WO2011026591A1 - Verfahren und vorrichtung zur thermischen behandlung von kwasswürze - Google Patents

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WO2011026591A1
WO2011026591A1 PCT/EP2010/005282 EP2010005282W WO2011026591A1 WO 2011026591 A1 WO2011026591 A1 WO 2011026591A1 EP 2010005282 W EP2010005282 W EP 2010005282W WO 2011026591 A1 WO2011026591 A1 WO 2011026591A1
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heating
pressure
kvass wort
overpressure
vessel
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PCT/EP2010/005282
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Konrad MÜLLER-AUFFERMANN
Stephan Reischmann
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Krones Ag
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    • A47J27/00—Cooking-vessels
    • A47J27/08—Pressure-cookers; Lids or locking devices specially adapted therefor
    • A47J27/0802—Control mechanisms for pressure-cookers
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A23—FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
    • A23L—FOODS, FOODSTUFFS, OR NON-ALCOHOLIC BEVERAGES, NOT COVERED BY SUBCLASSES A21D OR A23B-A23J; THEIR PREPARATION OR TREATMENT, e.g. COOKING, MODIFICATION OF NUTRITIVE QUALITIES, PHYSICAL TREATMENT; PRESERVATION OF FOODS OR FOODSTUFFS, IN GENERAL
    • A23L27/00—Spices; Flavouring agents or condiments; Artificial sweetening agents; Table salts; Dietetic salt substitutes; Preparation or treatment thereof
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12C—BEER; PREPARATION OF BEER BY FERMENTATION; PREPARATION OF MALT FOR MAKING BEER; PREPARATION OF HOPS FOR MAKING BEER
    • C12C12/00—Processes specially adapted for making special kinds of beer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C12C13/02—Brew kettles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12C—BEER; PREPARATION OF BEER BY FERMENTATION; PREPARATION OF MALT FOR MAKING BEER; PREPARATION OF HOPS FOR MAKING BEER
    • C12C7/00—Preparation of wort
    • C12C7/20—Boiling the beerwort

Definitions

  • the invention relates to a method for the thermal treatment of kvass wort, in particular kvass wort concentrate and a device for carrying out the method.
  • Kvass is an ancient drink that is traditionally made from bread, cereals, malt and sugar, and is often added to other botanicals.
  • the fermentation is usually carried out with a mixed culture of yeasts and lactic acid bacteria, so that the carbonated soft drink has a pleasant acid, but contains little alcohol.
  • yeasts yeasts
  • lactic acid bacteria a mixed culture of yeasts and lactic acid bacteria
  • the carbonated soft drink has a pleasant acid, but contains little alcohol.
  • the kvass has been attributed a health promoting effect and is one of the national drinks in Russia, Ukraine and other Eastern European countries. In recent years, this traditional product, especially in Russia and Ukraine has experienced a great boom.
  • the kvass wort In order to produce a rye bread-typical, slightly hot, bread-bark-like aroma, the kvass wort, but in particular the kvass-wort concentrate, is usually subjected to multiple thermal treatment. Through them, an accumulation of the aroma components, the melanoidin products, as well as a coloring of the product occur.
  • a thermal treatment is carried out in special equipment at a core temperature of 100 ° C to 130 ° C and usually takes 20 to 30 minutes.
  • the concentrate which was previously produced mostly in modern vacuum evaporators, first introduced into large pressure cooking vessels. These are usually equipped with an electric or steam-heated heating surface and partly with a stirrer. The lid is closed after filling, the concentrate is heated and the stirrer is switched on. After completion of the cooking process, the container is released and the hot concentrate is manually emptied or pumped out.
  • This process has significant disadvantages:
  • the containers work on the same principle as pressure cookers. Accordingly, by heating, part of the liquid contained in the product (water) evaporates and the resulting (water) vapor increases the internal pressure of the container and thus also the boiling temperature of the product.
  • vaporization of the liquid can cause the product to burn on the inner wall of the container, especially if the water content in the product, as in the case of concentrate, is low.
  • This effect is often additionally reinforced by the fact that the temperature difference between the heating surface and the product is initially very large and the heating media (stream / steam) are introduced at a constant rate. Burning causes product loss and cleaning the container is made much more difficult and must be done more frequently. In addition, unwanted substances may develop, some of which are even detrimental to health (eg furfural, acrylamide). Even when relaxing the pressure vessel such a bumping on the heating surfaces and / or the hot container inner wall can occur, which causes the same effect.
  • the object of the present invention is to provide a method and a device which make it possible to thermally treat kvass wort, in particular kvass wort concentrate, in a reliable and reproducible manner and to reduce or eliminate the described disadvantages of the conventional methods ,
  • kvass wort but also kvass wort concentrate (CHP) and / or other products, but mainly concentrates are umfas st 'with.
  • CHP kvass wort concentrate
  • the actual reaction and heating container is referred to as a digester or reactor, although it does not come to boiling and boiling of the product due to the high pressure and the heating can also be done externally.
  • kvass wort or kvass wort concentrate can be heated to a high temperature by an increase in pressure and the associated shift of the phase transition of the water contained in the product from liquid to gas, the kvass wort (CHP) without the kvass wort (CHP) starting to boil.
  • CHP kvass wort
  • CHP kvass wort
  • the production losses are lower and accordingly the cleaning of the plant can be made easier.
  • this may extend the cleaning intervals (cycles in which the cleaning should take place).
  • Preventing boil-up also reduces excessive blistering and the associated foaming of the product.
  • the vessel size or vessel height can be reduced.
  • the process allows the entire contents of the container to be heated rapidly to extremely high temperatures, so that the corresponding treatment time can be reduced, which also increases the overall economy of the plant and allows the formation and accumulation of other flavor components.
  • the pressure value to be set for a certain temperature or maximum temperature results, for example, approximately from the vapor pressure curve for water.
  • the overpressure in the container and / or overall system is adjusted so that no phase transition of water takes place at the desired temperature [cf. Fig. 4].
  • the product is preheated before being introduced into the overpressure (boiling) vessel by means of one or more heat exchangers and / or heating devices.
  • the preheating temperature should be selected so that the temperature difference to the desired reaction (cooking) temperature is as low as possible (eg preheat to 130 ° C, "boiling" at 135 ° C), but preferably the reaction / (cooking) temperature corresponds (eg preheat to 135 ° C, "cook” or hold at 135 ° C).
  • the pressure of the entire system for example, the heat exchanger (s), heater (s) and / or actual reactor vessel, etc.
  • Preheating facilitates the thermal see treatment in the pressure cooker, since possibly a lower temperature difference to achieve the desired maximum heating temperature in the reactor must be overcome.
  • the temperature can be adjusted so that in the actual reactor no further heating of the product must be carried out (eg preheating to 137 ° C, keeping hot for 20 minutes in preferably insulated reactor, with a cooling can be done, for example, to 135 ° C) ,
  • the viscosity of the high-viscosity concentrate is reduced by the heating, so that the introduction and the stirring and / or circulation in the pressure vessel (Koch) gefäß be facilitated. Since it is possible to start stirring and / or pumping over from the beginning because of the lower viscosity, burning of the viscous concentrate can also be prevented even better. Preheating can also lead to a more homogeneous temperature distribution of the product. This improves the desired course of the reaction and can reduce or eliminate the need for agitation and / or pumping.
  • the waste heat which can be obtained by the cooling of the thermally treated concentrate, are used to preheat the next batch of the product. If the temperature differences during preheating and cooling of the concentrate are approximately the same, a heat swing can be integrated particularly easily between the upstream and downstream heat exchangers. This can increase the overall efficiency of the plant by reducing the demand for primary energy and decoupling the system according to the invention from other parts of the production.
  • the kvass wort is heated to a temperature> 120 ° C preferably> 130 ° C, since it has been found that many of the desired aroma components at temperatures of about 130 ° C or above 140 ° C arise. In traditional processes, these temperatures could only be reached in a few areas within the digester, eg directly on the heating surfaces or on the steam bubbles.
  • the printing method according to the invention now makes it possible to heat the entire contents of the container to such high temperatures, without the problems caused by firing can occur, take place. In this case, the heating of the concentrate before and / or carried out in the actual reaction vessel and in Umpumptechnischen.
  • the product is stirred and / or recirculated under pressure in the (pressurized) cooking vessel, which is particularly useful when the product is heated in the reactor and / or in the recirculation line
  • the fluid is uniformly heated, homogenizing the ingredients, and preventing unwanted reactions such as burning.
  • the set overpressure is kept in the overpressure cooking vessel so that boiling does not occur even when it is being discharged.
  • a boiling delay on the hot container wall and on the heating surfaces can be avoided even when emptying.
  • the kwass wort (CHP) discharged from the overpressure (boiling) vessel is cooled by means of a heat exchanger (preferably tube bundle or plate heat exchanger).
  • the discharge can take place either by means of a pump and / or with the aid of the overpressure set in the container.
  • the cooling temperature should be selected so that a further transport of the cooled concentrate advantageously can be done with a centrifugal pump [see. Fig. 3].
  • the waste heat generated during this process is to be used in addition to preheat the next batch of wort-wort concentrate (CHP), advantageously a similar temperature difference as in the upstream heat exchanger between product and cooling.
  • an overpressure can also be set in the heat transfer system. However, this should preferably be less than the overpressure in the product-carrying system in order to ensure product safety in the event of leakage of the heat exchanger (so-called positive pressure gradient).
  • another, preferably food-safe medium, which has a phase transition at higher temperatures are used at atmospheric pressures as heat transfer.
  • the energy use and / or recovery in the heating and / or cooling process can increase the efficiency of the increase velvet plant.
  • the installation of a heat swing is not necessarily necessary.
  • a warm-up and / or cooling before and / or after the reactor optionally or exclusively by means of primary energy (for example steam and / or cold water) take place.
  • the adjustment of the overpressure in the product-carrying system for example, when filling the kvass wort (CHP) by closing the gas discharge (s) and / or by biasing with gas and / or steam done, with a biasing with steam can have the advantage that the System is preheated.
  • Inert gases such as nitrogen or C0 2 , however, may have the advantage that preferably no further oxygen is introduced into the product. This in turn can affect the reactions in the product.
  • optionally only the reactor and / or all other parts of the plant, such as the heat exchangers, can be subjected to the same overpressure and / or different pressures. In this case, the pressures can be established either by processes in the system (for example filling) and / or before, during or after the main reaction process by additional processes (for example pretensioning with steam).
  • the heating power during the heating of the kvass wort (CHP) can be increased as a function of the temperature and / or time, in particular, a steam heating should be used.
  • a steam heating should be used.
  • the temperature difference between the kvass wort (CHP) in the overpressure (boiling) vessel and the heating surface temperature should be kept as low as possible. This allows a particularly gentle heating in the reactor vessel.
  • a steam heating with so-called sliding or dynamic, flexible steam control can be used. If a preheating of the product is preferably carried out so that the temperature difference to the target temperature is very low or not available, can be optionally dispensed with a power regulation of the heater. This may reduce the cost of such an installation.
  • An apparatus for carrying out the method comprises an overpressure (cooking) vessel and a heating device, which is located either upstream and / or in the reactor or in a circulation line to the reactor.
  • the system should have a pressure and / or temperature have tur horrung / control, which can preferably be set via at least one actuator in the pressure (cooking) vessel such that boiling of the product is avoided.
  • a heat exchanger and / or a heating device is upstream of the overpressure (boiling) vessel or integrated into its circulating pump, which serve to preheat and / or keep hot the kvass wort concentrate (CHP).
  • overpressure blowing
  • CHP kvass wort concentrate
  • a heat exchanger for cooling is preferably arranged, wherein the waste heat of the downstream heat exchanger can be used preferably as a warm-up energy for the upstream heat exchanger.
  • the same heat exchanger (s) can advantageously be used by first heating the product.
  • additional devices may be provided specifically for cooling.
  • the pressure cooking vessel comprises an agitator with pressure-resistant seal and / or a circulation line with a corresponding pump.
  • a heater located in the reactor or a heater located in the circulation line
  • the heating power ie the temperature of the heating medium in dependence on time and / or the content temperature is adjustable.
  • pressure and temperature sensors are arranged for pressure regulation and for temperature control in the pressure cooking vessel, for example.
  • actuators for adjusting the pressure valves can advantageously be provided, which allow an exact adjustment of the pressure. These should also ensure that the pressure, e.g. when draining the product, can be kept constant.
  • At least one gas discharge valve should be integrated to ensure that excessively high pressure can be dissipated when needed.
  • the gas discharge valve can also be used if necessary for the initial build-up of an overpressure by it remains closed during the filling process until reaching the desired overpressure.
  • the device is used in particular for heating and / or holding liquid or liquid concentrates.
  • certain ingredients such as color and / or aroma components are to be formed or enriched, which should enhance the product.
  • a sterilization by appropriate heating certain liquids and / or concentrates a sterilization, a discharge of undesired components, the inactivation of catalysts (eg enzymes) and / or the chemical reaction of certain ingredients carried out.
  • catalysts eg enzymes
  • the device and the method for the thermal treatment of beverage concentrates but also other applications such as the production of meat flavor, caramel sugar and / or Zuckercouleur, wort boiling, and the sterilization of certain substances can be made with the help of such a system.
  • Fig. 1 shows a schematic structure of a pressure cooking vessel according to the present invention.
  • Fig. 2 shows schematically a device according to the present invention with upstream and downstream heat exchangers.
  • Fig. 2A shows the filling process of the schematically illustrated device of FIG
  • Fig. 2B shows the thermal treatment of the schematically illustrated device
  • Fig. 3 shows the viscosity of a kvass wort concentrate as a function of temperature
  • Fig. 1 shows an apparatus according to the present invention.
  • the device comprises an overpressure cooking vessel 1.
  • the overpressure cooking vessel is designed as a substantially cylindrical high-pressure vessel made of stainless steel.
  • the container should be a Have isolation.
  • concentrate is heated due to the smaller volume and the accumulation of ingredients for an economical process for producing flavors and colors in the wort.
  • the pressure cooking vessel 1 comprises the inlet / outlet 5 with a corresponding line in which either a pump 10 can be arranged. Even if only one inlet / outlet 5 is provided here, the inlet and the outlet could also be formed separately. For example, the filling can also take place via the pumping line U into the upper tank area.
  • the pressure cooking vessel 1 optionally comprises a stirrer 2, which is driven by a motor 4 and on whose stirrer axis preferably a plurality of stirring vanes 13 are arranged. It is advantageous if the stirrer axis is arranged eccentrically, so that a better mixing of the contents can be realized.
  • the stirrer 2 has a pressure-resistant seal 3, here a mechanical seal 3, which has a water supply and removal (water flushing) has. Thus, high pressures in the pressure cooker 1 can be realized.
  • the agitator is preferably frequency-controlled, wherein the motor 4 may be connected to a system controller 90. Instead of the stirrer or in addition to the stirrer, homogenization and thorough mixing can also take place exclusively and / or additionally by circulating pumping.
  • valves 22 and 99 are opened for pumping, whereas the valves 77 and 88 are closed.
  • the circulation then takes place, for example, by means of the pump 10 via the circulation line U.
  • additional additives can additionally be metered into the product and / or additional thermal treatment of the product can take place.
  • the corresponding devices and other fittings and equipment, such as tempering, Dosage-, measuring and / or control technology can be placed at various locations and are shown here as boxes (30).
  • the heating and / or heat retention of the preferably preheated product can take place, for example, via a heating surface 12 and / or optionally via a heating device 66, which can be located in the circulation line U.
  • both heaters are exemplarily designed as steam heaters.
  • the heat exchanger surfaces 12 are located preferably within the vessel 1 and thus are in direct contact with the product.
  • the heat exchanger surface of the heating device preferably has an uneven surface and is in particular pocket-shaped. This type of installation can improve the heat transfer, since the pressure vessels partially have a thick wall and thus the heat transfer would be difficult or worsened with an external attachment of the heater.
  • the corrugated surface ensures better mixing and reduces fouling.
  • the heating device 66 which is located for example in the circulation line U, is preferably designed as a steam-heated double tube, tube bundle and / or plate heat exchanger. Both heaters shown have supply lines 15 for the heating medium (in this case steam), and discharges 16 for the heating medium (condensate).
  • the energy generator here steam generating device
  • the heating devices are optionally designed so that the heating powers can be varied. This means that the heating powers, for example by increasing the temperature of the heating medium, here the steam temperature or vapor pressure, can be increased.
  • the heating powers can be adjusted, for example, as a function of time and / or the temperature of the contents.
  • either a fixed warm-up program for the heating power can be entered, or the temperature can be measured by a temperature sensor (18), in which case the heating power, ie the temperature of the steam as a function of the measured temperature (preferably the core temperature) of the content set becomes.
  • the heating device (s), ie here the steam generating device (s), is preferably also connected to the system controller 90. This makes it possible, for example, during the heating of the content, the heating power can be increased, so that the temperature difference ⁇ between the heating surface and content can be kept as low as possible during the entire process.
  • Such a dynamic or floating flexible steam regulation allows a gentle warming up of the contents.
  • the overpressure head vessel shown here comprises a pressure control 9, which may be integrated in the system controller 90.
  • About the pressure control 9 can be adjusted via at least one actuator in the pressure cooking vessel 1, an overpressure, such that the heated content does not boil.
  • an overpressure such that the heated content does not boil.
  • a gas-steam connection with a control valve 19 is provided, the connection being connected to a steam-generating device and / or a supply for prestressing gas, for example nitrogen and / or CO 2 .
  • a pressure sensor 8 may be provided in the vessel 1, which may also be connected to the electronic pressure control / regulation 9.
  • the vessel 1 is preferably also an overpressure protection with a gas-steam discharge 11, in which a valve, in particular control valve 20 is arranged. With 23 a butterfly valve is designated and 24 an overpressure safety valve. A vacuum flap 25 is provided in the discharge 11.
  • the pressure in the vessel 1 can be increased by introducing the contents to be heated (and / or by heating the contents).
  • the valve 20 can be controlled via the pressure control 9.
  • the device may further comprise an input device (not shown) via which different process parameters such as the maximum heating temperature T1, ⁇ etc. can be input.
  • a corresponding desired pressure can be entered into the system, which is so high that the content in the vessel 1 does not boil at the set maximum temperature T1.
  • Such a value can, for example, be approximated to the water vapor panel [cf. Figure 4].
  • the desired pressure can be set at or before the start of the heating process by means of a reference / actual value comparison.
  • the bias of the container before filling has the advantage that even in the upstream heat exchanger and / or other heating devices high temperatures can be set (which are already at atmospheric pressure above the boiling temperature of water), without causing boiling and / or burning the product comes.
  • the biasing and emptying of the container with steam has the advantage that the container is preheated or heated and the air is already saturated accordingly with water, so that no (or very little) water during the process from the Product escapes.
  • Inert gases such as nitrogen and C0 2 , however, have the advantage that the product is not exposed to any additional influence of oxygen, which could possibly influence the product undesirable.
  • the temperature is measured (e.g., with temperature sensor 18) and the pressure adjusted according to the measured temperature (e.g., over 19 and 20).
  • Fig. 2 shows schematically a preferred embodiment of the present invention, wherein the heating and cooling of the product is shown here for convenience in two different heat exchangers.
  • the process can also take place in only one heat exchanger.
  • the operating modes are practically identical, which is why we will not go into that at this point.
  • pumps, fittings, measurement and control technology and the temperature control in the heat swing, etc. are not shown for simplicity.
  • the pressure vessel (boiling) vessel 1 a heat exchanger 6, preferably a plate heat exchanger and / or shell and tube heat exchanger can be connected upstream.
  • the kvass wort or the kvass wort concentrate (CHP) can be preheated via this heat exchanger.
  • a further steam heater 66 are connected downstream. This is located in a preferred embodiment in a filling, which can serve as Umpumptechnisch at the same time.
  • the vessel 1 is optionally followed by a further heat exchanger 7, which cools, for example, the kvass wort or the kvass wort concentrate (CHP) after the thermal treatment in the vessel 1.
  • this heat exchanger can be designed as a plate and / or tube bundle heat exchanger. To increase the efficiency of the system, both heat exchangers are connected to each other via a so-called heat swing.
  • at least one storage tank for the heat exchanger medium should be arranged in the line between the heat exchanger 6 and 7.
  • this storage tank should either be divided into two separate and isolated sections or, as shown in the drawing, preferably two separate and insulated storage tanks are used.
  • the heat transfer medium should not undergo a phase transition, so that possibly also a corresponding overpressure [cf. Figure 4] must be set in the system of heat swing.
  • at least one heating and / or tempering device should be integrated into the heat swing.
  • Heat swinging can reduce the need for primary energy. This is especially useful if no additional hot water is needed for the process. Since the vapor, which arises in the evaporation of concentrate, usually sufficient to meet the hot water needs of the companies, therefore, such an installation in many farms seems to be useful, but is not necessarily necessary.
  • FIG. 2A schematically illustrates the filling process, the plant shown in simplified form in FIG.
  • the preheating of the concentrate (CHP) from, for example, 65 ° C to 130 ° C can take place in that a hot heat exchange medium, the product in a heat exchanger 6, for example, in countercurrent heated.
  • the heat exchange medium which is previously in a preferably insulated storage tank X, for example, cooled from 132 ° C to 67 ° C and thereby completely pumped into the isolated storage tank Y.
  • the 130 ° C hot product is preferably heated before filling in a further, the heat exchanger downstream heater 66, by saturated steam to the target temperature of 135 ° C, for example, before the batch, optionally from above, in the also insulated pressure tank 1 is introduced.
  • the entire product-side system described here should preferably already be pre-stressed before filling via such an overpressure that there is no phase transition of the water contained in the product [cf. FIG. 4] (for example 3.5 bar). This pressure should be maintained throughout the process.
  • the illustrated heat swing must be designed according to the temperature differences (and of course the amount of medium to be tempered).
  • An approximately closed system preferably requires an approximately equal temperature difference ( ⁇ ) between the product and the heat exchanger medium in both heat exchangers 6 & 7. If this is not possible, further heating or cooling of the heat exchanger medium or part of the medium must take place be removed and / or replaced. Furthermore, it should be noted that in such a system always heat losses occur, it must be compensated accordingly. As with the product as well, in such a and simple heat swing should preferably preferably no phase transition of the heat transfer medium done. To ensure this, it may therefore be useful to increase the pressure of the heat transfer medium accordingly so that it does not come to a boiling of the heat carrier.
  • the overpressure in the heat swing should be lower than in the product-carrying system, so that product safety can be ensured in case of leakage, because this so-called positive pressure gradient prevents leaks in the heat exchange medium entering the product.
  • another heat exchange medium which experiences no phase transition at such temperatures (eg oil or glycerol).
  • it should be food safe.
  • the actual thermal treatment takes place, which preferably takes 5 to 40 minutes and should take place at such an overpressure that boiling of the product does not occur (for example 3.5 bar).
  • the preferably preheated concentrate (CHP) is maintained, for example, at a core temperature of 135 ° C and / or heated.
  • the pressure vessel 1 should have at least one insulation and preferably be similarly equipped as described in FIG.
  • other heating means such as heating pockets and / or flow cooler can be used to heat the product to the desired temperature. Homogenization can be achieved for example by pumping the product and / or with the aid of a stirrer.
  • the process of thermal treatment is shown in simplified form in FIG. 2B.
  • the emptying of the concentrate cooker follows, which is shown schematically in FIG. 2C.
  • the pressure in the reactor vessel is maintained constant at 3.5 bar, the pressure can be used alone or in combination with a pump to empty the concentrate from the container.
  • the heat exchange medium from tank Y is passed into tank X, so that it heats up, for example in countercurrent, from 67 ° C. to 132 ° C. in heat exchanger 7. Subsequently, a new batch can be treated in the same way.
  • kvass wort concentrate here kvass wort concentrate (CHP).
  • CHP kvass wort concentrate
  • the kvass wort is prepared in known manner, e.g. from raw materials such as rye, barley, wheat, maize, buckwheat, buckwheat products, rice, rice products, potato, potato products, etc.
  • the raw materials are possibly first malted and / or crushed.
  • the process for producing the kvass wort essentially corresponds to the brewhouse process for the production of beer wort.
  • a mashing process of the raw materials mixed with water takes place.
  • a rinsing / filtering of the kvass wort from the mash takes place, after which the kvass wort is optionally boiled and then concentrated as previously explained, d. H. evaporated in a partial vacuum.
  • the kvass wort concentrate initially passes with eg 40-90 ° C the upstream heat exchanger 6 and is preheated in particular to a temperature of 50 to 140 ° C, preferably to 95 to 135 ° C under pressure. By heating, the viscosity of the high-viscosity concentrate is lowered.
  • the preheated concentrate is then pumped into the vessel 1 via the circulation line U and, if necessary, via the pump 10 (FIG. 1) with the inlet valve 99 open (and valve 22 and 88 closed) until a certain level is reached, the remaining one Headspace volume should be as low as possible.
  • an unillustrated level gauge can be provided in the container 1.
  • a corresponding overpressure for example with the aid of the control valve 19, should be set in the entire system so that there is no boiling of the water contained in the product.
  • the previously set overpressure inside the container should preferably be kept constant.
  • the valve 19 is first closed after toughening.
  • the increasing overpressure, which results from the filling of the container is then discharged, for example via the control valve 20.
  • Another way to build up the pressure before the thermal treatment is to prevent the gas discharge through all the corresponding valves until the desired pressure has been built up by the filling process.
  • this variant is not preferable, since the preheating can not be done at temperatures above 100 ° C, without causing boiling.
  • All required for the process valves for example be controlled via the controller 9 and via the system controller 90. If a sufficient amount of concentrate has been introduced into the vessel 1, the valve 77 can be closed and the valve 22 can be opened. Now, either a circulation of the container contents in the circulation via the circulation line U done. In this case, the product can for example be kept at the target temperature, or heated by the heating surface and / or the continuous heating 66 are controlled accordingly.
  • the steam supply lines 15 connected to the steam generator 17 and the steam discharge lines 16 are opened or closed accordingly and / or a corresponding pressure or temperature is adjusted accordingly.
  • a dynamic steam control is performed here.
  • the heating power is increased here as a function of time and / or as a function of the temperature of the content in the vessel 1 measured during the heating process, as measured with the temperature sensor 18.
  • the temperature difference ⁇ between the kvass wort concentrate (CHP) in the vessel 1 and the surface of the heating devices 12 and / or 66 is in particular less than 10 ° C.
  • the motor 4 of the agitator 2 can optionally be controlled from the beginning by means of the system controller 90 so that the contents in the vessel 1 are additionally and / or exclusively stirred for pumping.
  • the kvass wort should preferably not be heated above 165 ° C.
  • the concentrate is discharged from the vessel 1.
  • the valve 22 is opened in the discharge line 5, wherein the emptying can be done either with the aid of a centrifugal pump and / or the set overpressure.
  • the valve 99 is closed and the valve 88 is opened accordingly. It is essential, however, that even when emptying an overpressure in the vessel 1 is maintained, so that the concentrate or the water contained in the product does not boil or burn on the walls of the vessel 1. It is therefore advantageous if the contents of the vessel 1 via the expression of gas and / or steam with the valve 19 open.
  • the hot concentrate is then cooled by means of the downstream of the vessel 1 heat exchanger 7, for example, to 40 to 70 ° C and further processed or stored.
  • the waste heat generated in this process can be used selectively to preheat the concentrate of the next batch.
  • only one heat exchanger can be provided in which the product is first preheated and cooled after the reaction.
  • Such operation in addition to economic and environmental benefits still has the advantage that deposits can be better removed by a flow reversal in the rule.
  • special care should be taken to ensure that both the warm-up and the cooling are always the same (ie both in cocurrent or countercurrent to the heat exchanger medium).
  • a countercurrent mode of operation in DC is preferable.
  • Fig. 3 shows a diagram which has been prepared empirically for a kvass wort concentrate. Time is plotted on the X-axis and viscosity, stirring speed and temperature are plotted on the Y-axis. The graphic was created with the help of a so-called rotation viscometer. In this apparatus while a certain amount of concentrate is filled and the product is stirred at a constant rate. The stirring resistance can then be used to automatically calculate the viscosity of the product. By increasing the product temperature, the viscosity and thus the stirring resistance is changed over time.
  • the illustrated diagram may e.g. be used to determine how warm the product should be to be pumpable in a centrifugal pump. For example, if the pump manufacturer states that its pumps will work well only up to 1500 mPa-s, the product temperature should be at least 60 ° C or higher.
  • Fig. 4 illustrates the phase transition of water.
  • the phase transition occurs in pure water under atmospheric conditions (1 bar pressure) at 100 ° C of liquid (water) to gaseous (water vapor). At about 2.7 bar pressure this phase transition occurs at about 130 ° C.
  • the pressure should be chosen according to the invention so that no phase transition can take place, so the system pressure is 3.2 bar, for example.
  • the device according to the invention is not only suitable for the thermal treatment of kvass wort concentrate (CHP), but also for the treatment of other (beverage) concentrates which are highly viscous and / or easily burn.
  • CHP kvass wort concentrate
  • the device is also suitable for the production of flavors and / or colorants in the food industry. So an application for the production of meat flavor, caramel sugar, sugar liquor, etc. is conceivable.
  • the device may also be used for the sterilization of sensitive products such as sugar syrup in which, for example, heat-resistant spores may be contained. Even a high-pressure heating of wort and / or other semi-finished or finished products is conceivable with such a device.
  • a wort could be heated so strongly that it becomes sterile very quickly, the hops are isomerized and the enzymes are inactivated. After this reaction, unwanted flavorings may be evaporated, for example, by reducing the pressure below the boiling point, optionally also at cooler temperatures.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Kwass-Würze bzw. Kwass-Würze-Konzentrat und eine Vorrichtung, insbesondere zum Durchführen dieses Verfahrens, wobei Kwass-Würze in ein Überdruckkochgefäß eingeleitet und erhitzt wird, wobei ein Überdruck in dem Überdruckkochgefäß derart eingestellt wird, dass die Kwass-Würze während des gesamten Prozesses nicht siedet.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Kwass ürze
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Kwass-Würze, insbesondere Kwass-Würzekonzentrat und eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.
Kwass ist ein uraltes Getränk, welches traditionell aus Brot, Getreiden, Malzen und Zucker hergestellt wird, und dem häufig weitere pflanzliche Stoffe zugegeben werden. Die Fermentation erfolgt meist mit einer Mischkultur aus Hefen und Milchsäurebakterien, so dass das kohlensäurehaltige Erfrischungsgetränk eine angenehme Säure hat, aber nur wenig Alkohol enthält. Bereits seit Jahrhunderten wird dem Kwass eine gesundheitsfördernde Wirkung zugeschrieben und es zählt in Russland, der Ukraine und weiteren Ländern Osteuropas zu den Nationalgetränken. In den vergangenen Jahren hat dieses althergebrachte Produkt, vor allem in Russland und der Ukraine einen großen Aufschwung erfahren.
Um ein roggenbrottypisches, leicht brenzliges, brotrindenartiges Aroma herzustellen, wird die Kwass-Würze aber insbesondere das Kwass-Würzekonzentrat meist einer mehrfachen thermischen Behandlung unterzogen. Durch sie erfolgen eine Anhäufung der Aromakomponenten, der Melanoidinprodukte, sowie eine Zufärbung des Produktes.
Eine thermische Behandlung erfolgt dabei in speziellen Apparaturen bei einer Kerntemperatur von 100 °C bis 130 °C und dauert meist 20 bis 30 Minuten.
Derzeit gibt es drei gängige Verfahren, um das Kwass-Würzekonzentrat derart thermisch zu behandeln:
Erstes traditionelles Verfahren:
In älteren Eindampfanlagen, in denen die Würze zu Konzentrat mittels starker Hitze zuvor eingedampft wird, wird teilweise eine weitere Kochstufe in die Apparatur integriert, in der das Konzentrat zusätzlich thermisch behandelt wird. Um den Energieeintrag beim Verdampfen zu verringern, arbeiten moderne Eindampfanlagen jedoch meist mit Unterdruck (Teilvakuum), so dass die Produkttemperatur über die nachgeschalteten Verdampferstufen abfällt. Ein Kochen des Konzentrats kann daher nicht innerhalb einer modernen und ökonomischen Vakuumeindampfanlage erfolgen. Zweites traditionelles Verfahren:
Hier wird das Konzentrat, welches zuvor meist in modernen Vakuumverdampfern hergestellt wurde, zunächst in große Druckkochgefäße eingebracht. Diese sind zumeist mit einer elektrischen oder dampfbeheizten Heizfläche und teilweise mit einem Rührwerk ausgestattet. Der Deckel wird nach der Befüllung geschlossen, das Konzentrat erhitzt und das Rührwerk eingeschaltet. Nach Beendigung des Kochprozesses wird der Behälter entspannt und das heiße Konzentrat manuell entleert oder abgepumpt. Dieser Prozess hat jedoch wesentliche Nachteile: Die Behälter funktionieren nach dem gleichen Prinzip wie Schnellkochtöpfe. Demnach verdampft durch die Erhitzung ein Teil der im Produkt enthaltenen Flüssigkeit (Wasser) und der entstehende (Wasser)dampf erhöht den Behälterinnendruck und somit auch die Siedetemperatur des Produktes. Durch die Verdampfung der Flüssigkeit kann es jedoch zu einem Anbrennen des Produktes an der Behälterinnenwand kommen, vor allem dann, wenn der Wassergehalt im Produkt, wie bei Konzentrat, gering ist. Dieser Effekt wird oftmals zusätzlich dadurch verstärkt, dass der Temperaturunterschied zwischen Heizfläche und Produkt Anfangs sehr groß ist und die Heizmedien (Strom/Dampf) mit einer konstanten Leistung eingebracht werden. Durch das Anbrennen entstehen Produktverluste und die Reinigung des Behälters wird deutlich erschwert und muss häufiger erfolgen. Zudem können sich unerwünschte Stoffe bilden, die teilweise sogar gesundheitsschädlich sind (z.B. Furfu- ral, Acrylamid). Auch beim Entspannen des Druckbehälters kann ein derartiger Siedeverzug an den Heizflächen und/oder der heißen Behälterinnenwand auftreten, der den gleichen Effekt hervorruft.
Drittes traditionelles Verfahren:
Um das Anbrennen des Konzentrats zu vermeiden bzw. zu verringern entwickelte man eine dritte Möglichkeit das Konzentrat zu kochen. Dazu wird das Konzentrat zunächst in offene Behältnisse gefüllt. Anschließend wird der heiße Dampf durch Lanzen, welche meist von oben bis hin zum Gefäßboden reichen, in das Produkt eingeblasen bis der Tankinhalt kocht und die gewünschte Kerntemperatur erreicht wird. Doch auch dieses Verfahren hat gewisse Nachteile. So ist beispielsweise die exakte Einstellung des Wassergehaltes im fertigen Produkt praktisch unmöglich, da sich die Dampfblasengröße, die Blasenanzahl und deren Re- tentionszeit sowie die chemisch- physikalische Zusammensetzung des Konzentrates während des Prozesses verändern und sich so das Gleichgewicht zwischen eingebrachtem Wasser und ausgedampften Wasser ständig verschiebt. Zudem kommt es in dem Fluid zu lokalen Temperaturspitzen und Inhomogenitäten, so dass auch hier das Aromaprofil und die gebildeten Stoffe nicht exakt gesteuert werden können. Ein weiterer Nachteil kann der Austrag erwünschter Aromakomponenten durch die Brüden sein. Sollte keine Energierückgewinnung der Brüden erfolgen, ist außerdem mit hohen Energieverlusten zu rechnen. Des Weiteren kann es auch hier zu einem Anbrennen des Produktes an der Lanzen- und/oder Gefäßwandung kommen.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die es ermöglichen auf zuverlässige und reproduzierbare Art und Weise Kwass-Würze, insbesondere Kwass-Würzekonzentrat thermisch zu behandeln und die beschriebenen Nachteile der herkömmlichen Verfahren zu verringern bzw. auszuschließen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 9 gelöst.
Im Nachfolgenden wird der Einfachheit halber oftmals nur von Kwass-Würze gesprochen, wobei jedoch ebenfalls Kwass-Würzekonzentrat (KWK) und/oder andere Produkte, vor allem aber Konzentrate mit umfas'st sind. Des Weiteren wird der eigentliche Reaktions- und Aufheizbehälter als Kocher oder Reaktor bezeichnet, wenngleich es aufgrund des hohen Druckes nicht zu einem Sieden und Kochen des Produktes kommt und das Aufheizen auch extern erfolgen kann.
Gemäß dem Verfahren zur thermischen Behandlung von Kwass-Würze bzw. Kwass- Würzekonzentrat kann durch eine Druckerhöhung und der damit verbundenen Verschiebung des Phasenübergangs des im Produkt enthaltenen Wassers von flüssig zu gasförmig, die Kwass-Würze (KWK) auf eine hohe Temperatur erhitzt werden, ohne dass die Kwass- Würze (KWK) zu sieden beginnt. Somit kommt es idealerweise nicht zu einem Siedeverzug an den Heiz- und Gefäßflächen und damit auch nicht zu einem Anbrennen des Produkts.
Dementsprechend geringer sind die Produktionsverluste und dementsprechend leichter kann die Reinigung der Anlage vorgenommen werden. Zudem können dadurch die Reinigungsintervalle (Zyklen in der die Reinigung erfolgen sollte) verlängert werden.
Es entstehen zudem deutlich weniger ungewünschte und gesundheitsschädliche Reaktionsprodukte wie Furfural und/oder Acrylamid. Dadurch, dass möglichst kein- oder nur sehr wenig Wasser aus dem Konzentrat aufgrund des hohen Druckes verdampft, kommt es nicht- oder nur kaum, zu einer Veränderung des Trockenmassegehalts des Konzentrats. Somit kann ein standardisiertes Produkt hergestellt werden, was wichtig für den Verkauf und das spätere Ausmischen des Konzentrats ist.
Das Verhindern des Aufkochens verringert außerdem die übermäßige Blasenbildung und das damit verbundene Aufschäumen des Produkts. Somit kann die Gefäßgröße- bzw. Gefäßhöhe reduziert werden.
Die aufzuwendende Energie zur Erreichung der gewünschten Temperatur ist geringer, da keine Energie für den Phasenübergang aufgewendet wird. Zudem erfolgt möglichst kein Energie- und/oder Aromastoffaustrag aus dem System durch entstehende, abgeführte Brüden.
Das Verfahren ermöglicht ein schnelles Aufheizen des gesamten Behälterinhalts auf extrem hohe Temperaturen, so dass die entsprechende Behandlungszeit reduziert werden kann, was ebenfalls die Gesamtwirtschaftlichkeit der Anlage erhöht und die Bildung und Anhäufung weiterer Aromakomponenten ermöglicht.
Der einzustellende Druckwert für eine bestimmte Temperatur oder Maximaltemperatur ergibt sich beispielsweise näherungsweise aus der Dampfdruckkurve für Wasser. Dabei wird der Überdruck im Behälter und/oder Gesamtsystem so eingestellt, dass bei der angestrebten Temperatur kein Phasenübergang von Wasser erfolgt [vgl. Fig. 4].
Es ist besonders vorteilhaft, wenn das Produkt vor dem Einleiten in das Über- druck(koch)gefäß mittels einem oder mehreren Wärmetauschern und/oder Heizvorrichtungen vorerhitzt wird. Dabei sollte die Vorheiztemperatur so gewählt werden, dass die Temperaturdifferenz zur angestrebten Reaktions(koch)temperatur möglichst gering ist (z.B. vorheizen auf 130 °C;„Kochen" bei 135 °C), vorzugsweise jedoch der Reaktions/(Koch)temperatur entspricht (z.B. vorheizen auf 135 °C;„Kochen" bzw. Heißhalten bei/auf 135 °C). Um zu gewährleisten, dass es während des Prozesses nicht zu einem Sieden des Produktes (Wassers) kommt, kann es dabei von Vorteil sein, den Druck des gesamten Systems (also zum Beispiel den Wärmetauscher(n), Heizvorrichtung(en) und/oder des eigentlichen Reaktorbehälters etc.), bereits vor dem Befüllen so zu erhöhen, dass ein siedefreies Aufheizen, Befüllen, eine anschließende thermische Behandlung und/oder Entleerung und/oder Abkühlung des Produktes gewährleistet werden kann [vgl. Fig 4]. Das Vorheizen erleichtert die thermi- sehe Behandlung im Druckkocher, da ggf. eine geringere Temperaturdifferenz zur Erreichung der gewünschten maximalen Erwärmtemperatur im Reaktor überwunden werden muss. Zudem kann durch eine derartige Installation die Temperatur so eingestellt werden, dass im eigentlichen Reaktor kein weiteres Aufheizen des Produktes erfolgen muss (z.B. Vorwärmen auf 137 °C, 20 Minuten Heißhalten im vorzugsweise isolierten Reaktor, wobei eine Abkühlung z.B. auf 135 °C erfolgen kann). Außerdem verringert sich durch das Erhitzen die Viskosität des hochviskosen Konzentrats, so dass das die Einbringung und das Rühren und/oder die Umwälzung im Überdruck(koch)gefäß erleichtert werden. Da aufgrund der niedrigeren Viskosität von Anfang an mit dem Rühren und/oder Umpumpen begonnen werden kann, kann ein Anbrennen des zähflüssigen Konzentrats zudem noch besser verhindert werden. Ein Vorheizen kann zudem zu einer homogeneren Temperaturverteilung des Produktes führen. Dies verbessert den gewünschten Reaktionsverlauf und kann den Rühr- und/oder Umpumpaufwand verringern, oder überflüssig machen.
Obwohl die Aufheizung auch mit Hilfe von Primärenergie erfolgen kann, ist ein weiterer entscheidender Vorteil des Vorwärmprozesses die sinnvolle Verwendung von Sekundärenre- gie, also vorzugsweise von Abwärme aus einem anderen Teil der Produktion. Dabei bietet sich vor allem die Nutzung der eigenen Systemwärme an.
So kann beispielsweise in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung die Abwärme, welche durch die Abkühlung des thermisch behandelten Konzentrates gewonnen werden kann, dazu genutzt werden, um die nächste Charge des Produktes vorzuwärmen. Ist die Temperaturdifferenzen beim Vorheizen und Abkühlen des Konzentrates annähernd gleich hoch, kann eine Wärmeschaukel besonders einfach zwischen dem vor- und nachgeschalteten Wärmetauschern integriert werden. Diese kann die Gesamteffizienz der Anlage erhöhen, indem sie den Bedarf an Primärenergie reduziert und das erfindungsgemäße System von anderen Teilbereichen der Produktion entkoppelt.
Vorteilhafterweise wird die Kwass-Würze auf eine Temperatur >120 °C vorzugsweise >130 °C erhitzt, da es sich herausgestellt hat, dass viele der gewünschten Aromakomponenten bei Temperaturen von über 130 °C bzw. über 140 °C entstehen. Bei den traditionellen Verfahren konnten diese Temperaturen nur in wenigen Bereichen innerhalb des Kochers erreicht werden, z.B. direkt an den Heizflächen oder an den Dampfblasen. Das erfindungsgemäße Druckverfahren ermöglicht jedoch nun ein Aufheizen des gesamten Behälterinhalts auf derartig hohe Temperaturen, ohne dass dabei die Probleme, die durch das Anbrennen entstehen können, stattfinden. Dabei kann die Aufheizung des Konzentrates vor- und/oder im eigentlichen Reaktionsbehälter sowie in Umpumpleitungen erfolgen.
Vorteilhafterweise wird das Produkt im (Jberdruck(koch)gefäß unter entsprechendem Überdruck gerührt und/oder umgepumpt. Dies ist vor allem dann sinnvoll, wenn eine Aufheizung des Produktes im Reaktor und/oder in der Umwälzleitung erfolgt. Dabei dient das Rühren bzw. Umpumpen vor allem der gleichmäßigen Erwärmung des Fluides und bewirkt eine Homogenisierung der Inhaltsstoffe. Zudem soll es ungewünschten Reaktionen wie dem Anbrennen vorbeugen.
Es ist außerdem vorteilhaft, wenn beim Ausleiten der Kwass-Würze (KWK) der eingestellte Überdruck im Überdruckkochgefäß gehalten wird, so dass es auch beim Ausleiten nicht zu einem Sieden kommt. Somit kann auch beim Entleeren ein Siedeverzug an der heißen Behälterwandung und an den Heizflächen vermieden werden.
Vorteilhafterweise wird die aus dem Überdruck(koch)gefäß ausgeleitete Kwass-Würze (KWK) mittels Wärmetauscher (vorzugsweise Rohrbündel- oder Plattenwärmetauscher) abgekühlt. Das Ausleiten kann dabei entweder mittels einer Pumpe und/oder mit Hilfe des im Behälters eingestellten Überdruckes erfolgen. Dabei sollte die Abkühltemperatur so gewählt werden, dass ein weiteres Befördern des abgekühlten Konzentrates vorteilhafterweise mit einer Kreiselpumpe erfolgen kann [vgl. Fig. 3]. Wenn die Abwärme, welche bei diesem Pro- zess entsteht, zusätzlich dazu genutzt werden soll, um die nächste Charge Kwass- Würzekonzentrat (KWK) vorzuheizen, ist außerdem vorteilhafterweise eine ähnliche Temperaturdifferenz wie bei dem vorgeschalteten Wärmetauscher zwischen Produkt und Kühlbzw. Heizmedium anzustreben, um so eine möglichst einfache Wärmeschaukel in das System integrieren zu können. Sollte Wasser als Wärmeträgermedium für eine derartige Wärmeschaukel verwendet werden, ist darauf zu achten, dass es vorzugsweise auch in diesem System nicht zu einem Phasenübergang kommen sollte. Dementsprechend kann auch im Wärmeträgersystem ein Überdruck eingestellt werden. Dieser sollte jedoch vorzugsweise geringer sein als der Überdruck im produktführenden System, um bei Leckage der Wärmetauscher eine Produktsicherheit zu gewährleisten (sog. positives Druckgefälle). Wahlweise kann aber auch ein anderes, vorzugsweise lebensmittelechtes Medium, welches einen Phasenübergang bei höheren Temperaturen aufweist (wie beispielsweise Öl oder Glyzerin) bei atmosphärischen Drücken als Wärmeträger verwendet werden. Die Energieverwendung und/oder Rückgewinnung im Aufheiz und/oder Abkühlprozess können die Effizienz der Ge- samtanlage erhöhen. Die Installation einer Wärmeschaukel ist jedoch nicht zwangsweise notwendig. So kann eine Aufwärmung und/oder Abkühlung vor- und/oder nach dem Reaktor wahlweise auch oder ausschließlich mit Hilfe von Primärenergie (beispielsweise Dampf und/oder Kaltwasser) erfolgen.
Die Einstellung des Überdrucks im produktführenden System kann beispielsweise beim Einfüllen der Kwass-Würze (KWK) durch Schließen der Gasableitung(en) und/oder durch Vorspannen mit Gas und/oder Dampf erfolgen, wobei ein Vorspannen mit Dampf den Vorteil haben kann, dass das System vorgewärmt wird. Inertgase wie beispielsweise Stickstoff oder C02 können hingegen den Vorteil haben, dass vorzugsweise kein weiterer Sauerstoffeintrag in das Produkt erfolgt. Dies wiederum kann sich auf die Reaktionen im Produkt auswirken. Prinzipiell können wahlweise nur der Reaktor und/oder alle weiteren Anlagenteile wie z.B. die Wärmetauscher mit dem selben Überdruck und/oder unterschiedlichen Drücken beaufschlagt werden. Dabei können die Drücke entweder durch Prozesse im System aufgebaut werden (bspw. Befüllen) und/oder vor-, während- oder nach dem hauptsächlichen Reakti- onsprozess durch zusätzliche Prozesse (bspw. Vorspannen mit Dampf) eingestellt werden.
Sollte eine Heizung in den Reaktorbehälter und/oder die Umwälzleitung integriert werden, sollte diese, vor allem wenn größere Temperaturdifferenzen zur Erreichung der eigentlichen Zieltemperatur überwunden werden müssen, vorteilhafterweise in der Leistung variabel sein. Dabei kann die Heizleistung während des Erhitzens der Kwass-Würze (KWK) in Abhängigkeit der Temperatur und/oder der Zeit erhöht werden, wobei insbesondere eine Dampfheizung verwendet werden sollte. Durch das Steigen der Heizleistung soll die Temperaturdifferenz zwischen der Kwass-Würze (KWK) im Überdruck(koch)gefäß und der Heizflächentemperatur möglichst gering gehalten werden. Dies ermöglicht eine besonders schonende Aufheizung im Reaktorbehälter. Zum Aufheizen kann beispielsweise eine Dampfheizung mit so genannter gleitender bzw. dynamischer, flexibler Dampfregulierung verwendet werden. Falls ein Vorwärmen des Produktes vorzugsweise so erfolgt, dass die Temperaturdifferenz zur Zieltemperatur sehr gering- oder nicht vorhanden ist, kann wahlweise auf eine Leistungsregulierung der Heizung verzichtet werden. Dies kann die Kosten für eine derartige Installation ggf. verringern.
Eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens umfasst ein Überdruck(koch)gefäß und eine Heizeinrichtung, welche sich entweder vor- und/oder im Reaktor bzw. in einer Umwälzleitung am Reaktor befindet. Zudem sollte das System über eine Druck- und/oder Tempera- tursteuerung/Regelung verfügen, die vorzugsweise über mindestens ein Stellglied in dem Überdruck(koch)gefäß derart eingestellt werden kann, dass ein Sieden des Produktes vermieden wird.
Vorteilhafterweise ist dem Überdruck(koch)gefäß ein Wärmetauscher und/oder eine Heizvorrichtung vorgeschaltet bzw. in dessen Umpumpvorrichtung integriert, die zum Vorwärmen und/oder Heißhalten des Kwass-Würzekonzentrates (KWK) dienen.
Nach dem Überdruckkochgefäß ist vorzugsweise ein Wärmetauscher zum Kühlen angeordnet, wobei die Abwärme des nachgeschalteten Wärmetauschers vorzugsweise als Aufwärmenergie für den vorgeschalteten Wärmetauscher verwendet werden kann. Prinzipiell kann dabei vorteilhafterweise der/die selbe(n) Wärmetauscher verwendet werden, indem zuvor die Aufwärmung des Produktes erfolgte. Wahlweise können jedoch auch zusätzliche Vorrichtungen speziell für die Abkühlung vorgesehen werden.
Es ist vorteilhaft, wenn das Überdruckkochgefäß ein Rührwerk mit drucksicherer Dichtung und/oder eine Umwälzleitung mit entsprechender Pumpe umfasst. Vorzugsweise ist eine im Reaktor befindliche Heizeinrichtung (bzw. eine in der Umwälzleitung befindliche Heizeinrichtung) derart ausgebildet, dass sie Dampf als Heizmedium verwendet und die Heizleistung, also die Temperatur des Heizmediums in Abhängigkeit der Zeit und/oder der Inhaltstemperatur einstellbar ist. Vorteilhafterweise sind zur Druckregelung und zur Temperaturregelung in dem Überdruckkochgefäß zum Beispiel Druck- und Temperatursensoren angeordnet. Als Stellglieder zum Einstellen des Druckes können vorteilhafterweise Ventile vorgesehen werden, die ein exaktes Einstellen des Überdruckes ermöglichen. Diese sollten zudem gewährleisten, dass der Druck z.B. bei Ablassen des Produktes, konstant gehalten werden kann. Des Weiteren sollte mindestens ein Gasableitventil integriert werden, um zu gewährleisten, dass ein zu hoher Überdruck bei Bedarf abgeführt werden kann. Das Gasableitventil kann zudem bei Bedarf zum anfänglichen Aufbau eines Überdruckes genutzt werden, indem es während des Befüllvorgangs bis zum erreichen des gewünschten Überdruckes geschlossen bleibt.
Die Vorrichtung wird insbesondere zum Erhitzen und/oder Heißhalten von Flüssigkeit bzw. Flüssigkeitskonzentraten verwendet. Dadurch sollen bestimmte Inhaltsstoffe wie Farb- und/oder Aromakomponenten gebildet bzw. angereichert werden, welche das Produkt aufwerten sollen. Zudem kann durch eine entsprechende Erhitzung bestimmter Flüssigkeiten und/oder Konzentrate eine Sterilisation, ein Austrag unerwünschter Komponenten, die Inak- tivierung von Katalysatoren(z.B. Enzymen) und/oder die chemische Umsetzung bestimmter Inhaltsstoffe erfolgen. Insbesondere eignet sich die Vorrichtung und das Verfahren zur thermischen Behandlung von Getränkekonzentraten, doch auch weitere Applikationen wie z.B. die Herstellung von Fleischaroma, Karamellzucker und/oder Zuckercouleur, die Würze- kochung, sowie die Sterilisation bestimmter Stoffe können mit Hilfe einer derartigen Anlage vorgenommen werden.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme folgenden Figuren näher erläutert. Grundsätzlich sollen die Ausführungsbeispiele die Erfindung illustrieren, sie sind jedoch keinesfalls einschränkend zu verstehen.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Aufbau eines Überdruckkochgefäßes gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt schematisch eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit vor- und nachgeschalteten Wärmetauschern.
Fig. 2A zeigt den Befüllungsvorgang der schematisch dargestellten Vorrichtung aus Figur
2.
Fig. 2B zeigt die thermische Behandlung der schematisch dargestellten Vorrichtung aus
Figur 2.
Fig. 2C zeigt den Entleerungsvorgang der schematisch dargestellten Vorrichtung aus
Figur 2.
Fig. 3 zeigt die Viskosität eines Kwass-Würzekonzentrates in Abhängigkeit der Temperatur
Fig. 4 zeigt das aus der Thermodynamik bekannte Phasenübergangsdiagramm von
Wasser zur Illustrierung der Ermittlung des benötigten Druckes bei angestrebter Temperatur.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung umfasst ein Überdruckkochgefäß 1. Das Überdruckkochgefäß ist als im Wesentlichen zylinderförmiger Hochdruckbehälter aus Edelstahl ausgebildet. Vorteilhafterweise sollte der Behälter eine Isolation aufweisen. Für einen wirtschaftlichen Prozess zur Erzeugung von Aromen und Farbstoffen in der Kwasswürze wird insbesondere Konzentrat aufgrund des kleineren Volumens und der Anreicherung der Inhaltsstoffe erwärmt. Das Überdruckkochgefäß 1 umfasst den Zu-/Ablauf 5 mit einer entsprechenden Leitung, in der wahlweise eine Pumpe 10 angeordnet seien kann. Auch wenn hier nur ein Zu-/Ablauf 5 vorgesehen ist, könnten der Zulauf und der Ablauf auch getrennt ausgebildet sein. So kann die Befüllung beispielsweise auch über die Umpumpleitung U in den oberen Behälterbereich erfolgen.
Weiter umfasst das Überdruckkochgefäß 1 wahlweise einen Rührer 2, der von einem Motor 4 angetrieben wird und an dessen Rührerachse vorzugsweise mehrere Rührflügel 13 angeordnet sind. Es ist vorteilhaft, wenn die Rührerachse exzentrisch angeordnet ist, so dass eine bessere Durchmischung des Inhalts realisiert werden kann. Der Rührer 2 weist eine drucksichere Dichtung 3, hier eine Gleitringdichtung 3 auf, die über eine Wasserzu- und abfuhr (Wasserspülung) verfügt. Somit können hohe Drücke in dem Überdruckkochgefäß 1 realisiert werden. Das Rührwerk ist vorzugsweise frequenzgesteuert, wobei der Motor 4 mit einer Systemsteuerung 90 verbunden sein kann. Anstelle des Rührwerks oder zusätzlich zu dem Rührwerk kann eine Homogenisierung und Durchmischung auch ausschließlich und/oder zusätzlich durch Umpumpen erfolgen. Dabei ist es vorteilhaft das Konzentrat zum Umpumpen von einem unteren Punkt am Behälterboden abzuziehen und in einen oberen Bereich in den Behälter einzufüllen. Dementsprechend werden zum Umpumpen beispielsweise die Ventile 22 und 99 geöffnet, wohingegen die Ventile 77 und 88 geschlossen werden. Die Umwälzung erfolgt dann beispielsweise mit Hilfe der Pumpe 10 über die Umwälzleitung U.
Bei Bedarf können vor- während und/oder nach dem Prozess beispielsweise zusätzlich weitere Zusatzstoffe in das Produkt eindosiert werden und/oder eine zusätzliche thermische Behandlung des Produktes erfolgen. Die entsprechenden Vorrichtungen und weitere Armaturen und Apparaturen, wie Temperiervorrichtungen, Dosage-, Mess- und/oder Regeltechnik können dabei an verschiedenen Stellen platziert werden und sind hier als Kästen (30) dargestellt.
Die Erhitzung und/oder Heißhaltung des vorzugsweise vorgewärmten Produktes kann beispielsweise über eine Heizfläche 12 und/oder wahlweise über eine Heizvorrichtung 66, welche sich in der Umwälzleitung U befinden kann, erfolgen. Hier sind beide Heizeinrichtungen beispielhafter Weise als Dampfheizungen ausgebildet. Die Wärmetauscherflächen 12 befin- den sich vorzugsweise innerhalb des Gefäßes 1 und stehen somit im direkten Kontakt mit dem Produkt. Bei dieser Ausführungsform weist die Wärmetauscherfläche der Heizeinrichtung vorzugsweise eine unebene Oberfläche auf und ist insbesondere taschenförmig ausgebildet. Diese Art der Installation kann den Wärmeübergang verbessern, da die Druckgefäße teilweise eine dicke Wandung aufweisen und somit den Wärmeübergang bei einer äußeren Anbringung der Heizvorrichtung erschwert bzw. verschlechtert werden würde. Zudem kann durch die gewellte Oberfläche eine bessere Durchmischung gewährleistet und das Fouling verringert werden. Die Heizeinrichtung 66, welche sich beispielsweise in der Umlaufleitung U befindet, ist vorzugsweise als dampfbeheizter Doppelrohr-, Rohrbündel und/oder Plattenwärmetauscher ausgebildet. Beide dargestellten Heizeinrichtungen weisen Zuführleitungen 15 für das Heizmedium (hier Dampf), sowie Ableitungen 16 für das Heizmedium (Kondensat) auf. Der Energieerzeuger (hier Dampferzeugungseinrichtung) wird schematisch mit 17 dargestellt. Die Heizeinrichtungen sind wahlweise so ausgebildet, dass die Heizleistungen variiert werden können. Das bedeutet, dass die Heizleistungen, beispielsweise durch Erhöhen der Temperatur des Heizmediums, hier der Dampftemperatur bzw. Dampfdruck, erhöht werden können. Die Heizleistungen können beispielsweise in Abhängigkeit der Zeit und/oder der Inhaltstemperatur eingestellt werden. Dabei kann beispielsweise entweder ein festes Aufwärmprogramm für die Heizleistung eingegeben werden, oder aber die Temperatur kann über einen Temperatursensor (18) gemessen werden, wobei dann die Heizleistung, d.h. die Temperatur des Dampfes in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur (vorzugsweise der Kerntemperatur) des Inhalts eingestellt wird. Die Heiz- einrichtung(en), d. h., hier die Dampferzeugungseinrichtung(en), ist vorzugsweise ebenfalls mit der Systemsteuerung 90 verbunden. Somit wird ermöglicht, dass beispielsweise während des Erhitzens des Inhalts die Heizleistung erhöht werden kann, so dass die Temperaturdifferenz ΔΤ zwischen Heizfläche und Inhalt möglichst während des gesamten Prozesses gering gehalten werden kann. Eine solche dynamische bzw. gleitende, flexible Dampfregulierung ermöglicht ein schonendes Aufwärmen des Inhalts. Sie ist besonders für den Fall geeignet, indem keine oder nur eine geringe Vorwärmung des Produktes erfolgt und eine große Temperaturdifferenz (ΔΤ) zur Zieltemperatur überwunden werden muss. Heizvorrichtungen mit konstanter Leistung sind meistens dann vorzuziehen, wenn nach dem Befüllen des Reaktors nur eine geringe weitere Aufheizung erfolgen soll (kleines ΔΤ).
Ferner umfasst das hier dargestellte Überdruckkopfgefäß eine Drucksteuerung/Regelung 9, die in der Systemsteuerung 90 integriert sein kann. Über die Drucksteuerung/Regelung 9 kann über mindestens ein Stellglied in dem Überdruckkochgefäß 1 ein Überdruck eingestellt werden, derart, dass der erwärmte Inhalt nicht siedet. Zum Erzeugen des Überdrucks ist dazu z.B. ein Gas-Dampfanschluss mit einem Regelventil 19 vorgesehen, wobei der An- schluss mit einer Dampferzeugungseinrichtung und/oder einer Versorgung für Vorspanngas, z.B. Stickstoff und/oder C02 verbunden ist. Durch öffnen des Regelventils 19 kann der Druck im Überdruckkochgefäß 1 erhöht und/oder eingestellt werden. Für die Druckregelung kann zum Beispiel dazu ein Drucksensor 8 im Gefäß 1 vorgesehen sein, der ebenfalls mit der elektronischen Drucksteuerung/Regelung 9 verbunden sein kann. Hier am oberen Ende des Gefäßes 1 befindet sich vorzugsweise auch eine Überdrucksicherung mit einer Gas- Dampfableitung 11 , in der ein Ventil, insbesondere Regelventil 20 angeordnet ist. Mit 23 ist eine Absperrklappe bezeichnet und mit 24 ein Überdrucksicherheitsventil. Auch eine Vakuumklappe 25 ist in der Ableitung 11 vorgesehen. Durch Verschließen der Ableitung 11 (insbesondere durch Schließen des Regelventils 20 und 23) kann durch Einbringen des zu erwärmenden Inhalts (und/oder durch Erwärmen des Inhalts) der Druck im Gefäß 1 gesteigert werden. Dabei kann auch das Ventil 20 über die Drucksteuerung 9 angesteuert werden.
Die Vorrichtung kann weiter eine Eingabeeinrichtung aufweisen (nicht dargestellt) über die unterschiedliche Prozessparameter wie beispielsweise die maximale Erwärmtemperatur T1 , ΔΤ etc. eingegeben werden können. Weiterhin kann z. B. ein entsprechender Solldruck in das System eingegeben werden, der so hoch ist, dass der Inhalt im Gefäß 1 bei der eingestellten Maximaltemperatur T1 nicht siedet. Ein solcher Wert kann beispielsweise näherungsweise der Wasserdampftafel entnommen werden [vgl. Figur 4]. Es ist auch möglich, nur eine entsprechende Maximaltemperatur einzugeben, wobei die entsprechenden Druckwerte dann durch die Steuerung 90 ermittelt werden. Über einen Soll-Istwert-Vergleich kann beispielsweise der gewünschte Druck bei- oder vor Beginn des Erhitzungsprozesses eingestellt werden.
Die Vorspannung des Behälters vor dem Befüllen hat den Vorteil, dass schon im vorgeschalteten Wärmetauscher und/oder weiteren Heizvorrichtungen hohe Temperaturen eingestellt werden können (die bei atmosphärischem Druck bereits über den Siedetemperaturen von Wasser liegen), ohne dass es zu einem Sieden und/oder Anbrennen des Produktes kommt. Das Vorspannen und Leerdrücken des Behälters mit Dampf hat den Vorteil dass der Behälter vorgewärmt wird bzw. erwärmt bleibt und die Luft bereits entsprechend mit Wasser gesättigt ist, so dass kein (oder nur sehr wenig) Wasser während dem Prozess aus dem Produkt entweicht. Inertgase wie beispielsweise Stickstoff und C02 haben hingegen den Vorteil, dass das Produkt keinem zusätzlichen Sauerstoffeinfluss ausgesetzt wird, der das Produkt ggf. unerwünscht beeinflussen könnte.
Es ist jedoch auch möglich, dass die Temperatur gemessen wird (z.B. mit Temperatursensor 18) und der Druck in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur (z.B. über 19 und 20) angepasst wird.
Fig. 2 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei das Erwärmen und das Abkühlen des Produktes hier der einfachheitshalber in zwei unterschiedlichen Wärmetauschern dargestellt ist. Vorteilhafterweise kann der Prozess jedoch auch in nur einem Wärmetauscher erfolgen. Dabei sind die Betriebsweisen praktisch identisch, weshalb an dieser Stelle nicht weiter darauf eingegangen wird. Auch werden Pumpen, Armaturen, Mess- und Regeltechnik sowie die Temperiervorrichtungen in der Wärmeschaukel etc. zur Vereinfachung nicht dargestellt. Wie der Zeichnung zu entnehmen ist, kann dem Überdruck(koch)gefäß 1 ein Wärmetauscher 6, vorzugsweise ein Plattenwärmetauscher und/oder Rohrbündelwärmetauscher vorgeschaltet werden. Über diesen Wärmetauscher kann z.B. die Kwass-Würze bzw. das Kwass-Würzekonzentrat (KWK) vorerwärmt werden. Zur exakten Temperatureinstellung und/oder weiteren Aufheizung kann dem Wärmetauscher beispielsweise eine weitere Dampfheizung 66 nachgeschaltet werden. Diese befindet sich in einer bevorzugten Ausführungsform in einer Befüllleitung, welche gleichzeitig als Umpumpleitung dienen kann. Weiter ist dem Gefäß 1 wahlweise ein weiterer Wärmetauscher 7 nachgeschaltet, der beispielsweise die Kwass-Würze bzw. das Kwass- Würzekonzentrat (KWK) nach der thermischen Behandlung im Gefäß 1 abkühlt. Auch dieser Wärmetauscher kann als Platten- und/oder Rohrbündel-Wärmetauscher ausgelegt sein. Um die Effizienz der Anlage zu erhöhen, sind hier beide Wärmetauscher über eine so genannte Wärmeschaukel miteinander verbunden. Vorteilhafterweise sollte mindestens ein Speichertank für das Wärmetauschermedium in der Leitung zwischen dem Wärmetauscher 6 und 7 angeordnet sein. Wird eine nahezu geschlossene Wärmeschaukel angestrebt, sollte dieser Speichertank entweder in zwei separate und isolierte Teilbereiche aufgeteilt werden, oder wie in der Zeichnung dargestellt, vorzugsweise zwei separate und isolierte Speichertanks verwendet werden. Vorzugsweise sollte das Wärmeträgermedium keinen Phasenübergang erfahren, so dass ggf. auch ein entsprechender Überdruck [vgl. Figur 4] im System der Wärmeschaukel eingestellt werden muss. Um die Energieverluste, welche beispielsweise durch die Abstrahlung der Wärme erfolgen, auszugleichen, sollte vorzugsweise mindestens eine Heiz und/oder Temperiervorrichtung in die Wärmeschaukel integriert werden. Diese wird jedoch zur Vereinfachung weder graphisch dargestellt noch im folgenden Text näher beschrieben.
Wärmeschaukeln können den Bedarf an Primärenergie reduzieren. Dies ist vor allem dann sinnvoll, wenn kein weiteres Heißwasser für den Prozess benötigt wird. Da der Brüden, welcher bei der Eindampfung von Konzentrat entsteht, meistens ausreicht um den Heißwasserbedarf der Betriebe zu decken, erscheint daher eine derartige Installation in vielen Betrieben als sinnvoll, ist jedoch nicht zwangsweise Notwendig.
Figur 2A illustriert schematisch den Befüllvorgang, der in Figur 2 vereinfacht dargestellten Anlage. Wie gezeigt, kann die Vorwärmung des Konzentrates (KWK) von beispielsweise 65 °C auf 130 °C dadurch erfolgen, dass ein heißes Wärmetauschermedium das Produkt in einem Wärmetauscher 6, beispielsweise im Gegenstrom, erhitzt. Dabei wird das Wärmetauschermedium, welches sich zuvor in einem vorzugsweise isolierten Speichertank X befindet, beispielsweise von 132 °C auf 67 °C abgekühlt und dabei vollständig in den isolierten Speichertank Y gepumpt. Das 130 °C heiße Produkt wird vor dem Befüllen vorzugsweise in einer weiteren, dem Wärmetauscher nachgeschalteten Heizvorrichtung 66, mittels Sattdampf auf die Zieltemperatur von beispielsweise 135 °C erhitzt, bevor die Charge, wahlweise von oben, in den ebenfalls isolierten Drucktank 1 eingeleitet wird. Um ein Sieden und Anbrennen des Produktes zu verhindern, sollte das gesamte hier beschriebene, produktseitige System vorzugsweise bereits vor der Befüllung über einen derartigen Überdruck vorgespannt sein, dass es nicht zu einem Phasenübergang des im Produkt enthaltenen Wassers kommt [vgl. Figur 4] (Bsp. 3,5 bar). Dieser Druck sollte während des gesamten Prozesses aufrechterhalten werden. Die dargestellte Wärmeschaukel muss entsprechend der Temperaturdifferenzen (und natürlich nach der Menge des zu temperierenden Mediums) ausgelegt werden. Ein annähernd geschlossenes System, wie in Abbildung 2 dargestellt, benötigt vorzugsweise eine annähernd gleiche Temperaturdifferenz (ΔΤ) zwischen Produkt und Wärmetauschermedium in beiden Wärmetauschern 6 & 7. Ist dies nicht möglich, muss eine weitere Aufheizung oder Abkühlung des Wärmetauschermediums erfolgen oder ein Teil des Mediums abgeführt und/oder ersetzt werden. Des Weiteren gilt zu beachten, dass bei einem derartigen System immer Wärmeverluste entstehen, die es entsprechend auszugleichen gilt. Wie bei dem Produkt auch, sollte in einer derartigen und einfachen Wärmeschaukel vorzugsweise zugsweise kein Phasenübergang des Wärmeträgermediums erfolgen. Um dies zu gewährleisten kann es daher sinnvoll sein, den Druck des Wärmeträgermediums entsprechend so zu erhöhen, dass es nicht zu einem Sieden des Wärmeträgers kommt. Dennoch sollte der Überdruck in der Wärmeschaukel geringer sein als im produktführenden System, damit eine Produktsicherheit bei Leckage gewährleistet werden kann, denn dieses so genannte positive Druckgefälle verhindert, dass es bei Undichtigkeiten zu einem Eindringen des Wärmetauschermediums in das Produkt kommt. Weil eine Druckerhöhung im Wärmeträgerkreislauf tendenziell den apparativen Aufwand der Anlage Erhöht kann wahlweise auch ein anderes Wärmetauschermedium gewählt werden, welches keinen Phasenübergang bei derartigen Temperaturen erfährt (z.B. öl oder Glycerin). Vorzugsweise sollte es jedoch Lebensmittelecht sein.
Nach dem Befüllen erfolgt die eigentliche thermische Behandlung, die vorzugsweise 5 bis 40 Minuten dauert und bei einem derartigen Überdruck erfolgen sollte, dass es nicht zu einem Sieden des Produktes kommt (beispielsweise 3,5 bar). Dabei wird das vorzugsweise vorgeheizte Konzentrat (KWK) beispielsweise auf einer Kerntemperatur von 135 °C gehalten und/oder erhitzt. Zu diesem Zweck sollte der Druckbehälter 1 zumindest eine Isolation aufweisen und vorzugsweise ähnlich ausgestattet sein wie in Figur 1 beschrieben. Wahlweise können auch weitere Heizeinrichtungen wie Heiztaschen und/oder Durchlaufkühler dazu verwendet werden das Produkt auf die angestrebte Temperatur zu erhitzen. Eine Homogenisierung kann beispielsweise durch Umpumpen des Produktes und/oder mit Hilfe eines Rührwerkes erreicht werden. Der Prozess der thermischen Behandlung ist vereinfacht in Figur 2B dargestellt.
Nach der thermischen Behandlung folgt das Entleeren des Konzentratkochers, welches schematisch in Figur 2C dargestellt wird. Dabei wird das heiße Konzentrat (KWK) über dem nachgeschalteten Wärmetauscher 7, hier von 135 °C auf 70 °C, abgekühlt. Um ein Sieden des Produktes zu vermeiden, wird der Überdruck im Reaktorbehälter konstant bei 3,5 bar gehalten, wobei der Überdruck wahlweise alleine-, oder in Kombination mit einer Pumpe dazu genutzt werden kann, das Konzentrat aus dem Behälter zu entleeren. Um das Konzentrat abzukühlen wird das Wärmetauschermedium aus Tank Y in Tank X geleitet, so dass es sich, beispielsweise im Gegenstrom, von 67 °C auf 132 °C im Wärmetauscher 7 erhitzt. Anschließend kann eine neue Charge auf die gleiche Weise behandelt werden. Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 2C zur thermischen Behandlung von Kwass-Würze, hier Kwass-Würzekonzentrat (KWK) detaillierter erläutert. Das Kwass-Würzekonzentrat wird insbesondere durch Verdampfen der vorher erzeugten Kwass-Würze hergestellt.
Die Kwass-Würze wird in bekannter Weise z.B. aus Rohstoffen wie Roggen, Gerste, Weizen, Mais, Buchweizen, Buchweizenerzeugnisse, Reis, Reiserzeugnisse, Kartoffel, Kartoffelerzeugnisse etc. hergestellt. Die Rohstoffe werden ggf. zunächst vermälzt und/oder geschrotet. Das Verfahren zur Herstellung der Kwass-Würze entspricht dabei im Wesentlichen dem Sudhausprozess zur Herstellung von Bier-Würze. Insbesondere findet ein Maischpro- zess der mit Wasser vermischten Rohstoffe statt. Anschließend erfolgt ein Abläutern/Filtrieren der Kwass-Würze aus der Maische, wonach die Kwass-Würze wahlweise gekocht und dann wie zuvor erläutert, konzentriert, d. h. im Teilvakuum eingedampft, wird.
Das Kwass-Würzekonzentrat passiert zunächst mit z.B. 40 - 90 °C den vorgeschalteten Wärmetauscher 6 und wird dabei insbesondere auf eine Temperatur von 50 bis 140 °C vorzugsweise auf 95 bis 135 °C unter Druck vorgeheizt. Durch das Erhitzen wird die Viskosität des hoch viskosen Konzentrats erniedrigt. Das vorerwärmte Konzentrat wird dann beispielsweise über die Umwälzleitung U und bei Bedarf über die Pumpe 10 (Fig. 1) bei offenem Einlassventil 99 (und geschlossenem Ventil 22 und 88) in das Gefäß 1 eingepumpt, bis ein bestimmter Füllstand erreicht ist, wobei das verbleibende Kopfraumvolumen möglichst gering sein sollte. Dazu kann beispielsweise ein nicht dargestellter Füllstandsmesser in den Behälter 1 vorgesehen werden. Bereits bei der Erhitzung und Befüllung sollte im gesamten System ein entsprechender Überdruck, beispielsweise mit Hilfe des Regelventils 19, eingestellt werden, so dass es nicht zu einem Sieden des im Produkt enthaltenen Wassers kommt. Während des Einfüllens des Konzentrats sollte der zuvor eingestellte Überdruck im Behälterinneren vorzugsweise konstant gehalten werden. Dazu wird das Ventil 19 nach dem Vorspannen zunächst geschlossen. Der zunehmende Überdruck, welcher durch die Befüllung des Behälters entsteht, wird dann beispielsweise über das Regelventil 20 abgelassen. Eine weitere Möglichkeit den Druck vor der thermischen Behandlung aufzubauen, ist die Gasableitung durch alle entsprechenden Ventile zu verhindern, bis der angestrebte Druck durch den Befüllvorgang aufgebaut worden ist. Diese Variante ist jedoch nicht zu bevorzugen, da das Vorwärmen nicht auf Temperaturen von über 100 °C erfolgen kann, ohne dass es zu einem Sieden kommt. Alle für den Prozess benötigten Ventile können beispielsweise über die Steuerung 9 bzw. über die Systemsteuerung 90 angesteuert werden. Ist eine ausreichende Menge von Konzentrat in das Gefäß 1 eingebracht worden, kann das Ventil 77 geschlossen und das Ventil 22 geöffnet werden. Nun kann wahlweise eine Umwälzung des Behälterinhaltes im Kreislauf über die Umlaufleitung U erfolgen. Dabei kann das Produkt beispielsweise auf der Zieltemperatur gehalten, oder erhitzt werden, indem die Heizfläche und/oder die Durchlaufheizung 66 entsprechend geregelt werden. Dazu werden die mit dem Dampferzeuger 17 verbundenen Dampfzuleitungen 15 sowie die Dampfableitungen 16 entsprechend geöffnet bzw. geschlossen und/oder ein entsprechender Druck bzw. Temperatur entsprechend eingestellt. Wahlweise wird hier eine dynamische Dampfregelung vorgenommen. Das heißt, dass hier die Heizleistung in Abhängigkeit der Zeit und/oder in Abhängigkeit der mit dem Temperatursensor 18 gemessenen Temperatur des Inhalts im Gefäß 1 während des Erhitzens erhöht wird. Somit kann sichergestellt werden, dass die Temperaturdifferenz ΔΤ zwischen dem Kwass-Würzekonzentrat (KWK) in dem Gefäß 1 und der Oberfläche der Heizeinrichtungen 12 und/oder 66 insbesondere kleiner als 10 °C ist. Weil das Konzentrat vorzugsweise vorerwärmt ist und somit die Viskosität erniedrigt wurde, kann außerdem wahlweise von Anfang an der Motor 4 des Rührwerkes 2 mittels der Systemsteuerung 90 angesteuert werden, so dass der Inhalt im Gefäß 1 zusätzlich und/oder ausschließlich zum Umpumpen gerührt wird. Somit kann eine Homogenisierung und/oder ein schonendes Erwärmen auf die Zieltemperatur sichergestellt werden. Die Kwass-Würze sollte jedoch vorzugsweise nicht über 165 °C erhitzt werden.
Nachdem sich die gewünschten Färb- und/oder Aromastoffe gebildet haben und/oder das Produkt möglichst steril geworden ist, d. h., nach einer vorbestimmten Zeit, insbesondere nach 5 bis 30 Minuten, wird das Konzentrat aus dem Gefäß 1 entleert. Dazu wird das Ventil 22 in der Ableitung 5 geöffnet, wobei das Entleeren wahlweise mit Hilfe einer Kreiselpumpe und/oder des eingestellten Überdrucks erfolgen kann. Dazu wird entsprechend das Ventil 99 geschlossen und das Ventil 88 geöffnet. Wesentlich ist jedoch, dass auch beim Entleeren ein Überdruck in dem Gefäß 1 aufrechterhalten wird, damit das Konzentrat bzw. das im Produkt enthaltene Wasser nicht an den Wänden des Gefäßes 1 siedet oder anbrennt. Es ist daher vorteilhaft, wenn der Inhalt des Gefäßes 1 über das Ausdrücken von Gas und/oder Dampf bei geöffnetem Ventil 19 erfolgt.
Das heiße Konzentrat wird anschließend mit Hilfe des dem Gefäß 1 nachgeschalteten Wärmetauscher 7 beispielsweise auf 40 bis 70 °C abgekühlt und weiter verarbeitet bzw. eingelagert. Wie zuvor erläutert, kann die Abwärme die bei diesem Prozess entsteht wahlweise zum Vorwärmen des Konzentrats der nächsten Charge verwendet werden.
Anstelle von einem dem Reaktor vor- und einem dem Reaktor nachgeschalteten Wärmetauscher, kann wahlweise auch nur ein Wärmetauscher vorgesehen werden, in dem das Produkt erst vorgeheizt und nach der Reaktion abgekühlt wird. Eine derartige Betriebsweise bietet neben ökonomischen und ökologischen Vorzügen noch den Vorteil, dass Ablagerungen durch eine Strömungsumkehrung in der Regel besser entfernt werden können. Bei der Verwendung von nur einem Wärmetauscher ist besonders darauf zu achten, dass sowohl das Aufwärmen als auch das Abkühlen immer gleichartig (also beides im Gleich- oder Gegenstrom zum Wärmetauschermedium) erfolgen sollte. Um die Temperaturdifferenz (ΔΤ) während des Aufwärmens/Abkühlens möglichst gering zu halten ist eine Betriebsweise im Gegenstrom der im Gleichstrom zu bevorzugen.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm, welches empirisch für ein Kwass-Würzekonzentrat erstellt wurde. Auf der X-Achse ist dabei die Zeit, auf der Y-Achse die Viskosität, die Rührgeschwindigkeit und die Temperatur aufgetragen. Die Graphik wurde mit Hilfe eines so genannten Rotati- onsviskosimeter erstellt. In diese Apparatur wird dabei eine bestimmte Menge an Konzentrat eingefüllt und das Produkt mit konstanter Geschwindigkeit gerührt. Über den Rührwiderstand kann dann automatisch die Viskosität des Produktes errechnet werden. Durch die Erhöhung der Produkttemperatur wird die Viskosität und damit der Rührwiderstand entsprechend zeitlich verändert. Das dargestellte Diagramm kann z.B. dafür herangezogen werden, um zu ermitteln, wie warm das Produkt sein sollte, um in einer Kreiselpumpe pumpfähig zu sein. Gibt der Pumpenhersteller beispielsweise an, dass seine Pumpen nur bis 1500 mPa-s problemlos funktionieren, sollte die Produkttemperatur mindestens 60 °C oder höher sein.
Fig. 4 illustriert den Phasenübergang von Wasser. Wie in der Darstellung gezeigt wird, erfolgt der Phasenübergang bei reinem Wasser unter atmosphärischen Bedingungen (1bar Druck) bei 100 °C von flüssig (Wasser) zu gasförmig (Wasserdampf). Bei etwa 2,7 bar Druck erfolgt dieser Phasenübergang bei etwa 130 °C. Weil es jedoch nicht zu einem Phasenübergang des im Produkt enthaltenen Wassers kommen soll, sollte der Überdruck erfindungsgemäß so gewählt werden, dass kein Phasenübergang erfolgen kann, also der Systemdruck beispielsweise 3,2 bar beträgt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist jedoch nicht nur zur thermischen Behandlung von Kwass-Würzekonzentrat (KWK) geeignet, sondern auch zur Behandlung von anderen (Ge- tränke)konzentraten die hochviskos sind und/oder leicht anbrennen. Insbesondere ist die Vorrichtung auch zum Herstellen von Aromen und/oder Farbstoffen in der Lebensmittelindustrie geeignet. So ist eine Applikation zur Herstellung von Fleischaroma, Karamellzucker, Zuckercouleur etc. denkbar. Die Vorrichtung kann auch für die Sterilisation von empfindlichen Produkten wie Zuckersirup, in denen beispielsweise hitzebeständige Sporen enthalten sein können, verwendet werden. Auch eine Hochdruckerhitzung von Würze und/oder anderen Halb- oder Fertigprodukten ist mit einer solchen Vorrichtung denkbar. So könnte bspw. eine Bierwürze so stark erhitzt werden, dass sie sehr schnell steril wird, der Hopfen isomeri- siert und die Enzyme inaktiviert werden. Nach dieser Reaktion könnten dann unerwünschte Würzearomastoffe bspw. durch Druckreduzierung unterhalb des Siedepunktes, wahlweise auch bei kühleren Temperaturen, ausgedampft werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur thermischen Behandlung von Kwass-Würze, insbesondere in Form von Kwass-Würzekonzentrat (KWK), dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt in ein Überdruckgefäß (1 ) eingeleitet und erhitzt wird, wobei ein Überdruck in dem Behälter (1) derart eingestellt wird, dass die Kwass-Würze nicht siedet.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einleiten der Kwass-Würze in den Überdruckbehälter die Kwass-Würze (KWK) vorerhitzt wird, vorzugsweise auf eine Temperatur von 95 bis 140 °C.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kwass-Würze (KWK) insgesamt auf eine Temperatur > 100 °C, vorzugsweise > 140 °C erhitzt wird.
4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kwass-Würze während des Erhitzens gerührt und/oder umgepumpt wird.
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ausleiten der Kwass-Würze der Überdruck im Überdruckgefäß (1 ) gehalten wird.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Überdruckkochgefäß (1) ausgeleitete Kwass-Würze mittels Wärmetauscher abgekühlt wird.
7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Kühlung des Konzentrates entstehende Abwärme zum Vorheizen der folgenden Charge(n) Kwass-Würze (KWK) oder zum Aufheizen anderer Produktionsbereiche verwendet wird.
8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung des Überdrucks beim Einfüllen der Kwass-Würze (KWK) durch Schließen der Gasableitung(en) (11) und/oder Vorspannen mit Gas und/oder Dampf erfolgt.
9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleistung wahlweise variabel ist und insbesondere die Heizleistung während des Erhitzens der Kwass-Würze in Abhängigkeit der Temperatur der Kwass-Würze und/oder der Zeit erhöht wird, und wobei insbesondere eine Dampfheizung verwendet wird.
10. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung umfasst
ein Überdruckgefäß (1),
eine Heizeinrichtung (6, 12, und/oder 66) und
eine Drucksteuerung/Regelung (9), die über mindestens ein Stellglied (19, 20) in dem Überdruckkochgefäß (1) einem Überdruck einstellt, derart, dass der erwärmte Inhalt nicht siedet.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Überdruckgefäß (1) ein vorgeschalteter Wärmetauscher (6) zur Vorwärmung vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Überdruckkochgefäß (1) ein weiterer Wärmetauscher (7) zum Kühlen angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme des nachgeschalteten Wärmetauschers (7) als Aufwärmenergie für den vorgeschalteten Wärmetauscher (6) verwendet wird.
14. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Rührwerk (2, 4) mit drucksicherer Dichtung (3) umfasst.
15. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Umwälzleitung (U) mit entsprechender Pumpe (10) umfasst.
16. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleistung der Heizeinrichtungen wahlweise variabel sind und die Heizeinrichtung Dampf als Heizmedium verwenden und die Heizleistung in Abhängigkeit der Zeit und/oder der Inhaltstemperatur einstellbar ist.
17. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Überdruckkochgefäß (1) ein Drucksensor (8) und ein Temperatursensor (18) angeordnet sind.
18. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als Stellglied ein Ventil (19) zum Vorspannen des Überdruckkochtopfs (1 ) mit Vorspanngas und/oder Dampf zum Erzeugen des Überdrucks umfasst und/oder mindestens ein Gasableitventil (20).
19. Verwendung einer Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 18 zum Erhitzen von Flüssigkeiten oder Flüssigkeitenkonzentraten zur Herstellung von Aromen und Farbstoffen, insbesondere zur Herstellung von Fleischaroma, Kwasswürzearoma, Karamellzucker, Zuckercouleur, sowie zur Sterilisation von flüssigen Produkten.
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