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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Behandlungsvorrichtung zum Konservieren pumpfähiger Nahrungsmittel
in einem gepulsten elektrischen Feld, wobei die Vorrichtung eine
Behandlungskammer mit einem Einlass für zu behandelnde Nahrungsmittel
und einem Auslass für
behandelte Nahrungsmittel aufweist, die Behandlungskammer mit einem Elektrodensystem
ausgeführt
ist, das mindestens eine erste Elektrode und mindestens eine zweite Elektrode
aufweist, sowie eine mit den Elektroden verbundene Quelle für elektrische
Energie und eine Potentialsteuerung zum Steuern eines Potentials
an mindestens einer ersten Elektrode und an mindestens einer zweiten
Elektrode, um ein gepulstes elektrisches Feld zu erzeugen.
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Eine Behandlungsvorrichtung dieser
Art ist im Stand der Technik bekannt, z. B. aus US-Patent US-A-4 457
221. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird eine Behandlung von Nahrungsmitteln
in einem gepulsten elektrischen Feld (technisch manchmal als PEF
(pulsed electric field)-Behandlung abgekürzt) durchgeführt, um
im Nahrungsmittel vorhandene Mikroorganismen wie z. B. Sporen, Bakterien,
Schimmelpilze, Hefen und Ähnliches
zu zerstören
und so die Haltbarkeit der Nahrungsmittel zu verlängern. Es wird
angenommen, dass in den Mikroorganismen der Vorgang der Elektroporation
auftritt und daher eine tödliche
Wirkung auf sie hat. Im Vergleich zu den üblichen Konservierungsverfahren
wie z. B. Sterilisierung, Pasteurisierung unter dem Einfluss von
Hitze, hat die Behandlung in einem gepulsten elektrischen Feld den
Vorteil, dass kein erheblicher Anstieg der Temperatur dieser Produkte
auftritt, was eine vorteilhafte Wirkung auf Farbe, Textur, Geschmack
und dgl. der Nahrungsmittel hat.
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Eine der durch die US-A-4 457 221
offenbarten Ausführungsformen
einer Behandlungsvor- richtung besteht aus einer Behandlungskammer,
die eine langgestreckte Zelle mit einem Einlass für zu behandelnde
Produkte und einen Auslass für
die behandelten Produkte aufweist, in der parallele Plattenelektroden,
die an eine geeignete Stromquelle und einen Impulsgenerator angeschlossen
sind und dadurch getrieben werden, entlang der zwei einander gegenüberliegenden
Seitenwände
angeordnet sind. Wegen des festen Abstands zwischen den parallelen
Elektroden und der einheitlichen Ladungsdichte (pro Flächeneinheit)
ist die Stärke
von Feld E konstant, abgesehen von den Flächen, die an die Enden der
Plattenelektroden angrenzen. Bei dieser bekannten Vorrichtung besteht
jedoch die Gefahr, dass sich unerwünschte Verunreinigungsstoffe,
z. B. tote Materie, in den Ecken des Behälters ansammeln, was insbesondere
im Falle von inhomogenen Nahrungsmitteln möglich sein kann.
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Im Falle einer anderen bekannte PEF-Technik,
wie sie z. B. in US-Patent US-A-5 690 978 beschrieben ist, sind
die Elektroden nicht einander gegenüber angeordnet, sondern hintereinander
in der Strömungsrichtung
des Produkts, und sie sind durch einen Isolator, z. B. als Bauteile
eines runden Rohrs, getrennt. Die Feldlinien des elektrischen Felds
verlaufen daher im Wesentlichen Parallel zur Strömungsrichtung. Die Stärke des
in einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung
gemessenen elektrischen Felds und die Stärke in Längsrichtung sind nicht überall gleich,
wodurch jedoch ein Temperaturgefälle
im Produkt entsteht, wobei das Temperaturgefälle wiederum eine Änderung
der Leitfähigkeit
in der Strömungsrichtung
verursacht, infolgedessen die Feldstärke sogar noch inhomogener
wird. Mit dieser Ausführungsform
der PEF-Technik lässt
sich deshalb schwer eine einheitliche Produktbehandlung erreichen.
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Die US-A-5 925 324 offenbart ein
Magnethydrodynamik-Sterilisierungssystem, das in einer Ausführungsform
eine zylindrische Behandlungskammer enthalten kann, wobei jeweilige
Elektroden oben und unten in der Behandlungskammer angeordnet sind. Aufgrund
dieser Elektrodenposition hat das entstehende elektrische Feld Feldlinien,
die nicht parallel verlaufen.
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Noch eine weitere im Stand der Technik
bekannte Behandlungsvorrichtung nutzt konzentrisch angeordnete Elektroden,
wobei das Produkt in den ringförmigen
Spalt zwischen den Elektroden geleitet und einem radial gerichteten
elektrischen Feld ausgesetzt wird. Ein Nachteil dieser Bauweise
ist neben ihrer Komplexität
der relativ kleine Strömungskanal, infolgedessen
feste Teilchen in einem Nahrungsmittel (z. B. Hackfleischbällchen in
einer Suppe) Probleme verursachen können. Ein anderes Beispiel
für eine
solche Behandlungsvorrichtung wird in der WO 00/00044 A1 vorgestellt.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist die Vermeidung von Problemen der oben kurz erläuterten
Vorrichtungen und Verfahren des Stands der Technik.
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Insbesondere ist eine Aufgabe der
vorliegenden Erfindung die Bereitstellung eines einheitlichen elektrischen
Felds über
der effektiven Strömungsfläche der
Behandlungsvorrichtung und in der Längsrichtung derselben, so dass
Nahrungsmittel einer einheitlichen Konservierungsbehandlung unterzogen werden
können.
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Zu diesem Zweck hat die Behandlungskammer
bei der Behandlungsvorrichtung des oben erwähnten erfindungsgemäßen Typs
eine effektive Strömungsfläche mit
abgerundeten Ecken, und die mindestens eine erste Elektrode und
die mindestens eine zweite Elektrode der Elektrodensystems sind auf
eine solche Weise angeordnet, dass die Feldlinien des elektrischen
Feldes parallel zueinander verlaufen, und die Potentialsteuerung
ist so ausgeführt, dass
das elektrische Feld in der effektiven Strömungsfläche einheitlich ist, wie in
Anspruch 1 definiert.
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Bei der erfindungsgemäßen Behandlungsvorrichtung
hat die Behandlungskammer eine effektive Strömungsfläche (d. h. durchströmte Behandlungskammerfläche senkrecht
zur Strömungsrichtung)
ohne Ecken oder alternativ mit abgerundeten Ecken, so dass sich
keine Verunreinigungsstoffe und Ähnliches
an den Wänden
ansammeln können.
Beispiele für
solche effektiven Strömungsflächen sind ein
Kreis und eine Ellipse. Die erste(n) Elektrode(n) und die zweite(n)
Elektrode(n) sind auf eine solche Weise angeordnet, dass die Feldlinien
des während des
Betriebs der Vorrichtung erzeugten elektrischen Felds im Wesentlichen
parallel zueinander verlaufen, im Gegensatz zu dem radialen Feld
in der zuletzt besprochenen PEF-Vorrichtung des Stands der Technik.
Außerdem
ist die Steuerung für
das Potential an den Elektroden so ausgeführt, dass das elektrische Feld
in der effektiven Strömungsfläche einheitlich
ist. Anders ausgedrückt,
sind die Größe und Richtung des
elektrischen Felds in einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung
zu jeder Zeit konstant. Als Folge des einheitlichen elektrischen
Felds werden die Nahrungsmitel einer einheitlichen Konservierungsbehandlung
unterzogen.
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Das Potential an einer in einem Abstand
ij von einer Bezugsebene entfernt angeordneten Elektrode, wobei
die Bezugsebene senkrecht zur Feldrichtung angeordnet ist, wird
durch die allgemeine Formel V(ij) = E. ij bestimmt.
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Gemäß einer ersten Variation der
erfindungsgemäßen Behandlungsvorrichtung
umfasst die Behandlungskammer ein rechteckiges Gehäuse mit mindestens
zwei Elektroden des Plattentyps, die einander gegenüberliegend
und parallel zueinander angeordnet sind, mit einer effektiven Strömungsfläche mit
Ecken, die mittels Halbleitermaterial abgerundet sind. Die effektive
Strömungsfläche mit
abgerundeten Ecken stellt sicher, dass sich keine Verunreinigungsstoffe
ansammeln können,
während
das Halbleitermaterial zu einem einheitlichen elektrischen Feld
beiträgt.
Das Halbleitermaterial kann massiv sein und weist eine Leitfähigkeit
auf, die der Leitfähigkeit
der zu behandelnden Nahrungsmittel entspricht. Da die Wahl des massiven
Halbleitermaterials mit dem zu behandelnden Pro dukt in Beziehung
steht, ist diese Variation der erfindungsgemäßen Behandlungsvorrichtung
bis zu einem gewissen Grad produktspezifisch und weniger für die Behandlung
verschiedener Nahrungsmittel, die deutlich verschiedene Leitfähigkeiten
aufweisen, geeignet. Das Halbleitermaterial ist deshalb vorzugsweise
austauschbar, wodurch die Behandlungskammer für jedes Produkt, falls erforderlich,
mit einem Halbleitermaterial mit geeigneter Leitfähigkeit
versehen werden kann. Beispiele für geeignetes Halbleitermaterial
umfassen unter anderem keramisches Halbleitermaterial und glasfaserverstärkte Halbleiterkunststoffe.
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Vorteilhafterweise ist die gesamte
Behandlungskammer austauschbar, wodurch bei einem Wechsel des zu
behandelnden Produkts eine für
das neue Produkt geeignete Behandlungskammer mit einer passenden
Leitfähigkeit
des Halbleitermaterials eingesetzt werden kann.
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Ein Halbleitermaterial kann auch
eine oder mehrere Kammern aufweisen, in denen sich ein flüssiges Material
befindet, z. B. ein flüssiger
Bestandteil des zu behandelnden Produkts. Obwohl eine solche Ausführungsform
ebenso produktspezifisch ist, erlaubt der Austausch des flüssigen Materials
einen flexibleren Betrieb. Diese letzte Ausführung hat den zusätzlichen
Vorteil, dass die verursachte Zirkulation des flüssigen Materials das Stattfinden
einer Ableitung von Wärme
ermöglicht,
wobei die Wärme
eine unvermeidliche Folge der Behandlung ist.
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Da die Feldlinien des elektrischen
Felds im Prinzip senkrecht zur Oberfläche der Elektroden des Plattentyps
verlaufen, können
auf der stromaufwärtigen
und stromabwärtigen
Seite dieser Elektroden Störungen
auftreten, die die Einheitlichkeit des Felds örtlich beeinträchtigen.
Um diesen Störungen
entgegenzuwirken, haben die Elektroden des Plattentyps vorzugsweise
Endabschnitte, die sich in stromaufwärtiger und stromabwärtiger Richtung
nach außen erstrecken.
Diese Endabschnitte haben vorzugsweise eine gekrümmte (konvexe) Stirnfläche. Die
angrenzenden Isolatorabschnitte haben ebenso vorzugsweise eine konvexe
Fläche
dieser Art, wobei die Zwischenräume
mit einem Halbleitermaterial gefüllt sind.
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Um Störungen an den seitlichen Kanten
der Behandlungskammer entgegenzuwirken, erstrecken sich die Elektroden
vorzugsweise auf beiden Seiten über
die effektive Strömungsfläche hinaus.
Die seitlichen Abschnitte der Elektroden, die sich über die
effektive Strömungsfläche hinaus
erstrecken (d. h. in einer Ebene senkrecht zur Strömungsebene),
sind vorzugsweise abgerundet.
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Die effektive Strömungsfläche in der Form eines Rechtecks
mit abgerundeten Ecken hat in vorteilhafter Weise ein Verhältnis zwischen
den Elektrodenabständen
und der maximalen Breite der effektiven Strömungsfläche von 2 : 3.
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Gemäß einer zweiten Variation der
erfindungsgemäßen Behandlungsvorrichtung
sind eine Anzahl elektrisch voneinander isolierter getrennter erster
Elektroden über
einen ersten Abschnitt des Umfangs der Behandlungskammer und eine
Anzahl elektrisch voneinander isolierter getrennter zweiter Elektroden über einen
zweiten Abschnitt des Umfangs angeordnet, wobei die Potentialsteuerung
der Elektroden so konzipiert ist, dass das Potential jeder Elektrode
getrennt steuerbar ist, so dass die Feldstärke in der effektiven Strömungsfläche einheitlich gehalten
wird. Da der Abstand (d) zwischen den ersten und zweiten Elektroden
bei dieser Ausführung bekannt
ist, kann das Potential (V) dieser Elektroden durch die Potentialsteuerung
in einer solchen weise gesteuert werden, dass die Feldstärke E( =
V/d) konstant ist. Jede Elektrode wird getrennt getrieben, wobei
sie z. B. eine geeignete elektrische Stromversorgung nutzt. Weist
die erfindungsgemäße Vorrichtung eine
Mehrzahl von ersten und/oder zweiten Elektroden auf, können die
Abstände
zwischen einer bestimmten ersten Elektrode und verschiedenen zweiten
Elektroden schwanken. Die Abmessungen der Elektroden können gleichfalls
verschieden sein.
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Vorzugsweise erstrecken sich die
erste(n) und zweite(n) Elektrode(n) parallel zur Längsmittellinie
der Behandlungskammer und über
deren Länge in
der Art von Stabelektroden.
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Sind die Elektroden (teilweise) in
oder an der Innenwand der Behandlungskammer angeordnet, kann ihre
Positionierung in dieser Weise eine Störung des Strömungsprofils
und Schädigung
des Nahrungsmittels verursachen, was nicht wünschenswert ist. Die Elektroden
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung haben deshalb einen sichelförmigen Querschnitt, dessen
eine Seite einen Krümmungsradius
hat, der dem Krümmungsradius
der effektiven Strömungsfläche entspricht,
wobei die Seite einen Teil des Innenumfangs der Behandlungskammer
bildet. Die Behandlungskammer hat deshalb eine glatte innere Oberfläche und
erzeugt daher keine störende
Wirkung auf die Strömung
eines zu behandelnden Produkts.
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Die Elektroden sind vorzugsweise
so angeordnet, dass sie in regelmäßigen Abstanden über den
Umfang verteilt sind.
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Bei der obenerwähnten zweiten Variation können die
Elektroden ebenso eine abgerundete (konvexe) Eintritts- und Austrittskante
haben.
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Die erfindungsgemäße Behandlungsvorrichtung kann
in einer herkömmlichen
Weise betrieben werden, d. h. ein gepulstes elektrisches Hochleistungsfeld
mit einer Potentialdifferenz von z. B. 100–200 kV und einer Stromdichte
von 0,3–10
A/mm2 und einer Impulsdauer in der Größenordnung
von 10 Nanosekunden bis 10 Mikrosekunden wird zwischen den ersten
Elektroden und zweiten Elektroden erzeugt. Es wurde festgestellt,
dass weniger Leistung erforderlich ist, wenn die Richtung des elektrischen Felds
in aufeinanderfolgenden Impulsen in der effektiven Strömungsfläche um 90° relativ
zueinander gedreht wird. Es wird davon ausgegangen, dass in den Nahrungsmitteln
auftretende Dipole eine mögliche Erklärung für diese
Erscheinung sind. Um diese Drehung zu erreichen, ist die Steuerung
in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung so
ausgelegt, dass die Richtung des elektrischen Felds um 90° gedreht
werden kann. Eine punktsymmetrische Anordnung der Elektroden, bei
der jede Elektrode einen Teil von zwei nicht gleichzeitig aktiven
Schaltungen bildet, ist eine geeignete Alternative. Drehung der
Elektroden selbst würde
dieselbe Wirkung hervorrufen, sie ist aber vom Gesichtspunkt der
Konstruktion schwieriger zu erreichen.
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Die vorliegende Erfindung wird nachstehend unter
Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erklärt; es zeigen:
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1 eine
schematische, perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der zweiten Variation einer
erfindungsgemäßen Behandlungsvorrichtung;
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2 einen
schematischen Querschnitt einer Ausführungsform der ersten Variation
einer erfindungsgemäßen Behandlungsvorrichtung;
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3 einen
Längsschnitt
einer bevorzugten Ausführungsform
von Elektroden des Plattentyps zur Verwendung in der ersten Variation
einer erfindungsgemäßen Behandlungsvorrichtung;
und
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4 einen
schematischen Längsschnitt
eines Endabschnitts einer in 3 eingesetzten
Elektrode.
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1 zeigt
schematisch eine Perspektive einer erfindungsgemäßen Behandlungsvorrichtung. Die
Vorrichtung weist eine Behandlungskammer 10 auf, z. B.
einen Abschnitt eines Rundrohrs, das aus einem elektrisch nicht
leitenden Material hergestellt ist. Die Kammer 10 hat einen
Einlass 12 zur Einbringung des zu behandelnden Produkts
und einen Auslass 14 zur Ausbringung des in der Kammer 10 behandelten
Produkts. Das Produkt wird durch eine Pumpe (nicht gezeigt) fortlaufend
eingespeist und ausgebracht. Die Kammer 10 weist mehrere
in regelmäßigem Abstand
zueinander über
einen ersten Abschnitt 18 der Innenseite der Kammer 10 verteilte erste
Elektroden 16 und in regelmäßigem Abstand zueinander über einen
zweiten Abschnitt 22 der Innenseite der Kammer 10 verteilte
zweite Elektroden 20 auf. Zur Verdeutlichung sind diese
Elektroden ausgefüllt
gezeichnet. Alle Elektroden 16 und 20 sind voneinander
elektrisch isoliert. Bei der gezeigten Ausführungsform erstrecken sich
die Elektroden 16 und 20 parallel zur Längsmittellinie
der Behandlungskammer. Wie gezeigt haben die Elektroden einen sichelförmigen (Halbmond-)
Querschnitt, dessen Seite 24, die zum Inneren der Kammer 10 hin
angeordnet ist, einen Krümmungsradius
hat, der dem Radius des Innenumfangs der Behandlungskammer 10 gleich ist.
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Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform der zweiten Variation
einer erfindungsgemäßen Behandlungsvorrichtung
wird jede Elektrode gesondert von einer Steuerung (nicht gezeigt)
getrieben. Die Elektroden sind in elektrischer Kommunikation mit
einer Stromquelle (nicht gezeigt), deren Potential und Impulsdauer
von einer Steuerung, die einen Impulsgenerator aufweist, so gesteuert
werden, dass die Feldstärke
E in der Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung
des Nahrungsmittels konstant ist. Anders ausgedrückt: E = V1/d1 = V2/d2,
wobei
E: elektrische Feldstärke
[V/m]
V: Potentialdifferenz zwischen Elektroden [V]
d:
Abstand zwischen Elektroden [m]
1,2:
erstes Elektrodenpaar bzw. zweites Elektrodenpaar.
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Durch geeignetes Treiben des Potentials
an den Elektroden ist es möglich,
die Richtung des elektrischen Felds über der Zeit zu ändern, so
dass ein erster Impuls ein elektrisches Feld von Elektrode 16' bis Elektrode 18' – durch
Pfeil A angegeben – erzeugt,
während
beim nächsten
Impuls die Richtung des elektrischen Felds um 90° gedreht wird, wie durch Pfeil
B angegeben.
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2 zeigt
eine Ausführungsform
einer zweiten Variation der erfindungsgemäßen Behandlungsvorrichtung,
die aus einer rechteckigen und langgestreckten Behandlungskammer 10 mit
oben bzw. unten angeordneten Elektroden 44 und 46 des Plattentyps
besteht. Seitenwände 42 der
Behandlungskammer 10 sind aus einem elektrisch nicht leitenden
Material hergestellt.) Im Inneren der Kammer 10 sind in
den Ecken zwischen den Elektroden 44 und 46 und
den Seitenwänden 42 Füllelemente 48 mit
einer hohlen Innenfläche 49 angeordnet.
Eine effektive Strömungsfläche 50 ist
daher durch die Plattenelektroden 44 und 46, die
Seitenwände 42 und
die Füllelemente 48 begrenzt.
Diese Füllelemente 48 sind
aus einem Halbleitermaterial mit einer Leitfähigkeit hergestellt, die gleich
der Leitfähigkeit
des in der Kammer 10 zu behandelnden Nahrungsmittels ist,
so dass die Feldstärke
in der effektiven Strömungsfläche senkrecht
zur Strömungsrichtung
des Nahrungsmittels in der Kammer 10 einheitlich ist und
die Nahrungsmittel daher einer einheitlichen Behandlung unterzogen
werden.
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Wie durch 2 gezeigt ist, erstrecken sich die Plattenelektroden 44 und 46 auf
beiden Seiten durch seitliche Abschnitte 45 bzw. 47 über die
effektive Strömungsfläche 50 hinaus.
Das Verhältnis
des Abstands D zwischen den Elektroden 44 und 46 zur maximalen
Breite B der effektiven Strömungsfläche 50 beträgt 2 : 3.
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3 zeigt
einen Längsschnitt
einer bevorzugten Ausführungsform
der Elektroden 44 und 46 des Plattentyps. Diese
Elektroden 44 und 46 sind auf der stromaufwärtigen und
der stromabwärtigen
Seiten vorhanden und haben Endabschnitte 52, die sich nach
außen
erstrecken und eine konvexe Stirnfläche 54 haben, wie
in 4 detailliert gezeigt.
ist. Dies stellt sogar am Einlass 12 und Auslass 14 der
Behandlungskammer 10 ein einheitlicheres Feld als mit völlig ebenen
Elektroden sicher. Die Länge
L der Kammer 10 (und deshalb aller Elektroden 44 und 46) beträgt mehr
als das 1,5-Fache des Abstands D zwischen den Elektroden.
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4 zeigt
den Endabschnitt 52 der Elektrode 44 gemäß 3, der mit der konvexen
Stirnfläche 54 versehen
ist. Die Kante des angrenzenden Isoliermaterials ist mit einer ähnlichen
konvexen Stirnfläche 56 versehen,
wobei die Lücke
zwischen den Stirnflächen 54 und 56 mit
Halbleitermaterial gefüllt
ist.
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Vorrichtung
und Verfahren zum Konservieren von Nahrungsmitteln in einem gepulsten
elektrischen Feld
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
und ein Verfahren zum Konservieren von Nahrungsmitteln in einem
gepulsten elektrischen Feld. Die Vorrichtung weist eine Behandlungskammer
(10) mit einem Einlass (12) für zu behandelnde Nahrungsmittel und
einem Auslass (14) für
behandelte Nahrungsmittel auf und hat eine effektive Strömungsfläche mit
abgerundeten Ecken. Die Behandlungskammer (10) umfasst
ferner mindestens eine erste Elektrode (44) und mindestens
eine zweite Elektrode (46), die auf eine solche Weise angeordnet
sind, dass die Feldlinien des elektrischen Felds parallel zueinander
verlaufen, sowie eine Energiequelle und eine Potentialsteuerung
zum Steuern des Potentials an mindestens einer ersten Elektrode
und an mindestens einer zweiten Elektrode, um ein gepulstes elektrisches
Feld zu erzeugen, wobei die Potentialsteuerung so konzipiert ist,
dass das elektrische Feld in der effektiven Strömungsfläche konstant ist. Gemäß dem Verfahren wird
die Richtung des gepulsten elektrischen Felds in aufeinanderfolgenden
Impulsen um 90° gedreht.