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Verfahren und Vorrichtung zum Pasteurisieren von hitzeempfindlichen
Flüssigkeiten, insbesondere Milch Bekanntlich ist das Pasteurisieren eine Behandlung
durch Erhitzung, die man bestimmten Produkten angedeihen läßt, um die Mikroorganismen
zu zerstören, die sie enthalten und die, sei es für die Gesundheit der Konsumenten,
sei es für die späteren Vorgänge, denen das Produkt unterworfen werden soll, insbesondere
für seine Konservierung schädlich sein können.
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Indes birgt die Behandlung durch Erhitzung bestimmter empfindlicher
Produkte, wie z. B. der Milch, die Gefahr in sich, daß gewisse ihrer Eigenschaften
verlorengehen, so daß ihre Sterilisation sehr schwierig und in gewissen Fällen nicht
anwendbar ist.
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Das Pasteurisieren der Milch erfolgt zur Zeit nach drei Verfahren:
z. Eine sehr kurze Erhitzung auf hohe Temperatur (85°), z. eine Erhitzung auf 72°
für 40 Sekunden, 3. eine Erhitzung auf 63° für 30 Minuten.
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Das erste Verfahren ist das bequemste. Indes besitzt die Milch, die
auf 85° gebracht worden ist, nicht mehr alle Eigenschaften der rohen Milch (Veränderung
der Enzyme, teilweise Ausfällung- der Proteide, Unmöglichkeit vollständiger Absonderung
der Fettstoffe, Änderung des Geschmacks).
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Bei Erhitzung auf 72° für 40 Sekunden werden die Keime abgetötet.
Auch erhält man gerade noch die Möglichkeit, die Fettstoffe abzusondern. Mit sehr
großer Sorgfalt muß jedoch die Temperatur überwacht werden, und der Vorgang erfordert
empfindliche und
zerbrechliche Apparate. Dazu. geht, wenn man beispielsweise
die Erhitzung für 5o Sekunden betreibt, die Abrahmeigenschaft verloren. Es ist aber
schwierig, während der Behandlung in der ganzen Masse der Flüssigkeit eine überall
gleichmäßige Temperatur sicherzustellen sowie einegenaue gleiche, Behandlungszeit
für alle Teile dieser Flüssigkeit zu erhalten.
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Wenn man für 30 Minuten auf 63° geht, werden die Toleranzen
bezüglich der Behandlungsdauer größer, und die Temperatur ist leichter zu überwachen,
jedoch wird es unmöglich, das Verfahren kontinuierlich zu führen.
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Diese Mängel der Pasteurisierungsverfahren durch Erhitzung sind der
Ursprung für die verbreitete Ansicht, daß es nicht möglich sein würde, das gestellte
Problem auf diesem Wege zu lösen. Man hat deshalb auch schon versucht, die Bakterien
auf kaltem Wege, beispielsweise durch ultraviolette Strahlen oder durch Ultraschallwellen,
abzutöten.
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Die vorliegende Erfindung ist von der Beobachtung ausgegangen, daß
die Art, in der bis jetzt die Pasteurisierung geführt worden ist und auf die die
Bauweise aller bekannten Flüssigkeitserhitzer abgestellt ist, keine genügend genaue
Kontrolle der Temperatur und der Erhitzungsdauer zuläßt, um den zuvor erwähnten
Bedingungen gerecht zu werden. Bei diesen Apparaten nämlich wird zumindest ein Teil
der zu pasteurisierenden Flüssigkeit a) durch die unvermeidliche Berührung mit der
Heizfläche des Erhitzers auf zu hohe Temperaturen gebracht, die um ein bedeutendes
die theoretische Erhitzungstemperatur überschreiten, b) einer zu langen Erhitzung
ausgesetzt, indem die mittlere Aufenthaltsdauer der Flüssigkeit in dem Pasteurisierapparat,
die an sich schon zu lang ist, infolge der unterschiedlichen Durchtrittsgeschwindigkeiten
der verschiedenen Teilchen der Flüssigkeit (abgebremste Grenzschicht durch die Berührung
mit der Wand) um 5o0/0 und mehr überschritten wird, c) noch während einer ziemlichen
Zeitspanne unter hohen Temperaturen gehalten, nachdem er die Heizfläche verlassen
hat.
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Auf Grund dieser Umstände wird für einen Teil der Flüssigkeit der
Temperaturzeitwert des Produkts, der für eine genügende Pasteurisierung notwendig
ist, in einem solchen Maße überschritten, daß die zuvor erwähnten Qualitätsverluste
unvermeidlich eintreten.
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Die Notwendigkeit, sämtliche. Milchteilchen so gleichmäßig wie möglich
zu erhitzen, führt dazu, die Milch in dünner Schicht (ungefähr 5 mm) auf der Heizfläche
auszubreiten. Bei den modernen Pasteurisierapparaten mit Platten wird die Milch
auf die eine Seite der Platte geleitet und die Heizflüssigkeit auf die andere. Auf
Grund der kleinen Strömungsquerschnitte der Milch (ungefähr 1,5 cm2) über eine große
Länge (ungefähr 5 m) kann die Strömungsgeschwindigkeit der Milch praktisch nicht
i m/Sek. überschreiten, während diejenige der Heizflüssigkeit, beispielsweise von
heißem Wasser, ungefähr q. m/Sek. und mehr beträgt.
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Indem die Wärmeleitungskoeffizienten den Geschwindigkeiten proportional
sind, ist der Wärmeleitungskoeffizient a1 (Heißwasser-Heizfläche) ungefähr viermal
größ°r als der Wärmeleitungskoeffiziept a2 (Heizfläche-Milch). Im Falle der für
die Bedienung sehr viel bequemeren Verwendung von Dampf als Heizmedium wird das
Verhältnis noch wesentlich größer als q..
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Die Formel, die die Temperatur der Heizfläche tsc errechnen läßt,
ist folgende:
Wenn beispielsweise die :Milch auf 85° (t Milch = 85°) erhitzt werden soll, und
wenn man als Heizmedium Dampf von 0,5 atü (t Heizmedium = iio°) verwenden
soll, ergibt sich für ein Verhältnis
Übrigens zeigt die Berechnung, daß, wenn die Strömungsgeschwindigkeit der Milch
o,8 m/Sek. ist, die Stärke der laminaren Grenzschicht gleich 0,4 mm ist.
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In dem von beiden Seiten erhitzten Abschnitt des Kanals hat die Milch
demnach in laminarer Strömung längs einer Heizfläche eine Stärke von 2 X 0,4 = o,8
mm, die sich auf einer Temperatur von etwa ioo° befindet. Im Vergleich zu der Gesamttiefe
des Kanals, die 5 mm beträgt, macht diese Dicke von o,8 mm ungefähr 16% der Gesamtmilch
aus, die nicht auf höchstens 85°, sondern auf ungefähr ioo° erhitzt wird.
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Da die Milch in der laminaren Grenzschicht langsamer strömt als außerhalb
dieser Schicht, ist die Dauer der Hitzeeinwirkung sehr viel länger für die Teilchen
dieser Schicht. Zu diesen zu hohen Temp°-raturen kommt also noch die zu lange Erb
itzungsdauer hinzu. Diese letztere wird noch weiter durch den Umstand verlängert,
daß sich die Milch, nachdem sie die Heizfläche verlassen hat, nicht rasch abkühlt,
sondern im Gegenteil noch ziemlich lange Zeit auf hohen Temperaturen bleibt.
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Man erkennt daraus die drei grundlegenden Fehlerquellen der bekannten
Pasteurisierapparate. i. Zu hohe Temperatur der Heizflächen, 2. zu lange und ungleichmäßige
Aufenthaltsdauer unter hoher Temperatur, 3. das Bleiben der pasteurisierten Flüssigkeit
auf hohen Temperaturen, nachdem sie die Heizfläche verlassen hat.
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Die vorliegende Erfindung hat ein Pasteurisierverfahren zum Gegenstand,
das diese verschiedenen Nachteile zu vermeiden und infolgedessen ein homogenes Produkt
zu erhalten gestattet, das in dem mit der Theorie der Pasteurisierung zu vereinbarenden
Maße seine ursprünglichen Eigenschaften bewahrt hat. Dieses Verfahren besteht im
Grundsätzlichen darin, die Flüssigkeit gegen eine Heizwand mit Hilfe von Wälzorganen
zu fördern, die sich mit einer Umfangsgeschwindigkeit von wenigstens i2 m/Sek. fortbewegen,
wobei zwischen diesen Wälzorganen und der Heizwand ein Zwischenraum verbleibt, der
höchstens
2 mm beträgt, und darauf die erwähnte Flüssigkeit unmittelbar
nach ihrem Entlanggleiten auf der Heizwand plötzlich auf eine Kühlwand übertreten
zu lassen.
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Die Erfindung hat weiterhin eine Anlage zum Gegenstand, die die Anwendung
des zuvor angegebenen Verfahrens ermöglicht und die grundlegend aus einer zylindrischen
Kammer besteht, von der zumindest ein Teil der Innenwand in an sich bekannter Weise
beheizt wird und in deren Achse ein Rotor gelagert ist, der mit Antriebsmitteln
großer Geschwindigkeit gekuppelt werden kann und Flügel oder ähnliche Förderorgane
trägt, deren äußere Kante höchstens 2 mm von der Heizwand entfernt liegt, wobei
weiterhin Öffnungen vorgesehen sind, um die Flüssigkeit an dem einen Ende der Kammer
einzuführen und an dem anderen Ende abzuziehen, und weiterhin der Teil der Kammer,
der die Heizwand bildet, durch einen Teil verlängert ist, der durch an sich bekannte
Mittel abgekühlt wird und eine Kühlwand bildet.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Anlage gemäß der
Erfindung dargestellt.
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Abb. i ist ein axialer Schnitt durch die Anlage mit Dampfbeheizung;
Abb. 2 ist ein Querschnitt entsprechend der Schnittlinie I I-II der Fig. i ; Abb.
3 ist ein ähnlicher Schnitt durch eine andere Ausführungsform.
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Die Anlage, wie sie in der Zeichnung dargestellt ist, besitzt eine
durchgehende zylindrische Wand i, die auf einem Teil ihrer Länge von einem Mantel
2 und auf dem restlichen Teil ihrer Länge von einem zweiten Mantel 3 umgeben ist,
wobei die Enden der zylindrischen Wand durch Deckel q. und 5 verschlossen sind,
wobei der letztere vorzugsweise einen etwas größeren Durchmesser als derjenige der
Wand besitzt. Der Deckel 4. besitzt eine Einlaßöffnung 6, während eine in der Zeichnung
nicht dargestellte Austrittsöffnung tangential zum Umfang des Deckels 5 vorgesehen
ist. Eine Welle 7, die durch eine Stopfbüchse 8 hindurchgeht, trägt einen zylindrischen
Rotor g, der mit Flügeln io ausgerüstet ist sowie Schaufeln ii trägt. In der in
Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist der Rotor 3 durch eine Trommel 3' von fast
gleichem Durchmesser wie der Innendurchmesser der Heizwand, wobei diese Trommel
Rinnen bildende Erhöhungen io' trägt, ersetzt.
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Der Durchmesser der Heizwand und die Antriebsgeschwindigkeit des Rotors
werden so gewählt, daß die lineare Geschwindigkeit der Enden der Flügel oder Förderorgane
io oder io' wenigstens iz m/Sek. beträgt und der Abstand zwischen dieser Wand und
den Enden kleiner als 2 mm ist. Im Falle der Abb. i und 2 hat der Durchmesser des
Körpers des Rotors keine Bedeutung für die Arbeitsweise der Anlage, jedoch muß im
Falle der in der Abb. 3 dargestellten Trommel der Durchmesser des Rötors etwa 6
mm kleiner sein als derjenige der Heizwand.
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Wenn der Rotor in der zylindrischen Wand bewegt wird, wird eine durch
die Öffnung 6 eingefüllte Flüssigkeit heftig hochgeschleudert und durch die Wirkung
der Förderorgane io oder io' an der Wand i gehalten. Es bildet sich also eine praktisch
zylindrische Schicht von gleichmäßiger Dicke über die ganze Länge dieser Wand bis
zum Einfall in den Raum größeren Durchmessers des Deckels 5, wo dann die Schaufeln
ii die Flüssigkeit zwingen, durch die an dieser Stelle vorgesehene Austrittsöffnung
auszutreten. Wenn man durch die Öffnung 12 des Mantels --
Dampf einbläst,
erhitzt dieser die Wand auf der Länge, die dafür vorgesehen ist. Wenn man daneben
durch die Öffnung 13 eine Kühlflüssigkeit, beispielsweise die kalte Milch, die später
behandelt werden soll, einführt, kühlt der Mantel 3 die Wand auf dem restlichen
Teil ihrer Länge.
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Die durch 6 eingefüllte Flüssigkeit durchläuft in der Kammer also
einen schraubenförmigen Weg. Im Falle der Abb. i läßt sie zwischen sich und dem
Körper des Rotors einen Raum frei, und die Dicke der Flüssigkeitsschicht in dem
Apparat wird bei einer festliegenden Tourenzahl des Motors durch den Flüssigkeitseinlaß
bei 6 und den Abzug reguliert, während im Falle der Abb. 3 der Raum zwischen dem
Rotor und der feststehenden Wand praktisch mit Flüssigkeit ausgefüllt ist, in welchem
Falle man die Leistung dadurch regulieren kann, daß man die Flüssigkeit mit Hilfe
einer Pumpe in den Apparat einführt.
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Diese Anlage besitzt folgende Vorteile: a) Sie gestattet, zu hohe
Temperaturen der Heizflächen zu vermeiden. Aus der zuvor angegebenen Formel ergibt
sich, daß sich die Heizflächentemperatur um so mehr der Temperatur der Flüssigkeit
nähert, je kleiner das Verhältnis
wird. Für a, unendlich würde die Temperatur der Heizfläche gleich der Temperatur
der Flüssigkeit werden. Die Lösung des technischen Problems, das darin b°steht,
a2 so groß wie möglich zu machen, wird durch die zuvor beschriebene Anlage erhalten.
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Für einen Milcherhitzer kommt eine Umfangsgeschwindigkeit von ungefähr
2o m/Sek. bei einem Abstand zwischen der äußersten Kante der Förderorgane und der
Heizfläche von 1,5 mm in Betracht, der durchschnittlich der günstigste ist. Dadurch
ergeben sich für a2 Werte, die bis zu iooooo kcal/m2 X h gehen, so daß man für das
Verhältnis
einen Wert von o,i
Unter diesen Umständen ist die laminare Schicht praktisch verschwunden.
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b) Sie gestattet, eine zu lange mittlere Aufenthaltsdauer der Flüssigkeit
in dem Pasteurisierapparat zu vermeiden. Bei einem kontinuierlich arbeitenden Apparat
ist diese Dauer gegeben durch die Drehung: mittlere Zeit (in Sek.)
Je kleiner die Füllung ist, um so kleiner ist die mittlere Zeit. Die Lösung des
technischen Problems, das darin besteht, die Füllung sehr klein zu machen, beruht
auf der Tatsache, daß bei der oben angegebenen Umlaufgeschwindigkeit der Flüssigkeit
diese sich auf
der Fläche fast wie eine zylindrische Hülle von einer
Dicke bis zu 3 mm ausbreitet. Man kann die Heizfläche bedeutend reduzieren, einesteils
auf Grund des hoben Wärmeübertragungskoeffizienten, andernteils auf Grund des bei
diesem Verfahren anwendbaren Temperaturgradienten (Dampf-Flüssigkeit). Bei einem
Milcherhitzer von 3000 1/Std. soll das mit der Heizfläche in Berührung befindliche
Volumen nicht i überschreiten und die mittlere Aufenthaltsdauer der Milch auf der
Heizfläche beträgt nur o,8 Sek.
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c) Sie gestattet, die Ungleichheit der Aufenthaltszeiten für die verschiedenen
Milchteilchen zu vermeiden. Hierzu ist notwendig, daß die toten Räume in der Behandlungskammer
vermieden sind, ein zwangsläufig gleicher Durchlaufweg für alle Milchteilchen geschaffen
ist, eine praktisch gleiche Durchströmgeschwindigkeit für alle Milchteilchen erreicht
wird.
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Wie aus der Zeichnung hervorgeht, besitzt die Behandlungskammer keine
toten Räume. Der Durchlaufweg in Schraubenform, erhalten durch eine sehr hohe Umfangsgeschwindigkeit,
ist äußerst zuverlässig. Die auf ihr Maximum getriebene Turbulenz läßt die laminare
Grenzschicht praktisch verschwinden und bewirkt so für alle Milchteilchen eine gleichförmige
Durchströmgeschwindigkeit.
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d) Sie gestattet, jede zusätzliche Aufenthaltsdauer der Flüssigkeit
unter höheren gefährlichen Temperaturen zu verhindern. Die Heizfläche des Erhitzers
geht nämlich plötzlich in eine Kühlfläche über, die zum Zweck hat, die Flüssigkeit
plötzlich von der Pasteurisierungsendt ,mperatur auf nicht gefährliche Temperaturen
abzukühlen. Diese Abkühlung dauert nur einige Bruchteile von Sekunden.
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e) Dank der Temperatur der Heizfläche, die stets in der unmittelbaren
Nähe der Temperatur der Milch gelegen ist, und der Dauer des Heizeffekts, die für
alle Teilchen gleichmäßig kurz ist, werden die Ablagerungen an der Heizfläche, ähnlich
den Steinablagerungen an der Heizfläche eines Dampfkessels, die bisher als unvermeidlich
angesehen worden sind, gänzlich unterdrückt. Beispielsweise hat man 4000 1 entrahmte
Milch von ii° SH (25° Dornic) von 48 auf 92° bei einer Leistung von 150o 1 je Stunde
erhitzt. Die entrahmte Milch hat vollständig koaguliert. Die mit Dampf von 117°
beheizte Heizfläche hat nicht die geringste Spur einer Ablagerung gezeigt.
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Dieser Vorzug des Pasteurisierungsapparates gestattet, auch schon
saure Milch zu verarbeiten, um daraus Qualitätsprodukte herzustellen. Dies ist ein
besonders wichtiger wirtschaftlicher Vorteil, insbesondere für die Länder, wo die
Milch in der Regel bereits angesäuert ist.
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Die Tatsache, daß die Heizfläche sauber bleibt, wirkt sich in bezug
auf die Bedienung und Unterhaltung eines solchen Apparates sehr günstig aus, indem
die Reinigung eines Plattenpasteurisierapparates ungefähr : Stunden erfordert.
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f) Während die notwendige Heizfläche bisher betrug:
beträgt bei dem Apparat gemäß der Erfindung dieser Wert:
Der Apparat gemäß der Erfindung erfordert somit nur etwa 7% der Heizfläche, wie
sie bisher benötigt worden ist. Der Pasteurisierapparat wird somit bedeutend kleiner
und ist leichter zu handhaben.
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g) Da die Heizfläche keine Ablagerungen aufweist und sich nicht verunreinigt,
selbst im Falle der Erhitzung von saurer Milch, sondern im Gegenteil ganz sauber
bleibt, kann man Aluminium als Baustoff verwenden. Hierdurch ergibt sich eine bedeutende
Preisverringerung. -h) Schließlich ist es nicht nötig, den Apparat in verschiedenen
Abmessungen zu bauen, da er durch die einzige Regelung des Heizdampfes auf eine
beliebige Leistung zwischen 50o und 50001/Std. einreguliert werden kann. Dies ermöglicht
die Serienherstellung und eine entsprechende Preisreduzierung.