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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Kristallisieren von Zuckern und Polyolen, insbesondere
bezogen auf Sorbit. Die Erfindung betrifft auch das durch ein solches
Verfahren erhaltene kristallisierte Sorbit.
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Die folgende Beschreibung betrifft
hauptsächlich
ein Verfahren zur Kristallisation von Sorbit, da von allen Zucker-
und Polyolverbindungen Sorbit diejenige ist, welche die größten technischen Schwierigkeiten
mit sich bringt, sofern die Kristallisation betroffen ist.
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Sorbit wurde bereits umfangreich
als Weichmacher und Füllstoff
in vielen Erzeugnissen der pharmazeutischen und Süßwarenindustrie
verwendet, wobei es heutzutage als Süßungsmittel oder als Exzipienz
verwendet wird, welches das Tablettieren der dieses enthaltenden
Pulverformulierungen „unterstützt".
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Aufgrund seiner hohen Hygroskopizität muß Sorbit
zu einem Kristallisationsgrad von mindestens 80% kristallisiert
werden und muß vorzugsweise
in der γ-(Gamma-)Kristallisationsform
vorliegen, um in den oben genannten Gebieten eingesetzt zu werden.
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Bekanntlich wird Sorbit üblicherweise
durch katalytische Hydrierung von Glukose gewonnen, an deren Ende
es in der Form einer hochviskosen geschmolzenen Masse (oder Magma)
mit einer Konzentration von 70–72%
des Trockenmaterials vorliegt.
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Um in der gewünschten Form kristallisiert
zu werden, muß das
solchermaßen
gewonnene Sorbit auf Werte von 99–99,7% von Trockenmaterial
konzentriert werden, Werte, bei denen Sorbit die Ausgangsform der
geschmolzenen Masse (oder Magma) aufrecht erhält.
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Um Sorbit mit einem hohen Kristallinitätsgrad herzustellen,
bedingt das Verfahren üblicherweise
ein Kühlen
der geschmolzenen und heißen Sorbitmasse,
nachdem eine geeignete Menge an Sorbitkristallen oder -keimen hinzugefügt wurde.
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Während
des Kühlens
wird die geschmolzene Sorbitmasse üblicherweise unter konstantem
Mischen gehalten.
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Das kristallisierte Sorbit wird dann
einem Feinmahlen und Screening unterzogen.
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Trotz des hohen Kristallisationsgrades
zeigt das erhaltene Sorbit den Nachteil einer schlechten Fließfähigkeit
und der Tendenz zum Verklumpen, wenn es Druck ausgesetzt wird, was
somit Probleme hervorruft, wenn die Formulierungen, die solches Sorbit
enthalten, tablettiert werden müssen.
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Gemäß verbesserten Techniken des
oben erwähnten
Verfahrens wird die kristallisierte geschmolzene Sorbitmasse kalt
extrudiert und auf eine solche Weise werden ein höherer Kristallisationsgrad und
ein besser für
Tablettieren geeignetes Produkt erhalten.
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Diese Technik zeigt aber eine anerkannte Regelungsschwierigkeit
für eine
gewünschte
Uniformität
der Behandlung der Sorbitmasse und ergibt von daher eine gesteigerte
nicht konstante Qualität
des Endproduktes.
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Darüber hinaus kann, wenn die Extrusionsbedingungen
rauh sind oder wenn sie nicht innerhalb eines engen Bereiches von
experimentell festgelegten Werten geregelt werden, zu einem gewissen Grad
eine Verglasung des Produktes mit einer nachfolgenden qualitativen
Verschlechterung eines solchen Erzeugnisses und mit einer Verringerung
der bereits niedrigen Fließfähigkeit
auftreten.
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Eine weitere weitläufig verwendete
Technik basiert im wesentlichen auf einer verlängerten Batch-Behandlung, gekennzeichnet
durch ein langsames Vermischen der geschmolzenen Sorbitmasse plus
zugefügtem
kristallisiertem Sorbit als Keim in geeignet ausgerüsteten großen Mischern
(Marlbehandlung).
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Neben den mit der Batch-Herstellung
verbundenen Problemen zeigt diese Technik die anerkannte Schwierigkeit
der Gegenkontaminierung. Die Bedeutung und die Frequenz, mit der
solch eine Kontamination auftritt, erfordert zwangsweise eine gründliche
Reinigung der Mischer am Ende jeder Betriebsphase, um Fermentationsprozesse
zu verhindern, die andernfalls unausweichlich wären.
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Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende
Problem ist die Schaffung eines Verfahrens für eine kontinuierliche Kristallisation
von Sorbit, welches es ermöglicht,
Sorbit mit einem hohen Kristallisationsgrad (oder mit einer großen Menge
an kristallisiertem Gamma-Sorbit) zu erhalten, welches alle in Bezug
auf den Stand der Technik genannten Nachteile überwindet und auch die Kristallisation
von anderen Polyolen und Zuckern ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch
das Verfahren gemäß Anspruch
1 gelöst.
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Für
die Schritte der Bildung der dünnen Schicht
und des Granulierens des Materials, welches eine solche Schicht
bildet, wird vorteilhaft eine von VOMM IMPIANTI E PROCESSI S.R.L.
aus ROZZANO (Mailand) hergestellte Vorrichtung verwendet. Diese
Vorrichtung ist auf dem Markt unter dem Namen TURBOCRYSTALLIZER
erhältlich
und beinhaltet einen zylindrischen rohrförmigen Körper, der an seinen entgegengesetzten
Enden durch jeweilige Endwände
verschlossen ist und eine Innenwandung aufweist, die mittels eines
in dem zylindrischen Körper
ausgebildeten Mantels auf einer festgelegten Temperatur gehalten
wird, eine angetriebene rotierende Welle, die sich axial in dem
zylindrischen Körper
erstreckt und von den entgegengesetzten Endwänden drehbar gelagert wird,
wobei die Welle mit radialen Messern ausgerüstet ist, die schraubenförmig angeordnet
sind und sich bis nahe an die Innenwandung erstrecken, mindestens
eine Einlaßöffnung für einen
zu behandelnden Materialfluß und
mindestens eine Auslaßöffnung für das erhaltene
Produkt.
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Zum Zwecke der Klarheit und der Kürze wird eine
solche Vorrichtung in der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen Turbokristallisierer
genannt.
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Wenn die obige Vorrichtung eingesetzt
wird, umfaßt
das erfindungsgemäße Verfahren
die in den Ansprüchen
2–8 beschriebenen
Schritte.
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Mit besonderem Bezug auf die Herstellung von
kristallinem Sorbit umfaßt
das erfindungsgemäße Verfahren
die Schritte
- – Zuführen eines ersten Stromes enthaltend
geschmolzenes Sorbit mit mindestens 99% von Trockenmaterial und
eines zweiten Stromes an Kristallisationskeimen, bestehend aus kristallisiertem Sorbit
zu einem Turbokristallisierer, dessen Innenwandung auf eine zwischen –15°C und 5°C enthaltene
Temperatur temperaturgeregelt ist und der eine mit einer Geschwindigkeit
von 400–1.200 Umin–1 rotierende
Messerwelle aufweist;
- – gründliches
Durchmischen der Ströme
durch simultanes Zentrifugieren derselben gegen die temperaturgeregelte
Wandung unter Ausbildung einer turbulenten rohrförmigen dünnen Schicht;
- – Fördern der
dünnen
Schicht entlang der temperaturgeregelten Wandung unter gleichzeitigem und
kontinuierlichen Granulieren der genannten und die Schicht ausbildenden
Mischung der Ströme;
- – Abführen eines
kontinuierlichen Stromes an kristallisiertem granulierten Sorbit
aus dem Turbokristallisierer, und
- – Abkühlen des
granulierten Sorbits auf Raumtemperatur nach einer vorbestimmten
Reifezeit.
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Vorteilhaft werden die oben genannten
Ströme
dem Turbokristallisierer auf voneinander unabhängigen Wegen zugeführt.
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Das Gewichtsverhältnis zwischen den Kristallisationskeimen
(kristallines Sorbit) und dem in den Turbokristallisierer eintretenden
geschmolzenen Sorbit ist im Bereich zwischen 3 : 1 und 0,5 : 1 und
bevorzugt zwischen 1,5 : 1 und 1 : 1 enthalten.
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Das erhaltene granulierte Sorbit
zeigt nach Analyse, daß es
mehr als 95% kristallisiertes Gamma-Sorbit enthält.
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Dieses Ergebnis ist überraschend,
wenn bedacht wird, daß die
Verweildauer in dem Turbokristallisierer zwischen 20 und 120 sec.
variiert und folgt hauptsächlich
aus der Basisidee des Betreibens (Mischen, Kristallisieren, Granulieren)
in einer dünnen Schicht.
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Ein weiteres und noch überraschenderes
Ergebnis besteht darin, daß jedes
Sorbitgranulat eine äußere Oberfläche mit
einem „glasigen" physikalischen Aussehen
zeigt, sogar, obwohl es vollständig in
Gamma-Form kristallisiert ist, was wiederholte Tests gezeigt haben.
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Diese unerwartete physikalische Eigenschaft des
kristallisierten Gamma-Sorbits nach der Erfindung bringt im Vergleich
mit dem Stand der Technik einen doppelten Vorteil mit sich: Eine
bemerkenswerte Fließfähigkeit
und eine wesentliche Verringerung oder sogar eine vollständige Unterdrückung der
Tendenz zu verklumpen, auch wenn es beachtlichen Drücken ausgesetzt
wird. Dies alles bringt eine verbesserte Eignung für Tablettieroperationen
mit sich.
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Mit Vorteil wird das geschmolzene
Sorbit mit einer im Bereich zwischen 85°C–120°C liegenden Temperatur dem Turbokristallisierer
zugeführt,
während
die Kristallisationskeime (kristallisiertes Sorbit) mit Raumtemperatur
zugeführt
werden.
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Das geschmolzene Sorbit wird vorzugsweise direkt
aus der Konzentrationsphase von Sorbit gewonnen, welches durch katalytische
Hydrierung von Glucose hergestellt wurde, während der Kristallisationskeim strom
aus einem nach dem Reifeschritt recycelten Teil des kristallisierten
Gamma-Sorbits hergestellt wird.
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Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden
durch die folgende Beschreibung einiger beispielhafter Ausführungsformen
des vorliegenden Kristallisationsverfahrens weiter verdeutlicht.
Diese Beschreibung nimmt Bezug auf die zu Illustrationszwecken vorgesehene
beigefügte
Zeichnung, in der ein Turbokristallisierer des oben beschriebenen
Typs schematisch dargestellt ist.
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In dieser Zeichnung bezeichnet 1 allgemein einen
Turbokristallisierer, enthaltend einen zylindrischen rohrförmigen Körper 2,
der an seinen entgegengesetzten Enden durch jeweilige Endwände 3, 4 verschlossen
und mit einem Mantel 5 versehen ist. Zur Temperaturregelung
der Innenwandung 2a des zylindrischen Körpers 2 fließt ein Fluid
durch den Mantel 5.
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Der zylindrische Körper 2 ist
an seiner Endwand 3 mit zwei Einlaßöffnungen 6, 7 für zwei jeweilige
Ströme
an zu behandelndem Material ausgebildet, während sich an der anderen Endwand 4 eine Auslaßöffnung 8 für das erhaltene
Produkt und eine Öffnung
zum Auslassen jeglicher Dämpfe
oder Gase, die während
der Behandlung entwickelt wurden, befinden.
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Eine angetriebene Messerwelle 10 erstreckt sich
axial innerhalb des zylindrischen Körpers 2 und wird von
ihr gegenüberliegenden
Endwänden 3, 4 drehbar
gelagert.
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Es sind Antriebsmittel (nicht dargestellt)
vorgesehen, die die Messerwelle 10 mit einer zwischen 400
und 1.200 Umin–1 liegenden Geschwindigkeit
rotieren lassen können.
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Die Messer 11 der Welle 10 erstrecken
sich radial bis nahe an die Innenwandung 2a des zylindrischen
Körpers 2 und
sind in einer einzigen oder mehrfach beginnenden schraubenförmigen Ausrichtung
angeordnet.
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BEISPIEL 1
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Ein kontinuierlicher Strom geschmolzenen Sorbits
mit einer Konzentration von 99,7% von Trockenmaterial und einer
Temperatur von 110°C
wird in den Turbokristallisierer 1 gefördert, dessen Innenwandung 2a auf
+5°C temperaturgeregelt
ist, während
die Messerwelle 10 mit einer Geschwindigkeit von 800 Umin–1 rotiert.
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Über
die Öffnung 7 wird
ein zweiter Strom an Kristallisationskeimen (kristallisiertes Sorbit)
in einem Verhältnis
von 1 : 1 zu dem Strom von geschmolzenem Sorbit kontinuierlich bei
Raumtemperatur in den Turbokristallisierer 1 gefördert.
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Unmittelbar nach Eintritt in den
rohrförmigen Körper 2 werden
die Ströme
von den Messern 11 „aufgenommen", welche diese Ströme durchmischen und
gegen die Innenwandung 2a zentrifugieren.
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In diesem Zustand tritt die Bildung
einer rohrförmigen
dünnen
Schicht aus zentrifugiertem Material auf, welche von den ihrerseits
von der Welle 10 getriebenen Messern entlang der Innenwandung 2a und
in Wärmeaustauschkontakt
mit dieser in Richtung der Auslaßöffnung 8 getrieben
wird.
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Während
des Durchlaufs durch den zylindrischen Körper 2 wird das Material
(geschmolzenes Sorbit und Kristallisationskeime) der genannten dünnen Schicht
konstant der mechanischen und dynamischen Einwirkung der Messer 11 ausgesetzt,
welche neben dem Aufrechterhalten des Materials in einem hochturbulenten
Zustand die Granulierung (Bildung und Wachstum des Granulats) hervorbringt.
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Nach einer durchschnittlichen Verweildauer von
30 Sekunden beginnt granuliertes kristallisiertes Sorbit mit einer
Temperatur von etwa 55°C
kontinuierlich aus der Öffnung 8 auszutreten.
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Die Analyse zeigte, daß nach einer
2 Stunden langen Reifung die Sorbitgranulate zu über 95% zu einer Kristallisation
in der Gamma-Form führten und
zeigten ein im wesentlichen glasartiges physikalisches Aussehen.
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Darüber hinaus zeigten sie definitiv
verbesserten Geschmack und Löslichkeit
im Vergleich zum Stand der Technik.
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Vorteilhaft stammt der Strom des
geschmolzenen Sorbits mit 99,7% von Trockenmaterial, welcher in
den Turbokristallisierer 1 eintritt, direkt aus dem Konzentrationsschritt
des geschmolzenen Sorbits (Konzentration: 70% von Trockenmaterial),
welches aus den Anlagen zur katalytischen Hydrierung von Glucose
gewonnen wird.
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Noch vorteilhafter kann zur Durchführung des
Konzentrationsschrittes (70% → 99,7%
von Trockenmaterial) eine Vorrichtung verwendet werden, die dem
oben erwähnten
Turbokristallisierer sehr ähnlich
ist. Diese Vorrichtung wird ebenfalls von VOMM IMPIANTI E PROCESSI
hergestellt und unter dem Namen Turbokonzentrator vertrieben.
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Um die obige Konzentration zu erhalten,
wird die Innenwandung des Turbokonzentrators auf etwa 150°C temperaturgeregelt
und die Messerwelle rotiert mit 400–1.200 Umin–1,
während
der zweite in den Turbokonzentrator eintretende Strom aus Luft mit 150°C besteht.
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Das kristallisierte Gamma-Sorbit
der Erfindung ist zum Tablettieren sehr geeignet und kann zwischenzeitlich
sehr einfach gerollt werden.
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BEISPIEL 2
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Ein kontinuierlicher Strom geschmolzener Dextrose
mit einer Konzentration von 98% von Trockenmaterial und einer Temperatur
von 92°C
wird in den Turbokristallisierer 1 gefördert, dessen Innenwandung 2a auf
6°C temperaturgeregelt
wird, während
die Messerwelle 10 mit einer Geschwindigkeit von 840 Umin–1 rotiert.
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Ein zweiter Strom an Kristallisationskeimen (kristallisierte
Monohydratdextrose) mit einem Verhältnis von 1 : 1 zum Strom der
geschmolzenen Dextrose wird kontinuierlich bei Raumtemperatur über die Öffnung 7 in
den Turbokristallisierer 1 gefördert.
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Nach einer durchschnittlichen Verweildauer von
60 Sekunden beginnt granulierte kristallisierte Dextrose bei einer
Temperatur von etwa 28°C
kontinuierlich aus der Öffnung 8 auszutreten.
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Auch in diesem Fall stammt der in
den Turbokristallisierer 1 eintretende Strom geschmolzener Dextrose
mit 98% von Trockenmaterial vorteilhaft aus dem Konzentrationsschritt
einer Dextroselösung mit
70% von Trockenmaterial, welche auf dem Markt erhältlich ist.
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Wie im Beispiel 1 wird im
Konzentrationsschritt (70% → 98%
von Trockenmaterial) vorteilhaft ein Turbokonzentrator von VOMM
IMPIANTI E PROCESSI verwendet.
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Im oben erwähnten Konzentrationsschritt wird
die Innenwandung des Turbokonzentrators auf etwa 90°C temperaturgeregelt
und die Messerwelle rotiert mit 750 Umin–1,
während
der zweite in den Turbokonzentrator eintretende Strom aus Luft mit
115°C besteht.
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BEISPIEL 3
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Ein kontinuierlicher Strom geschmolzener Fructose
mit einer Konzentration von 99,1% von Trockenmaterial und einer
Temperatur von 90°C
wird in den Turbokristallisierer 1 gefördert, dessen Innenwandung 2a auf
+4°C temperaturgeregelt
wird, während
die Messerwelle 10 mit einer Geschwindigkeit von 840 Umin–1 rotiert.
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Ein zweiter Strom an Kristallisationskeimen (kristallines
Fructosepulver) mit einem Verhältnis
von 1 : 4 zum geschmolzenen Fructosestrom wird bei Raumtemperatur
kontinuierlich über
die Öffnung 7 in den
Turbokristallisierer 1 gefördert.
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Nach einer durchschnittlichen Verweildauer von
90 Sekunden beginnt kristallisierte Fructose kontinuierlich aus
der Öffnung 8 bei
einem Temperatur von etwa 37°C
auszutreten.
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Auch in diesem Falle stammt der Strom
geschmolzener Fructose mit 99,1% von Trockenmaterial, welcher in
den Turbokristallisierer 1 eintritt, vorteilhaft aus dem
Konzentrationsschritt einer Fructoselösung mit 70% von Trockenmaterial,
welche auf dem Markt erhältlich
ist.
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Wie im Beispiel 1 wird vorteilhaft
im Konzentrationsschritt (70% → 99,1%
vom Trockenmaterial) ein Turbokonzentrator von VOMM IMPIANTI E PROCESSI
verwendet.
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Im oben erwähnten Konzentrationsschritt wird
die Innenwandung des Turbokonzentrators auf etwa 160°C temperaturgeregelt
und die Messerwelle rotiert bei 600 Umin–1,
während
der zweite in den Turbokonzentrator eintretende Strom aus Luft mit
200°C besteht.