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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Apparat in einem Infusionssystem
für ein
flüssiges
Lebensmittelprodukt, der so ausgeführt ist, daß er einen Autoklav mit einem
konischen Boden beinhaltet, wobei der Autoklav einen Einlaß für das in
seinem oberen Bereich befindliche Produkt hat und der Einlaß so vorgesehen
ist, daß das
in den Autoklav eintretende Produkt in kleine Tröpfchen aufgeteilt wird, wobei
das Infusionssystem weiterhin einen Auslaß für das im unteren Bereich des
Autoklavs befindliche Produkt sowie einen Einlaß für Dampf beinhaltet.
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STAND DER
TECHNIK
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Die
Wärmebehandlung
von Lebensmittelprodukten zur Verlängerung der Lagerbeständigkeit
ist ein bekanntes und häufig
angewendetes Verfahren. Bei den Lebensmittelprodukten kann es sich
beispielsweise um verschiedene Molkereiprodukte, wie z. B. Milch,
Sahne oder Joghurt, handeln. Die Wärmebehandlung kann auf vielerlei
unterschiedliche Arten, entweder direkt oder indirekt, erfolgen.
Zu den indirekten Verfahren zählt
beispielsweise das Erwärmen
unter Verwendung verschiedener Wärmetauscherausführungen.
Die direkten Verfahren umfassen zwei Hauptgruppen, nämlich das
Einspritzen oder die Infusion mit Dampf. Bei Anwendung eines direkten
Verfahrens wird eine extrem rasche Erwärmung erzielt, die heutzutage
anzustreben ist, da, um die Geschmacksqualitäten, beispielsweise bei Milch, zu
verbessern, häufig
die Absicht besteht, das Produkt für eine kurze Zeitspanne auf
höhere
Temperaturen zu erwärmen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Apparat, in dem die Infusionserwärmung zur
Anwendung kommt. Bei der Infusion wird eine feinverteilte Flüssigkeit
in einer Dampfkammer erwärmt.
Das Prinzip, eine Flüssigkeit,
beispielsweise ein flüssiges Lebensmittel,
dadurch zu erwärmen,
daß die
Flüssigkeit
in eine mit Dampf gefüllte
Kammer eingespritzt wird, ist seit den späten Jahren des neunzehnten Jahrhunderts
bekannt.
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Im
Prinzip besteht das Infusionssystem aus einem Autoklav mit einem
konischen Boden. Im oberen Bereich des Autoklavs befindet sich ein
Einlaß für das wärmezubehandelnde
Produkt und ebenso eine Vorrichtung, um das Produkt in kleine Tröpfchen aufzuteilen,
die dann durch den Autoklav fallen. Am Boden des Autoklavs sammeln
sich die Tröpfchen
an und bilden eine Flüssigkeitsansammlung
und treten schließlich
durch einen in seinem unteren Bereich befindlichen Auslaß aus dem
Autoklav aus. Der Autoklav hat auch einen Einlaß für Dampf, der in seinem oberen
Bereich oder alternativ in seinem unteren Bereich vorgesehen sein
kann. Der Zweck des heißen Dampfes
besteht, unabhängig
von der Anordnung des Dampfeinlasses, darin, die Produkttröpfchen auf ihrem
nach unten verlaufenden Weg durch den Autoklav zu erwärmen.
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Alle
modernen Wärmebehandlungen
für Lebensmittelprodukte
verfolgen den Zweck, einerseits das Produkt auf eine gewisse vorbestimmte
Temperatur zu erwärmen
und andererseits das Produkt während
einer gegebenen vorbestimmten Zeitspanne auf dieser Temperatur zu
halten. Im Zusammenhang mit der Erwärmung des Produkts in einem
Infusionssystem wird normalerweise eine separate Pufferzelle oder
ein separates Pufferrohr verwendet, d. h. eine Rohrlänge, die
mit dem Produktauslaß des Autoklavs
direkt verbunden ist. Wenn das Produkt aus dem Autoklav austritt,
weist es eine Temperatur nahe am Siedepunkt auf, und die eigentliche
Verdrängung
hat einen Druckabfall zur Folge, der folglich ein Sieden des Produkts
bewirkt. Dieses Sieden kann eine Schaumbildung zur Folge haben,
aus der sich eine Volumenverringerung und eine reduzierte Steuerungsmöglichkeit,
das Produkt für
eine gegebene Zeitspanne auf einer gegebenen Temperatur zu halten,
ergeben. Um ein Sieden des Produkts zu verhindern, bevor es zur
Pufferzelle oder zum Pufferrohr gelangt, ist es aufgrund behördlicher
Vorschriften in mehreren Ländern
erforderlich, zwischen dem Autoklav und der Pufferzelle eine sogenannte
Nockenrotorpumpe zu plazieren, um den Druck, unter dem das Produkt
steht, zu erhöhen
und dadurch ein Sieden zu verhindern. Eine relativ teure Pumpe,
wie beispielsweise eine Nockenrotorpumpe, ist erforderlich, weil das
Produkt eine Temperatur von etwa 140–150°C aufweist.
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Die
Flüssigkeitsansammlung
des erwärmten Produkts,
die sich im Bereich des konischen Bodens des Autoklavs ergibt, bewirkt
eine große
Unsicherheit hinsichtlich der Berechnung der Standzeit des Produkts,
weil es aufgrund des anfallenden relativ großen Volumens unmöglich ist,
die genaue Standzeit des Produkts in diesem Bereich zu ermitteln
und festzustellen, ob alle Teile des Produkts über die gleiche Zeitspanne
behandelt wurden.
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AUFGABEN DER
ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Pufferzelle
im Infusionssystem bereitzustellen, mit der eine zuverlässige und
gesteuerte Standzeit für
das Produkt erzielt werden kann. Da die Pufferzelle ein Bestandteil
des Infusionssystems ist, entfällt
die Notwendigkeit einer zusätzlichen Pufferzelle
und auch die Notwendigkeit, zwischen dem Infusionssystem und der
Pufferzelle möglicherweise
irgendeine Pumpe zu plazieren.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Pufferzelle
bereitzustellen, die sich leicht auf unterschiedliche Zeitspannen
im Verhältnis
zur Standzeit dadurch einregulieren läßt, daß das Volumen in der Pufferzelle
variiert werden kann.
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LÖSUNG
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Diese
und andere Aufgaben werden gemäß der vorliegenden
Erfindung dadurch erfüllt,
daß der Apparat
in der eingangs beschriebenen Ausführung die kennzeichnenden Merkmale
aufweist, daß der konische
Boden des Autoklavs zum größeren Teil von
einem konisch geformten Körper
ausgefüllt
ist und daß der
verbleibende Raum im Boden des Autoklavs eine Pufferzelle darstellt.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung weisen des weiteren die kennzeichnenden
Merkmale auf, wie sie in den beiliegenden Unteransprüchen beschrieben
sind.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
BEILIEGENDEN ZEICHNUNGEN
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
des Apparats gemäß der vorliegenden
Erfindung wird nunmehr nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen ausführlicher
beschrieben; dabei sind:
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1 ein
Seitenaufriß,
teilweise in Schnittdarstellung, eines Infusionssystems nach dem
Stand der Technik;
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2 ein
Seitenaufriß,
teilweise in Schnittdarstellung, eines Infusionssystems gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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3 ein
Seitenaufriß,
teilweise in Schnittdarstellung, einer ersten Ausführungsform
des unteren Bereichs des Infusionssystems;
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4 ein
Seitenaufriß,
teilweise in Schnittdarstellung, einer zweiten Ausführungsform
des unteren Bereichs des Infusionssystems; und
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5 ein
Fließschema
für eine
Anlage zur Wärmebehandlung
mittels Infusionswärme.
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Die
beiliegenden Zeichnungen zeigen nur diejenigen Teile und Details,
die für
ein Verständnis der
vorliegenden Erfindung unbedingt notwendig sind.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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1 zeigt
ein Infusionssystem 1 nach dem Stand der Technik. Das Infusionssystem 1 beinhaltet einen
Autoklav 2 mit einem konischen Boden 3. Im oberen
Bereich des Autoklavs 2 befindet sich ein Einlaß 4 für das wärmezubehandelnde
Produkt. Das Produkt kann aus einem beliebigen flüssigen Molkereiprodukt,
wie beispielsweise Milch, Sahne oder Joghurt, bestehen. Eine mit
dem Produkteinlaß 4 zusammenwirkende
Vorrichtung 5 ist vorgesehen, um das eintretende Produkt
in kleine Tröpfchen 6 aufzuteilen.
Die Vorrichtung zur Feinaufteilung des Produkts kann beispielsweise
aus einer Verteilerkammer 7 bestehen, die in ihrer unteren
Wand 8 Öffnungen oder
Spalte in großer
Anzahl aufweist.
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Die
kleinen Produkttröpfchen 6 fallen
frei durch den Autoklav 2 und sammeln sich im konischen
Bodenbereich 3 des Autoklavs 2 wieder an. Wo sich
das Produkt wieder ansammelt, bildet sich ein relativ großes Flüssigkeitsvolumen 9,
bevor das Produkt durch den Auslaß 10 aus dem Autoklav 2 austritt.
Danach wird das Produkt an eine gewisse Form von Pufferzelle oder
Pufferrohr (nicht dargestellt) weitergeleitet. In herkömmlichen
Infusionssystemen 1 wird versucht, die Flüssigkeitsansammlung auf
einem relativ konstanten Niveau zu halten. Die Flüssigkeitsansammlung
darf nicht zu klein werden, weil dies dazu führen kann, daß erwärmtes Produkt an
die Innenwände
des Autoklavs 2 spritzt, was zur Folge haben kann, daß Produkt
an den Wänden
verbrennt.
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Das
Infusionssystem 1 beinhaltet weiterhin einen Einlaß 11 für Dampf.
In 1 ist der Dampfeinlaß im unteren Bereich des Autoklavs 2 plaziert
und so vorgesehen, daß sich
der Dampf im Autoklav 2 durch eine konzentrische Verteilerkammer 12 und
einen konzentrischen Einlaßspalt 13 verteilt.
Alternativ kann der Dampfeinlaß 11 im
oberen Bereich des Autoklavs 2 plaziert sein und mit dem
Produkteinlaß 4 zusammenwirken.
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Der
heiße
Dampf verteilt sich innerhalb des Autoklavs 2, und die
fallenden Produkttröpfchen 6 treffen
mit dem Dampf zusammen und werden rasch auf die erwünschte Temperatur
erwärmt.
Die Wärmebehandlung
beinhaltet weiterhin das Merkmal, daß das Produkt für eine gegebene
Zeitspanne auf dieser Temperatur zu halten ist. Da es nicht möglich ist,
die Standzeit im großen
Flüssigkeitsvolumen 9 zu
berechnen, wird die Standzeit statt dessen dadurch realisiert, daß das Produkt
durch ein nach dem Infusionssystem 1 plaziertes Pufferrohr
oder eine ebensolche Pufferzelle (nicht dargestellt) geleitet wird.
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Ein
herkömmliches
Infusionssystem 1 beinhaltet außerdem eine gewisse Form von
Auslaß 14 für die nicht
kondensierbaren Gase, die im Zusammenhang mit dem Erwärmen des
Produkts freigesetzt werden. Das Infusionssystem 1 ist
auch mit einer Anzahl von Druck- und
Temperaturmessern ausgestattet, um das Wärmebehandlungsverfahren zu steuern.
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Um
die große
nicht steuerbare Flüssigkeitsansammlung 9 zu
verhindern, die in herkömmlichen Infusionssystemen 1 immer
auftritt, ist das Infusionssystem 1 gemäß der vorliegenden Erfindung
(2) mit einem konisch geformten Körper 15 ausgestattet. Der
Körper 15 sollte
so glatt wie möglich
und geeigneterweise als ein leerer Hohlraum ausgeführt sein, um
das Gewicht zu minimieren. Der Körper
oder Konus 15 ist so ausgeführt, daß er den größeren Teil des Raums ausfüllt, der
den konischen Boden 3 des Autoklavs 2 bildet.
Der verbleibende Raum 16 im Bodenbereich 3 des
Autoklavs 2 stellt eine Pufferzelle dar. Indem das große "Totvolumen" vermieden wird, das
durch die Flüssigkeitsansammlung 9 in
einem herkömmlichen
Infusionssystem verursacht wird, ist es, als eine Folge der integrierten
Pufferzelle gemäß der vorliegenden
Erfindung, möglich,
extrem kurze Standzeiten für
das Produkt zu erzielen. Heutzutage besteht häufig, um den Geschmack des
Produkts zu verbessern, die Absicht, das Produkt bei einer hohen Temperatur
von etwa 150°C
für eine
sehr kurze Zeitspanne in der Größenordnung
von 1–1,5
Sekunden zu behandeln.
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An
der oberen Kante des Konus 15 befinden sich mindestens
drei über
seinen Umfang verteilte Führungsflanschwellen 17.
Die Führungsflanschwellen 17 reichen
bis zur Wand des Autoklavs 2 und verhindern ein Kippen
des Konus 15.
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Der
Konuswinkel α des
Körpers 15 kann
genauso groß wie
der Konuswinkel β des
Bodens 3 sein, wie aus 2 ersichtlich.
Alternativ kann der Konuswinkel α des
Körpers 15 größer als
der Konuswinkel β des
Bodens 3 des Autoklavs 2 sein, wie aus den 3 und 4 ersichtlich.
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Das
im Raum 16 angesammelte Volumen kann mathematisch berechnet
werden, und indem der Konuswinkel α des Bodens 15 so dimensioniert ist,
daß die
gewünschte
Strömung
durch den Raum 16 erhalten wird, ist es möglich, eine
exakte Standzeit für
das durch den Raum 16 strömende Produkt zu berechnen.
Indem der Konuswinkel α des
Körpers 15 so
dimensioniert ist, daß er
größer als
der Konuswinkel β des
Bodenbereichs 3 ist, ist es möglich, eine konstante Flüssigkeitsströmungsmenge
durch den Raum 16 zu erhalten.
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Das
Volumen der Pufferzelle ist auch zu berechnen, und ein gewisses
geringfügiges
Volumen muß immer
oberhalb des Konus 15 vorhanden sein. Dies ist erforderlich,
damit das heiße
Produkt nicht schnell verbrennt, wenn die Produkttröpfchen 6 die obere
Seite 18 des Konus 15 erreichen. Das Produkt hat
somit ein Flüssigkeitsmindestniveau 19 von
etwa 5–10
mm oberhalb der oberen Seite 18 des Konus 15.
Ein Flüssigkeitsmaximalniveau 20 ist
ebenfalls vorgesehen.
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Indem
die obere Seite 18 des Konus 15 mit einer etwa
5–10 mm
oberhalb der oberen Seite 18 des Konus 15 vorgesehenen
leichten Kante 21 ausgeführt ist, befindet sich immer
eine Flüssigkeitsoberfläche von
5–10 mm
oberhalb der oberen Seite 18 des Konus 15. Darüber hinaus
ist, wie aus den 3 und 4 ersichtlich,
die obere Seite 18 des Konus 15 vom Zentrum aus
und nach außen
zur Kante 21 hin winklig ausgeführt, um eine bessere Strömung des
Produkts zu erhalten.
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Die
Standzeit, d. h. die Zeitspanne, während der das Produkt auf einer
gewissen Temperatur gehalten wird, hängt davon ab, was für ein Standvolumen
sich im Infusionssystem befindet. Das Standvolumen kann auf zwei
Arten oder durch eine Kombination der beiden Alternativen variiert
werden. Dies geschieht einerseits durch Steuern des Flüssigkeitsniveaus,
das durch Messung eines Differenzdrucks gesteuert wird. Die Differenzdruckmessung
erfolgt in der Meßeinrichtung 22,
die ihre Meßwerte
von zwei Druckmessern 23 und 24 erhält. Der
eine Druckmesser 23 ist unmittelbar oberhalb des Flüssigkeitsmaximalniveaus 20 und
der andere Druckmesser 24 im Produktauslaß 10 plaziert.
Indem ein Normwert für den
Differenzdruck für
jede Standzeit berechnet wird, ist es somit möglich, die Standzeit stufenlos
zu regulieren. Ein größerer Differenzdruck
hat ein größeres Volumen
zur Folge. Das Volumen wird zwischen einer Mindestzeitspanne, wenn
sich die Flüssigkeitsoberfläche des
Produkts auf dem Mindestniveau 19 befindet, und einer Maximalzeitspanne,
wenn sich die Flüssigkeitsoberfläche des
Produkts auf dem Maximalniveau 20 befindet, reguliert.
Das Flüssigkeitsniveau
wird mittels eines im Produktauslaß 10 plazierten Auslaßventils 30 gesteuert.
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Alternativ
kann das Standvolumen variiert werden, indem das Flüssigkeitsniveau 19, 20 konstantgehalten,
der Konus 15 aber im Bodenbereich 3 angehoben
oder abgesenkt wird. Diese Regulierung kann, wie aus 3 ersichtlich,
beispielsweise mittels einer Schaltvorrichtung 25 erfolgen,
die über
eine Spindel 26 den gesamten Konus 15 anhebt oder
absenkt. Die Führungsflanschwellen 17 stellen
jederzeit sicher, daß der
Konus 15 in der korrekten Position gehalten wird und nicht
zur Seite hin kippt. Durch Verwendung unterschiedlicher Konuswinkel
b für den Bodenbereich 3,
wie aus den 3 und 4 ersichtlich,
ist es in einem gewissen Umfang möglich, das die Pufferzelle
darstellende Volumen zu modifizieren.
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Indem
die beiden Alternativen kombiniert werden und zugelassen wird, daß das Flüssigkeitsniveau 19, 20 unter
Steuerung durch den Differenzdruck variiert werden kann, während gleichzeitig
der Körper
oder Konus 15 mittels der Schaltvorrichtung 25 angehoben
oder abgesenkt wird, ist es möglich, einen
größeren Regulierungsbereich
zu erzielen, als er separat durch beide Alternativen möglich wäre.
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Wie
aus 2 ersichtlich, kann der konische Bodenbereich 3 des
Autoklavs 2 mit einer Doppelwand 27 ausgeführt sein.
Indem ein Kühlmittel
durch einen Einlaß 28,
der durch den Auslaß 29 entleert werden
kann, zugeführt
wird, kann die Ablagerung von koaguliertem Produkt minimiert werden,
ohne dadurch die Ausflußtemperatur
der aus der Pufferzelle austretenden Strömung merklich abzukühlen.
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Sobald
die Wärmebehandlung
des Produkts abgeschlossen ist, d. h. das Produkt auf eine gewisse vorbestimmte
Temperatur erwärmt
und für
eine gegebene vorbestimmte Zeitspanne auf dieser Temperatur gehalten
wurde, muß das
Produkt so rasch wie möglich
gekühlt
werden. Ein einfaches Verfahren zur raschen Abkühlung des Produkts ist in 2 dargestellt.
Nachdem es den Auslaß 10 und
das Auslaßventil 30 passiert
hat, tritt das Produkt in einen Ausdehnungskühler 31 ein. Wenn
sich der vom Produkt eingenommene Raum rasch ausdehnt, fällt der Druck
und die Temperatur nimmt ab. Anschließend wird das Produkt direkt
in einen Vakuumbehälter 32 eingeleitet.
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5 zeigt,
wie ein Infusionssystem 1 als ein Bauteil in eine vollständige Anlage
zur Wärmebehandlung
eines flüssigen
Lebensmittelprodukts mittels Infusionswärme eingegliedert ist. Das
eintretende Produkt 33 gelangt über einen Ausgleichstank 34 und
eine Pumpe 35 in die Anlage. In einer Wärmebehandlungseinheit 36,
normalerweise als ein Plattenwärmetauscher
vorgesehen, wird das Produkt auf die gewünschte Temperatur, normalerweise
75–82°C, vorerwärmt, es
können
aber auch Temperaturen von bis zu 120°C auftreten. Das so vorerwärmte Produkt wird über eine
Leitung in das Infusionssystem 1 eingeleitet und dort in
der vorstehend beschriebenen Weise wärmebehandelt.
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Das
fertig behandelte Produkt wird vom Infusionssystem 1 einem
Vakuumbehälter 32 zugeführt, wo
das zugefügte
Wasser, das das Produkt als eine Folge der Infusionserwärmung erhalten
hat, wieder entfernt wird. Über
eine Pumpe 37 und möglicherweise
einen Homogenisierapparat 38 wird das Produkt weiter einem
Kühler 39,
beispielsweise einem Plattenwärmetauscher
zugeleitet, wo es auf die gewünschte
Temperatur gekühlt
wird. Das Produkt tritt dann durch eine Leitung 40 aus
der Anlage aus, um weiterbehandelt oder endgültig in Verbraucherverpackungen
abgefüllt
zu werden.
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird, wie aus der vorstehenden Beschreibung
ersichtlich, ein Apparat in einem Infusionssystem bereitgestellt,
wobei eine regulierbare Pufferzelle in das Infusionssystem integriert
ist. Das Standvolumen kann gesteuert werden, und das nicht steuerbare
Flüssigkeitsvolumen, das
im Boden herkömmlicher
Infusionssysteme gebildet wird, wird verhindert. Als eine Folge
der vorliegenden Erfindung ist es einfacher, exakte Standzeiten
für das
Produkt zu berechnen und dadurch den Wärmeschock, dem das Produkt
ausgesetzt wird, zu reduzieren, so daß dadurch der Geschmack des
Produkts günstig
beeinflußt
wird.