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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Produkts
mit niedrigem Gehalt an Mikroorganismen, ein Verfahren zur Trocknung
eines solchen Produkts und ein gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren
erhältliches
Produkt.
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Die
mikrobiologische Qualität
von zum Verzehr vorgesehenen Produkten, wie beispielsweise Kindernahrung,
muss strenge Anforderungen erfüllen.
Diese Qualität
wird garantiert, indem eine Reihe von Maßnahmen ergriffen werden. Unter
anderem werden daher reine Zutaten verwendet, jegliche Infektionsquelle
muss vermieden werden, und das Produkt wird einer Wärmebehandlung
unterzogen, so dass die vorhandenen Mikroorganismen und/oder Sporen
davon abgetötet
werden.
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Eine
solche Wärmebehandlung
kann durch Verwendung von Dampf erfolgen, wie aus
DE 29 46 326 und
EP 0 601 329 bekannt ist. Darin sind
T-förmige
Körper
beschrieben, die es dem Nutzer ermöglichen, Dampf in intensiven
Kontakt mit einem Strom von flüssigem
Produkt zu bringen. Sterilisation erfolgt, weil der Dampf richtig
mit dem Produkt gemischt wird und das Produkt eine hohe Temperatur
für eine
relativ lange Zeit beibehält.
Dadurch werden jedoch wärmeempfindliche
Komponenten in den Produkten geschädigt, und in dem Produkt könnten unerwünschte organoleptische
Veränderungen
stattfinden.
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Durch
Schädigung
von wärmeempfindlichen
Substanzen in einem Produkt, beispielsweise infolge irreversibler
Denaturierung, Polymerisation, Zersetzung, Oxidation etc., können diese
wärmeempfindlichen Substanzen
ihre Aktivität
verlieren, und es könnten
sogar unerwünschte
Verbindungen, wie beispielsweise Maillard-Produkte und Polymerisationsprodukte,
gebildet werden.
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Auch
kann die Erwärmung
von beispielsweise bestimmten Protein oder Stärke enthaltenden Produkten
und Aufschlämmungen von
Produkten mit hoher Viskosität
große
praktische Probleme, wie Blockierung von Zuleitungskanälen oder
Bewuchs von Wärmetauschern,
verursachen, was verheerende Konsequenzen für die Effizienz eines Pasteurisations-
oder Sterilisationsverfahrens und anderer Verfahrensschritte, wie
beispielsweise des Trocknens eines pasteurisierten Produkts, haben
kann.
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US-A-3
564 723, US-A-2 401 077, US-A-4 851 250, US-A-3 927 974, US-A-4
787 304 und WO-A-00/56161 beschreiben Verfahren zur Sterilisierung
von flüssigen
Nahrungsmittelprodukten.
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US-A-5
980 375 betrifft ein zweistufiges Verfahren zur antimikrobiellen
Behandlung von Tierkörpern. In
einem ersten Schritt werden die Körper in einer Heißwasser-Pasteurisierungskammer
isoliert und mit Rezirkulationswasser besprüht. In einem zweiten Schritt
wird der Körper
in einer Säureanwendungskammer
isoliert und mit einer organischen Säurelösung besprüht.
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Ein
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines
Verfahrens zur Herstellung eines Produktes mit ausreichend guter
mikrobiologischer Qualität
unter anderem für
Verzehrzwecke unter Bedingungen, die sich so wenig wie möglich irreversibel
auf das Produkt auswirken.
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Überraschenderweise
hat es sich als möglich
erwiesen, ein pasteurisiertes oder sterilisiertes Produkt mit hoher
Qualität
und insbesondere einer hohen biologischen Aktivität durch
ein Verfahren herzustellen, bei dem ein Produkt in flüssiger Form
in eine beheizte Mischkammer eingebracht und unter Beimischung von Dampf
zerstäubt
wird, so dass Mikroorganismen abgetötet werden.
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Entsprechend
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Pasteurisieren
oder Sterilisieren eines einen wärmeempfindlichen
Stoff umfassenden Produkts in flüssiger
Form, bei dem das Produkt in flüssiger Form
unter Beimischung von Dampf in einer von dem Dampf erhitzten Mischkammer
zerstäubt
wird, so dass Mikroorganismen abgetötet werden,
wobei
- – das
Produkt in flüssiger
Form einen Feststoffgehalt von mehr als 45 Gew.-% hat,
- – der
Dampf in die Mischkammer bei einem Dampfdruck von 3 bis 20 bar eingebracht
wird,
- – die
Verweilzeit des Produkts in der Mischkammer im Bereich von 0,2–20 ms liegt,
und
- – das
Gewichtsverhältnis
zwischen dem Produkt in flüssiger
Form und Dampf im Bereich zwischen 1,6 und 10 gewählt wird.
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Pasteurisieren
und Sterilisieren bedeutet hier, das Produkt einer hohen Temperatur
für eine
geeignete Dauer auszusetzen, um so bestimmte Enzyme zu inaktivieren
und Mikroorganismen, wie Hefen, Schimmelpilze und pathogene Bakterien,
und Sporen von Mikroorganismen abzutöten, so dass die mikrobiologische
Qualität
des getrockneten Produktes verbessert wird. Sterilisation ist eine
thermische Behandlung unter Bedingungen, die allgemein zu einem
höheren
Grad der Abtötung
von Mikroorganismen führt
als Pasteurisation.
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Die
mikrobiologische Qualität
wird in Form der Keimzahl ausgedrückt. Dies ist die Zahl der
Keime (d.h. Mikroorganismen und Sporen davon) pro Einheit des Produkts
und kann mittels eines an sich bekannten Messverfahrens bestimmt
werden, bei spielsweise indem eine repräsentative Probe des Produkts
genommen, gegebenenfalls verdünnt
und ausplattiert wird. Die Zahl der Kolonien von Mikroorganismen
kann dann gezählt werden.
Es gibt auch automatische Systeme, in denen die Zahl der Mikroorganismen
gezählt
wird, und Messsysteme, in denen mittels eines auf die Zahl der Mikroorganismen
reagierenden Färbungsmittels
die Zahl der Keime bestimmt wird.
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Eine
flüssige
Form bezieht sich hier auf eine fließfähige Form, wie eine Flüssigkeit,
eine einen oder mehrere Feststoffe enthaltende homogene Lösung, einen
Sprühnebel
aus Tröpfchen,
aber auch eine heterogene Mischung (Aufschlämmung) von einem oder mehreren
Feststoffen, in der nicht der ganze Feststoff oder die ganzen Feststoffe
komplett aufgelöst
sein müssen.
Beispiele für
Aufschlämmungen
sind Emulsionen, Suspensionen, Dispersionen und dergleichen. Es
ist ein Vorteil eines erfindungsgemäßen Verfahrens, dass als Resultat
der kurzen Wärmebehandlung
während
der Sterilisation und insbesondere bei der Pasteurisierung stabilere
Emulsionen hergestellt werden können.
Darüber
hinaus ist es möglich,
in einem erfindungsgemäßen Verfahren
Pflanzenextrakte zu pasteurisieren oder zu sterilisieren und gegebenenfalls
zu trocknen. Ein besonderer Vorteil eines erfindungsgemäßen Verfahrens
ist, dass es besonders geeignet ist, Keime in Pflanzenextrakten
abzutöten,
während
flüchtige
Verbindungen, wie Pflanzenöle,
zu einem wesentlichen Teil in dem Produkt verbleiben. Somit ist
die Erfindung beispielsweise sehr geeignet zur Behandlung von Baldrianextrakten, wie
einem Wasser- oder Ethanolextrakt, wobei thermolabile Valepotriate
und flüchtige Öle, wie
Valeriansäuren, besser
konserviert bleiben als mit konventionellen Verfahren, aber auch
für die
Behandlung von Zingiberen enthaltenden alkoholischen Ingwerextrakten.
Zudem hat sich herausgestellt, dass beispielsweise Extrakte von grünem Tee
hervorragend getrocknet werden können,
wobei ein geringerer Grad an Polymerisation von Polyphenolen auftritt
als mit konventionellen Verfahren.
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Ein
Feststoff ist hier eine Substanz, die in trockenem Zustand bei Raumtemperatur
in einer festen Phase, einschließlich einer kristallinen oder
amorphen Phase, vorliegt.
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Der
Feststoffgehalt einer Substanz ist hier die Menge an Feststoff,
die gelöst
oder beigemischt (beispielsweise dispergiert oder emulgiert) in
einer Zusammensetzung enthalten ist.
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Ein
mittlerer Teilchendurchmesser bezeichnet hier das Zahlenmittel.
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Die
Erfindung erweist sich als sehr geeignet zum Erhalt eines pasteurisierten
oder sterilisierten Produkts mit guter mikrobiologischer Qualität, wobei
außerdem
im Vergleich mit vergleichbaren konventionellen Techniken die Aktivität, die Löslichkeit
und/oder die Struktur von wärmeempfindlichen
Stoffen, sofern vorhanden, besser konserviert werden.
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Ein
Stoff (Substanz) wird als wärmeempfindlich
angesehen, wenn sich der Stoff in einem zu pasteurisierenden Produkt
nach einer Standardpasteurisierungsbehandlung von 20 Sekunden bei
einer Temperatur von 82°C
relativ zu dem genannten Stoff in dem genannten Produkt ohne diese
Wärmebehandlung
irreversibel in einem wesentlichen Ausmaß verändert hat. Diese Veränderung
könnte
bestimmt werden beispielsweise auf Basis einer Messung der physikochemischen
Eigenschaften des Produktes oder auf der Basis einer Veränderung
einer spezifischen biologischen Aktivität. Ein einfaches Verfahren
zur Bestimmung, ob ein Stoff wärmeempfindlich
ist, ist die Messung von Veränderungen
in der Löslichkeit
des Stoffes vor und nach Wärmebehandlung.
Ein solches Verfahren für
Milchproteine ist beispielsweise die Bestimmung des Ausmaßes an Denaturierung
vor Standardpasteurisation und nach Standardpasteurisation, indem
eine Probe des Protein enthaltenden Produkts in eine Lösung (was
beispiels weise zu einer Lösung
mit 10 Gew.-% Produkt führt)
eines Puffers mit einem pH-Wert von 4,6 gebracht wird, so dass denaturierte
und agglomerierte Proteine ausfallen. Nach Zentrifugation kann die
Menge an Protein in dem resultierenden Pellet aus denaturiertem
oder agglomeriertem Produkt und in der Lösung mit dem nativen Protein
bestimmt werden. Nach der oben genannten Standardpasteurisation
sind wärmeempfindliche
Proteine typischerweise zu mindestens 20% aus der Lösung verschwunden.
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Beispiele
für solche
wärmeempfindlichen
Stoffe sind Peptide (einschließlich
Oligo- und Polypeptide) wie beispielsweise Wachstumshormone, Proteine,
Immunglobuline, Enzyme, bestimmte Fettsäuren, Zytokine, Vitamine, Antioxidantien,
wie beispielsweise Polyphenole, Mineralstoffe, Hormone, Steroide,
einige Polysaccharide, Zucker, Valepotriate (wie sie in Baldrian
vorkommen), Zingiberen (beispielsweise aus Ingwer) und bestimmte
komplexe Lipide. Darüber
hinaus werden flüchtige
Stoffe zu den wärmeempfindlichen
Stoffen gezählt, weil
sie unter dem Einfluss von Wärme
zwar nicht per se chemische Veränderungen
erfahren müssen,
aber dazu neigen, aus einem Produkt zu verdampfen. Beispiele solcher
flüchtigen
Substanzen sind flüchtige Öle, die
beispielsweise in Pflanzenextrakten vorhanden sein können, wie
in einem polaren Extrakt von Baldrian vorhandene Valeriansäuren.
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Somit
erweist es sich mit dem Verfahren als möglich, ein Produkt mit einem
hohen Gehalt an einem oder mehreren wärmeempfindlichen Stoffen in
einer aktiven oder aktivierbaren Form herzustellen, so dass die (intrinsische)
biologische Aktivität
eines solchen wärmeempfindlichen
Stoffes bewahrt werden kann. So zeigt es sich beispielsweise, dass
in einem erfindungsgemäß pasteurisierten
Produkt Immunglobulin 80% seiner Aktivität bewahren kann. Auch wird
in einem erfindungsgemäß sterilisierten
Produkt die Aktivität
von einem oder mehre ren wärmeempfindlichen
Stoffen besser bewahrt als in einem in konventioneller Weise sterilisierten
Produkt, auf jeden Fall bezüglich
eines mäßig thermolabilen
Stoffs und eines nur leicht wärmeempfindlichen Stoffs.
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Eine
aktivierbare Form ist beispielsweise ein Stoff in einem Produkt,
der während
der Verarbeitung des Produktes eine Konformationsänderung
erfährt,
aber wieder in einer aktiven Konformation vorliegt, wenn das Produkt
letztendlich verwendet wird.
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Im
Fall von beispielsweise Molkeproteinen, aber auch bei anderen Polypeptiden,
findet beim Erwärmen
im Allgemeinen in erster Linie Entfaltung der Moleküle statt
(eine Konformationsänderung
oder Denaturierung), die noch reversibel ist, und dann kann (irreversible)
Polymerisation dieser wärmeempfindlichen
Moleküle
erfolgen, durch die unerwünschte
Aggregate gebildet werden. Weil es sich als möglich erwiesen hat, mit einem
erfindungsgemäßen Verfahren
durch ein kurzes und schnelles Erwärmen effektiv zu pasteurisieren
oder sterilisieren, polymerisieren die Moleküle, wie Molkeproteine, daher
nicht, oder polymerisieren in viel geringerem Ausmaß, so dass
keine oder viel kleinere Agglomerate gebildet werden. Folglich kann
ein pasteurisiertes oder sterilisiertes Produkt nicht nur einen
oder mehrere wärmeempfindliche
Stoffe mit einer besser konservierten Aktivität, Löslichkeit und/oder molekularer,
aber auch makroskopischer Struktur enthalten, sondern kann auch
eine bevorzugtere Struktur haben, und der geringe Gehalt an Aggregaten
gewährleistet
einen geringeren Bedarf an Wartung des Geräts, in dem das Verfahren durchgeführt wird.
Tatsächlich
wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren
das Risiko von Blockierungen in dem Pasteurisations- oder Sterilisationssystem
oder Wirksamkeitsverminderungen von Wärmetauschern, sofern vorhanden,
als Resultat von Anbacken von Protein oder anderen Agglomeraten
stark verringert.
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Auch
hat ein erfindungsgemäßes Verfahren
zum Pasteurisieren eines eine Mischung von Flüssigkeiten oder eine Emulsion
enthaltenden Produkts den Vorteil, dass durch die sehr kurze Erwärmung weniger
Brechen (breaking) oder gar kein Brechen stattfindet.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
erweist sich als sehr geeignet zur Herstellung eines Produktes unter
Aufrechterhaltung der gewünschten
Aktivität
mit einer sehr guten mikrobiologischen Qualität, wobei die aerobe Keimzahl
pro Gramm trockenen Produkts bei 30°C in mindestens vier von fünf repräsentativen
Proben, die analysiert werden, weniger als 10.000 und bevorzugt
weniger als 5.000 beträgt.
Die aerobe Keimzahl pro Gramm Produkt bei 55°C beträgt in mindestens vier der genannten
fünf Proben
weniger als 1.000 und bevorzugt weniger als 500.
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Wegen
der effektiven Sterilisation oder Pasteurisation und der Konservierung
von wärmeempfindlichen
Stoffen in einer gewünschten
Form ist die Erfindung sehr geeignet für eine breite Auswahl von Produkten. Beispiele
von bevorzugt unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens
erhältlichen
Produkten sind wärmeempfindliche
Stoffe enthaltende (komplexe) Nahrungsmittel, wie Kindernahrung
oder Sportnahrung, und biologische Substanzen wie Eierprodukte,
Pflanzenextrakte, Milch, Molke, aber auch Blut und Zubereitungen,
in die diese Inhaltsstoffe verarbeitet werden und die beispielsweise
ein oder mehrere wärmeempfindliche Peptide
und/oder Proteine, wie bestimmte Immunglobuline, Wachstumsfaktoren
und/oder andere Hormone und/oder andere wärmeempfindliche Stoffe wie
Vitamine und/oder Polyphenole enthalten.
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Sterilisation
wird bevorzugt bei Produkten angewendet, die eine sehr lange Haltbarkeit
haben müssen. Weiterhin
kann es bevorzugt sein, Sterilisation auf Produkte für unter
schlech ter Gesundheit leidende Konsumenten anzuwenden, für die es
wegen ihres möglicherweise
weniger gut funktionierenden Immunsystems besonders wichtig ist,
ein Produkt mit der geringstmöglichen
Keimzahl zu erhalten. Beispiele für solche Produkte sind bestimmte
Nahrungsmittel für
Patienten, wie intravenös
zu verabreichende Nahrungsmittel und dergleichen.
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Wie
bereits angedeutet, erfolgt Pasteurisation oder Sterilisation erfindungsgemäß, indem
ein Produktstrom mit Dampf in einer Mischkammer zerstäubt wird.
Durch die hohen Temperaturen des Dampfes und die intensive Vermischung
findet Keimabtötung
schnell statt. Bevorzugt wird als Folge einer turbulenten Vermischung
von Produktstrom und Dampf ein feiner Sprühnebel gebildet, so dass das
in dem Sprühnebel
vorhandene Produkt schnell erwärmt
wird. Es erweist sich, dass die Pasteurisation oder Sterilisation
effizient abläuft, indem
die Bedingungen so gewählt
werden, dass Dampf hoher Temperatur verwendet wird und der Dampf durch
Flashverdampfung wieder entfernt wird. Folglich kann eine gründliche
Erwärmung
des ganzen Produktes sehr schnell erfolgen, so dass mit einer kurzen
intensiven Wärmebehandlung
ein besseres Verhältnis
zwischen dem Grad der Keimabtötung
und (irreversibler) Inaktivierung von wärmeempfindlichen Substanzen
erreicht werden kann.
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Auf
der Basis der hier beschriebenen Kriterien kann der Fachmann eine
Auswahl aus den in der Technik bekannten Mischkammern für eine bestimmte
Anwendung treffen. Eine Mischkammer umfasst im Allgemeinen eine
oder mehrere Zuflussöffnungen
für Dampfströme und für Produktströme, in denen
ein Produktstrom gegebenenfalls mit einem Teil des Dampfes vorgemischt
werden kann. Für
die meisten Anwendungen ist es bevorzugt, die Mischkammer so zu
wählen,
dass nur ein Produktstrom mit einem Dampfstrom zerstäubt wird,
da dies die Reinigung der Mischkammer nach der Verwendung vereinfacht.
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Eine
schematische Darstellung einer geeigneten Sprühdüse zur erfindungsgemäßen Pasteurisation oder
Sterilisation ist in 1 gezeigt, in der eine Düse mit Mischkammer
gezeigt ist. Es zeigt sich, dass eine Düse mit Mischkammer sehr effektiv
zur Pasteurisation oder Sterilisation eines Produktes verwendet
werden kann. Eine geeignete Mischkammer ist im Allgemeinen dadurch
gekennzeichnet, dass Dampf und zu behandelndes Produkt gemischt
und zerstäubt
werden, wobei der Volumendurchsatz des Dampfes sehr viel größer ist
als der des zu behandelnden Produktes und die Verweilzeit des zerstäubten Produktes
ausreichend lang ist, um ein gewünschtes
Maß an
Keimabtötung
zu erhalten. Das Volumenverhältnis
zwischen dem Dampfstrom und dem Produktstrom kann im Bereich zwischen
beispielsweise etwa 20 : 1 und 100 : 1 liegen. Es ist wichtig, dass
der Druck in der Mischkammer höher
als in dem Raum ist, in den das pasteurisierte oder sterilisierte
Produkt geleitet wird.
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Die
Form und Größe der Zuflussöffnungen
für den
Dampfstrom (1) und den Strom des Produktes in flüssiger Form
(2) in die Mischkammer und deren wechselseitige Position
werden so gewählt,
dass intensive Vermischung zwischen Produkt und Dampf stattfindet.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Zuflussöffnungen so angeordnet werden
können
(wie in 1 gezeigt), dass der Dampfstrom
und der Produktstrom in die Mischkammer in im Wesentlichen paralleler
Richtung eintreten. Dies kann sowohl in horizontaler, vertikaler
und diagonaler Weise erfolgen. Es ist allerdings auch möglich, dass
der Dampfstrom und der Produktstrom in die Mischkammer in unterschiedlichen
Winkeln eintreten, beispielsweise ein vertikaler Dampfstrom und
ein horizontaler Produktstrom. Die Zuflussöffnungen sind weiterhin so
angeordnet, dass das Produkt in kleine Tröpfchen zerstäubt wird,
die nach einer kurzen Verweilzeit in der Mischkammer (4)
die Mischkammer durch eine Ausflussöffnung (5) verlassen,
beispielsweise zu einer Trocknungskammer (6). Die Zuflussöffnung(en)
für den Dampfstrom
enthalten bevorzugt eine Dampfverteilungsplatte (3). Durch
Veränderung
der Abmessungen der Mischkammer und/oder der Ausflussöffnung(en)
in der dem Fachmann bekannten Weise können die durchschnittliche
Verweilzeit und Teilchengröße der zerstäubten Tröpfchen variiert
werden.
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Das
Mischen wird bevorzugt durchgeführt,
indem der Produktstrom und der Dampfstrom nahe der Zuflussöffnung des
Produktes in der Mischkammer kontaktiert werden und der Dampf mit
hoher Geschwindigkeit um das Produkt herum gebracht wird, das dabei
in kleine Tröpfchen
aufgebrochen wird. In einer bevorzugten Ausführungsform findet solches Mischen
statt, indem der Dampf in die Nähe
des Produkts konzentrisch um die Zuflussöffnung des Produkts in die
Mischkammer gebracht wird. Das Verhältnis von Produktstrom zu Dampfstrom
kann in einem Verhältnis
von 1,6–10
kg Produkt in flüssiger
Form pro kg Dampf variiert werden. Sehr gute Resultate werden zudem
bei einem Verhältnis
von feuchtem Produktstrom zu Dampfstrom von 1,75–7 kg Produkt in flüssiger Form
pro kg Dampf erzielt. Im Falle eines Verfahrens, bei dem eine Mischung
pasteurisiert wird, die einen Feststoff oder einen Stoff, der sich
beim Trocknen verfestigen kann (beispielsweise eine Dispersion),
umfasst, wird der Dampf bevorzugt mit dem zu pasteurisierenden oder
sterilisierenden Produkt in einem Verhältnis von Produkt zu Dampf
von etwa 0,7–6,5
kg Feststoff pro kg Dampf gemischt. Bezüglich Volumenströmen weicht
das Volumenverhältnis,
abhängig
von der Temperatur und dem vorherrschenden Druck, stark von dem
Massenverhältnis
ab.
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Prinzipiell
ist ein beliebiger Typ Mischkammer geeignet, in dem Dampf und Produkt
gemischt und zerstäubt
werden können.
Zum erfindungsgemäßen Mischen
und Zerstäuben
einer Produkt-Dampf-Mischung sehr
geeignet ist eine Düse
wie eine Düse
vom "Zwei-Flüssigkeiten"-Typ, für die ein
Beispiel in EP-B-0
438 783 (siehe 1 von EP-B-0 438 783) beschrieben
ist. Diese Düse
enthält
eine kleine Kammer am Ende einer Produktanlage, in der Dampf und
Produkt kombiniert werden. Um die Pasteurisations- oder Sterilisierungs-Kapazität zu erhöhen, können mehrere
Düsen in
einer parallelen Anordnung verwendet werden.
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Die
Temperatur des zugeführten
gesättigten
oder überhitzten
Dampfes in einem erfindungsgemäßen Verfahren
liegt bevorzugt im Bereich von 120–250°C, und besonders bevorzugt zwischen
140°C und
200°C. Im
Allgemeinen wird die Temperatur der Mischkammer durch den Dampf
auf dem gewünschten
Niveau gehalten, obwohl es auch möglich ist, dass die Mischkammer
selbst durch eine andere Wärmequelle
geheizt wird.
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Gute
Resultate werden erzielt, wenn der Dampf in die Mischkammer bei
einem Dampfdruck von 3–20 bar
eingebracht wird, und insbesondere bei einem Dampfdruck von 5–15 bar
in Mischkammern mit etwa 1–20 cm
Länge.
Dieser Druck wird bevorzugt gemessen, unmittelbar bevor der Dampf über eine
Sprühdüse in die Mischkammer
eingebracht wird.
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Eine
geeignete Verweilzeit in der Mischkammer liegt – abhängig von der Temperatur, dem
Produkt und der benötigten
Verminderung der Keimzahl – im
Bereich von 0,2–20
ms und bevorzugt zwischen 1 und 10 ms. Die Temperaturen des Dampfstroms
und die Verweilzeit in der Mischkammer werden so gewählt, dass
ein gewünschtes
Maß an
Abtötung
von Mikroorganismen erfolgt. Die oben genannten Bereiche für die Temperatur, Verweilzeit
und andere Bedingungen sind zur Pasteurisation, aber auch zur Sterilisation
geeignet.
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Das
Maß an
Abtötung
von Mikroorganismen kann als dezimale Verminderung ausgedrückt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform
zur Herstellung eines pasteurisierten Produkts beträgt die dezimale
Verminderung mindestens 2, was eine Vermin derung der Zahl der Mikroorganismen
um einen Faktor von 100 bedeutet. Besonders bevorzugt beträgt die dezimale
Verminderung mindestens 2,4, noch weiter bevorzugt 2,6 oder mehr.
Zur Sterilisation eines bestimmten Produkts wird eine höhere Temperatur
und/oder längere
Verweilzeit eingestellt als zur Pasteurisation eines ähnlichen
Produkts, um einen höheres
Maß an
Keimabtötung
zu erzielen. Bevorzugt führt
die Sterilisation zu einer dezimalen Verminderung der Zahl der Keime
von mindestens 5 oder sogar 7 oder mehr.
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Die
Erfindung ist nicht nur geeignet für Produkte mit geringer Viskosität, sondern
auch insbesondere zur Behandlung von Produktströmen mit einer hohen Viskosität bis mehr
als 0,5 Pas oder sogar 1 Pas oder höher. Viskosität bezeichnet
hier die dynamische Viskosität
des Produktstroms unter den während
des Verfahrens herrschenden Bedingungen.
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Darüber hinaus
ist es ein besonderer Aspekt der Erfindung, dass der Feststoffgehalt
in der das Produkt umfassenden flüssigen Form hoch sein kann,
ohne dass Verschmutungsprobleme, wie Blockierung, auftreten. Der
Feststoffgehalt des Stroms, der das Produkt umfasst und pasteurisiert
oder sterilisiert werden soll, beträgt mehr als 45 Gew.-%, beispielsweise
für ein
Proteine, Kohlenhydrate und/oder Fette umfassendes Produkt. Ein Feststoffgehalt
des Produkts in flüssiger
Form von mindestens 53 Gew.-% ist besonders bevorzugt. Weil es möglich ist,
ein Produkt in flüssiger
Form mit einem hohen Feststoffgehalt zu behandeln, erweist es sich,
dass mit einem erfindungsgemäßen Verfahren
Energie eingespart werden kann. Darüber hinaus ist dadurch eine mildere,
bevorzugt kürzere
Wärmebehandlung
ausreichend, so dass wärmeempfindliche
Komponenten besser intakt bleiben.
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Für eine besonders
schnelle Abkühlung
beispielsweise einer Flüssigkeit
kann das flüssige
Produkt nach der Abtötung
von Mikroorganismen in eine Kühlvorrichtung
eingespeist werden. Zu diesem Zweck ist ein Expansionsgefäß (Flashsystem)
sehr geeignet. Die schnelle Abkühlung
verstärkt
eine wirksame Pasteurisation oder Sterilisation und Konservierung
von (Aktivität
von) wärmeempfindlichen
Stoffen. Darüber
hinaus kann das resultierende Produkt durch einen Wärmetauscher
hindurchgeführt
werden, wenn dies gewünscht
ist.
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Weiterhin
erweist es sich, dass ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Pasteurisation
oder Sterilisation eines Produktes hervorragend mit weiterer Verarbeitung
eines pasteurisierten oder sterilisierten Produktes, wie beispielsweise
Trocknung, kombiniert werden kann. Somit erweist es sich, dass ein
ein oder mehrere Feststoffe enthaltendes pasteurisiertes oder sterilisiertes
Produkt in einer flüssigen
Form durch Sprühtrocknen
sehr effizient in einem Schritt getrocknet werden kann, um ein Pulver
zu erhalten. Produkte mit einem hohen Feststoffgehalt können durch
die Erfindung effizient getrocknet werden, vorausgesetzt das Produkt
hat eine geeignete Viskosität,
um fließfähig und
zur Zerstäubung
geeignet zu sein. Solche geeigneten Viskositäten sind dem Fachmann bekannt
oder können
leicht empirisch bestimmt werden. Sehr gute Resultate werden mit
Produkten erzielt, die eine Viskosität im Bereich von 0,04 Pas bis
1 Pas aufweisen, insbesondere mit Produkten, die eine Viskosität im Bereich
von 0,05 bis 0,7 Pas aufweisen.
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In
einem Verfahren zur Herstellung beispielsweise eines ein Protein,
Fett, Kohlenhydrat und/oder ein oder mehrere andere Nährstoffe
enthaltenden Produkts beträgt
der Feststoffgehalt des Produkts in flüssiger Form mehr als 45% und
bevorzugt mindestens 53%.
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Getrocknete
pulverisierte Produkte, wie Nahrungsprodukte, werden bereits in
großem
Maßstab
durch Sprühtrocknung
hergestellt. Sprühtrocknung
erfolgt häufig,
indem eine Lösung
eines zu trocknenden Produktes in einen Raum eingespeist wird, häufig als
ein Sprühnebel,
wonach das Lösungsmittel
bei erhöhten
Temperaturen verdampft wird. Zur Verdampfung wird meistens heiße (trockene)
Luft verwendet, die in großen
Mengen in den Trocknungsraum eingeblasen wird. Ein solches Verfahren
ist beispielsweise aus
EP 0 043
693 bekannt, in der sogenannte Mehr-Flüssigkeiten-Düsen zum
Sprühen
einer viskosen Flüssigkeit,
insbesondere Molassen, für
Tierfutter beschrieben werden. Ein Nachteil eines solchen Verfahrens
ist, dass häufig
komprimierte trockene Luft zugemischt werden muss. Dies erfordert
spezielle teure Vorrichtungen, um eine ausreichende Menge steriler
Luft zu produzieren. Aus diesem Grund wird ein solches Prinzip beispielsweise
in der Molkereiindustrie nicht häufig
verwendet.
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EP-B-0
438 783 beschreibt eine Zwei-Flüssigkeiten-Düse, durch
die eine Menge an Dampf und Stärke in
Wasser hindurchgeführt
wird, wobei beim Sprühen
unter den richtigen Bedingungen die Stärke in einem wesentlichen Maße gelatiniert
werden kann, wonach die Stärke
getrocknet wird.
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Die
erfindungsgemäße Kombination
von Pasteurisation oder Sterilisation und Trocknung hat prozessökonomische,
aber auch qualitative Vorteile. In einer konventionellen Prozessführung, in
der ein Pasteurisierungs-/Sterilisations-Gerät und ein Trocknungsgerät gesondert
verwendet werden, tritt häufig
eine Verschmutzung des Wärmetauschers
des Trocknungsgeräts
durch Denaturierung von aktiven Substanzen auf. Dieses Phänomen ist
im Wesentlichen vollständig
ausgeschlossen in einer kombinierten Pasteurisations-/Sterilisations-
und Trocknungs-Behandlung.
Es ist daher in einer erfindungsgemäßen kombinierten Pasteurisations-/Sterilisations-
und Trocknungs-Behandlung bevorzugt, dass die in einer erfindungsgemäßen Pasteurisations-/Sterilisations-Düse ausgeführte Pasteurisation
oder Sterilisation im Wesentlichen der einzige Pasteurisations- oder Sterilisationsschritt
in der ganzen Produktherstellung ist.
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Das
pasteurisierte oder sterilisierte Produkt kann konventionell getrocknet
werden, wie in einem Wirbelschicht-Trocknungs-Gerät, aber es hat sich auch als
möglich
erwiesen, dass die zerstäubte
pasteurisierte oder sterilisierte Dampf-Produkt-Mischung direkt in eine Dampf-Trocknungskammer
eingesprüht
wird. Das Produkt kann darin mit überhitztem Dampf anstelle von
mit trockener Luft getrocknet werden. Dieses Verfahren wird als
Dampftrocknung bezeichnet. Es hat sich herausgestellt, dass eine
sehr günstige
Prozessführung
erhalten wird, wenn eine erfindungsgemäße Pasteurisations-/Sterilisations-Düse mit einem
Dampftrocknungsgerät
kombiniert wird.
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Bevorzugt
erfolgt dies in solcher Weise, dass im Hinblick auf den verwendeten
Dampf ein im Wesentlichen geschlossenes System erhalten wird. Dies
bedeutet, dass (ein Teil des) verwendeten Dampfs rezirkuliert wird.
Der Teil des Dampfes, der während
des Prozesses kondensiert, wird im Allgemeinen aus dem Dampftrocknungsgerät abgelassen.
Der überhitzte
Dampf wird durch die Trocknungskammer geführt und stellt sicher, dass
Wasser aus dem Produkt verdampft. Nach Verlassen der Trocknungskammer
kann der Dampf (mit dem von dem Produkt kommenden Dampf) wieder
komprimiert und zu dem gewünschten
Grad von Überhitzung aufgeheizt
werden, und der resultierende überhitzte
Dampf kann zu der Trocknungskammer zurückgeführt werden, bevorzugt an einer
Stelle in der direkten Umgebung der Pasteurisations-/Steriliations-Düse. Infolgedessen
ist die benötigte
Trocknungsenergie viel niedriger, als wenn konventionell mit trockener
Luft getrocknet wird, die nicht so leicht wiederverwendet werden
kann. Die Trocknungsbedingungen werden in Abhängigkeit von dem Produkt gewählt. Es
wird davon ausgegangen, dass Fachleute eine geeignete Optimierung
auf Grundlage ihrer normalen Fachkenntnis erreichen. In den meisten
Fällen
liegt die Temperatur im Bereich zwischen 150 und 500°C.
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Es
mag klar sein, dass die Qualität
des eingebrachten Dampfes in Übereinstimmung
mit der benötigten
Qualität
des zu trocknenden Produktes sein muss. Zur Dampftrocknung beispielsweise
eines Nahrungsmittels muss der eingebrachte Dampf Lebensmittelqualität haben
und somit im Wesentlichen frei von Mineralöl, Feuchtigkeitströpfchen,
Mikroorganismen und Schmutz sein.
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Die
erfindungsgemäße Dampftrocknung
hat den zusätzlichen
Vorteil, dass wegen der Tatsache, dass Dampf schon in die Mischkammer
der Düse
eingebracht wird, Zerstäubung
und Pasteurisation oder Sterilisation gleichzeitig stattfinden und
in einem im Wesentlichen geschlossenen System der überschüssige Dampf zur
Zerstäubung
wiederverwendet werden kann. Andererseits erweist es sich auch,
dass ein solches Dampftrocknungsverfahren sehr geeignet ist zur
Dampftrocknung eines Produkts in flüssiger Form, das unter Beimischung
von Dampf in der Mischkammer zerstäubt und in eine Dampftrocknungskammer
gesprüht
und mit überhitztem
Dampf getrocknet wird. Bevorzugt wird der von der Trocknungskammer
kommende Dampf wiederverwendet, nachdem er wieder überhitzt
worden ist.
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Gegebenenfalls
kann ein durch Trocknung teilweise getrocknetes Produkt in konventioneller
Weise bis zu einem niedrigeren Feuchtigkeitsgehalt weitergetrocknet
werden, wie beispielsweise mit einem Wirbelbett-Trocknungsgerät.
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Die
Kombination von Pasteurisation oder Sterilisation und Dampftrocknung
oder konventioneller Sprühtrocknung
kann hervorragend unter Verwendung einer oben beschriebenen Düse, wie
beispielsweise in 1 gezeigt, ausgeführt werden.
Für eine
bestmögliche
Zerstäubung
in der Trocknungskammer verengt sich bevorzugt die Ausflussöffnung konisch.
In einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Durchmesser am Ende der Ausflussöffnung maximal 6 mm, beispielsweise
etwa 4 bis 5 mm oder noch kleiner. Wenn eine größere Durchtrittskapazität gewünscht ist,
besteht die Möglichkeit,
eine Anzahl von Düsen
parallel zueinander zu verwenden.
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Darüber hinaus
hat es sich erwiesen, dass in einem erfindungsgemäß getrockneten
Pulver kaum unerwünschte
organoleptische Veränderungen
bewirkt worden sind, sofern sie überhaupt
bewirkt worden sind, und dass ein erfindungsgemäß getrocknetes Pulver eine
ausreichende Löslichkeit
für verschiedene
Anwendungen aufweist. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist somit geeignet
zur Herstellung eines ohne Gesundheitsrisiken verzehrbaren Produkts,
gegebenenfalls nach Wiederherstellung (reconstitution) in einer
geeigneten Flüssigkeit.
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Ferner
kann die Erfindung zur Herstellung von Verzehrprodukten oder anderen
pulverförmigen
Produkten verwendet werden, die neben wärmeempfindlichen Komponenten
auch Stärke
und viele andere Nahrungsmittelbestandteile enthalten. In Verfahren
gemäß dem Stand
der Technik werden diese Produkte oft durch Auflösen aller gewünschten
Komponenten hergestellt, wobei prä-gelatinierte Stärke als Stärkequelle gewählt wird.
Dies hat den Nachteil, dass die Stärke in einem separaten Verfahrensschritt
prä-gelatiniert
werden muss, was das Risiko mikrobiologischer Infektion erhöht.
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Es
hat sich nun herausgestellt, dass darüber hinaus durch Verwendung
eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
bei dem Keime abgetötet
werden und die Aktivität
von wärmeempfindlichen
Stoffen, sofern vorhanden, konserviert werden kann, native Stärke in einem
Produkt mit vielen Nahrungsmittelbestandteilen zu einem wesentlichen
Grad gelatiniert werden kann, so dass das Produkt zum menschlichen
Verzehr geeignet wird. Es hat sich herausgestellt, dass ein solches
erfindungsgemäß hergestelltes
pasteurisiertes oder sterilisiertes und gegebenenfalls getrocknetes
Produkt eine geeignete mikrobiologische Qualität aufweist. Es hat sich nach Überprüfung eines
Produktes auch herausgestellt, dass während erfindungsgemäßer Trocknung
viel weniger unerwünschte
Reaktionen wie übermäßige Polymerisation,
Oxidation, Reduktion, reversible Denaturierung und dergleichen stattfinden
als bei Verwendung konventioneller Techniken. Soweit während der
Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens
Denaturierung und/oder Polymerisation stattfinden, ist dies in einem
viel geringeren Ausmaß der
Fall als bei einem konventionellen Verfahren für ein ähnliches Produkt, bei dem eine ähnliche
dezimale Verminderung der Keimzahl erreicht wird. Darüber hinaus
ist in einer bevorzugten Ausführungsform
die möglicherweise
auftretende Denaturierung zu einem wesentlichen Teil reversibel,
oder es erfolgt zumindest eine weniger irreversible Denaturierung
als in einem konventionellen Verfahren.
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Mit
einem erfindungsgemäßen Verfahren
kann ein Produkt mit einem relativ sehr guten Benetzbarkeits- und
Löslichkeitsverhalten
erhalten werden. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht ein erfindungsgemäß erhaltenes
trockenes pulverförmiges
Produkt aus kleinen Teilchen mit einem durchschnittlichen Durchmesser
von nicht mehr als 60 μm,
was weniger ist als die durchschnittliche Teilchengröße bei Verwendung
konventioneller Sprühtrocknungsmethoden,
bei denen der Durchmesser meistens mehr als 100 μm beträgt. Diese kleinen Teilchen
werden auch als Primärteilchen
bezeichnet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist es möglich, ein
pulverförmiges
Produkt zu erhalten, dessen Primärteilchen
eine durchschnittliche Größe im Bereich
von 10–60 μm aufweisen.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform haben die Primärteilchen
eine durchschnittliche Größe von 20–50 μm. Der gewünschte Durchmesser
hängt von
der Natur des Produkts ab und kann, wenn gewünscht, auch kleiner oder größer sein.
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Diese
Primärteilchen
können
gebildet werden, indem die Bedingungen so ausgewählt werden, dass während der
Zerstäubung
kleine Tröpfchen
gebildet werden, beispielsweise durch einen hohen Druck in der Mischkammer,
der auf verschiedene Weisen realisiert werden kann, wie durch ein
hohes Dampfstrom/Produktstrom-Verhältnis und/oder einen kleinen
Durchmesser der Ausflussöffnung.
Kleine Tröpfchen
werden nach Verlassen der Mischkammer durch die Sprühdüse schnell
getrocknet, wobei es sich zeigt, dass eine schnelle Abkühlung der
Tröpfchen
stattfindet, was ein wichtiger Vorteil zur Erreichung der bestmöglichen
mikrobiologischen Qualität
des Produktes ist.
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Die
Primärpulverteilchen
in einem erfindungsgemäß erhaltenen
Produkt können
während
der Trocknung für
die Erfindung charakteristische Agglomerate bilden. Durch die Bildung
solcher Agglomerate kann die Löslichkeit
eines Produkts verbessert werden. Die Bildung von Agglomeraten in
einem erfindungsgemäßen Verfahren
kann stimuliert werden, indem die Sprühtrocknung in einem Gerät durchgeführt wird,
bei dem die Ausflussöffnungen
einer Anzahl von Düsen
aufeinander ausgerichtet sind, so dass sich die ausströmenden Sprühnebel vermischen.
Eine solche Technik wird auch als InterSpray Mixing bezeichnet,
bei dem mindestens ein Teil der primären Produktteilchen agglomerieren.
In einer besonderen Ausführungsform
davon wird ein eine doppelwandige Röhre umfassendes Gerät verwendet,
bei dem sich die Sprühnebel
von der inneren. und äußeren Röhre vermischen.
In der zentralen inneren Röhre
erfolgt erfindungsgemäßes Sprühen. Durch
die äußere Röhre können Teilchen
zu einem zweiten Strom hinzugefügt
werden, wobei eine intensive Vermischung auftritt.
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Es
hat sich herausgestellt, dass die Agglomeration durch Verwendung
einer Anzahl von erfindungsgemäßen Düsen besser
fortschreitet als in einem konventionellen Trocknungsverfahren mit
Hochdruckdüsen. Ohne
die Erfindung darauf zu beschränken,
wird davon ausgegangen, dass dies wahrscheinlich auch an der Art
der auftretenden Zerstäubung
liegt, bei der die Zerstäubung
auch in dem Mischungsbereich stattfindet, in dem Dampf/Produkt-Sprühnebel von
verschiedenen Düsen
aufeinandertreffen. Ferner bleiben im Vergleich zu Trocknung durch
heiße
Luft in einer bevorzugten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Dampftrocknungsverfahrens
kleine Teilchen aufgrund des vorhandenen Dampfes auf der Außenseite
relativ feucht, was zu einer gewissen Klebrigkeit führen kann,
so dass die kollidierenden Produktteilchen agglomerieren.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
werden die agglomerierten Teilchen von den nicht-agglomerierten
und kleinen Teilchen getrennt. Es hat sich jetzt herausgestellt,
dass zu diesem Zweck beispielsweise ein konventioneller Zyklon geeignet
ist. Die nicht-agglomerierten Teilchen können dann in einer bevorzugten
Ausführungsform über eine
oder mehrere Düsen
zu einer Dampftrocknungskammer zurückgeführt werden und noch mit anderen
Teilchen agglomerieren.
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Die
Agglomerate werden bevorzugt aus den Primärteilchen gebildet. Abhängig von
dem Produkt und den Verfahrensparametern kann die Größe der Agglomerate
eingestellt werden. In der Regel ist es vorteilhaft, Agglomerate
mit der größtmöglichen
Größe zu realisieren.
Die Größe der Agglomerate
kann bis zu 200 μm oder
mehr betragen.
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Die
Erfindung wird jetzt unter Bezug auf einige Beispiele weiter illustriert.
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Beispiel 1
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Ein
Produkt mit der folgenden Zusammensetzung wurde durch Pasteurisieren
und Zerstäuben
einer Aufschlämmung
mit einer Zwei-Flüssigkeiten-Düse (siehe
1)
mit innerer Pasteurisierungskammer hergestellt. Dann wurde das zerstäubte Produkt
in einem Sprühturm
getrocknet. Zusammensetzung
(Gew.-% auf Basis von Feststoffen)
Fette | 33,4% |
Proteine | 23,6% |
davon:
Molke
Casein | 18,9%
4,4% |
Kohlenhydrate
(Lactose) | 35,0% |
Vitamine & Mineralstoffe | 8,0% |
Verfahrensbedingungen
Feststoffgehalt
Aufschlämmung | 55% |
Temperatur
Aufschlämmung | 60°C |
Dampfdruck | 14
bar |
Produktdurchsatz | 250
kg/h |
Volumen
Pasteurisationskammer | 17
ml |
Ausflussöffnung Düse | 5
mm |
Verfahrensqualität
Aerobe
Keimzahl Aufschlämmung
bei 30°C | 80.000/g |
Aerobe
Keimzahl Produkt bei 30°C | < 200/g (nach Trocknung) |
Feuchtigkeitsgehalt
Produkt | < 4% (nach Trocknung) |
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Beispiel 2
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Ein
Produkt mit der folgenden Zusammensetzung wurde durch Pasteurisieren
und Zerstäuben
einer Aufschlämmung
mit einer Zwei-Flüssigkeiten-Düse (siehe
1)
mit innerer Pasteurisierungskammer hergestellt. Dann wurde das zerstäubte Produkt
in einem Sprühturm
getrocknet. Zusammensetzung
(Gew.-% auf Basis von Feststoffen)
Fette | 27,4% |
Proteine | 11,6% |
davon:
Molke
Casein | 9,3%
2,3% |
Kohlenhydrate | 54,2% |
davon:
Lactose
Glucose
Polysaccharide
Stärke | 34,8%
0,1%
6,3%
13,0% |
Vitamine & Mineralstoffe | 6,8% |
Verfahrensbedingungen
Feststoffgehalt
Aufschlämmung | 50% |
Temperatur
Aufschlämmung | 63°C |
Dampfdruck | 12
bar |
Produktdurchsatz | 230
kg/h |
Volumen
Pasteurisationskammer | 20
ml |
Ausflussöffnung Düse | 6
mm |
Verfahrensqualität
Aerobe
Keimzahl Aufschlämmung
bei 30°C | 35.000/g |
Aerobe
Keimzahl Produkt bei 30°C | < 200/g (nach Trocknung) |
Feuchtigkeitsgehalt
Produkt | < 4% (nach Trocknung) |