übermäßiger Temperaturerhöhung der Produktoberfläche oder im Inneren des Produktes kommt.

Es ist somit möglich, mit einem Magnetron von z. B. 1,2 kW Nennlei­ stung Leistungsimpulse im Bereich von Mikrosekunden abzugeben, die größer als 1,2 kW sind.

Bei einer Steuerungselektronik gemäß dem Stand der Technik ist auf­ grund der analogen Arbeitsweise eine Flankensteilheit von t (a) < = 80 bis 200 Millisekunden der Anstiegsflanken während der Leistungsein­ schaltung nicht zu unterschreiten. Eine Schwierigkeit besteht hier darin, daß bei der Energieübertragung in ein Produkt, das sich in einer Verpackung von 1 < 80 mm befindet und die sich mit einer För­ dergeschwindigkeit von v < = 6 m/min in der zur Verfügung stehenden Zeit von tmax = < 800 Millisekunden bewegt, Teilbereiche des Produk­ tes während des flach ansteigenden Leistungseinschwingbereiches nicht mit der an sich erforderlich vollen Leistung beaufschlagt wer­ den können. Die erfindungsgemäß erzielbare minimale Impulsdauer im Mikro- bis Millisekundenbereich bei extremer Flankensteilheit ermög­ licht also u. a. eine deutlich höhere Fördergeschwindigkeit, als es gemäß dem Stand der Technik unter günstigsten Bedingungen der Fall ist.

Um erfindungsgemäß bei den geforderten Durchsatzleistungen von m < 2.500 kg/h nicht durch konstruktiv und verfahrenstechnisch be­ dingte Grenzen (Anlagenbreite, Fördergeschwindigkeit) limitiert zu sein, ist es somit vorteilhaft, die erfindungsgemäße, schnellere Technik einzusetzen. Aus der erzielbaren großen Flankensteilheit ergibt sich zudem ein wesentlich besserer Wirkungsgrad.

Es hat sich gezeigt, daß z. B. bei der Behandlung von Lebensmitteln die Anwendung von möglichst kurzen Impulsen großer Leistung von ent­ scheidender Bedeutung ist. Verwendet man anstatt des des bisher ein­ gesetzten 100 Hz Systemtaktes eine Frequenz, die eine größere Flan­ kensteilheit des Leistungsimpulses im Bereich z. B. von einigen Mikro­ sekunden zuläßt, einen z. B. 50 kHz-Systemtakt, so sind Leistungsim­ pulse mit nahezu rechteckiger Form mit Impulslängen von mit Sicher­ heit ab 1 Millisekunde ohne obere Zeitbegrenzung darstellbar. Insbe­ sondere können auf diese Weise die im Folgenden beschriebenen Vor­ teile beim Betrieb der so gesteuerten Mikrowellengeneratoren (Magne­ trons) genutzt werden.

• 1. Die Impulsleistung des Magnetrons kann ein Vielfaches der Dauer­ stromnennleistung betragen, wenn die mittlere Leistung die Nenn­ leistung nicht überschreitet.
• 2. Durch die erzielbare große Flankensteilheit des Leistungsim­ pulses, steht mit Einschaltung der Leistung sofort die gesamte Leistungshöhe für den Erwärmungsprozeß im Produkt zur Verfügung.
• 3. Überraschender Weise ergibt sich durch die so geformten Lei­ stungsimpulse im Millisekundenbereich eine größere Eindring­ tiefe der auf das Produkt übertragenen Energie, wie auch ein schnelleres Aufheizen des Produktes mit geringerem Temperaturgradienten in Eindringrichtung.
• 4. Es findet ein relativ geringerer Leistungsumsatz an der Pro­ duktoberfläche und damit eine Reduzierung der Überhitzung der Produktoberfläche statt.
• 5. Durch die Anhebung der Steilheit der Anstiegsflanken ist eine größere Fördergeschwindigkeit des zu behandelnden Produktes ohne kritische Überhitzung der Produktoberflächen oder beispielsweise bei Kartoffeln ohne kritische Überhitzung des Inneren möglich (volle Leistungsabgabe bei Millisekunden-Impulsen).

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen weiter erläu­ tert.

Es zeigen:

Fig. 1 und Fig. 3 stellen jeweils das 50/100 Hz-Taktsystem gemäß dem Stand der Technik dar.

Fig. 2 und Fig. 4 zeigen ein erfindungsgemäßes Taktsystem, welches mit 50 kHz arbeitet.

Darstellung des beschriebenen Unterschiedes zwischen der 50/100 Hz- und der 50 kHz-Systemtakt-Impulstechnik:

Fig. 1: 50/100 Hz Systemtakt
Die aus der Netzfrequenz über Brückengleichrichter gleichge­ richteten 50 → 100 Hz-Impulse (1) haben nach integrierender, elektronisch geregelter Gleichrichtung (100 Hz) eine ent­ sprechend langsame Anstiegsflanke und eine Restwelligkeit (=nach el. Glättung-).

Fig. 2: 50 kHz Systemtakt
Die zu 1 äquivalenten Impulse 2 haben aufgrund des hochfre­ quenten Systemtaktes in der zeitlichen Darstellung (Abszisse) eine nahezu ideale Rechteckform mit einer rechtwinkeligen Impulsamplitude (A2a, B2a, C2a).

Aufgrund dieser rechtwinkeligen Impulsform, d.H. aufgrund der großen Flankensteilheit, ist man in der Lage, das mehr­ fache der Dauerstromnennleistung einzustellen, solange diese leistungsmäßige Übersteuerung nicht länger als 50 bis 80 Millisekunden anhält und danach eine Impulspause folgt, die in der mittleren Leistung den Nennwert von (hier) 1,2 kW nicht überschreitet (A2b, B2b, C2b).

Fig. 3: 50/100 Hz Systemtakt
Die mehr oder weniger gleichmäßigen Impulse 1 (A1a) ergaben nach der integrierenden Leistungsregelung eine wellige Kon­ stantleistung mit flacher Anstiegsflanke.

Fig. 4: 50 kHz Systemtakt
Mit den kurzen Leistungsimpulsen (A2a) kann man mit einer hohen Leistung in das zu behandelnde Produkt eindringen, ohne eine Überhitzung zu erzeugen. Ebenso ist es aber auch möglich, die gleiche Energie (P × t) als niedrige Konstant­ leistung in rechtwinkeliger Form (steile Impulsflanken, Wel­ ligkeit der Amplitude (A2b)). Eine entsprechende Leistungs­ form zu Fig. 3, Alb ist gleichermaßen möglich, jedoch ohne die nicht erwünschte Welligkeit (2).

Claims (1)

1. Verfahren zum gleichmäßigen und schnellen Erwärmen mit­ tels impulsartig in die Produkte eingespeister Mikro­ wellen, wobei die zu behandelnden Produkte, wie z. B. chemische oder pharmazeutische Produkte oder Fertigge­ richte, in offenen oder abgeschlossenen, Mikrowellen durchlässigen Behältern auf einem kontinuierlich arbei­ tenden Fördersystem durch eine Behandlungskammer ge­ führt werden, in der senkrecht oder schräg zum Trans­ portband ausgerichtete Einspeisekanäle von Mikrowellen- Generatoren angeordnet sind, deren Energieabgaben im­ pulsartig erfolgen und durch einen Rechner steuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage

   • a) mit einer den Einschwing- und Abschwingbereich der Mikrowellenimpulse verkürzenden Mikrowellenlei­ stungsprofil,
   • b) mit einer, eine Flankensteilheit von kleiner als 1 Millisekunde aufweisenden Arbeitsfrequenz von 20 bis 100, vorzugsweise 40 bis 80, insbesondere 50 kHz,
   • c) mit Impulsen mit weitgehend rechteckiger Amplituden­ form und einer Länge im Mikro- bis Millisekundenbe­ reich betrieben wird.