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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Behälter, der dazu bestimmt ist,
ein Produkt zu enthalten, das durch den Einsatz von Mikrowellen
erhitzt werden soll, wobei der Behälter eine Seitenwand und eine
von einem Boden oder einem Deckel gebildete Stirnwand umfasst.
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Ein
derartiger Behälter
ist insbesondere dazu bestimmt, ein Nahrungsmittel zu enthalten.
Mikrowellen werden häufig
im Haushaltsbereich eingesetzt, um ein solches Nahrungsmittel vor
dem Verzehr aufzuwärmen.
Sie werden auch in der Nahrungsmittelindustrie eingesetzt, um Nahrungsmittel auf
eine Temperatur zu erhitzen, die ihre Pasteurisierung oder Sterilisierung
erlaubt. Mikrowellen ermöglichen
nämlich
im Vergleich zu anderen Erhitzungsmitteln einen äußerst raschen Temperaturanstieg.
Es sei nochmals darauf hingewiesen, dass es sich bei Mikrowellen
um elektromagnetische Wellen handelt, deren Frequenz zwischen 0,3
GHz und 300 GHz, insbesondere zwischen 0,3 GHz und 5,2 GHz liegt.
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Für diese
beiden Verwendungsarten ist es wünschenswert,
dass das in dem Behälter
befindliche Produkt so gleichmäßig wie
möglich
erwärmt wird.
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Dies
betrifft insbesondere Anwendungen im Haushaltsbereich, wenn Mikrowellen
als Aufwärm- und
Auftaumittel eingesetzt werden, um kalte Bereiche zu vermeiden.
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Beim
gewerblichen Einsatz zur Vorbereitung der Pasteurisierung oder der
Sterilisierung des in der Schale befindlichen Produkts müssen die
Temperaturunterschiede zwischen den einzelnen Bereichen dieses Produkts
möglichst
gering sein. Das gesamte Produkt muss nämlich in sicherer Weise auf
eine ausreichende Temperatur erhitzt werden, wobei gleichzeitig
vermieden werden muss, dass bestimmte Bereiche des Produkts zu stark
erwärmt
werden, da sie ansonsten verderben.
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Häufig werden
Behälter
benutzt, die aus Schalen aus dielektrischem Material wie Polypropylen
gebildet sind. Bei derartigen Schalen wurde festgestellt, dass das
Produkt eher im Bereich der Schalenränder als in seinem mittleren
Bereich erwärmt wird.
Der Temperaturunterschied kann bis etwa 35°C reichen.
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Gestützt auf
diese Feststellung sieht die vorliegende Erfindung eine Verbesserung
der bekannten Behälter
vor, um ein gleichmäßiges Erhitzen
des Produkts mit Hilfe von Mikrowellen zu begünstigen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft daher einen Behälter, der dazu bestimmt ist,
ein Produkt zu enthalten, das durch den Einsatz von Mikrowellen
erhitzt werden soll, und der eine Seitenwand und eine von einem
Boden oder einem Deckel gebildete Stirnwand umfasst, und der Mittel
umfasst, um das Eindringen von Mikrowellen durch die Seitenwand
zu begrenzen.
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Erfindungsgemäß weist
der Behälter
ferner Mittel zur Konzentration der Mikrowellen in einem mittleren
Bereich der Stirnwand auf, wobei diese Mittel durch eine Verdickung
aus einem dielektrischen Werkstoff gebildet sind, dessen dielektrische
Konstante wenigstens gleich 1,5 und vorzugsweise größer 2 ist.
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Vorzugsweise
liegt die dielektrische Konstante des dielektrischen Werkstoffs
zwischen 2 und 4.
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Die
Verdickung ist aus einem massiven dielektrischen Werkstoff ausgeführt, dessen
dielektrische Konstante größer ist
als die der Luft, die gleich 1 ist. Das Vorhandensein einer derartigen
Verdickung führt
lokal zu einer Konzentration des Mikrowellenfeldes. Das heißt, sie
erlaubt es, den durch die Ausstrahlung der Mikrowellen bedingten
Erhitzungseffekt lokal zu verstärken.
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Durch
die Anmelderin wurde festgestellt, dass die oben definierte Verdickung
ein besonders einfaches Mittel darstellt, um die Mikrowellen in
dem mittleren Bereich der Stirnwand zu konzentrieren.
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Die
Verdickung ist eine lokale Vergrößerung der
Dicke der Stirnwand, die das Volumen des Behälters nicht wesentlich verändert. Das
zu erhitzende und/oder zu pasteurisierende bzw. sterilisierende Produkt
nimmt den Raum des Behälters
ein, wobei es auf oder unter der Verdickung (je nachdem ob es sich
bei der Stirnwand um den Boden oder den Deckel des Behälters handelt)
im mittleren Bereich des Behälters
angeordnet ist. Dank der Erfindung enthält der mittlere Bereich des
Behälters
somit im Wesentlichen die gleiche Produktmenge wie ein Behälter gleicher
Form ohne Verdickung auf seiner Stirnwand, und das in diesem mittleren
Bereich befindliche Produkt wird stärker erhitzt, als dies in einem
herkömmlichen
Behälter
der Fall ist.
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Bekannt
ist das Patent
US 4,416,907 ,
in dem eine Schale beschrieben ist, deren Inhalt durch den Einsatz
von Mikrowellen erhitzt zu werden vermag und die eine Seitenwand
aufweist, die eventuell mit einem die Mikrowellen reflektierenden
Material beschichtet ist, sowie einen Boden, der mit einer Vorwölbung versehen
ist. Genauer gesagt ist die Vorwölbung
für die
Mikrowellen durchlässig,
das heißt,
sie weist eine dielektrische Konstante auf, die im Wesentlichen
der der Luft entspricht, das heißt gleich Eins ist. Es geht
hier also nicht um die Konzentration der Mikrowellen, sondern um
die Schaffung eines für die
Mikrowellen durchlässigen
Bereichs. Die Vorwölbung
weist überdies
eine Höhe
auf, die annähernd der
der Schale entspricht, wodurch das Innenvolumen der Schale, im Gegensatz
zu der erfindungsgemäßen Verdickung,
beträchtlich
verringert wird.
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Die
Wirksamkeit dieses Standes der Technik ist somit vollkommen relativ,
da die Mikrowellen nicht wirklich konzentriert werden, weil die
Vorwölbung eher
dazu dient, das Mikrowellenfeld im Wesentlichen senkrecht zu ihrer
Oberfläche
in Kontakt mit dem Produkt oder diesem zugewandt auszurichten, als
die Mikrowellen zu konzentrieren. Das Innenvolumen der Schale ist
zudem durch die vorhandene Vorwölbung
beträchtlich
verringert.
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Das
Dokument
EP 0 271 981 weist
einen Behälter
auf, dessen Deckel eine Verdickung aufweisen kann, die derart angeordnet
ist, das einen erhöhten Ausbreitungsmodus
der Mikrowellen erzeugt wird als die Hauptmoden des Behälters.
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Dieses
Dokument weist jedoch nicht den Vorteil auf, die Mikrowellen in
einem mittleren Beriech des Bodens oder des Deckels des Behälters zu
konzentrieren und gleichzeitig das Eindringen von Mikrowellen durch
die Seitenwand zu begrenzen.
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Dieses
Dokument wird zur Abfassung des ersten Teils des Patentanspruchs
1 herangezogen.
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Die
vorliegende Erfindung erlaubt es, die vorstehend genannten Nachteile
zu beheben und schlägt
eine einfache und wirksame Lösung
für die eben
angeführten
Probleme vor.
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Die
gemäß der Erfindung
erzielte technische Wirkung ist derart, dass an den Rändern des
Behälters
eine Abschirmwirkung gegenüber
einer Verstärkungswirkung
erzielt wird, die ihrerseits in dem mittleren Bereich des Behälters realisiert
wird. Es wird somit ein übermäßiges Erhitzen
der Produktbereiche vermieden, die in der Nähe der Ränder des Behälters liegen,
wobei aber gleichzeitig das Erhitzen der Produktbereiche begünstigt wird,
die im mittleren Bereich des Behälters
angeordnet sind.
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Die
erfindungsgemäße Verdickung
weist ferner gewöhnlich
eine Höhe
zwischen etwa 2 mm bis etwa 6 mm auf.
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Vorteilhafterweise
weist die Seitenwand einen elektrisch leitenden Werkstoff auf.
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Dieses
Material absorbiert oder reflektiert zum Teil das elektrische Feld
im Bereich der Seitenwand des Behälters. Das Vorhandensein eines
derartigen Materials stellt somit ein einfaches Mittel dar, um das
Eindringen von Mikrowellen durch die Seitenwand zu begrenzen.
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Vorteilhafterweise
ist der Behälter
im Wesentlichen aus einem dielektrischen Grundwerkstoff gebildet,
dem lokal ein elektrisch leitender Werkstoff auf der Seitenwand
hinzugefügt
ist.
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Es
wird dadurch ein Effekt der Temperaturglättung zwischen den einzelnen
Bereichen des in dem Behälter
befindlichen Produkts erzielt, da die Erwärmung in der Nähe der Ränder abnimmt,
während sie
im mittleren Bereich zunimmt.
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Der
dielektrische Grundwerkstoff weist eine dielektrische Konstante
auf, die größer 1 und
vorzugsweise größer 1,5
oder gar 2 ist. Die Verdickung kann aus demselben Werkstoff gebildet
sein.
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Je
nach Anwendungsfall kann der elektrisch leitende Werkstoff in den
dielektrischen Grundwerkstoff eingebettet oder auf diesen aufgesetzt
sein.
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Die
Verdickung kann ferner in einem Stück mit der Stirnwand des Behälters ausgebildet
oder auf diese aufgesetzt sein.
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Vorteilhafterweise
ist das Verhältnis
zwischen der Höhe
der Verdickung und der Tiefe des Behälters kleiner als 0,3, vorzugsweise
etwa 0,1. Dies bedeutet, dass die Verdickung nur eine begrenzte Höhe in dem
Behälter
einnimmt, wodurch ein maximales Volumen des in dem Behälter befindlichen Produkts
möglich
ist.
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Der
Behälter
kann das durch die Mikrowellen zu erhitzende Produkt unmittelbar
enthalten oder alternativ eine Verpackung aufnehmen, die ihrerseits ein
derartiges Produkt enthält.
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Diese
Verpackung kann herkömmlich
sein und kann zum Beispiel durch eine herkömmliche, einfache Schale aus
Polypropylen gebildet sein, die kein spezielles Mittel zur Verteilung
der eindringenden Mikrowellen aufweist. In diesem Fall erlaubt es
das Erhitzen des Produkts, eine gleichmäßige Erwärmung des Produkts zu erzielen,
obgleich die Verpackung in dem erfindungsgemäßen Behälter angeordnet ist.
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Der
Behälter
kann zum Beispiel ein Küchengerät oder ein
Teil eines Mikrowellenherds sein, er kann sogar im Hohlraum des
Herds integriert sein, indem er zum Beispiel am Herdboden befestigt
ist.
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Die
Erfindung eignet sich auch für
eine Anlage zum Erhitzen mittels Mikrowellen, die eine Fördereinrichtung
und Mittel zur Anwendung von Mikrowellen aufweist, welche ein auf
dieser Fördereinrichtung transportiertes
Produkt durch Mikrowellen zu erwärmen
vermögen.
Erfindungsgemäß ist die
Fördereinrichtung
mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Behälter ausgestattet.
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Diese
Behälter
können
Verpackungen enthalten, wie Schalen oder ähnliches, die mit dem mit Mikrowellen
zu erhitzenden und/oder zu pasteurisierenden bzw. zu sterilisierenden
Produkt gefüllt
sind. Die Anlage kann kontinuierlich oder schrittweise mit Mitteln
zur Herstellung und zur Befüllung
der Verpackungen betrieben werden. Ohne Veränderungen an den Verpackungen
in Bezug auf herkömmliche
Verpackungen vornehmen zu müssen,
ist es daher dank der erfindungsgemäßen Anlage möglich, das
in diesen Verpackungen befindliche Produkt einer gleichmäßigen Erhitzung
zu unterziehen.
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Durch
die nachfolgende detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen,
die beispielhaft in nicht einschränkender Weise dargestellt sind,
wird die Erfindung verdeutlicht und ihre Vorteile kenntlich gemacht.
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Die
Beschreibung nimmt Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
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1 eine
Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Behälters ist;
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2 eine
Draufsicht auf den Behälter
aus 1 ist;
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3 ein
Diagramm zeigt, das für
verschiedene Behälterarten
gleicher Größe Temperaturmessungen
wiedergibt, die in unterschiedlichen Bereichen des Behälters vorgenommen
wurden;
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4 einen
Anwendungsfall zeigt, bei dem ein erfindungsgemäßer Behälter in den Hohlraum eines
Mikrowellenherds integriert ist;
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5 einen
erfindungsgemäßen Behälter zeigt,
der auf einem Förderband
integriert ist; und
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6 eine
Schnittansicht eines speziellen Behälters ist.
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Der
erfindungsgemäße Behälter hat
allgemein die Form einer Schüssel
oder einer Schale und weist eine Seitenwand 10 sowie einen
Boden 12 auf. Wie zum Beispiel in 2 zu erkennen
ist, ist sein durch die Form der Seitenwand bestimmter Umfang oval.
Er kann natürlich
auch eine andere Form haben, zum Beispiel quadratisch oder rechteckig
mit abgerundeten Ecken.
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Für Anwendungen
im Nahrungsmittelbereich beträgt
die Tiefe des Behälters
allgemein 30 bis 50 mm.
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In 1 ist
ein Streifen 10a bezeichnet, der in diesem Fall über den
gesamten Umfang der Seitenwand 10 verläuft. Dieser Streifen umfasst
einen elektrisch leitenden Werkstoff. Der Behälter ist zum Beispiel aus einem
dielektrischen Werkstoff gebildet wie Polpropylen oder Glas. Im
Bereich des Streifens 10A ist diesem dielektrischen Grundwerkstoff
ein elektrisch leitender Werkstoff hinzugefügt.
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Der
elektrisch leitende Werkstoff kann durch einen Metallstreifen gebildet
sein, der in den dielektrischen Grundwerkstoff eingebettet ist,
wobei der Streifen mit diesem zum Beispiel überspritzt ist. Der elektrisch
leitende Werkstoff kann auch durch einen Streifen gebildet sein,
der durch Löten,
Kleben oder auf andere Weise auf die Seitenwand des Behälters aufgesetzt
ist. Es kann auch die Kennzeichnung des Behälters (durch ein Etikett oder
eine Farbe) verwendet werden, um den elektrisch leitenden Werkstoff anzubringen.
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Der
elektrisch leitende Werkstoff kann auch durch Partikel (Pulver,
Farbe oder leitende Zusammensetzung usw.) gebildet sein, die in
den dielektrischen Grundwerkstoff eingebettet und im Bereich des
Streifens 10A konzentriert sind.
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Allgemein
wird für
den elektrisch leitenden Werkstoff jede Art von Werkstoff gewählt, der
das elektrische Feld absorbiert oder reflektiert. Zum Beispiel handelt
es sich um Metall, Kohlenstoff oder jede geeignete leitende Zusammensetzung.
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Der
Boden 12 des Behälters
weist eine in seinem mittleren Bereich angeordnete Verdickung 12A auf.
Diese Verdickung ist aus einem dielektrischen Werkstoff ausgeführt, der
lokal die Mikrowellen konzentriert und die Erwärmung in dem mittleren Bereich
des Behälter
erhöht.
Die Verdickung 12A kann zum Beispiel durch eine Platte
aus dielektrischem Werkstoff gebildet sein, die zum Beispiel durch
Löten oder
Kleben auf den Boden des Behälters
aufgesetzt ist.
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Da
der Behälter
vorzugsweise aus einem dielektrischen Grundwerkstoff ausgeführt ist,
ist allerdings anzumerken, dass die Verdickung vorteilhafterweise
in einem Stück
mit der Stirnwand des Behälters
ausgeführt
ist. Der Behälter
ist zum Beispiel durch Formguss ausgeführt, und seine Wand aus dielektrischem
Werkstoff weist über
ihre gesamte Oberfläche
eine im Wesentlichen konstante Dicke auf, mit Ausnahme eines mittleren
Bereichs der Stirnwand, in dem die Dicke größer ist.
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Ohne
den Rahmen der Erfindung zu verlassen, kann die Verdickung, wie
in 6 dargestellt, eine Vorwölbung außerhalb des durch den Behälter gebildeten
Hohlraums bilden.
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Diese
Ausführungsart
wird vorzugsweise in Verbindung mit bestimmten Anwendungen der Erfindung
gewählt,
die nachstehend noch beschrieben werden.
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Die "übliche" Dicke der Wand des Behälters beträgt etwa
0,5 bis 1 mm, während
ihre Verdickung im Bereich 12A etwa 2 bis 6 mm beträgt.
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Das
Verhältnis
zwischen der Verdickung 12A und der Tiefe des Behälters ist
zudem üblicherweise etwa
0,1 und liegt nicht über
0,3.
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In 2 ist
zu erkennen, dass die Verdickung 12A eine rechteckige Form
aufweist. Natürlich kann
der Umfang der Verdickung verkleinert analog zu der des Behälters sein.
Somit kann er zum Beispiel oval sein.
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Das
Verhältnis
zwischen der durch die Verdickung belegten Fläche und der Gesamtfläche des Bodens
des Behälters
beträgt
zur Veranschaulichung etwa 1/3.
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Das
Verhältnis
zwischen der Dicke und der Fläche
der Verdickung liegt somit etwa zwischen 0,05 und 0,1.
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Der
Behälter
kann einen Deckel aufweisen, der durch eine auf den Rand 11 der
Seitenwand 10 aufgesetzte, einfache abziehbare Folie gebildet
ist, oder durch ein Wandelement, das quer zu der Seitenwand angeordnet
ist und eventuell mit dem Rand 11 dieser Wand durch Einrasten
oder ähnliches
zusammenwirkt.
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Es
kann auch vorgesehen werden, dass nicht der Boden 12 des
Behälters,
sondern der Deckel die Verdickung aus dielektrischem Werkstoff aufweist.
Auch kann vorgesehen werden, dass der Deckel und der Boden jeweils
eine Verdickung aufweisen, deren Maße eventuell geringer sind.
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Zum
Bilden der Verdickung kann ein dielektrischer Werkstoff gewählt werden,
der zum Beispiel Teflon®, Glimmer, Samicanit oder
auch Polypropylen oder Glas zugehörig ist, wobei diese Auflistung
nicht erschöpfend
ist. Diesen Materialien ist gemeinsam, dass sie eine dielektrische
Konstante haben, die größer als
1,5 oder sogar größer als
2 ist.
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Als
veranschaulichendes Beispiel zeigt 3 das Ergebnis
von Temperaturmessungen, die mit verschiedenen Behältern ausgeführt wurden. Diese
Behälter
haben allgemein die Form des in 1 und 2 gezeigten
Behälters.
Die verschiedenen Messpunkte sind in 2 durch
die Bezugszeichen X1 bis X9 angegeben, wobei die Punkte jeweils
gleichmäßig beabstandet
sind und sich der Punkt X5 in der Mitte befindet.
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Für die Versuche
wurden die Behälter
mit 410 g Kartoffelpüree
gefüllt.
Die Versuche wurden bei einer Erhitzungszeit von 5 min und mit Mikrowellen mit
einer Leistung von 800 W durchgeführt. Für den Versuch Nr. E1 wurde
eine Schale aus Polypropylen mit einem Gewicht von 28 g verwendet.
Wie zu erkennen ist, erreicht die Temperatur in der Nähe der Ränder der
Schale Maximalwerte von 95 bis 100°C, während die Temperatur im mittleren
Bereich bei 65°C
bleibt, das entspricht somit einem Temperaturgradienten von 35°C.
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Für den Versuch
Nr. E2 wurde dieselbe Schale verwendet, bei der jedoch ein Metallstreifen um
die Seitenwand herum hinzugefügt
wurde, wobei dieser Streifen eine Dicke von 15 bis 20 μm und einen
elektrischen Widerstand von 20 bis 50 Ω/Quadrat hat. Unter die untere
Wand der Schale wurde auch eine rechteckige Teflon®-Platte von
105 × 50 mm
und einer Dicke von 3 mm geklebt. Dieses Mal liegt bei den Messpunkten
X1 und X3 die erreichte Temperatur bei 93°C, das heißt nicht nur an den Rändern. Die
niedrigste Temperatur liegt bei 85°C im Punkt X7. Das heißt, es ist
davon auszugehen, dass der Inhalt der Schale auf etwa 90°C ± 5°C erhitzt
werden konnte.
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Für den Versuch
Nr. E3 wies die Schale den gleichen Metallstreifen auf, dieses Mal
wurde jedoch eine Polypropylen-Platte von 105 mm × 50 mm
und einer Dicke von 5 mm unter die Unterseite der Schale geklebt.
Die höchste
erreichte Temperatur beträgt 97°C im Punkt
X9. Die niedrigste Temperatur beträgt 85°C in den Punkten X5 und X6.
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Für den Versuch
Nr. E4 wurde schließlich
die Schale mit dem gleichen Metallstreifen und einer Samicanit-Platte
von 105 × 50
mm und einer Dicke von 3 mm verwendet. Die höchste im Punkt X9 erreichte Temperatur
beträgt
92°C, während die
niedrigste im Punkt X2 erreichte Temperatur 83°C beträgt.
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Mit
der nur aus Polypropylen ausgeführten Schale
erhält
man einen Temperaturgradienten zwischen den einzelnen Messpunkten,
der bei 35°C liegt.
Mit einer erfindungsgemäßen Schale,
die für
die Versuche E2 bis E4 verwendet wurde, beträgt der Temperaturgradient nur
10°C, das
entspricht einer mittleren Temperatur von 90°C ± 5°C.
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Gemäß einer
interessanten Anwendung kann sich die Erfindung auf einen Behälter beziehen, der
dazu bestimmt ist, unmittelbar ein Produkt zu enthalten, das pasteurisiert,
sterilisiert oder aufgewärmt werden
soll. Gemäß einer
anderen Anwendung kann es sich auch um ein Küchengerät für Mikrowellenherde handeln,
das dazu bestimmt ist, einen Behälter wie
eine Schale, eine Verpackung oder ähnliches zu enthalten, in dem
sich das zu behandelnde Produkt unmittelbar befindet.
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4 betrifft
eine Anwendung der Erfindung, der zufolge der Behälter in
einen Mikrowellenherd 1 integriert ist. Genauer gesagt
ist der Boden 12 des Behälters Teil des Bodens 13 des
Herds 1 oder ist an diesem befestigt. Der Behälter weist
selbstverständlich
die der Erfindung eigenen Merkmale wie zuvor erwähnt auf. Eine das zu behandelnde
Produkt enthaltende Verpackung 2 kann in dem Behälter platziert werden,
wie in dieser Figur dargestellt. Die Verpackung 2 kann
mit einem Deckel 21 versehen sein, wenn es zum Beispiel
darum geht, das darin befindliche Produkt zu sterilisieren.
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Vorzugsweise
weist die Verpackung eine Form auf, die der Innenform des Behälters gleicht, um
Leerräume
zwischen diesen beiden Teilen zu vermeiden. Die in 6 dargestellte
Behälterform
mit flachem Boden, bei der die Verdickung außerhalb des Behälters vorsteht,
ist in dieser Hinsicht vorteilhafter.
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Ohne
den Rahmen der Erfindung zu verlassen, kann der Behälter Teil
eines Lauf-(oder
Förder-)Bandes 5 sein,
wie in 5 dargestellt, zum Beispiel bei einer Arbeitsstraße zur Herstellung
von Nahrungsmitteln.
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Der
Behälter
ist somit Teil einer Anlage, wie in 5 schematisch
wiedergegeben.
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Stromaufwärts dieser
Anlage können
die Verpackungen 2 verschiedene Verarbeitungsschritte durchlaufen:
Einfüllen
des Produkts, Verschließen mit
einem Deckel (21) usw.
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In
Höhe der
Anlage wird jede Verpackung 2 in einem Behälter 10 platziert,
und das Ganze wird dann durch ein Förderband 5 in einen
Mikrowellenraum 6 befördert,
wo es für
eine gegebene Dauer einer Mikrowellenstrahlung ausgesetzt ist. Dies
erlaubt es, je nach Fall ein Aufwärmen, Pasteurisieren oder jede
andere Behandlung vorzunehmen.
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Das
Förderband 5 kann
sich kontinuierlich oder schrittweise in dem Raum 6 bewegen.
Nach Verlassen des Raums 6 wird die Verpackung 2 aus dem
Behälter
(10, 12, 12A) (manuell oder automatisch)
entnommen, um eine weitere Behandlung in der Herstellungsstraße zu durchlaufen
oder für
den Verkauf abgepackt zu werden.