DE69005261T2

DE69005261T2 - Verfahren zur Herstellung von konzentrierten Nahrungsflüssigkeiten.

Info

Publication number: DE69005261T2
Application number: DE90202524T
Authority: DE
Inventors: Jacobus Petrus Roodenrijs
Original assignee: Niro Process Technology BV
Current assignee: Niro Process Technology BV
Priority date: 1989-10-23
Filing date: 1990-09-24
Publication date: 1994-03-31
Anticipated expiration: 2010-09-25
Also published as: NL8902621A; EP0424999A1; CA2028298A1; JPH03160975A; US5137739A; ZA908127B; BR9005289A; KR910007458A; EP0424999B1; ATE98503T1; DE69005261D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gefrierkonzentrieren von Nahrungsflüssigkeiten, wie beispielsweise Fruchtsäften, Kaffee-Extrakt, Bier und dergleichen, wobei die zu behandelnde Substanz durch einen mehrstufigen Gefrierkonzentrierer gefördert wird. Ein derartiges Verfahren ist aus der EP-B-0 151 340 derselben Anmelder bekannt, welche eine andere Entwicklung der US-A-4 004 886 zeigt, in welcher ein einstufiges Verfahren gezeigt ist.
Es gibt zahlreiche Grunde zum Konzentrieren von Fruchtsäften, Kaffee-Extrakt, Bier, Milch, Essig und anderen Lebensmittelflüssigkeiten. Zu diesen Gründen gehören eine bessere Lagerstabilität und Einsparungen bei den Transport- und Lagerkosten.
Wird die Konzentrierung als Vorstufe von Verfahren wie beispielsweise dem Gefriertrocknen ausgeführt, so ist der Zweck des Konzentrierens allgemein eine Verringerung der Kapitalinvestitionskosten sowie eine Einsparung bei Energiekosten.
Für das Konzentrieren sind verschiedene Vorgehensweisen verfügbar, beispielsweise Verdampfung, Membrantrennung, und Gefrierkonzentrieren. Jede dieser Vorgehensweisen weist infolge ihrer charakteristischen Merkmale ihr eigenes Einsatzfeld auf. Gefrierkonzentrieren kann als das Verfahren charakterisiert werden, welches die höchste Produktqualität ergibt, da es bei niedrigen Temperaturen stattfindet, weswegen keine thermische Zersetzung auftreten kann, und da das Verfahren in einem geschlossenen, unter Druck stehenden System ausgeführt wird, in welchem keine Verluste an Geschmack und Aroma sowie keine Oxidierung auftreten.
Wird die Gefrierkonzentration eingesetzt, so wird der maximal erzielbare Konzentrationspegel durch die Viskosität des Konzentrats bestimmt.
Typische Werte für Konzentrationspegel betragen 50 Gew-% für Fruchtsäfte, 40 Gew-% für Kaffee-Extrakt, und 45 Gew-% für Milchprodukte. Es wäre sehr wesentlich für den Fruchtsafteinsatz, wenn der maximale Konzentrationspegel auf 55 Gew-% erhöht werden könnte, nämlich die Minimalkonzentration für Massengutumschlag.
Tabelle 1 zeigt die Wirkungen auf die Lager- und Transportkosten, wenn eine Änderung von einer Trommelverpackung zum Massengutumschlag erfolgt. Tabelle 1 Lager- und Transportkosten für Fruchtsäfte mit einer Konzentration von 65 Gew-%, ausgedrückt in Gulden/Feststofftonnen Trommel Massengut Kosten der Trommeln Verpackungskosten Lagerkosten Materialtransport zum und vom Lagerraum empfangsseitige Feststoffverluste Transportkosen, beispielsweise von Brasilien in die USA Summe
Ein höherer Konzentrationspegel ist auch beim Einsatz bei Kaffee-Extrakten vorteilhaft. Hier besteht der Hauptgrund in der Erhöhung der Beibehaltung des Aromas in der Trocknungsstufe, die nach der Gefrierkonzentration erfolgt, wenn die Konzentration des Zufuhrgutes zu dieser Stufe erhöht wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, welches ein gefrierkonzentriertes Produkt mit zumindest 55 Gew-% für Fruchtsäfte und 50 Gew-% für Kaffee-Extrakt liefert.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Produkts mit hoher Viskosität mittels Gefrierkonzentration.
Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erzielt, daß die zu behandelnde Substanz von der Gefrierkonzentrierungsstufe mit der höchsten Konzentration zu einem Modul befördert wird, in welchem die Viskosität durch Schlammkonzentration erhöht wird.
Das Modul weist zwei Basisabschnitte auf, nämlich einen Abschnitt, in welchem das Wasser in der Flüssigkeit kristallisiert wird, wobei bei diesem Vorgang Eiskristalle mit 5 bis 100 um erzeugt werden, sowie einen Abschnitt, in welchem der Schlamm verdickt wird, und der Schlamm mit Hilfe einer Zentrifuge von dem Kristallisierungsabschnitt in einen Strom konzentrierten Eises und einen Produktstrom aufgeteilt wird, nämlich die Mutterflüssigkeit.
Gemäß der Erfindung werden daher zwei unterschiedliche Kristallisations- und Trenntechnologien kombiniert. Eine Situation mit hoher Konzentration bedeutet eine hohe Viskosität des Endproduktes.
Fig. 1 der Anmeldung zeigt ein Viskositätsdiagramm für Kaffee-Extrakt und für Orangensaft. Kommerziell erhältliche Gefrierkonzentrierer erzeugen ein Produkt im Bereich von 30 bis 100 Centistoke. Die Erfindung kann Produkte erheblich höherer Viskositäten erzeugen, insbesondere zwischen 100 und 500 Centistoke (1 Centistoke beträgt 10&supmin;&sup6; m² /sek).
Eine höhere Viskosität beeinflußt den Gefrierkonzentrator auf verschiedene Weisen:
Sie verringert die Wärmeübertragung in den Dünnschicht-Wärmetauschern, wodurch deren Wirkungsgrad sinkt;
sie erhöht den Energieverbrauch der verschiedenen Rührer, Pumpen und dergleichen;
sie verzögert das Kristallwachstum.
Die geringe mittlere Kristallgröße zusammen mit der hohen Viskosität der Flüssigkeit, begrenzt momentan die maximal erhältliche Konzentration, da sie die Filter in dem Reifungstank eines konventionellen Gefrierkonzentrierers blockiert.
Die Filter in dem Reifungstank eines konventionellen Gefrierkonzentrierers dienen zwei Funktionen: Sie stellen sicher, daß der keine Kristalle aufweisende Flüssigkeitsstrom über den Dünnschichtwärmetauscher zirkuliert, und sie sind dafür erforderlich, einen keine Kristalle aufweisenden Produktstrom abzuziehen. Für den letztgenannten Zweck verwendet die Erfindung eine Zentrifuge, wogegen das Kristallisationssystem so geändert wurde, daß eine Schlammkristallisation verwendet wird, wodurch es nicht mehr nötig ist, die keine Kristalle aufweisende Flüssigkeit über die Wärmetauscher zirkulieren zu lassen.
Obwohl die mittlere Kristallgröße sich wesentlich verringert, wenn Schlammkristallisation eingesetzt wird, anstelle einer getrennten Kernbildung und einer Wachstumskristallisation (vergleiche Tabelle 2), werden diese Nachteile durch den Vorteil überwogen, daß keine Filter verwendet werden. Tabelle 2 Wirkung des Kristallisationssystems auf die mittlere Kristallgröße für eine Zuckerlösung mit 50 Gew-% (130 Centistokes) Verfahren mittlere Größe Getrennte Kernbildung und Wachstum Schlammkristallisation
Die Erfindung wird nachstehend mit mehr Einzelheiten unter Bezug auf die Zeichnung erläutert, wobei:
Fig. 1 die Beziehung zwischen der Viskosität von Fruchtsaft und Kaffee-Extrakt am Gefrierpunkt zeigt, in Abhängigkeit vom Gewichtsprozentsatz;
Fig. 2 ein Flußdiagramm der höchsten Konzentrationsstufe eines konventionellen mehrstufigen Gefrierkonzentrierers ist;
Fig. 3 die Kombination dieses Konzentrierers mit dem Modul gemäß der Erfindung zeigt; und
Fig. 4 eine doppelstufige Ausführungsform des Moduls von Fig. 3 zeigt.
Fig. 2 zeigt einen konventionellen Gefrierkonzentrierer, der einen Reifungstank 1 aufweist, welcher ein bewegliches Mischelement 2 und ein Filter 3 enthält. Mit dem Filter 3 ist ein Rohr 4 verbunden, in welchem eine Pumpe 5 angeordnet ist, die mit einem Dünnschichtwärmetauscher 6 verbunden ist. Ein Rohr 7 verläuft von dem Wärmetauscher 6 zu dem Reifungstank 1.
Ein Rohr 8, in welchem eine Pumpe 9 angeordnet ist, erstreckt sich von dem Rohr 4 aus. Bei einem konventionellen Gefrierkonzentrierer wird das konzentrierte Produkt durch dieses Rohr 8 und die Pumpe 9 ausgestoßen.
Ein Rohr 10, welches eine Pumpe 11 enthält, ist mit dem Reifungstank 1 verbunden. Dieses Rohr 10 ist an eine untere Stufe des Gefrierkonzentrierers angeschlossen und gibt das Eis an diese untere Stufe ab.
Eine derartige Vorrichtung ist im einzelnen in der EP-B-0 051 340 beschrieben.
Der linke Teil von Fig. 3 entspricht vollständig Fig. 2, und es werden dieselben Bezugsziffern verwendet. Gemäß der Erfindung ist ein Modul, in welchem die Viskosität des Produktes erhöht wird, stromabwärts der Konzentriererstufe mit der höchsten Konzentration gemäß Fig. 2 angeordnet.
Dieses Modul ist im rechten Abschnitt von Fig. 3 dargestellt.
Dieses Modul weist einen Reifungstank 12 mit einem beweglichen Element 13 auf. Das Filter ist nunmer weggelassen. Ein Rohr 14 ist über eine Pumpe 15 mit einem Dünnschicht-Wärmetauscher 16 verbunden, der über ein weiteres Rohr 17 an den Reifungstank 12 angeschlossen ist. Ein Rohr 18 enthält eine Pumpe 19 und führt zu einer Zentrifuge 20. Rohre 21 und 22, die an einen Tank 23 bzw. 24 angeschlossen sind, stellen eine Verbindung zur Zentrifuge 20 her. Der Tank 23 dient zur Aufnahme eines verdickten Eisschlammes, und der Tank 24 dient zur Aufnahme des keine Kristalle aufweisenden Produktes. An den Tank 24 ist ein Rohr 25 angeschlossen, welches eine Pumpe 26 enthält, die das keine Kristalle aufweisende Produkt, die Mutterflüssigkeit, aus der Vorrichtung ausstößt.
An den Tank 23 ist ein Rohr 27 mit einer Pumpe 28 angeschlossen, welche den Eisschlamm über ein Rohr 29 zurück zu dem Reifungstank 1 bringt. Die Pumpbarkeit des Eisschlamms kann durch Zumischung von Flüssigkeit vom Tank 1 zum Tank 23 verbessert werden.
Die Zentrifuge 20 ist mit einem (nicht dargestellten) Kühlsystem versehen, um die Reibungswärme aufzunehmen, und um zu verhindern, daß die Produktkonzentration durch Verdünnung mit geschmolzenem Eis verringert wird.
Die Tanks 23 und 24 und auch die Zentrifuge 20 selbst werden mit einer Stickstoffatmosphäre beaufschlagt, um eine Oxidierung des Produkts sowie einen Verlust von Aroma und Geschmack zu verhindern.
Wie bereits erwähnt, wird der verdickte Schlammstrom durch das Rohr 29 zurück zur höchsten Stufe des Gefrierkonzentrierers transportiert. Manchmal ist es nicht hinnehmbar, den gesamten verdickten Schlammstrom zu dieser Stufe zurückzubefördern. In diesem Fall kann der verdickte Schlamm zu einer der niedriger konzentrierten Stufen zurückgeführt werden. Manchmal ist es wünschenswert, das Eis zum Teil oder gänzlich zu schmelzen.
Obwohl der Kristallisationsabschnitt des Moduls gemäß der bevorzugten Ausführungsform einen Reifungstank und einen Dünnschicht-Wärmetauscher aufweist, ist es möglich, einen Trommelkristallierer einzusetzen, also einen gut gerührten Dünnschichtwandtank, also tatsächlich eine Kombination eines Reifungstanks mit einem Dünnschicht-Wärmetauscher. Es ist ebenfalls möglich, Dünnschicht-Wärmetauscher ohne einen Reifungstank zu verwenden, was bedeutet, daß das vom Wärmetauscher abgegebene Material dann direkt zur Zentrifuge gelangt. Allerdings stellt die dargestellte Ausführungsform die bevorzugte Ausführungsform dar, da auf diese Weise Kristalle mit besserer Größe erzeugt werden, was erhebliche Wirkungen auf den Trennwirkungsgrad der Zentrifuge hat.
Weist der Gefrierkonzentrierer eine solche Kapazität auf, daß unter Produktionsbedingungen eine sehr große Eismenge erzeugt werden muß, oder wenn die gewünschte Endkonzentration nicht mit einem Modul erreicht werden kann, so ist es vorteilhaft, im Zusammenhang mit der niedrigeren Viskosität, einen Teil des Eises bei einer Konzentration zu erzeugen, die zwischen der Konzentration des normalen Gefrierkonzentrierers und der Konzentration des Endproduktes liegt. Dies findet dann manchmal in zwei Stufen statt, wobei ein derartiger zweistufiger Konzentrierer in Fig. 4 dargestellt ist, in welcher dieselben Bezugsziffern für die erste Stufe verwendet werden, und dieselben Bezugsziffern mit Apostroph für die zweite Stufe verwendet werden.
Wie in Fig. 3 kommt das Rohr 8 von der höchsten Sufe des normalen Gefrierkonzentrierers. Von den Tanks 23 und 23' gelangt der Eisschlamm über die Rohre 29, 29' zum Gefrierkonzentrierer zurück.
Das keine Kristalle aufweisende Produkt wird von dem Tank 24 über ein Rohr 30 der zweiten Stufe zugeführt, welche mit Apostrophen bezeichnet ist. Das keine Kristalle aufweisende Produkt wird von dem Tank 24' über das Rohr 30 ausgestoßen.

BEISPIEL

Dieses Beispiel (siehe Fig. 3) beschreibt ein Modul, welches zusmmen mit einem vorhandenen Gefrierkonzentrierer verwendet wird, der Orangensaft mit 55 Gew-% bei einer Kapazität von mehr als 4 Tonen pro Stunde herstellen kann. Die diesem konventionellen Gefrierkonzentrator zugeführte Zufuhrsubstanz hat 12 Gew-%, und sein Produkt 45 Gew-%, welches die Zufuhrsubstanz für das Hochviskositätsmodul darstellt. Die Flußkodierungen sind eingekreist in Fig. 3 dargestellt. Tabelle 3 gibt die Größe und die Zusammensetzung der Flüsse an.
Ein Strom niedriger Konzentration (100), nämlich die Zufuhr für das Hochviskositätsmodul, tritt in das Modul in dem Zirkulationsrohr über dem Wärmetauscher 16 ein. Die Zufuhrsubstanz wird mit einem geringen Schlammstrom (101) gemischt, bevor sie den Wärmetauscher 16 erreicht. In dem Wärmetauscher wird ausreichend Eis erzeugt, um die gewünschte Produktkonzentration von 55 Gew-% zu erzielen. Die von dem Wärmetauscher 16 abgegebene Menge wird zu dem gut gemischten Reifungstank 12 befördert. Von diesem Reifungstank 12 gelangt die Zufuhrsubstanz über (103) zur Zentrifuge 20, in welcher sie in einen verdickten Schlammstrom (105), der zum üblichen Gefrierkonzentrierer zurückbefördert wird, und einen eisfreien Produktstrom (104), die Mutterflüssigkeit, aufgeteilt wird. Tabelle 3 - Flüsse Bezeichnung Konzentration Gew-% Eiskonzentration Gew-% abgegebene Menge kg/h

Claims

Verfahren zur Gefrierkonzentration von Nahrungsflüssigkeiten wie Fruchtsäften, Kaffee-Extrakten, Bier und dergleichen, bei welchem die zu behandelnde Substanz durch einen Mehrstufen-Gefrierkonzentrierer gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zu behandelnde Substanz von der Gefrierkonzentriererstufe mit der höchsten Konzentration einem Modul zugeführt wird, in welchem die Konzentration und daher die Viskosität durch Schlammkristallisation erhöht wird, und eine teilweise Abtrennung von Mutterflüssigkeit mit Hilfe einer Zentrifuge erzielt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallisation durch einen Dünnschicht-Wärmetauscher, kombiniert mit einem Reifungstank, an welchen die Zentrifuge angeschlossen ist, durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrifuge gekühlt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentrifugiervorgang in einer Stickstoffatmosphäre stattfindet.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallisation in einem Trommelkristallisierer durchgeführt wird, welcher eine Kombination eines Reifungstanks und eines Wärmetauschers ist.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallisierung allein in einem Dünnschicht-Wärmetauscher durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der verdickte Schlamm gänzlich oder teilweise geschmolzen wird, und der Stufe des Konzentrierers zugeführt wird, dessen Konzentration am nächsten an der Konzentration der Schmelze liegt.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Konzentration zumindest zwei in Reihe geschaltete Module eingesetzt werden.