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Verfahren und Gerät zur Ultraviolettbestrahlung von Flüssigkeiten
Es ist bekannt, Flüssigkeiten, insbesondere Milch, durch Ultraviolettbestrahlutig
zu sterilisieren und zu vitaminisieren. Die hierfür in Gebrauch befindlichen Geräte
sind teils so aufgebaut, daß die Bestrahlung der Flüssigkeit in Gegenwart von Luft
erfolgt. Infolge der Durchstrahlung -der Luft bildet sich Ozon, welches bei Milch
als Behandlungsflüssigkeit zii Peroxybildung und somit zu einer Geschmacksveränderung
der Milch Anlaß gibt. Bei den ebenfalls in Gebrauch befindlichen Durchfaufgeräten
mit von außen durchstrahlten Quarzröhren erfolgt die Bestrahlung zwar nicht in Gegenwart
von Luft, jedoch erfordern diese Geräte einen ganz erheblichen Aufwand an aus Bergkristall
hergestellten Quarzro'hren.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und ein .Gerät, das es
gestattet, die Bestrahlung ohne Gegenwart von Luft durchzuführen und das zu seinem
Aufbau keine Durchflußrohre aus Quarzglas erfordert. Die Erfindung greift den in
den Anfängen der UV-Bestrahlungstechn.ik bekanntgewordenen Gedanken wieder auf,die
zu bestrahlende Flüssigkeit unmittelbar in Berührung mit der UV-Strahlungsquelle
zu bringen. Gemäß der Erfindung wird aber die Flüssigkeit erwärmt, bevor -sie in
Berührung mit der UV-Strahlungsquelle 'kommt, für die insbesondere eine Quecks!ilberdämpfniederdrucklampe
benutzt wird.
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Es wurde überraschenderweise gefunden, daß eine solche Erwärmung der
FlüssigIkeit, d. h. die Zuführung der Flüssigkeit im erwärmten Zustand an die Strahlungsquelle,
zu einer wesentlich stärkeren Wirkung der Bestrahlung führt. Nähere Untersuchungen
haben ergeben, daß die Ausstrahlung der
Strahlungsquelle von der
Temperatur stark abhängig ist und daß demgemäß die Erwärmung der zu bestrahlenden
Flüssigkeit dazu führt, daß an der Lampe ,diejenige Außentemperatur erreicht wird,
bei der nicht mehr der Strahlungsquelle durch die Flüssigkeit ein wesentlicher Teil
der Energie entzogen wird. DieErwärmungstemperatur der Flüssigkeit kann so gewählt
werden, daß durch Wärmeabgabeder Flüssigkeit an die Strahlungsquelle dieser Energie
zugeführt und damit die Ausstrahlung der Strahlungsquelle -erhöht wird.
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Das zur Ausführung des neuen Verfahrens dienende Gerät wird vorzugsweise
als Durchlaufgerät mit einer oder mehreren Bestrahlungseinheiten aufgebaut. Die
einzelne Bestrahlungseinheit enthält erfindungsgemäß ein gerades Durchflußrobr mit
von der geraden Richtung abgebogenem Zufluß und Abfluß, und dieses Durchflußrohr
ist zugleich der Träger der durch das Durchflußrohr, vorzugsweise axial, mit Hilfe
von Stopfbuchsen hindurchgeführten rohrförmigen UV-Strahlungsquelle bei solcher
Bemessung der Längen, daß die Elektroden der UV-Strahlungsquelle außerhalb der Durchflußstrecke,
vorzugsweise auch außerhalb der Stopfbuchsen, liegen.
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Weitere Einzelheiten des neuen Verfahrens und des neuen Gerätes seien
an Hand der Zeichnung erläutert, in der einige Ausführungsbeispiele dargestellt
sind; es zeigt Fig. i eine einzelne Bestrahlungseinheit, Fig. 2 ein Bestrahlungsgerät,
das mehrere Bestrahlungseinheiten der in Fig. i gezeigten Art umfaßt, Fig. 3 ein
zweites Bestrahlungsgerät der neuen Art, Fig. 4 eine andere Ausführung der Bestrahlungseinheit.
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Die einzelne Bestrahlungseinheit umfaßt bei der Ausführung nach F.ig.
i ein DurchfluB@rohr i, das an seinen beiden Enden in einen Krümmer i° bzw. ib übergeht.
Durch das Durchflußrohr i ist vorzugsweise konzentrisch zu ihm ein rohrförmiger
Ultraviolettstrahler 2 hindurchgeführt, der vom einen oder anderen Ende des Durchflu.ßrohres
i aus in dieses eingeführt werden kann. An den DuTchführungsstellen sind Stopfbuchsen
3 und 4 vorgesehen; die Elektroden und Sockel 5 und 6 des Bestrahlers 2 befinden
sich außerhalb des Durchflußrohres i. Die Pfeile veranschaulichen die bevorzugte
Durchflußrichtung. Die Darstellung der Fig. i läßt erkennen, daß die das Rohr i
durchströmende Flüssigkeit eine intensive Bestrahlung durch den Strahler 2 erfährt,
insbesondere dann, wenn der Außendurchmesser des Strahlers 2 nur wenig von dem Innendurchmesser
des Durchflußrohres i abweicht.
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In Fig. 2 ist ein Bestrahlungsgerät gezeigt, das 'hinsichtlich der
eigentlichen Bestrahlungseinrichtung aus Bestrahlungseinheiten gemäß Fig. i aufgebaut
ist. Es sind insgesamt vier Bestrahlungseinheiten 7, 8, 9, io vorgesehen. Es ist
jedoch zu beachten, daß die Darstellung nur schematisch ist; im allgemeinen wiird
bei dem Gerät die Zahl der Bestrahlungseinheiten größer sein. Es wird das Gerät
z. B. etwa 14 oder 28 Bestrahlungseinheiten umfassen, je nach dem gewünschten Vitaminisierungsgrad.
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Nach dem neuen Bestrählungsverfahren wird die zu bestrahlende Flüssigkeit
erwärmt, bevor sie in Berührung mit der UV-Strahlungsquelle kommt. Diesem Zweck
dient bei der Ausführung nach Fig. 2 der Wärmeausta:uscher i i und der Erhitzer
12. Die auf die vorzuwärmende Flüssigkeit zu übertragende Wärme wird durch einen
flüssigen oder gasförmigen Wärmeträger, der den Erhitzer bei 12a in Gestalt von
heißem Wasser, Dampf od. dgl. betritt und bei 12b verläßt, auf die bei r2` eintretende
und bei 12d austretende Flüssigkeit übertragen.
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Dem Erhitzer 12 kann, wie dargestellt, ein Wärmeaus Lauscher i i vorgeschaltet
sein, durch den die bestrahlte Flüssigkeit unmittelbar nach der Bestrahlung abgekühlt
und die erst noch zu bestrahlende Flüssigkeit erwärmt wird. Die zu bestrahlende
Flüssigkeit fließt also bei i ja in den Wärmeaustauscher i i und nimmt von dort
ihren Weg über den Erhitzer 12, die Bestrählungseinheiten 7, 8, 9 und io und von
dort zurück zum Wärmeaustauscher i i, den sie dann bei i ib verläßt.
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Die Ausführung nach Fig. 3 umfaßt einen Wärmeaustauscher 20 und sechs
Bestrahlungseinheiten 21 bis 26. Die zu erwärmende Flüssigkeit betritt den Wärmeaus,tauscher
20 bei 20a, verläßt ihn bei tob und durchströmt dann die Bestrahlungseinheiten 21
biss 26, kehrt darauf zu dem Wärmeaustauscher 20 zurück, betritt ihn bei 20c und
verläßt ihn bei 20d.
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Die beiden Bestrahlungseinheiten 21 und 22 werden als Mitteldrucklampen,
die Bestrählungseinheiten 23 bis 26 hingegen als Niede.rdruckentladungslampen betrieben.
Die Verwendung unterschiedlicher Betriebsbedingungen für die Strahlungseinheiten
21 bis 26 hat seinen Grund darin, daß Mitteldrucklampen eine höhere Betriebstemperatur
erreichen als Niederdirucklamp.en. Infolgedessen wird die zu bestrahlende Flüssigkeit
in den Bestrahlungseinheiten 21 und 22 zusätzlich zu der schon im Wärmeaustauscher
20 erfolgten Erwärmung vorgewärmt; die zu bestrahlende Flüssigkeit erfährt in dem
Wärmeaustauscher 20 und in den beiden Bestrahluugseinheiten 2i und 22 eine Vorerwärmung
auf etwa 30° C. Das hat zur Folge, daß die zu be- i strahlende Flüssigkeit mit einer
Temperatur von über 30° C die erste der Niederdruckbestrahlungseinheiten betritt
und infolgedessen das oberste Rohr mit mindestens 30° C verläßt. Es wird dadurch,
wie schon oben erwähnt, erreicht, -daß an dem einzelnen Strahler diejenigeAuße.ntemperatur
vorliegt, bei der ihm nicht mehr ein wesentlicher Teil der Energie durch die ihn
umströmende Flüssigkeit entzogen w:i rd.
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In dem Bestrahlungsgerät können, wie schon gesagt, die Bestrahlungseinheiten
gemäß Fig. i benutzt werden. Die in Fig. 2 und 3 gezeigten Bestrahlungseinheiten
stimmen demgemäß auch im wesentlichen mit der Ausführung nach Fig. i überein, jedoch
sind die Krümmer 7a, 7b usw. al-s Einzelteile ausgebildet und mit Hilfe von Flanschen
angesetzt.
Dies hat einmal den fertigungstechnischen Vort:il, daß
das eigentliche Durchflußrohr nur aus einem geraden Rdhrstück besteht, während die
Krümmer als Gußstücke ausgebildet sein können. Die Verwendung getrennter Krummer
hat aber ferner den Vorteil, claß die Reinigung des Gerätes, der Ausbau einer einzelnen
Bestrahlungseinheit, sehr viel leichter wird, als wenn die Krümmer an das eigentliche
Durchflußrölir angeformt sind. Die Fig. 2 und 3 lassen erkennen, daß die einzelnen
Bestralilungseinlieiten gegen die Waagerechte geneigt sind. Es wird so erreicht,
daß die Flüssigkeit beim Durchlaufen des Gerätes je nach der Richtung dauernd nur
steigt oder nur fällt, bezogen auf das einzelne Aggregat des gegebenenfalls aus
mehreren Aggregaten bestehenden Gesamtgerätes. Unter Aggregat wird hier die aus
den Strahlungseinheiten 7 bis to der Fig. 2 bzw. die aus den Bestrahlungs-"einlieiit-ett
2 t bis 26 der Fig. 3 bestehende Anordnung verstanden, .die naturgemäß in einem
größeren Gesamtgerät mehrmals wiederholt sein kann. Das dauernde Steigen oder dauernde
Fallender Flüssigkeit liat d.eii Vorteil, daß keine Lufteinschlüsse während des
Durclilaufens der zu bestrahlenden Fliissigkei-t entstehen und sich halten können.
Derartige Lufteitisclilüsse wären aus dem Grund sehr schädlich, weil sieh an diesen
Stellen dann unter (lern Einfluß der Bestrahl-ung Ozon bilden würde, das den Geschmack
der zu bestrahlenden Flüssigkeit beeinträchtigen würde. Solche Stellen, an denen
seich Lufteitrsclilüsse bilden und 'halten können, wären zugleich Stellen, in deinen
eine starke stehende Wirl>elströ mung auftreten könnte. Das müßte dazu führen, daß
die einzelnen Flüssigkeitsteilchen eine ungleichmäßige Bestrahlung erführen; einzelne
Flüssig@keitsteilclien könnten überstrahlt werden. Es könnten sich dann toxische
Stoffe, die bekanntlich giftig sind, bilden. Betrachtet man unter diesen Gesichtspunkten
die Ausführungen nach den Fig. 2 und 3, so wird deutlich, daß -infolge des besonderen
2@ufbaus des Gerätes tote Räume vermieden sind.
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Die Entstellung von toten Räumen ist bei dem Ausführungsbeispiel nach
Fig. i und 2 im wesentlichen dadurch verhindert, daß einmal die Durc'hflußrolire
so geneigt sind, daß die Flüssigkeit bei dem Durchfließen des einzelnen Aggregates
überall steigt oder füllt und daß itn übrigen bei dem Aufbau darauf Bedacht genommen
worden ist, auch bei den Verbindungs- und Übergangsstellen tote Räume zu vermeiden.
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Andererseits kann es aus fertigungstechnischen (@riitid.; i vorteilhaft
seid, Konstruktionen zu verwenden, bei deinen an sich tote Räume entstehen. Gemäß
weiterer Erfindung können auch derartige Bauarten Verwendung finden, indem durch
besondere, ini folg-einde.n noch erläuterte Maßnahmen die sonst zu befürchtenden
schädlichen Wirkungen beseitigt werden. Fig. 4 zeigt hierfür ein Aus-Das Durchflußrolir
ist hier mit 30 bezeichnet; 31 ist ein recht"vinklig angesetzter Abflußstutzeu,
32 der stabförtnige Ultraviolettstrahler, 33 die Stopfbuchse mit der Gummidichtung
34 und der Schraubkappe 35. leas andere Ende der 13estrahlungsein'heit wird in gleicher
Weise ausg; bildet. Fig.4 zeigt daher nur das linke Ende der Bestrahlungseinheit.
Die Bauart nach Fig. 4 weist am Ende des Innenraumes, bei 36, Verhältnisse auf,
unter denen sich in aller Regel stehende Wirbel ausbilden und' auch Lufteinschlüsse
halten können. Die hierbei sonst zu befürchtenden Schäden sind aber dadurch beseitigt,
daß der Strahler 32 an der betreffenden Stelle mit einem strahlungsundurchlässigen
Überzug 37 versehen ist. Dieser Überzug kann z. B. aus einer geeigneten eingebrannten
Lackschiclit bestehen. Der Überzug 37 wird vorzugsweise in der Länge entsprechend)
derDarstellung der Fig. 4 so bemessen, daß er hinreichend weit in das Innere des
Durchflußrohres 30 'hineinragt und auf diese Weise die Wirbelstellen und toten Räume
von der Bestrahlung ausgenommen sind.
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Der Überzug 37 kann auch dazu benutzt werden, die Gummidichtung 34
der Stopfbuchse 33 vor UV-Strahlen zu schützen. Das isst empfehlenswert, um die
Lebensdauer der Gummidichtung 34 zu erhöhen.
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Zu den Fi;g. 2 und 3 sei noch bemerkt, daß sich die Darstellung auf
das Wesentliche beschränkt. So sind die Gestelle, an denen dieBeobachtungseinheiten
gehaltert sind, der Übersichtlichkeit halber fortgelassen. Das gleiche gilt für
die Gehäuse, welche für die Aggregate vorgesehen werden können, um sie von außen
innerhalb der Gehäuse durch Warmluft erwärmen oder doch gegen Abkühlung schützen
zu können.