EP1487240A1 - Produktstromerhitzer - Google Patents

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EP1487240A1
EP1487240A1 EP03013574A EP03013574A EP1487240A1 EP 1487240 A1 EP1487240 A1 EP 1487240A1 EP 03013574 A EP03013574 A EP 03013574A EP 03013574 A EP03013574 A EP 03013574A EP 1487240 A1 EP1487240 A1 EP 1487240A1
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EP
European Patent Office
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product
channel
electrodes
carrying channel
electrode
Prior art date
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Application number
EP03013574A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1487240B1 (de
Inventor
Hans-Peter Dr. Wild
Bradley Gunn
Klaus Lochbühler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
INDAG Gesellschaft fuer Industriebedarf mbH and Co Betriebs KG
Original Assignee
Rudolf Wild GmbH and Co KG
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Publication date
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Priority to DK03013574T priority patent/DK1487240T3/da
Priority to ES03013574T priority patent/ES2247455T3/es
Priority to SI200330068T priority patent/SI1487240T1/sl
Priority to EP03013574A priority patent/EP1487240B1/de
Priority to DE50301102T priority patent/DE50301102D1/de
Priority to US10/865,327 priority patent/US7411165B2/en
Priority to CA002470802A priority patent/CA2470802C/en
Priority to CNB200410055092XA priority patent/CN100469200C/zh
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Priority to RU2004118459/09A priority patent/RU2283546C2/ru
Priority to PL368497A priority patent/PL203969B1/pl
Priority to BR0402215-7A priority patent/BRPI0402215A/pt
Priority to JP2004175892A priority patent/JP2005058219A/ja
Priority to SA04250279A priority patent/SA04250279B1/ar
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/46—Dielectric heating
    • H05B6/60—Arrangements for continuous movement of material

Definitions

  • the invention relates to a device for heating product streams, in particular of food product streams containing fruit or pieces of fruit, with a product-carrying channel through which the product flows and with a Device for generating alternating electrical fields, the electrodes, Includes electrode connections and an alternating field generator.
  • Devices of this type are known in the prior art. Generally they serve Heat products, especially food products, so that bacteria are present Can be killed and the product will have a longer shelf life. Important is that there are quality features like color, taste, consistency and texture not change significantly. This is particularly the case with fruit or pieces of fruit containing food products important because of the structure of the fruit Heat can easily be destroyed. So the challenge is To develop process methods and devices in which the desired Properties of the product are preserved as much as possible.
  • a device for heating and sterilizing product streams is e.g. from the US 6 246 040 B1 known.
  • glass or Teflon tubes move product flows through strong electrical alternating fields dielectric heated.
  • radio frequency fields are located on the outside of the tubes Electrodes applied.
  • Polar or electrically asymmetric molecules in the to heating product are set in motion by being in the want to align electrical field. The molecular movement thus generates heat.
  • This The heating method is referred to below as radio frequency heating.
  • Such System enables fast and homogeneous heating even in non-homogeneous Product mixtures. In these systems, however, a large part of the energy goes into the The walls of the tubes are lost, so that the efficiency of the device is low.
  • the productivity of such devices is relatively low and thus the procedural costs are correspondingly high.
  • Another known device uses the ohmic method Heating. An electrical current flows through the medium to be heated. There low-frequency voltage sources (up to 60Hz) are used. The electrodes are in place in direct contact with the product, which keeps energy losses to a minimum. However, this process is only successful with homogeneous product flows applicable. Since the product channels must be relatively narrow (approx. 1 cm), this is Process only with difficulty with e.g. fluids enriched with pieces of fruit can be used and the flow rates achieved are low. There is also a risk electrolysis with the formation of hydrogen. This leads to a relatively short one Lifetime of the electrodes, which are mostly made of carbon.
  • electrodes are inside the arranged product-carrying channel, one between the electrodes through a Alternating field generator generates high-frequency electric field that is in the channel located product heated and sterilized if necessary.
  • high frequency electric field is understood to mean fields with frequencies higher than that Mains frequency and are in particular in the kHz-MHz range.
  • the electrical Alternating field enables the product to penetrate deeply, directly and uniformly Heating, preferably of dielectric materials such as e.g. Water molecules. there are especially inhomogeneous products, such as with fruit or pieces of fruit fortified food fluids, gently heated.
  • the solution according to the invention prevents unnecessary energy loss, since no additional material, such as there is a dielectric between the electrode and the product, thus enabling one efficient, energy-saving and productive. Use. Furthermore, such Device the response time short, which has a positive effect on the temperature control.
  • the electrodes are in direct contact with the product in addition to radio frequency heating, ohmic heating instead, since an electrical one Current can flow through the product. This also increases the efficiency of the Contraption.
  • the electrodes are on opposite sides of the product Channel attached, wherein the device comprises at least one pair of electrodes.
  • Opposing electrodes lead to the formation of relatively homogeneous fields, with im Essentially parallel field lines perpendicular to the product flow.
  • the channels are provided to produce food-safe dielectric material, since this is also the insulation of the electrodes.
  • the channels are also possible to use other materials, especially ceramics to use for the channel.
  • the product-carrying channel in the Cross section be rectangular. Large cross sections can be made possible, what guaranteed a high product.
  • too inhomogeneous liquids, e.g. enriched with fruit or pieces of fruit Food fluids are transported without causing unwanted constipation comes.
  • the corners of the channel are preferably rounded to prevent them from moving Product settles there, which ensures the cleanliness of the product channel longer can be and the cleaning is simplified.
  • Such a channel shape is suitable therefore also for in-process cleaning (CIP).
  • the product-carrying channel can expediently consist of several, in particular, of two, essentially structurally identical duct parts.
  • the channel can for example consist of two in Essentially U-shaped channel molded parts exist.
  • Such components are simple and also open the channel and access the Electrodes in case of maintenance.
  • the cross section of the product-carrying Channel so large that the product is gentle due to air pressure or low pump force can be promoted and by the device, in particular from bottom to top, flows.
  • the electrodes are preferably made of stainless steel, but they are all Food-friendly and rustproof electrically conductive materials can be used. Stainless steel guarantees long lifetimes and therefore long maintenance intervals as a common material, it is also relatively inexpensive.
  • the electrodes preferably have a large, oval shape, which is calculated in this way is that inside the channel is a substantially homogeneous electric field is built up, which enables an energy transfer into the product medium flow. who the corresponds to different existing speeds of the product in the channel. At the Edge of the channel where the product speeds are slower becomes a correspondingly lower electric field than in the middle, where the Product speeds are highest. Due to the shape of the electrode ensures that the energy input per product volume element and per dwell time in the device is essentially the same for each product volume element the product flow is heated uniformly everywhere. This also leads to one simplified process control. One understands here as a product volume element small product volume in the device. The sum of all Product volume elements result in the total product flow.
  • Another preferred embodiment of the electrode shape includes that the edges of the Electrodes are rounded on the side facing away from the duct wall. This prevents the formation of local strong electric fields that lead to overheating of the Product in this area.
  • the edges of the electrodes - in particular in Combination with a duct, made of plastic or a duct from an equivalent Material - are thickened on the side facing the channel wall, while at the same time the channel wall has a recess corresponding to the thickening.
  • This enables a controlled fitting of the electrode into the channel wall.
  • the thickening in the corresponding recess This prevents especially by using food-safe silicone glue that Can accumulate product behind the electrode. It also ensures an accurate defined position of the electrode in the channel. This also ensures that the Channel real electric field essentially the previously simulated field equivalent.
  • the electrodes are advantageously replaced by at least one screw or one other traction enabling fastener with the outside of the connected to the product-carrying channel.
  • the alternating field generator which is used to apply the alternating field voltages to the Electrodes is required, preferably generates square-wave alternating voltages.
  • Frequency ranges from 100 kHz to 1000 kHz, and particularly preferably from 200 kHz to 500kHz suitable for the device.
  • Rectangular AC voltages have the Advantage that they result from a superposition of many frequencies (Fourier decomposition) put together.
  • the frequency spectrum ranges from the KHz to the MHz range. Due to the presence of the frequency spectrum, long-wave vibrations can occur are generated that have an even more homogeneous penetration and thus still achieve more uniform heating especially with inhomogeneous products.
  • the alternating field generator generates voltages of up to 1 kV, in particular Voltages of 500V, with currents in the range up to 100A, especially in the Range of 50-60A.
  • the relatively low voltage with at the same time relatively high Amperages have several advantages. First, there is the risk of sparking minimized by the low voltage. This is particularly advantageous if the Product gas bubbles are located.
  • the high currents allow the High energy transfer, which leads to efficient heating of the product. This also allows the channel cross-section to be chosen large enough to guarantee a high product throughput. At the same time, the length of the Device short, which keeps it compact and simplifies cleaning of the device.
  • the electrical properties mentioned can be carried out Standard power electronics components achieve what the device is inexpensive and makes it easy to maintain.
  • the interface between the alternating field generator and the electrode connections is designed so that you can use the alternating field generator without additional wiring can connect.
  • the alternating field generator is plugged on without tools.
  • Stiffening elements can preferably be used as protection against deformation of the dielectric channel material, may be arranged on the outside of the channel. By relative High pressures inside the product channel can lead to unwanted deformation of the channel come, and thus the shape of the electrical Fields affect negatively or the functionality of the device due to restrict leaks. Stiffening elements, in particular metal plates for example stainless steel, counteract such a possible deformation and are therefore conducive to a long service life of the device.
  • the product-carrying channel of several sealingly arranged one behind the other in the product flow direction Sub-units formed.
  • a subunit comprises at least one pair of electrodes, corresponding electrode connections and one corresponding to the number of electrode pairs Number of alternating field generators, each of these generators having its own Control. So you can the device depending on the product and thus depending Adapt the required heating output individually. The gradual interpretation of the The heating system with subunits connected in series also offers the Possibility of precise temperature control and regulation.
  • the subunits are advantageously made by a suitable means, e.g. Screws, clamped together, each between two subunits sealing agent can be inserted into a recess.
  • This recess can reside on at least one of the two device interfaces and the enclose the product-carrying channel.
  • a sealing agent e.g. an o-ring be used.
  • the different subunits can be taken apart so far, that the electrodes within the channel can be reached by hand.
  • the seal can also be used without achieve additional seals, especially by gluing.
  • the glue points can be reinforced by the fact that the above described on one interface There is a recess and one of the interfaces on the following subunit Forming the recess corresponding sealing cantilever is formed. By this measure prevents unwanted transverse forces on the glue points.
  • the device for heating Product streams further include a cleaning module.
  • a cleaning module To the regular required maintenance work includes cleaning the product-carrying duct.
  • a heating or Sterilization system can thus consist of several subunits and Cleaning units together. An embodiment of the two subunits is preferred each with 5 pairs of electrodes, with the subunits and Cleaning modules at the beginning and end of the entire heater unit are located.
  • the cleaning module advantageously comprises a product-carrying channel, especially made of stainless steel, which has essentially the same cross section as the Device and inside the product-carrying channel has a spray head that with a connection flange attached to the outside of the cleaning module stands and through which a cleaning medium, in particular water, through the spray head gets inside the product-carrying channel.
  • a cleaning medium in particular water
  • the Cleaning modules at least one through opening, substantially parallel to the Direction of the canal.
  • a tie rod the diameter of which is essentially that corresponds to the opening, several subunits can be strung together, center and tighten.
  • That located in the channel is located in the general moving product by a high-frequency electric field that is generated between two electrodes by an alternating field generator, heated and sterilized if necessary.
  • the electrodes are inside the product-carrying Channel.
  • the alternating electrical field enables deep penetration into the product immediate and evenly gentle heating, preferably of dielectric Materials.
  • the structure of solid components remains in the product, in particular of fruits or pieces of fruit, essentially preserved.
  • the process according to the invention prevents unnecessary loss of energy since there is no additional There is material between the electrode and the product and is therefore efficient energy-saving and productive. Furthermore, the response time with this method is extremely short, which has a positive effect on temperature control.
  • FIG. 1 shows the basic structure of the device 1 according to the invention in one perspective view.
  • the product-carrying channel 2 is by two in Essentially identical molded parts 3 and 4 assembled.
  • the two molded parts 3 and 4 are sealingly against each other and are usually glued together.
  • On the interface 5 between the molded parts 3 and 4 is a tongue and groove combination 6, in this example on the channel side of the molded parts. Through this Tongue and groove combination 6 increases the adhesive strength.
  • gluing is just one way the two channel molded parts 3 and 4 are closed together connect, these could also be connected to each other by screws 16.
  • the Channel molded parts 3 and 4 are made of food-safe dielectric material, such as for example PTFE, polysulfone or PEEK.
  • Electrodes 8 and 9 Inside the channel 2 are two on opposite side wall surfaces 7 in Essentially identical electrodes 8 and 9 attached. Usually these are Electrodes 8.9 made of stainless steel.
  • the electrodes 8,9 are external Electrode connections 10 and 11, usually made of aluminum or brass, electrically conductive, e.g. connected via clamping screws 12. In this Embodiment, the clamping screws 12 also serve to secure the Electrodes 8 and 9.
  • the electrode connections 10 and 11 are made using Contact tabs 13 (shown here only for electrode connection 11) on the here shown rectangular alternator connected.
  • the Kanafformmaschine 3 and 4 which may be due to relatively high pressures in the range of up to about 8 bar, especially 6 bar, are on the outside of the Channel shaped parts 3 and 4 stiffening plates 14 and 15 attached.
  • the stiffening plate 14 or 15 at least partially covers the wide and the narrow side of the channel molding 3 or 4, in this example the is covered by the electrode connection 10 or 11 covered area, so that Do not touch the stiffening plate and electrode connection.
  • a suitable material for Stiffening of the housing is, for example, stainless steel.
  • the device described above forms a sub-unit.
  • This subunit can be used connect other structurally identical sub-units to create a continuous product channel any length, depending on the desired product throughput. Out for this reason the device 1 has connection and sealing means to the Coupling sub-units to each other in a sealed manner.
  • a sealing agent can be inserted.
  • the recess lies in the example shown, directly on the product-carrying channel 2, but can in principle are located anywhere on the interface to the slave unit 17.
  • the recess 18 be formed only on one side of the sub-unit or on both sides.
  • the Channel parts each have at least one on the interface to the slave unit 17 existing, projecting bolts 19 and 20 on. These bolts 19 and 20 occur when two subunits are brought into corresponding recesses (not shown here) in the other subunit and thus center the two Subunits relative to each other.
  • rotatably mounted bolts are designated, whose axis of rotation essentially is aligned parallel to the cutting surface 17.
  • the bracket of the rotatably mounted Bolt 21 communicates with stiffening plates 14 and is nearby the cut surface 17 to the follower unit.
  • the second Interface 22 to another subsequent sub-unit there are counterparts 23 to the rotatably mounted bolts 21.
  • These are, like the rotatably mounted bolts 21 on the Stiffening plate 14 attached near the interface 22.
  • Identical rotatable stored bolts (not shown here) and counterparts 24 are also on the Stiffening plate 15 of the second channel molding 3, in this embodiment each rotatably mounted on one side at an interface 17 or 22
  • the rotatable mounted bolt 21 and the counterparts are used for mutual attachment of two successive subunits. The mechanism is described in the description of Figure 4 explained in more detail.
  • FIG. 2a and 2b show a detailed representation of an embodiment according to the invention of the electrodes.
  • FIG. 2a shows a section along the product stream 25 and parallel to the electrodes 8 and 9, while Figure 2b shows a section transverse to Product stream 25 at the level of the clamping screws 12 shows.
  • Figure 2a shows a plan view of the lower part of the device 1.
  • the electrode 8 has a flat shape, the sides parallel to Flow direction of the product stream 25 are rounded in the direction of the channel walls. This leads to an oval shape.
  • the rounding radius R1 is approximately half of the Depth Y of the electrode.
  • a rounding 26 of the electrodes 8 and 9 on their edges can be seen in FIG. 2b.
  • the electrodes 8 and 9 On the side facing the channel wall 7, the electrodes 8 and 9 have one Thickening 27, which in particular partially has a rounded shape with a radius R3, which corresponds approximately to the thickness z of the electrode.
  • the channel wall 7 On the electrodes 8 and 9 covered area, the channel wall 7 corresponds to the shape of the electrodes 8 and 9 except at 28 and 29, electrodes 8 and 9 being about halfway through them Thickness z are inserted into the channel wall 7. If necessary, however, the Electrodes 8 and 9 can also be completely embedded in the molded parts 3 and 4 or else possibly also lie on them.
  • the electrodes 8 and 9 are with the clamping screws 12 connected to the respective electrode connections 10 and 11.
  • FIG. 2b also shows the rounded corners 30 of the channel.
  • the rounding radius is R4 usually much smaller than half the height of the channel H.
  • the side rounding radius R1 of the electrodes 8 and 9 is approximately 0 mm to 225 mm, in particular 67.5 mm
  • FIG. 3 shows an alternative embodiment 31 of the invention Contraption.
  • the essentially identical design differs from previous embodiment in two points.
  • Electrode connection 11 of the first exemplary embodiment is the contact surface of the Electrode terminal 32 smaller in the second embodiment.
  • the electrode connection 32 is formed, not shown further essentially U-shaped and no longer lies on the channel molding at this point 4 on. This is also on the side opposite the alternating field generator Electrode connection 32 in comparison to electrode connection 11 (exemplary embodiment 1) abbreviated.
  • the fact that the contact surface of the electrode connection 32 on the Channel molding is smaller than in the first embodiment, can now Stiffening plate 33 are formed with a larger area and leads to a improved strength of the device 31 compared to the first embodiment.
  • the electrode connection belonging to the second electrode 8 is a the electrode terminal 32 has an equivalent shape. The same goes for the Stiffening plate 34 of the second channel molding 3.
  • embodiment 2 differs by a changed fastening and Way of contacting the electrodes with the channel moldings or Electrode connections, the attachment of the electrodes from the contact be separated.
  • the electrodes are fastened with electrode fastening screws 35 attached to the channel molded parts 3 and 4 without the electrode connections 32 touch.
  • the electrical contact between the electrodes and the Electrode connection 33 is made using contact means, such as six here Screws 36 made.
  • This embodiment has the advantage that in In case of defective electrode connections the electrodes can remain in place or. vice versa, which simplifies repair work.
  • the dimensions correspond approximately to the dimensions of the first embodiment.
  • Figure 4 shows an overall perspective view of three connected in series Subunits 1 of the first embodiment.
  • the three connected in series Subunits 1 are supplemented at the ends 37 and 38 by connecting pipe pieces 39.
  • At the interfaces 17 to the respective subsequent subunits or Connection pipe piece 39 can be seen, as by inserting the rotatable mounted bolts 21 in the corresponding counterpart 23 the subunits together can be attached and also the start or end part unit with the respective Connection pipe piece 39 can be connected.
  • one uses three consecutive subunits, however, depending on Application of the product flow heater any number of sub-units lined up become.
  • Figure 5 shows an alternative to stringing identical sub-units.
  • the number of desired electrode pairs can also be the length of a channel molding 40 adjust.
  • five Arrange electrodes 41 to 45 in a channel molding 40 correspond to the dimensions in FIGS. 2a and 2b described electrodes 8 and 9.
  • the Electrodes 41 to 45 a distance of about 50 mm.
  • the variety of holes 46 in the wall of the channel molding 40 are required for fastening the two Duct fittings used with the help of screws. Alternatively, the canal walls also glue.
  • FIG. 6 shows the use of the molded parts, as described in FIG. 5, in one Product stream heater.
  • molded parts 47 with three electrodes (not shown) used.
  • Regarding the shape of the electrode terminals 32 and Stiffening plate 33 became the second embodiment as shown in Figure 3 used.
  • the device is supplemented by attached at both ends Cleaning modules 48 and 49, which are explained in more detail in the following Figure 7. Following the cleaning modules 48, 49, there are the connecting pipe pieces 39.
  • the cleaning modules 48, 49 are by means of two tie rods 50 and 51, tense together. With the help of this drawbar device, the three Elements, the two cleaning modules and the sub-unit, sealing and centered connected with each other.
  • FIG. 7 shows a perspective detailed illustration of the cleaning module 48 shown embodiment, the cleaning module consists of a single molded part 52, with the possibility of the body of the cleaning module 48 of two or more essentially identical molded parts reassemble.
  • the molded part 52 defines a channel 53, the shape of the Essentially the shape of the product-carrying channel 2 of the subunits 1 and 31 equivalent. With 53 centering recesses are designated, which serve the Cleaning module 48 with a following sub-unit 1 or 31, on which Centering bolts 19 and 20 are to be aligned.
  • On the sides of the molded part 52 there are guide openings 55 through which the tie rods 50 and 51 respectively be put through.
  • a cleaning agent-carrying can be attached to the connecting flange 56 Pipe or a hose carrying detergent can be connected. Through a in the existing cleaning module molding 52 channel (not shown), this occurs Detergent in the spray head 57 and is present in the spray head Openings sprayed into the interior of the channel 53 or product-carrying channel 2. in the An embodiment shows a central spray head; however, it is quite conceivable, several small spray heads, especially at the edge of the channel 53 train.
  • Product flow heater with two five pairs of electrodes connected in series as shown particularly effective. At the end of product entry and on A cleaning module and an additional one are attached to the product outlet end Cleaning module in the middle of the device, i.e. after five consecutive Electrode pairs, arranged. It is irrelevant for the use whether the Device is used lying or standing, whereby the standing use Footprint of the system is smaller.
  • a storage container 60 is the one enriched with fruits or pieces of fruit Liquid food product to be heated. This is done with the help of a pump 61 after opening a valve 62 in a channel 63 set in motion. To Passing through a curved connector 64, the liquid enters the Product flow heater 65 a. As can be seen, the product is in the bottom Product flow heater 65 fed and then flows substantially vertically above through the product flow heater 65. The product flows to a total of 10 Electrode pairs 67 to 76 over. Each pair of electrodes is on one Rectangle generator 77 to 86 connected.
  • Be on the electrodes 67 to 76 typically square wave voltages of about 500 V with simultaneous Current strengths of about 50 to 60 A and frequencies of about 200 to 500 KHz applied. This creates strong alternating electrical fields in the product-carrying channel, which Heat the product stream. Usually in the given example Heating rates of around 80 ° C / min. achieved and maximum temperatures of approximately 130 ° C. After the heating step, the product stream flows into the outflow channel 87 and can be further processed in a subsequent apparatus (not shown).
  • the system can be switched off at regular intervals and the Product flow heater 65 cleaned using the existing cleaning modules 88 to 90 become.
  • the Disassemble product stream heaters relatively quickly by using the Pushes cleaning modules away, allowing easy access to the electrodes becomes.

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Abstract

Vorrichtung und Verfahren zum Erhitzen von Produktströmen, insbesondere von Frucht oder Fruchtstücke enthaltenden Lebensmittelproduktströmen, mit einem produktführenden Kanal (2) durch den das Produkt hindurchströmt und mit einer Vorrichtung zum Erzeugen von hohen elektrischen Wechselfeldern, wobei diese Elektroden (8,9), Elektrodenanschlüsse (10,11) und eine Wechselfeldgenerator umfasst. Die Erfindung ist dadurch ausgezeichnet, dass die Elektroden (8,9) innerhalb des produktführenden Kanals (2) angebracht sind. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erhitzen von Produktströmen, insbesondere von Frucht oder Fruchtstücke enthaltenden Lebensmittelproduktströmen, mit einem produktführenden Kanal, durch den das Produkt hindurchströmt und mit einer Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischen Wechselfeldem, die Elektroden, Elektrodenanschlüsse und einen Wechselfeldgenerator umfasst.
Vorrichtungen dieser Art sind im Stand der Technik bekannt. Allgemein dienen sie dazu, Produkte, insbesondere Lebensmittelprodukte, so zu erhitzen, dass sich Bakterien abtöten lassen und sich somit eine längere Haltbarkeit des Produktes ergibt. Wichtig dabei ist, dass sich Qualitätsmerkmale wie Farbe, Geschmack, Konsistenz und Textur nicht wesentlich verändern. Dies ist insbesondere bei Frucht oder Fruchtstücke enthaltenden Lebensmittelprodukten von Bedeutung, da die Struktur der Früchte durch Hitze leicht zerstört werden kann. Die Herausforderung liegt daher darin, Prozessmethoden und Vorrichtungen zu entwickeln, bei denen die gewünschten Eigenschaften des Produkts so gut wie möglich erhalten bleiben.
Eine Vorrichtung zum Erhitzen und Sterilisieren von Produktströmen ist z.B. aus der US 6 246 040 B1 bekannt. In der dort beschriebene Vorrichtung werden in Glas oder Teflonröhren bewegte Produktströme durch starke elektrische Wechselfelder dielektrisch erwärmt. Hierbei werden Radiofrequenzfelder an außerhalb der Röhren befindliche Elektroden angelegt. Polare bzw. elektrisch asymmetrische Moleküle in dem zu erhitzenden Produkt werden dadurch in Bewegung versetzt, dass sie sich im elektrischen Feld ausrichten wollen. Somit erzeugt die Molekülbewegung Wärme. Diese Erhitzungsmethode wird im Folgenden als Radiofrequenzheizen bezeichnet. Eine solche Anlage ermöglicht schnelles und homogenes Erhitzen auch in nicht homogenen Produktmischungen. In diesen Systemen geht jedoch ein großer Teil der Energie in den Wandungen der Röhren verloren, sodass die Effizienz der Vorrichtung gering ist. Des weiteren besteht durch das Vorhandensein von hohen Spannungen, die nur mit Hilfe komplexer Leistungselektronik erzeugt werden können, die Gefahr des Funkenschlags Aus diesen Gründen ist die Produktivität solcher Vorrichtungen relativ gering und somit die Verfahrenskosten entsprechend hoch.
In einer anderen bekannten Vorrichtung bedient man sich der Methode des ohmschen Erhitzens. Hierbei fließt ein elektrischer Strom durch das zu erhitzende Medium. Dabei werden niederfrequente Spannungsquellen (bis zu 60Hz) benutzt. Die Elektroden stehen im direkten Kontakt mit dem Produkt, womit Energieverluste gering gehalten werden. Allerdings ist dieses Verfahren nur bei homogenen Produktströmen erfolgreich anwendbar. Da die Produktkanäle relativ eng sein müssen (ca. 1 cm), ist dieses Verfahren nur unter Schwierigkeiten bei z.B. mit Fruchtstücken angereicherten Fluiden verwendbar und die erzielten Durchflussraten sind gering. Außerdem besteht die Gefahr der Elektrolyse mit Ausbildung von Wasserstoff. Dies führt zu einer relativ kurzen Lebenszeit der Elektroden, die zumeist aus Kohlenstoff gefertigt sind.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, die es ermöglichen, Produktströme, und dabei auch inhomogen Produkte, insbesondere Frucht oder Fruchtstücke enthaltende Fluide, effizient, energiesparend und kostengünstig bei hohem Produktdurchsatz sicher und schonend zu erhitzen oder zu sterilisieren.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Elektroden im Inneren des produktführenden Kanals angeordnet, wobei ein zwischen den Elektroden durch einen Wechselfeldgenerator erzeugtes hochfrequentes elektrisches Feld das sich in dem Kanal befindliche Produkt erhitzt und gegebenenfalls sterilisiert. Unter hochfrequentem elektrischen Feld versteht man dabei Felder mit Frequenzen, die höher als die Netzfrequenz sind und dabei insbesondere im kHz-MHz Bereich liegen. Das elektrische Wechselfeld ermöglicht tief in das Produkt eindringendes, unmittelbares und uniformes Erhitzen, vorzugsweise von dielektrischen Materialien, wie z.B. Wassermolekülen. Dabei werden insbesondere auch inhomogene Produkte, wie mit Früchten oder Fruchtstücken angereicherte Lebensmittelfluide, schonend erhitzt. Die erfindungsgemäße Lösung verhindert unnötigen Energieverlust, da kein zusätzliches Material, wie beispielsweise ein Dielektrikum, zwischen Elektrode und Produkt vorhanden ist und ermöglicht so eine effiziente, energiesparende und produktive. Nutzung. Weiterhin ist bei einer solchen Vorrichtung die Ansprechzeit kurz, was sich positiv auf die Temperaturkontrolle auswirkt.
Dadurch, dass die Elektroden sich im direkten Kontakt mit dem Produkt befinden, findet zusätzlich zum Radiofrequenzheizen auch ohmsches Erhitzen statt, da ein elektrischer Strom durch das Produkt fließen kann. Dies erhöht zusätzlich die Effizienz der Vorrichtung.
Vorzugsweise sind die Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten des produktführenden Kanals angebracht, wobei die Vorrichtung mindestens ein Elektrodenpaar umfasst. Gegenüberliegende Elektroden führen zur Ausbildung relativ homogener Felder, mit im Wesentlichen parallelen, senkrecht zum Produktstrom stehenden, Feldlinien.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist es vorgesehen die Kanäle aus lebensmittelechtem dielektrischem Material herzustellen, da dieses auch das Isolieren der Elektroden ermöglicht. Es ist allerdings durchaus auch möglich, andere Materialien, insbesondere Keramik, für den Kanal zu verwenden.
In einer vorteilhaften Ausführung der Vorrichtung kann der produktführenden Kanal im Querschnitt rechteckig sein. Es lassen sich dabei große Querschnitte ermöglichen, was einen hohen Produktes gewährleistet. Außerdem können in großen Kanälen auch inhomogene Flüssigkeiten, wie z.B. mit Frucht oder Fruchtstücken angereicherte Lebensmittelfluide befördert werden, ohne dass es zu unerwünschten Verstopfungen kommt. Die Ecken des Kanals sind bevorzugt abgerundet, um zu verhindern, dass sich Produkt dort absetzt, womit die Sauberkeit des Produktkanals länger gewährleistet werden kann und das Reinigen vereinfacht wird. Eine solche Kanalform eignet sich daher auch für prozessintemes Reinigen (CIP).
Zweckmäßigerweise kann der produktführende Kanal aus mehreren, insbesondere aus zwei, im Wesentlichen baugleichen Kanalformteilen zusammengesetzt sein. Im Falle eines quadratischen Querschnitts kann der Kanal beispielsweise aus zwei im Wesentlichen U-förmigen Kanalformteilen bestehen. Solche Bauteile sind einfach herzustellen und ermöglichen außerdem ein Öffnen des Kanals und Zugang zu den Elektroden im Falle von Wartungsarbeiten.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung ist der Querschnitt des produktführenden Kanals so groß, dass durch Luftdruck oder geringe Pumpenkraft das Produkt schonend gefördert werden kann und durch die Vorrichtung, insbesondere von unten nach oben, fließt. Durch die schonende Förderung des Produkts im produktführenden Kanals wird, insbesondere bei der Förderung von Frucht oder Fruchtstücke enthaltenden Produkten eine hohe visuelle und geschmackliche Qualität des Produkts ermöglicht.
Die Elektroden werden bevorzugt aus Edelstahl hergestellt, es sind jedoch alle lebensmittelfreundlichen und rostfreien elektrisch leitende Materialien einsetzbar. Edelstahl garantiert dabei lange Lebenszeiten, somit lange Wartungsintervalle und ist außerdem als gängiges Material auch relativ kostengünstig.
Die Elektroden haben bevorzugt eine großflächige und ovale Form, die so berechnet wird, dass im inneren des Kanals ein im Wesentlichen homogenes elektrisches Feld aufgebaut wird, das einen Energieübertrag in den Produktmittelstrom ermöglicht. der den verschiedenen vorhandenen Geschwindigkeiten des Produkts im Kanal entspricht. Am Rande des Kanals, wo die Produktgeschwindigkeiten langsamer sind, wird ein entsprechend niedrigeres elektrisches Feld erzeugt als in der Mitte, wo die Produktgeschwindigkeiten am höchsten sind. Durch die Elektrodenform wird somit gewährleistet, dass der Energieeintrag pro Produktvolumenelement und pro Verweilzeit in der Vorrichtung für jedes Produktvolumenelement im Wesentlichen gleich ist und sich der Produktstrom überall gleichmäßig erhitzt. Dies führt gleichzeitig zu einer vereinfachten Prozesskontrolle. Als Produktvolumenelement versteht man hierbei ein kleines, sich in der Vorrichtung befindliche Produktvolumen. Die Summe aller Produktvolumenelemente ergibt den totalen Produktstrom.
Eine weitere bevorzugte Ausführung der Elektrodenform beinhaltet, dass die Kanten der Elektroden auf der der Kanalwand abgewandten Seite abgerundet sind. Dies verhindert das Ausbilden von lokalen starken elektrischen Feldern, die zu Überhitzung des Produktes in diesem Bereich führen könnten.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kanten der Elektroden - insbesondere in Kombination mit einem Kanal, aus Kunststoff oder einem Kanal aus einem gleichwertigen Material - auf der der Kanalwand zugewandten Seite verdickt sind, wobei gleichzeitig in der Kanalwand eine der Verdickung entsprechende Ausnehmung vorhanden ist. Dies ermöglicht ein kontrolliertes Einpassen der Elektrode in die Kanalwand. Hierbei legt sich, wiederholbar, die Verdickung in die entsprechende Ausnehmung. Dabei verhindert man, insbesondere durch Verwendung von lebensmittelechtem Silikonkleber, dass sich Produkt hinter der Elektrode ansammeln kann. Außerdem gewährleistet dies eine genau definierte Position der Elektrode im Kanal. Dadurch wird auch erreicht, dass das im Kanal reell ausgebildete elektrische Feld dem vorher simulierten Feld im Wesentlichen entspricht.
Vorteilhafterweise werden die Elektroden durch mindestens eine Schraube oder ein anderes Zugkraft ermöglichendes Befestigungsmittel mit den außerhalb des produktführenden Kanals liegenden Elektrodenanschlüssen verbunden. Dabei ermöglicht die auftretende Kraft, die sich zwischen einer Elektrode und dem Elektrodenanschluss ausbildet, dass die Elektrode auf die Kanalwand aufgedrückt und festgehalten wird, andererseits gewährleistet dies auch die einfache Austauschbarkeit, falls erforderlich.
Der Wechselfeldgenerator, der zum Anlegen der Wechselfeldspannungen an die Elektroden benötigt wird, erzeugt bevorzugt Rechteckwechselspannungen. Hierbei sind Frequenzbereiche von 100kHz bis 1000kHz, und besonders bevorzugt von 200kHz bis 500kHz für die Vorrichtung geeignet. Rechteckwechselspannungen haben dabei den Vorteil, dass sie sich aus einer Überlagerung vieler Frequenzen (Fourierzerlegung) zusammensetzen. Das Frequenzspektrum reicht dabei vom KHz- bis zum MHz-Bereich. Durch das Vorhandensein des Frequenzspektrums können langwellige Schwingungen erzeugt werden, die eine noch homogenere Durchdringung und damit noch gleichmäßigere Erhitzung speziell bei inhomogenen Produkten erreichen.
Weiterhin erzeugt der Wechselfeldgenerator Spannungen von bis zu 1 kV, insbesondere Spannungen von 500V, mit Stromstärken im Bereich von bis zu 100A, insbesondere im Bereich von 50-60A. Die relativ geringe Spannung mit gleichzeitig relativ hohen Stromstärken bringt mehrere Vorteils. Zum Einen wird das Risiko des Funkenschlags durch die geringe Spannung minimiert. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn sich im Produkt Gasblasen befinden. Zum anderen ermöglichen die hohen Stromstärken die Übertragung hoher Energien, was zum effizienten Erhitzen des Produkts führt. Außerdem kann dadurch auch der Kanalquerschnitt groß genug gewählt werden, um einen hohen Produktdurchsatz zu garantieren. Gleichzeitig bleibt somit die Länge der Vorrichtung kurz, was sie kompakt hält und das Reinigen der Vorrichtung vereinfacht. Die genannten elektrischen Eigenschaften lassen sich durch Standardleistungselektronikbauteile erreichen, was die Vorrichtung kostengünstig und wartungsfreundlich realisierbar macht.
Die Schnittstelle zwischen dem Wechselfeldgenerator und den Elektrodenanschlüssen ist so ausgelegt, dass man den Wechselfeldgenerator ohne zusätzliche Verkabelung anschließen kann. In einer besonders einfachen und damit wartungsfreundlichen Ausführungsform wird der Wechselfeldgenerator werkzeugfrei aufgesteckt.
Vorzugsweise können Versteifungselemente, als Schutz gegen Verformung des dielektrischen Kanalmaterials, auf der Kanalaußenseite angeordnet sein. Durch relativ hohe Drücke im Inneren des Produktkanals kann es unter Umständen zu einer unerwünschten Verformung des Kanals kommen, und somit die Form der elektrischen Felder negativ beeinflussen oder die Funktionstüchtigkeit der Vorrichtung aufgrund undichter Stellen beschränken. Versteifungselemente, insbesondere Metallplatten aus beispielsweise Edelstahl, wirken einer solchen eventuellen Verformung entgegen und sind somit förderlich für eine lange Lebensdauer der Vorrichtung.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der produktführende Kanal von mehreren in Produktstromrichtung hintereinander dichtend angeordneten Teileinheiten gebildet. Eine Teileinheit umfasst dabei mindestens ein Elektrodenpaar, entsprechende Elektrodenanschlüsse und eine der Elektrodenpaarzahl entsprechende Anzahl an Wechselfeldgeneratoren, wobei jeder dieser Generatoren seine eigene Steuerung hat. Somit kann man die Vorrichtung je nach Produkt und somit je nach benötigter Erhitzungsleistung individuell anpassen. Die stufenweise Auslegung der Erhitzungsanlage mit hintereinander geschalteten Teileinheiten bietet außerdem die Möglichkeit einer präzisen Temperaturkontrolle und -regelung.
Die Teileinheiten werden dazu in vorteilhafter Weise durch ein geeignetes Mittel, wie z.B. Schrauben, miteinander verspannt, wobei jeweils zwischen zwei Teileinheiten ein abdichtendes Mittel in eine Ausnehmung eingefügt werden kann. Diese Ausnehmung kann sich auf mindestens einer der beiden Vorrichtungsschnittstellen befinden und den produktführenden Kanal umschließen. Als abdichtendes Mittel kann hierbei z.B. ein O-Ring verwendet werden. Im Falle von benötigten Wartungsarbeiten, wie der Austausch der Elektroden, lassen sich die verschiedenen Teileinheiten soweit auseinander nehmen, dass die Elektroden innerhalb des Kanals mit der Hand erreicht werden können.
Alternativ lässt sich, insbesondere bei Kanälen aus Kunststoff die Abdichtung auch ohne zusätzliche Dichtungen, insbesondere durch Verkleben, erreichen. Die Klebestellen können dadurch verstärkt werden, dass auf der einen Schnittstelle die oben beschrieben Ausnehmung vorhanden ist und auf der Schnittstelle der folgenden Teileinheit eine der Form der Ausnehmung entsprechende abdichtende Überhöhung ausgebildet ist. Durch diese Maßnahme werden unerwünschte Querkräfte auf die Klebestellen verhindert.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Vorrichtung zum Erhitzen von Produktströmen weiterhin ein Reinigungsmodul umfassen. Zu den regelmäßig benötigten Wartungsarbeiten gehört das Reinigen des produktführenden Kanals. Durch eine dauerhaft integrierte Reinigungsanlage kann dieser Arbeitsschritt ohne Verzögerung, wenn benötigt oder geplant, durchgeführt werden. Eine Erhitzungs- bzw. Sterilisierungsanlage kann sich somit aus mehreren Teileinheiten und Reinigungseinheiten zusammen. Bevorzugt wird eine Ausführung die zwei Teileinheiten mit jeweils 5 Elektrodenpaaren umfasst, wobei sich zwischen den Teileinheiten und jeweils am Anfang und dem Ende der gesamten Erhitzereinheit Reinigungsmodule befinden.
Günstigerweise umfasst das Reinigungsmodul einen produktführenden Kanal, insbesondere aus Edelstahl, der im Wesentlichen den gleichen Querschnitt hat wie die Vorrichtung und im Inneren des produktführenden Kanals einen Sprühkopf besitzt, der mit einem außen am Reinigungsmodul angebrachten Anschlussflansch in Verbindung steht und durch den ein Reinigungsmedium, insbesondere Wasser, durch den Sprühkopf ins Innere des produktführenden Kanals gelangt. Mit Hilfe eines solchen Reinigungsmodul kann somit der produktführende Kanal gründlich gereinigt werden und trägt so zur hygienische Qualität des zu erhitzenden Produkts bei.
In einer bezüglich der Aneinanderreihung bevorzugte Ausführungsform beinhalten die Reinigungsmodule mindestens eine durchgehende Öffnung, im Wesentlichen parallel zur Richtung des Kanals. Mit Hilfe einer Zugstange, deren Durchmesser im Wesentlichen dem der Öffnung entspricht, lassen sich mehrere Teileinheiten aneinander reihen, zentrieren und zusammenspannen.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird das sich in dem Kanal befindliche, sich im allgemeinen bewegende Produkt durch ein hochfrequentes elektrisches Feld, das zwischen zwei Elektroden durch einen Wechselfeldgenerator erzeugte wird, erhitzt und gegebenenfalls sterilisiert. Dabei liegen die Elektroden im Inneren des produktführenden Kanals. Das elektrische Wechselfeld ermöglicht tief in das Produkt eindringendes, unmittelbares und gleichmäßig schonendes Erhitzen, vorzugsweise von dielektrischen Materialien. Insbesondere bleibt dabei die Struktur von festen Bestandteilen im Produkt, insbesondere von Früchten oder Fruchtstücken, im Wesentlichen erhalten. Das enindungsgemäße Verfahren verhindert unnötigen Energieverlust, da kein zusätzliches Material zwischen Elektrode und Produkt vorhanden ist und ist daher effizient, energiesparend und produktiv. Weiterhin ist bei diesem Verfahren die Ansprechzeit extrem kurz, was sich positiv auf die Temperaturkontrolle auswirkt.
Ausführungsformen der vorliegenden erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Folgenden anhand der anliegenden Figuren erläutert. Dabei zeigt
Figur 1
eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Figur 2a
eine Detaildarstellung einer in die Kanalwand eingebetteten Elektrode in Draufsicht,
Figur 2b
eine Detaildarstellung einer in die Kanalwand eingebeteten Elektrode im Querschnitt,
Figur 3
eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Figur 4
eine perspektivische Gesamtansicht eines Produktstromerhitzers mit mehreren hintereinander geschalteten Teileinheiten,
Figur 5
ein Ausführungsbeispiel einer kanalformenden Halbschale mit fünf Elektroden,
Figur 6
eine perspektivische Ansicht eines Reinigungsmoduls, und
Figur 7
eine perspektivische Gesamtansicht einer Produktstromerhitzers mit mehreren hintereinander geschalteten Teileinheiten sowie zwei Reinigungsmodulen,
Figur 8
eine schematische Ansicht einer Produktionsanlage mit einem Produktstromerhitzer.
Figur 1 zeigt den Grundaufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in einer perspektivischen Darstellung. Der produktführende Kanal 2 wird durch zwei im Wesentlichen baugleiche Formteile 3 und 4 zusammengesetzt. Die beiden Formteile 3 und 4 liegen dichtend aneinander an und werden üblicherweise miteinander verklebt. An der Grenzfläche 5 zwischen den Formteilen 3 und 4 ist eine Nut/Feder-Kombination 6, in diesem Beispiel auf der kanalseitigen Seite der Formteile, ausgebildet. Durch diese Nut/Feder-Kombination 6 wird die Klebefestigkeit erhöht. Es versteht sich von selbst, dass Kleben nur eine Möglichkeit ist die beiden Kanalformteile 3 und 4 miteinander zu verbinden, diese könnten auch durch Schrauben 16 miteinander verbunden werden. Die Kanalformteile 3 und 4 werden aus lebensmittelechtem dielektrischem Material, wie beispielsweise PTFE, Polysulfon oder PEEK, hergestellt.
Im Inneren des Kanals 2 sind auf gegenüberliegenden Seitenwandflächen 7 zwei im Wesentlichen formgleiche Elektroden 8 und 9 angebracht. Üblicherweise werden diese Elektroden 8,9 aus Edelstahl hergestellt. Die Elektroden 8,9 sind mit außenliegenden Elektrodenanschlüssen 10 und 11, üblicherweise aus Aluminium oder Messing, elektrisch leitendend, z.B. über Spannschrauben 12, verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel dienen die Spannschrauben 12 auch der Befestigung der Elektroden 8 und 9. Die Elektrodenanschlüsse 10 und 11 werden mit Hilfe von Kontaktlaschen 13 (hier nur für Elektrodenanschluss 11 gezeigt) an den hier nicht gezeigten Rechteckwechselgenerator angeschlossen. Zum Verhindern einer Verformung der Kanafformteile 3 und 4, die sich evtl. durch relativ hohe Drücke, die im Bereich von bis zu ungefähr 8 Bar, insbesondere 6 Bar, liegen, ausbildet, sind an der Außenseite der Kanalformteile 3 und 4 Versteifungsplatten 14 und 15 angebracht. Diese können durch die Schrauben 16 oder durch Kleben an den Kanalformteilen 3 und 4 befestigt werden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel, in dem die Form des produktführenden Kanals 2 rechteckig ist, überdeckt die Versteifungsplatte 14 oder 15 zumindest zu einem Teil die breite und die schmale Seite des Kanalformteils 3 oder 4, wobei in diesem Beispiel die vom Elektrodenanschluss 10 oder 11 bedeckte Fläche ausgespart ist, so dass sich Versteifungsplatte und Elektrodenanschluss nicht berühren. Ein geeignetes Material zur Gehäuseversteifung stellt beispielsweise Edelstahl dar.
Die oben beschriebene Vorrichtung bildet eine Teileinheit. Diese Teileinheit lässt sich mit anderen baugleichen Teileinheiten verbinden, um einen durchgehenden Produktkanal beliebiger Länge, je nach gewünschtem Produktdurchsatz, bilden zu können. Aus diesem Grund besitzt die Vorrichtung 1 Verbindungs- und Abdichtmittel, um die Teileinheiten dichtend aneinander zu koppeln. Auf der Schnittstelle zur Folgeteileinheit 17 befindet sich um den produktführenden Kanal 2 herum eine Ausnehmung 18, in die ein abdichtendes Mittel eingefügt werden kann. Zum Abdichten eignen sich beispielsweise O-Ringdichtungen, Flachdichtungen oder Silikone. Die Ausnehmung liegt im gezeigten Beispiel direkt am produktführenden Kanal 2, kann sich aber im Prinzip an einer beliebigen Stelle auf der Schnittstelle zum Folgeteileinheit 17 befinden. Wahlweise kann die Ausnehmung 18 nur an einer Seite der Teileinheit ausgebildet sein oder an beiden Seiten. Um zwei Teileinheiten relativ zueinander zu zentrieren weisen die Kanalteile jeweils mindestens einen auf der Schnittstelle zur Folgeteileinheit 17 vorhandenen, nach außen abstehenden Bolzen 19 und 20 auf. Diese Bolzen 19 und 20 treten beim Aneinanderbringen von zwei Teileinheiten in entsprechende Aussparungen (hier nicht gezeigt) in der anderen Teileinheit ein und zentrieren somit die beiden Teileinheiten relativ zueinander.
Mit 21 werden drehbar gelagerte Bolzen bezeichnet, deren Drehachse im Wesentlichen parallel zur Schnittfläche 17 ausgerichtet ist. Die Halterung der drehbar gelagerten Bolzen 21 steht mit Versteifungsplatten 14 in Verbindung und befindet sich in der Nähe der Schnittfläche 17 zur Folgeteileinheit. Auf der gegenüberliegenden Seite, der zweiten Schnittstelle 22 zu einer weiteren Folgeteileinheit, befinden sich Gegenstücke 23 zu den drehbar gelagerten Bolzen 21. Diese sind, wie die drehbar gelagerten Bolzen 21 an der Versteifungsplatte 14 in der Nähe der Schnittstelle 22 angebracht. Identische drehbar gelagerte Bolzen (hier nicht gezeigt) und Gegenstücke 24 befinden sich auch auf der Versteifungsplatte 15 des zweiten Kanalformteils 3, wobei in diesem Ausführungsbeispiel jeweils an einer Schnittstelle 17 oder 22 sich auf der einen Seite drehbar gelagerte Bolzen befinden und auf der anderen Seite die Gegenstücke. Dabei ist jedoch die exakte Anordnung der Bolzen und der Gegenstücke für die Erfindung unerheblich. Die drehbar gelagerten Bolzen 21 und die Gegenstücke dienen zum gegenseitigen Befestigen von zwei aufeinanderfolgenden Teileinheiten. Der Mechanismus wird in der Beschreibung der Figur 4 näher erläutert.
Figuren 2a und 2b zeigen eine Detaildarstellung einer erfindungsgemäßen Ausführung der Elektroden. In Figur 2a sieht man einen Schnitt längs des Produktstroms 25 und parallel zu den Elektroden 8 und 9, während Figur 2b einen Schnitt quer zum Produktstrom 25 auf Höhe der Spannschrauben 12 zeigt.
Figur 2a zeigt eine Draufsicht auf den unteren Teil der Vorrichtung 1. Wie aus Figur 2a ersichtlich, hat die Elektrode 8 eine flächige Form, wobei die Seiten parallel zur Fließrichtung des Produktstroms 25 in Richtung der Kanalwände abgerundet sind. Dies führt zu einer ovalen Form. Dabei beträgt der Abrundungsradius R1 etwa die Hälfte der Tiefe Y der Elektrode.
In Figur 2b erkenntlich ist eine Abrundung 26 der Elektroden 8 und 9 an ihren Kanten. Auf der der Kanalwand 7 zugewandten Seite haben die Elektroden 8 und 9 eine Verdickung 27, die insbesondere teilweise eine abgerundete Form mit einem Radius R3, der etwa der Dicke z der Elektrode entspricht, hat. Auf der durch die Elektroden 8 und 9 bedeckten Fläche ist die Kanalwand 7 der Form der Elektroden 8 und 9 entsprechend bei 28 und 29 ausgenommen, wobei die Elektroden 8 und 9 etwa bis zur Hälfte ihrer Dicke z in die Kanalwand 7 eingefügt sind. Gegebenenfalls jedoch könnten die Elektroden 8 und 9 auch vollständig in die Formteile 3 und 4 eingelassen sein oder aber evtl. auch auf ihnen aufliegen. Die Elektroden 8 und 9 sind mit den Spannschrauben 12 an den jeweiligen Elektrodenanschlüssen 10 und 11 angeschlossen. Diese können sowohl den elektrischen Kontakt herstellen, als auch die Elektroden 8 und 9 dichtend befestigen. Evtl. können sich zusätzlich im Bereich hinter den Elektroden 28 und 29 auch Abdichtmittel befinden, wie beispielsweise Flachdichtungen. Alternativ ist es auch möglich, die Elektroden 8 und 9 mit den Formteilen 3 und 4 mit Hilfe eines lebensmittelechten Klebers, wie beispielsweise einem Silikonkleber, zu verkleben. Figur 2b zeigt auch die abgerundeten Ecken 30 des Kanals. Der Abrundungsradius R4 ist dabei üblicherweise wesentlich kleiner als die Hälfte der Höhe des Kanals H.
Für ein mit Früchten oder Fruchtstücken angereichertes Lebensmittelflüssigprodukt sind z.B. folgende Vorrichtungsgrößen (ohne Wechselfeldgenerator) anwendbar
Breiten b von 100 mm bis 600 mm, insbesondere dabei b = 350 mm,
Höhen h von 50 mm bis 250 mm, insbesondere dabei h = 150 mm
und Tiefen T von 50 mm bis 450 mm, insbesondere T = 250 mm, mit einem Kanal mit
einer Breite h von 50 mm bis 550 mm, insbesondere b = 250 mm,
einer Höhe h von 30 mm bis 230 mm, insbesondere h = 95 mm und einem Abrundungsradius R4 von 0 mm bis 115 mm, insbesondere R4 = 10 mm. Die Elektroden 8 und 9 haben dabei eine Breite x von 30 mm bis 500 mm, insbesondere x = 250 mm,
eine Tiefe x von 20 mm bis 450 mm. insbesondere y = 135 mm und eine Dicke z von 5 mm bis 25 mm, insbesondere z = 10 mm. Der Seitenabrundungsradius R1 der Elektroden 8 und 9 beträgt etwa 0 mm bis 225 mm, insbesondere 67, 5 mm, der Elektrodenabrundungsradius R2 etwa 0 mm bis 12, 5 mm, insbesondere R2 = 5 mm und der Verdickungsradius R3 etwa 0 bis 25 mm, insbesondere R3 = 10 mm.
Figur 3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel 31 der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die im Wesentlichen baugleiche Ausführung unterscheidet sich vom vorangehenden Ausführungsbeispiel in zwei Punkten. Im Vergleich zum Elektrodenanschluss 11 des ersten Ausführungsbeispiels ist die Kontaktfläche des Elektrodenanschlusses 32 im zweiten Ausführungsbeispiel kleiner. In Richtung des hier nicht weiter gezeigten Wechselstromgenerators bildet sich der Elektrodenanschluss 32 im Wesentlichen U-förmig fort und liegt an dieser Stelle nicht mehr auf dem Kanalformteil 4 auf. Auch auf der dem Wechselfeldgenerator gegenüberliegenden Seite ist der Elektrodenanschluss 32 im Vergleich zum Elektrodenanschluss 11 (Ausführungsbeispiel 1) abgekürzt. Dadurch, dass die Auflagenfläche des Elektrodenanschlusses 32 auf dem Kanalformteil kleiner ist als im ersten Ausführungsbeispiel, kann nun die Versteifungsplatte 33 mit einer größeren Fläche ausgebildet werden und führt zu einer verbesserten Festigkeit der Vorrichtung 31 im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel. Es versteht sich, dass der Elektrodenanschluss, der zur zweiten Elektrode 8 gehört, eine dem Elektrodenanschluss 32 äquivalente Form hat. Das gleiche gilt für die Versteifungsplatte 34 des zweiten Kanalformteils 3.
Weiterhin unterscheidet sich Ausführungsbeispiel 2 durch eine geänderte Befestigungsund Kontaktierungsweise der Elektroden mit den Kanalformteilen bzw. den Elektrodenanschlüssen, wobei die Befestigung der Elektroden von der Kontaktierung getrennt werden. Die Elektroden werden dabei mit Elektrodenbefestigungsschrauben 35 an den Kanalformteilen 3 bzw. 4 befestigt, ohne die Elektrodenanschlüsse 32 zu berühren. Der elektrische Kontakt zwischen den Elektroden und dem Elektrodenanschluss 33 wird mit Hilfe von Kontaktmitteln, wie beispielsweise hier sechs Schrauben 36, hergestellt. Diese Ausführungsform bringt den Vorteil mit sich, dass im Falle defekter Elektrodenanschlüsse die Elektroden im Platz bleiben können oder. umgekehrt, wodurch sich Reparaturarbeiten vereinfachen. Die Abmessungen entsprechen in etwa den Abmessungen des ersten Ausführungsbeispiels.
Figur 4 zeigt eine perspektivische Gesamtansicht von drei hintereinander geschalteten Teileinheiten 1 des ersten Ausführungsbeispiels. Die drei hintereinander geschalteten Teileinheiten 1 werden an den Enden 37 und 38 durch Anschlussrohrstücke 39 ergänzt. An den Schnittstellen 17 zu den jeweiligen Folgeteileinheiten bzw. dem Anschlussrohrstück 39 lässt sich erkennen, wie durch das Einbringen der drehbar gelagerten Bolzen 21 in das entsprechende Gegenstück 23 die Teileinheiten aneinander befestigt werden können und auch die Anfangs- bzw. Endteileinheit mit dem jeweiligen Anschlussrohrstück 39 verbunden werden kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel benutzt man drei aufeinanderfolgende Teileinheiten, es können jedoch je nach Anwendung des Produktstromerhitzers beliebig viele Teileinheiten aneinandergereiht werden.
Figur 5 zeigt eine Alternative zum Aneinanderreihen baugleicher Teileinheiten. Je nach Anzahl an gewünschten Elektrodenpaare kann man auch die Länge eines Kanalformteils 40 anpassen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel lassen sich beispielsweise fünf Elektroden 41 bis 45 in einem Kanalformteil 40 anordnen. Die Dimensionen der Elektroden 41 bis 45 entsprechen dabei den Dimensionen der in Figur 2a und 2b beschriebenen Elektroden 8 und 9. Im gezeigten Ausführungsbeispiel haben die Elektroden 41 bis 45 einen Abstand von ungefähr 50 mm. Die Vielzahl an Löchern 46 in der Wand des Kanalformteils 40 werden zur Befestigung der zwei benötigten Kanalformteile mit Hilfe von Schrauben benutzt. Alternativ lassen sich die Kanalwände auch verkleben.
Figur 6 zeigt die Verwendung der Formteile, wie in Figur 5 beschrieben, in einem Produktstromerhitzer. In diesem Beispiel werden Formteile 47 mit drei Elektroden (nicht gezeigt) verwendet. Bezüglich der Form der Elektrodenanschlüsse 32 und der Versteifungsplatte 33 wurde das zweite Ausführungsbeispiel, wie in Figur 3 gezeigt, benutzt. Ergänzt wird die Vorrichtung durch an beiden Enden angebrachte Reinigungsmodule 48 und 49, die in der folgenden Figur 7 näher erläutert werden. Anschließend an die Reinigungsmodule 48, 49 finden sich die Anschlussrohrstücke 39. Die Reinigungsmodule 48, 49 werden mit Hilfe zweier Zugstangen 50 und 51, miteinander verspannt. Mit Hilfe dieser Zugstangenvorrichtung werden die drei Elemente, die zwei Reinigungsmodule und die Teileinheit, dichtend und zentriert miteinander verbunden.
Figur 7 zeigt eine perspektivische Detaildarstellung des Reinigungsmoduls 48. In der gezeigten Ausführungsform besteht das Reinigungsmodul aus einem einzigen Formteil 52, wobei natürlich wiederum die Möglichkeit besteht, den Körper des Reinigungsmoduls 48 aus zwei oder mehreren im Wesentlichen baugleichen Formteilen zusammenzusetzen. Das Formteil 52 definiert einen Kanal 53, dessen Form im Wesentlichen der Form des produktführenden Kanals 2 der Teileinheiten 1 bzw. 31 entspricht. Mit 53 sind Zentrierausnehmungen bezeichnet, die dazu dienen, das Reinigungsmodul 48 mit einer folgenden Teileinheit 1 oder 31, an dem sich Zentrierbolzen 19 bzw. 20 befinden, auszurichten. An den Seiten des Formteils 52 befinden sich Führungsöffnungen 55, durch die die Zugstangen 50 bzw. 51 durchgesteckt werden. An den Anschlussflansch 56 kann ein reinigungsmittelführendes Rohr oder ein reinigungsmittelführender Schlauch angeschlossen werden. Durch einen im Reinigungsmodulformteil 52 vorhandenen Kanal (nicht gezeigt), tritt das Reinigungsmittel in den Sprühkopf 57 ein und wird durch im Sprühkopf vorhandenen Öffnungen in das Innere des Kanals 53 bzw. produktführenden Kanals 2 eingesprüht. Im Ausführungsbeispiel wird ein zentraler Sprühkopf gezeigt; es ist jedoch durchaus vorstellbar, mehrere kleine Sprühköpfe, insbesondere am Rand des Kanals 53 auszubilden.
Für ein mit Früchten oder Fruchtstücken angereichertes Lebensmittelprodukt hat sich ein Produktstromerhitzer mit zweimal fünf Elektrodenpaaren in Reihe geschaltet als besonders wirksam gezeigt. Dabei wurde am Produkteintrittsende und am Produktaustrittsende jeweils ein Reinigungsmodul angebracht und ein zusätzliches Reinigungsmodul in der Mitte der Vorrichtung, d.h., nach fünf aufeinanderfolgenden Elektrodenpaaren, angeordnet. Es ist für die Verwendung unerheblich, ob die Vorrichtung liegend oder stehend benutzt wird, wobei beim stehenden Gebrauch die Standfläche der Anlage geringer ist.
Anhand der in Figur 8 skizzenhaft dargestellten Gesamtanlage eines Produktstromerhitzers wird die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Benutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben. In einem Vorratsbehälter 60 befindet sich das mit Früchten oder Fruchtstücken angereicherte Lebensmittelflüssigprodukt, das erhitzt werden soll. Dieses wird mit Hilfe einer Pumpe 61 nach dem Öffnen eines Ventils 62 in einem Kanal 63 in Bewegung versetzt. Nach Durchlaufen eines gebogenen Anschlussstückes 64 tritt die Flüssigkeit in den Produktstromerhitzer 65 ein. Wie ersichtlich, wird das Produkt unten in den Produktstromerhitzer 65 eingespeist und fließt dann im Wesentlichen senkrecht nach oben durch den Produktstromerhitzer 65. Dabei fließt das Produkt an insgesamt 10 Elektrodenpaaren 67 bis 76 vorbei. Jedes Elektrodenpaar ist dabei an einen Rechteckgenerator 77 bis 86 angeschlossen. An die Elektroden 67 bis 76 werden typischerweise Rechteckwechselspannungen von etwa 500 V mit gleichzeitigen Stromstärken von etwa 50 bis 60 A und Frequenzen von etwa 200 bis 500 KHz angelegt. Dadurch entstehen im produktführenden Kanal starke elektrische Wechselfelder, die den Produktstrom erhitzen. Üblicherweise werden dabei im gegebenen Beispiel Erhitzungsraten von etwa 80°C/min. erzielt und Maximaltemperaturen von circa 130°C. Nach dem Erhitzungsschritt fließt der Produktstrom in den Ausströmkanal 87 ein und kann in einer anschließenden Apparatur (nicht gezeigt) weiterverarbeitet werden.
In regelmäßigen Abständen kann die Anlage abgeschaltet werden und der Produktstromerhitzer 65 mit Hilfe der vorhandenen Reinigungsmodule 88 bis 90 gereinigt werden. Zur evtl. Wartung der Elektroden lässt sich dank der Zugstangen 91 und 92 der Produktstromerhitzer relativ schnell auseinander bauen, indem man die Reinigungsmodule wegschiebt, womit leichter Zugang zu den Elektroden ermöglicht wird.

Claims (23)

  1. Vorrichtung zum Erhitzen von Produktströmen, insbesondere von Frucht oder Fruchtstücke enthaltenden Lebensmittelproduktströmen, mit einem produktführenden Kanal (2), durch den das Produkt hindurchströmt und mit einer Vorrichtung zum Erzeugen von hochfrequenten elektrischen Wechselfeldem, die Elektroden (8,9), Elektrodenanschlüsse (10,11,32) und einen Wechselfeldgenerator (77) umfasst,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Elektroden (8, 9) innerhalb des produktführenden Kanals (2) angeordnet sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Elektroden (8,9) auf gegenüberliegenden Seiten des produktführenden Kanals (2) angeordnet sind, wobei die Vorrichtung (1,31) mindestens ein Elektrodenpaar umfasst.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die den produktführenden Kanal (2) bildenden Teile aus lebensmittelechtem dielektrischem Material bestehen.
  4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der produktführende Kanal (2) einen Querschnitt rechteckiger Form besitzt, dessen Ecken abgerundet sind.
  5. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der produktführende Kanal (2) aus mehreren, insbesondere aus zwei, im wesentlichen baugleichen Formteilen (3,4) zusammengesetzt ist.
  6. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Querschnitt des produktförmigen Kanals (2) so groß ist, dass das Produkt durch Luftdruck oder geringer Pumpkraft mit bis zu 4to/h, insbesondere 3to/h, in Bewegung versetzt wird und durch die Vorrichtung, insbesondere in Richtung von unten nach oben, fließt.
  7. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Elektroden (8,9) aus rostfreiem Material, insbesondere Edelstahl gebildet sind.
  8. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Elektroden (8,9) flächig sind und eine ovale Form besitzen.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Elektroden (8,9) an ihren Kanten (26), auf der der Kanalwand (7) abgewandten Seite, abgerundet sind.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9,
    dadurch gekennzeichnet dass,
    sich die Elektroden (8,9) an ihren Kanten (27), auf der der Kanalwand (7) zugewandten Seite, verdicken und sich in der Kanalwand (7) des produktführenden Kanals (2) eine der Elektrodenform entsprechende Ausnehmung (28,29) befindet.
  11. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 10,
    dadurch gekennzeichnet dass,
    die Elektroden (8,9) durch mindestens ein Befestigungsmittel (12,36), insbesondere mindestens eine Schraube (12), mit den außerhalb des produktführenden Kanals (2) liegenden Elektrodenanschlüssen (10,11,32) verbunden werden.
  12. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Wechselfeldgenerator (77) zum Erzeugen von Rechteckwechselspannungen in einem Frequenzbereich von 100kHz bis 1000kHz, insbesondere von 200kHz bis 500kHz, geeignet ist.
  13. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Wechselfeldgenerator (77) zum Erzeugen von Spannungen von bis zu 1 kV an den Elektroden (8,9) und zum Erzeugen von Stromstärken von bis zu 100A ausgebildet geeignet ist.
  14. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 - 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Wechselfeldgenerator (77) eine der Form der Elektrodenanschlüsse (10,11,32) entsprechende Schnittstelle zum kabellosen Anschließen umfasst.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Schnittstelle des Wechselfeldgenerators (77) so ausgelegt ist, dass die Elektrodenanschlüsse (10,11,32) werkzeugfrei anschließbar sind.
  16. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 -15,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    Versteifungselemente (14,15,33,34), als Schutz gegen Verformung, auf der Kanalaußenseite angeordnet sind.
  17. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 -16,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der produktführende Kanal (2) von mehreren in Produktstromrichtung hintereinander dichtend angeordneten Teileinheiten gebildet wird.
  18. Vorrichtung nach Ansprüche 17,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Teileinheit auf mindestens einer der den produktführenden Kanal (2) schneidenden Oberflächen (17), eine den produktführenden Kanal (2) umschließende Ausnehmung (18) hat, in die ein die Schnittstellen (17) zweier Vorrichtungen (1,31) abdichtendes Mittel eingefügt wird und Mittel (21,23) bereitgestellt werden, die die Vorrichtungen dichtend aneinanderfügen.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 17,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Teileinheit auf einer der den produktführenden Kanal (2) schneidenden Oberflächen (17), eine den produktführenden Kanal (2) umschließende Ausnehmung (18) hat und auf der anderen den Kanal (2) schneidenden Oberfläche (22) eine der Form der Ausnehmung entsprechende Überhöhung hat und Mittel (21,23) bereitgestellt werden die die Vorrichtungen dichtend aneinanderfügen.
  20. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-19,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Vorrichtung zusätzlich ein Reinigungsmodul (48,88,89,90) umfasst.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 20,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Reinigungsmodul (48,88,89,90) einen produktführenden Kanal (53) umfasst, insbesondere aus Edeltstahl, der im Wesentlichen den gleichen Querschnitt hat wie die Vorrichtung (1,31) und im Inneren des produktführenden Kanals einen Sprühkopf (57) besitzt, der mit einem außen am Reinigungsmodul angebrachten Anschlussflansch (56) in Verbindung steht und durch den ein Reinigungsmedium, insbesondere Wasser, durch den Sprühkopf (57) ins Innere des produktführenden Kanals (2) gelangt.
  22. Vorrichtung nach Anspruch 20,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Reinigungsmodul (48,49,88-90) mindestens eine weitere durchgehende Öffnung (55) im Wesentlichen parallel zur Richtung des Kanals (2) umfasst.
  23. Verfahren zum Erhitzen von Produktströmen, insbesondere von Frucht oder Fruchtstücke enthaltenden Lebensmittelproduktströmen, bei dem das Produkt in einem produktführenden Kanal (2) strömt und durch an Elektroden (8,9) angelegte hochfrequente elektrische Wechselfelder erhitzt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Elektroden (8,9) innerhalb des produktführenden Kanals (2) angebracht sind.
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