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Verfahren und Vorrichtung zum Pasteurisieren von wärmeempfindlichen
Flüssigkeiten, insbesondere von Milch und Sahne Gegenstand der Erfindung ist ein
Verfahren zum Pasteurisieren von wärmeempfindlichen Flüssigkeiten, bei dem die Eigenschaften
der Flüssigkeit unverändert bleiben, trotzdem eine einwandfreie Sterilisation gewährleistet
ist.
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Zum Pasteurisieren von wärmeempfindlichen Flüssigkeiten, insbesondere
Milch oder Sahne, verwendet man Heizvorrichtungen, die auf verschiedenen Systemen
beruhen, aber alle auf dem Prinzip des Wärmeatstauschers durch eine Metallwand.
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Man unterscheidet im wesentlichen: Rohrerhitzer, Plattenerhitzer und
Trommelerhitzer. Während bei den Rohr- und Plattenerhitzern die zu behandelnde Flüssigkeit
die Kanäle durchfließt, die durch die Rohre oder Platten gebildet werden, wird bei
dem Trommelerhitzer der Umlauf der Flüssigkeit durch eine in besonderer Weise gebaute
Trommel hervorgerufen, die sich innerhalb eines geschlossenen Zylinders dreht. Die
Erwärmung des Zylinders oder der Trommel wird durch Dampf oder heißes Wasser vorgenommen.
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Diese drei Bauarten wurden zur Durchführung der drei bekannten Pasteurisierverfahren
verwendet, nämlich:
z. Erwärmung auf eine hohe Temperatur von. 85°
C ohne Aufrechterhaltung der Temperatur, 2. Erwärmung von kurzer Dauer ' (während
40 Sekunden) auf 72° C bei Aufrecherhaltung der Temperatur (Einkammerung), 3. Erwärmung
von langer Dauer (während 30 Minuten) auf 63° C bei Aufrechterhaltung der
Temperatur (Einkammerung). -Wenn auch das Verfahren der Erwärmung auf eine hohe
Temperatur wohl ein ungefähr ausreichendes Pasteurisieren und eine Zerstörung der
Keime gewährleistet, so ermöglicht es, z. B. bei Milch doch nicht, die Gefahr des
Verlustes bestimmter Eigenschaften zu vermeiden, und das in einem Maße, daß die
völlige Zerstörung der Keime außerordentlich schwierig, ja manchmal unmöglich wird.
Die auf 85° C erwärmte Milch besitzt nicht mehr alle Eigenschaften der rohen Milch
(Veränderung der Encyme, teilweiser Niederschlag der Proteide, Zerstörung der Abrahmfähigkeit
usw.).
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Ein kurzes Erwärmen auf 72° C mit Einkammerung während 40 Sekunden
hat ein sicheres Abtöten der Keime zur Folge. Es bewahrt auch die Fähigkeit der
Abrahmung der Milch, aber es erfordert eine außerordentlich sorgfältige Handhabung
der Apparate und das Aufrechterhalten der Temperatur und dieEntnahme bei konstanterHöhe.
Wenn infolge einer Veränderung der Entnahme die erforderliche Dauer für die Aufrechterhaltung
der Temperatur nicht eingehalten wird, wird im Falle einer geringeren Dauer die
Zerstörung der Keime nicht mehr erreicht, und im Falle eines Überschreitens werden
die Eigenschaften der rohen Milch vernichtet.
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Bei . einer Behandlung bei 63° C während 30 Minuten ist-der
zulässige Spielraum für die Behandlungsdauer größer, und die Temperatur ist leichter
zu überwachen, es ist aber ein ununterbrochenes Arbeiten unmöglich,-- abgesehen
davon, daß Installationen dieser- Art viel Platz erfordern und sehr umständlich
sind.
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Diese drei Erwärmungsverfahren weisen also große Unzulänglichkeiten
auf sowohl durch ihr Prinzip als auch in gleicher Weise durch die Anordnung der
Wärmeaustauschvorrichtung selbst.
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Bei allen diesen Vorrichtungen werden die unmittelbar mit der Heizfläche
in Berührung stehenden Flüssigkeitsteilchen tatsächlich auf eine höhere als die
gewünschteTemperatur erwärmt. Siewerden außerdem infolge der verschiedenen Geschwindigkeiten
beim Durchfließen der verschiedenen Milchteilchen einer viel zu langen Wärmebehandlung
unterworfen, wobei die Grenzschicht durch- ihre Berührung mit der Wand gebremst
wird. Dieser Umstand mindert den Wert des behandelten Produktes, und es ist unmöglich,
die obenerwähnten Qualitätsverluste auszuschalten.
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Außerdem kann bei der Behandlung von Milch oder Sahne diese anbrennen
und sich an der Heizfläche festsetzen. Diese Erscheinung rührt von dem Vorhandensein
von Luft her, die sich aus den zu behandelnden Flüssigkeiten während der Erwärmung
ausscheidet. Die Erfindung vermeidet diese verschiedenen Unzulänglichkeiten. Ihr
Gegenstand ist auch eine den Erfordernissen des neuen Verfahrens entsprechende Vorzichtung.
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Das Pasteurisierverfahren gemäß der Erfindung besteht darin, daß eineSchicht
der zu behandelnden Flüssigkeit in einer sehr kurzen Zeit von höchstens 2 Sekunden
in einer doppelten Heizzone mit schwacher Heizfläche einen kurzen Weg über lamellenartige
Mitnehmer derart durchläuft, daß alle Flüssigkeitsteilchen einer als gleichmäßig
anzusprechenden Heizdauer ausgesetzt werden, wobei die erste Heizzone ein gasdichtes
Abteil bildet, das bei einem Unterdruck unter der Atmosphäre gehalten wird, worauf
die auf die erforderliche Temperatur erwärmte Flüssigkeit in einen ringförmigen
Einkammerungsraum geleitet wird, wo sie während einiger Sekunden bei dieser Temperatur
gehalten wird, um. dann schnell auf eine Temperatur abgekühlt zu werden, für die
sie unempfindlich ist.
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Die so erzielte gleichmäßige Erwärmungszeit der verschiedenen Flüssigkeitsteilchen
macht es möglich, der pasteurisierten Flüssigkeit ihre Homogenität und ihren Wert
zu erhalten. Die folgenden Erläuterungen machen es verständlicher, wie diese Gleichmäßigkeit
erzielt wird.
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Man kann. annehmen, daß die Heizzeit mit der Aufenthaltsdauer der
Flüssigkeit in der Heizzone des Apparates verglichen werden kann. Diese Dauer hängt
selbst von der Länge und dem Querschnitt des Raumes ab, den die Flüssigkeit durchfließen
muß. Er muß sehr kuiz sein. Daher hat die neue Vorrichtung gemäß der Erfindung eine
kurze Trommel und einen sehr kleinen Zwischenraum zwischen den -Mitnehmern und der
Trommelwand.
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Um den notwendigen Temperaturanstieg der Flüssigkeit zu erzielen,
ist ferner eine ausreichende Heizfläche nötig, die die Abmessungen der Heizzone
bestimmt.
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Um trotzdem eine beschränkte Heizfläche zu erhalten, ist es daher
notwendig, die Wärmeübertragung durch eine möglichst große Flächeneinheit zu ermöglichen.
Dies wird erreicht: r. durch eine große Abflußgeschwindigkeit der zu behandelnden
Flüssigkeit und durch - die starke Wirbelung, die eine Folge des kleinen Abstandes
zwischen Mitnehmern und der Trommelwand und der großenDrehgeschwindigkeit der Mitnehmer
ist, 2. durch Vergrößerung der Heizfläche an der Dampf- oder Heißwasserseite.
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Die günstigen Bedingungen der Wärmeübertragung als Folge der Abflußschnelligkeit,
der starken Wirbelung der Flüssigkeit sowie der Vergrößerung der Heizfläche auf
der Dampfseite ermöglichen einen schnellen Temperaturanstieg der zu erwärmenden
Flüssigkeit, obwohl nur eine sehr kleine Heizfläche verwendet wird.
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Die Gleichmäßigkeit der tatsächlichen Erwärmungszeit der verschiedenen
Flüssigkeitsteilchen hängt von der Dauer des Aufenthaltes dieser Flüssigkeit in
der Heizzone der Vorrichtung ab. Je kürzer diese ist, desto kleiner ist der Unterschied
zwischen
den- Erwärmungszeiten der Teilchen, die der Wärmewirkung zu kurze oder zu lange
Zeit unterworfen sind. Die erläuterten Abmessungs- und dynamischen Verhältnisse
bewirken also gemeinsam die Verwirklichung der Gleichmäßigkeit.
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Ferner weicht die Aufenthaltsdauer der Teilchen, die zu langsam oder
zu schnell fließen sollten und von denen es nur wenige gibt; äußerst wenig von der
Durchschnittsaufenthaltsdauer ab, die selbst nur gering ist, oder wenigstens zwischen
unbedeutenden Grenzen schwankt.
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Das beschriebeneVerfahren kann mit Hilfe einer dazu besonders gebauten
Vorrichtung durchgeführt werden.
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Die dazu vorgesehene Vorrichtung beisteht beispielsweise aus drei
gleichachsigen Teilen, von denen jeder eine -besondere Aufgabe hat. Der erste Teil,
der an der Einflußseite der Flüssigkeit liegt, bildet den zylindrischen Heizkörper,
dessen innere Wandfläche von kleinen Abmessungen ist, während die der Heizfläche
gegenüberliegende Fläche, die mit der zu erwärmenden Flüssigkeit in Berührung steht,
mit Rippen od. dgl. Ansätzen versehen ist, die die von der Flüssigkeit berührte
Fläche merklich vergrößern. Lamellenartige Organe oder Mitnehmer, die mit sehr großer
Geschwindigkeit umlaufen können und zwischen sich und der Innenfläche des Heizkörpers
einen sehr kleinen Raum für die Wirkung der Lamellen lassen, werden im Inneren des
ersten Teiles zwischen Scheiben angetrieben, die auf einer mittleren Welle befestigt
sind. Der Heizkörper umfaßt zwei Heizzonen, von denen die erste Mittel aufweist,
um in ihrem Inneren einen Unterdruck zu erzeugen. Der zweite Teil bildet den zylindrischen
Körper für die Einkammerung und grenzt den ringförmigenEinkammerungsraum ab, in
dem sich die erwärmte Flüssigkeit einige Sekunden aufhalten muß. Der Querschnitt
dieses Ringraumes entspricht der genauen Zeit während der die pasteurisierte Flüssigkeit
dort verweilen muß. Der- dritte Teil bildet einen zylindrischen Kühlkörper, in dem
die Flüssigkeit plötzlich auf eine Temperatur gebracht wird, bei der sie keinen
Änderungen mehr unterworfen ist. Eine umlaufende Trommel, die auf der gleichen Achse
wie die genannten Scheiben angebracht ist, nimmt den Innenraum der Einkammerungs-
und Kühlkörper ein. Die Trommel ist an dem Teil, der für die Kühlzone in Frage kommt
und von dem Kühlkörper begrenzt wird, mit Mitnehmern versehen, die vorzugsweise
schräg angeordnet sind. Der Zwischenraum zwischen diesem Teil der Trommel und der
Wand des Kühlkörpers ist im allgemeinen von größerer Bedeutung, als es bei der doppelten
Heizzone der Fall ist. Die Abmessungen dieses Zwischenraumes hängen von der Aufenthaltsdauer
ab, die man für die dort umlaufende Flüssigkeit zuläßt.
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Die Unterteilung der Heizzone der Flüssigkeit in zwei einzelne Abteile
wird dadurch bewirkt, daß an der Grenze dieser beiden Abteile ein gasdichter Ring
durch die zu pasteurisierende Flüssigkeit selbst gebildet wird. Man erhält einen
solchen Flüssigkeitsring, indem man an der Ecke der lamellenartigen Mitnehmer an
den Stellen, an denen sie an der Ausgangsseite der Vorrichtung an den Scheiben anliegen,
zwischen denen sie umlaufen, eine leichte Abrundung vornimmt. Die lamellenartigen
Mitnehmer sind vorzugsweise schräg angeordnet, um die Weiterbewegung der Flüssigkeit
zu bestimmen und der Raum, der sie von der Heizfläche trennt, ist sehr klein (ungefähr
0,5 mm). Ein gleicher Flüssigkeitsring kann auf die gleich eWeise zwischen
der zweiten Heizzone und dem Einkammerungsring gebildet werden.
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Der begrenzte Unterdruck in dem ersten Heizabteil entfernt nicht nur
die Luft aus diesem Abteil, sondern bewirkt auch ein Entgasen der behandelten Flüssigkeit.
Dadurch wird ebenfalls 'ein Ansetzen möglicherweise angebrannter Flüssigkeit verhindert.
Die Arbeit im luftleeren Raum ist zum Pasteurisieren von Sahne besonders wichtig.
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Es sind für die verschiedenen Flüssigkeiten Ein-und Auslaßöffnungen
vorgesehen für die Heizung, für die Kühlung und insbesondere für die Behandlung.
Die zu behandelnden Flüssigkeiten zirkulieren in am Umfang verlaufenden Kanälen.
An der Dampfseite weist die Heizkörperwand Rillen auf, die die wirksamen Flächen
mindestens verdoppeln.
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Als Beispiel wird eine Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung
in der Zeichnung gezeigt.
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Die wesentlichen Teile der Vorrichtung, die gleichachsig angeordnet
sind, sind ein zylindrischer Heizkörper r, ein Körper :2 zur Aufrechterhaltung der
Temperatur oder Einkammerung und ein Kühlkörper 3.. Im Inneren in der Mitte der
Vorrichtung ist eine Antriebswelle 4 vorgesehen, deren Enden in wasserdichten Lagern
liegen. Die Welle 4 trägt Antriebsscheiben 14, Die zu behandelnde Flüssigkeit tritt
durch ein in die Öffnung 5 mündendes Rohr in den Zylinder r ein und wird dort durch
die Scheibe 6 erfaßt und durch die durch die Scheiben 6; g und 9a an der Welle 4
befestigten Mitnehmer 7 mit großer Geschwindigkeit (mehr als 12 m/Sek.) mitgerissen,
die sich mit der gewünschten Geschwindigkeit dreht. Die Flüssigkeit fließt dabei
in einer dünnen Schicht (ungefähr o,5 mm) an der Wand des Heizkörpers.z entlang.
Nach sehr kurzer Zeit erreicht sie den Einkammerungskörper 2 und füllt den Ringraum
aus, der sich zwischen der Wand 2 und der Trommel 21 befindet.
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Wie bereits oben erwähnt, ermöglichen die Feinheit derFlüssigkeitsschicht
und die großeUmfangsgeschwindigkeit der leistenförmigen Mitnehmer 7 die Vermeidung
einer Überhitzung bestimmter Teilchen und eine Beschleunigung oder Verzögerung einzelner
Teilchen gegenüber dem Durchschnitt. Die Erwärmung der Flüssigkeit erfolgt durch
Dampf, der durch eine Öffnung 12 zugeführt wird und um den Zylinder z herum strömt.
Die Öffnung 13 dient zum Ablassen des Kondenswassers des Dampfes. Die Heizfläche
ist auf der Dampfseite ungefähr doppelt so groß wie auf der
Flüssigkeitsseite.
Dies wird durch Anordnung von Rippen 8 an dem Zylinder i erreicht, die an die Außenfläche
angegossen oder angeschweißt sind. Diese Anordnung, verbunden mit der Feinheit der
Flüssigkeitsschicht und der starken Wirbelung, gestatten die Verwendung einer verhältnismäßig
sehr kleinen Heizfläche.
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Der Teil der Vorrichtung, der als Heizzone für die zu behandelnde
Flüssigkeit dient, ist durch die Scheibe 9 in zwei Zonen geteilt. Die Mitnehmer
7 sind an den mit K und L bezeichneten Stellen so ausgebildet, daß sie an diesen
Stellen in dem Hohlraum des. Zylinders einen -Flüssigkeitsring erzeugen, der die
Abteile A und B voneinander trennt. Die Luft des Abteiles A wird mittels
einer Luftpumpe oder auf andere Weise über einen axialen Kanal io abgesaugt, der
in die Hauptwelle q. gebohrt ist. Radiale Löcher i i verbinden den Innenraum des
Abteiles A mit dem Kanal io. In dem zweiten Abteil B der Heizvorrichtung wird die
Flüssigkeit auf die gewünschte Temperatur erwärmt. Die Luft dieses Abteiles soll
nicht abgesaugt werden, da die Flüssigkeit sonst verdampfen würde.
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Der Teil der Welle q., der hinter dem Abteil B liegt, ist mit einer
Trommel ei versehen. Der Durchmesser der ringförmigen Kammer, die durch eine Vertiefung
der Wand des Einkammerungskörpers 2 gebildet wird, ist so gewählt, daß die Verstärkung
der Flüssigkeitsschicht der gewünschten Aufenthaltsdauer entspricht, nach deren
Ablauf die Flüssigkeit aufs Neue durch die Mitnehmer 22 der Trommel 21 erfaßt und
an der Wand des Kühlkörpers 3 entlang geleitet wird. Eine Berührung der Wände der
Körper 2 und 3 wird durch die Einfügung einer wärmeisolierenden Scheibe 23 vermieden.
Der Kühlkörper 3 kann auch su ausgebildet sein, daß an Stelle der Verwendung von
Wasser oder einer anderen Kühlflüssigkeit der Wärmeaustausch dadurch erzielt wird,
daß die zu behandelnde Flüssigkeit, bevor sie durch die Öffnung 5 in den Zylinder
i eintritt, durch schneckenartige Kanäle 24 umläuft.