WO2023098966A1 - Verfahren und anlage zur uht-erhitzung eines trinkfähigen lebensmittelprodukts auf pflanzlicher basis unter sterilen bedingungen - Google Patents

Verfahren und anlage zur uht-erhitzung eines trinkfähigen lebensmittelprodukts auf pflanzlicher basis unter sterilen bedingungen Download PDF

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flow
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water
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Ludger Tacke
Dennis GLINKE
Lars RICKER
Philipp MÜTER
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Definitions

  • the invention relates to a method for UHT heating of a plant-based drinkable food product under sterile conditions.
  • the food product preferably forms a homogeneous mixture of a carrier liquid, for example water, and at least one vegetable substrate, which can be, for example, almonds, oats or soybeans.
  • the homogeneous mixture is a so-called continuous phase.
  • At least one solid admixture, a so-called disperse phase is added to the continuous phase.
  • the disperse phase usually forms a material solution with the continuous phase.
  • the solid admixture can be, for example, calcium carbonate or another mineral suitable for consumption.
  • the raw product is subjected to a heat treatment at least by preheating, preheating, high heating, keeping hot and cooling in the following order until a ready-to-drink product is produced and undergoes homogenization in the course of the heat treatment, preferably under aseptic conditions.
  • the heat treatment takes place in indirect heat exchange between a product-side inner tube flow and a tube-outside heat transfer medium.
  • the subject matter of the invention is a UHT system with which the method is carried out.
  • the process and the UHT system are particularly suitable and designed to thermally treat and produce a drinkable plant-based food product, such as so-called almond, oat or soy milk, it being known that these food products have special requirements put on a UHT heater.
  • a drinkable plant-based food product such as so-called almond, oat or soy milk
  • At least one solid admixture or other aggregated admixtures can be admixed to the plant-based food product.
  • almond, oat or soy milk can be enriched with calcium, for example, and are therefore an alternative to conventional cow's milk.
  • the present invention can be applied to the thermal treatment and production of plant-based drinkable food products in the aforementioned sense; it is specified qualitatively and quantitatively in the following description and on the basis of an application example, namely an almond milk enriched with calcium.
  • the calcium fortification in the plant-based drinkable food products is done to mimic the naturally high levels of calcium found in cow's milk. Even in the cold state, the calcium does not remain completely in solution, but falls out of the material solution if it remains for a longer period of time and without stirring.
  • cow's milk Compared to almond milk, cow's milk has a calcium content of approx. 1000 - 1200 mg/liter (depending on feeding and season). However, a significant proportion of the calcium in cow's milk is bound in the casein micelles (protein) of the milk and is therefore stable in solution. Therefore, the problem described within the scope of the invention is an exclusive problem of plant-based drinkable food products.
  • the exact solubility of calcium in an aqueous solution depends not only on the temperature but also on the presence of other minerals, such as magnesium or phosphorus. However, it has been confirmed in the literature that solubility generally decreases with increasing temperature (Morse, J.W., Arvidson, R.S., and Lüttge, A. Chem Rev. 2007 Feb;107(2): 342-381; Calcium Carbonate Formation and Dissolution ).
  • UHT systems of the generic type for heating almond milk that is enriched with calcium are known, in which, when the product is heated to a maximum of approx. 140 °C in a relatively short time, for example in a maximum possible production time of approx. 2.5 hours, during which so-called tube bundle heat exchangers above a temperature of approx. 110 °C, increased product fouling occurs.
  • Product fouling is understood to mean the formation of deposits or deposits on product-impacted heating surfaces of the heat exchanger, in the present case on the inside of the product-carrying pipelines, in the worst case burning of the product.
  • the heat transfer deteriorates significantly, determined by the so-called heat transfer coefficient or the so-called heat transfer coefficient, in this area and thus inevitably also the heat transfer, determined by the so-called heat transfer coefficient or the so-called heat transfer coefficient, from the heat transfer medium on the outside of the pipe, for example water vapor or Hot water, to the product inside the pipe.
  • This reduction is represented by a temperature difference (the so-called Delta-T; AT) in the tube bundle heat exchanger, which is required to transfer the necessary heat from the heat transfer medium to the product.
  • the significantly faster formation of plaque in almond milk enriched with calcium is due to the precipitation of calcium from the material solution with increasing temperature, since the solubility of calcium decreases with increasing temperature.
  • the precipitated calcium, but also other additives such as other (mineral) substances tend or tend to sediment on the inner wall of the pipe. Even when it is cold, the calcium does not remain completely in solution, but precipitates if it is left for a longer period of time and is not stirred.
  • the raw product presented is therefore usually constantly mixed in order to prevent sedimentation and to promote homogeneous distribution in the UHT process.
  • a number of inner tubes connected in parallel which are arranged in a special tube configuration pattern, form a common inner channel through which the product flows, with the inner tubes being entirely surrounded by a jacket tube, which on the inside forms an outer channel acted upon by the heat transfer medium.
  • the rapid increase in deposit formation in the product-loaded inner pipes can be explained on the one hand by the rapidly increasing back pressure and on the other recognize hand on the above-mentioned temperature difference in the / the tube bundle heat exchanger / s of preheating and / or superheating.
  • the object of the present invention is to create a method and a UHT system of the generic type that eliminate the disadvantages of the prior art, which on the one hand extends the service life in the production cycle and on the other hand includes rinsing and cleaning measures, which have independent inventive features , a higher production output is ensured in a given period of time.
  • the inventive basic idea is the product fouling, ie the formation of the deposit and the rate of growth of the deposit on the product-carrying walls of the heat exchanger in the critical areas UHT heating to inhibit.
  • This is achieved in that the substrates and/or the precipitated admixtures that form the coating or the deposits are kept suspended in the carrier liquid in such a way that they do not conglomerate with one another and are not deposited or attached to the walls of the product-carrying inner pipes.
  • the sterile conditions required for the production of the plant-based, drinkable food product are ensured in a manner known per se by realizing a product-specific temperature profile in the UHT process. This includes preheating the raw product used, if necessary in several stages, subsequent preheating and high heating in connection with keeping it hot, each with a UHT profile (special temperature-time curve) and subsequent cooling, if necessary also in several stages stages, to storage or filling temperature.
  • the raw product is subjected to homogenization. If the homogenization takes place in the course of the cooling, i.e. downstream of the high heating and hot holding, then it is a matter of homogenization under aseptic conditions.
  • the precipitation of the at least one admixture from the carrier liquid takes place in the superheating and possibly already in the preheating that follows the preheating, which were referred to above as the critical area when the precipitation temperature is reached there .
  • the precipitation temperature is above approx. 110 °C.
  • a first solution element of the present invention is that, at least in a region of the heat treatment in which the at least one admixture begins to precipitate out of the material solution, the raw product, above a precipitation temperature, the product-side internal flow of the pipe on the one hand in the course of a pressure increase by means of a pressure booster pump first pulsating flow is imposed. On the other hand, this first pulsating flow is superimposed on a second pulsating flow within the product-side internal flow of the tube, which results from the homogenization by means of a homogenization tors, which preferably works under aseptic conditions, because the booster pump delivers against the homogenizer.
  • the pressure-boosting pump can be a displacement pump of any type that works in a translatory or rotary manner.
  • An essential suitability criterion for a pressure booster pump in this regard is the generation of a controllable pulsating volume flow delivery and the generation of a system pressure that is unusually high for UHT systems, especially in the critical area of the UHT system, starting at the outlet of the pressure booster pump.
  • the unusually high system pressure required is primarily due to another feature of the solution according to the invention, which will be discussed below.
  • the turbulence of the flow inside the pipe is additionally forced compared to designs according to the prior art, in that the flow inside the pipe is designed for a highly turbulent flow with a Reynolds number above 30,000 (Re > 30,000). Due to this forced turbulence, the formation of deposits and the speed of its growth are significantly reduced as a result of the three-dimensional flow field, which causes an increased transverse movement in the flow inside the pipe. It has been shown that in order to meet the requirements discussed above, the Reynolds number should preferably be interpreted in a value range between 35,000 and 80,000 (35,000 ⁇ Re ⁇ 80,000) and particularly preferably between 50,000 and 80,000 (50,000 ⁇ Re ⁇ 80,000).
  • volume flow-related first pulsation maxima of the first pulsating flow and the volume flow-related second pulsation maxima of the second pulsating flow are of different sizes. It is also advantageous if volume flow-related first pulsation maxima of the first pulsating flow have a first pulsation frequency and volume flow-related second pulsation maxima of the second pulsating flow have a second pulsation frequency and the first and second pulsation frequencies are different.
  • a combination of the two design criteria proposed above is particularly effective with a view to inhibiting the formation of deposits and reducing the speed of its growth.
  • first pulsation frequency of the first pulsating flow is lower than the second pulsation frequency of the second pulsating flow.
  • first pulsation frequency/second pulsation frequency 3/5.
  • the inhibition of deposit formation and the speed of its growth with the procedural features according to the invention results in a service life of the UHT system according to the invention, operated with the UHT process according to the invention and applied by way of example to calcium-enriched almond milk (hereinafter referred to as raw product), which has more than 8 hours is significantly higher than the service life that can be achieved with state-of-the-art UHT systems (max. approx. 2.5 hours).
  • raw product calcium-enriched almond milk
  • an intermediate or main chemical cleaning is required after the specified service life of 2.5 hours in order to meet the heat transfer conditions due to the initial state of the production cycle.
  • a service life of more than 8 hours can only be achieved if a sufficient quantity of raw product can be made available and placed in the UHT plant for this production period.
  • the at least one admixture to drinkable plant-based food products can precipitate out of the material solution at the so-called precipitation temperature during high-temperature heating and possibly already during pre-heating.
  • the precipitation temperature is above approx. 110° C., in the so-called critical range, and serves as a criterion for the application of the features according to the invention.
  • the relevant critical range is to be located at a corresponding or also a different precipitation temperature.
  • the invention proposes a rinsing and cleaning process according to the invention after processing the usual amounts of raw product provided with the UHT process according to the invention, which avoids the previous intermediate or chemical cleaning or .
  • the water used can be fresh water of special quality, but also usually water without special requirements in terms of quality and purity, because this water when carrying out steps (i) to (iv) the UHT heating with the temperature profile of the Production cycle goes through and is thus sterilized in the system.
  • the production time of the raw product of approx. 2.5 hours is determined by the batch quantity of the raw product provided in the application example of the calcium-enriched almond milk.
  • the pressure at the outlet of the booster pump pressure difference based on an initial pressure
  • a temperature difference in the critical range occurs, which is higher than the initial temperature difference.
  • the temperature on the heat transfer medium side increases, recognizable by the increased use of steam.
  • the raw product is first pushed out of the UHT system with water into a sterile tank (product is pushed out of the system with water). Due to the fluidic design of the heat exchangers, preferably tube bundle heat exchangers, a mixed phase of exhaust water and residual product are minimized, thus keeping product losses to a minimum. After the mixed phase has been pushed out a second time, a defined amount of water is pushed past the sterile tank into a gully.
  • water circulation 1 water is circulated in the UHT system, as a result of which the UHT system remains sterile and ready for production at all times.
  • circulation time required for this is less than 30 minutes.
  • the required circulation time is determined by the degree of cleaning of the UHT system. It ends when the pressure difference reaches the initial pressure and the temperature difference reaches the initial temperature difference (two parameters for the contamination of the UHT system). removed, ie when the critical area has been completely cleaned of deposits (initial state as after a chemical system cleaning, eg CIP cleaning).
  • the rinsing and cleaning process is further optimized by
  • a pulsation frequency of the first and second pulsating flow that changes slightly over time is also generated (varying flow profile with different first and second pulsation frequencies and volume flow-related first and second pulsation maxima), with these variations have a positive effect on the dissolution of the coating.
  • the decrease in the pressure difference and the temperature difference is monitored and the respective maximum gradients of these decreases are determined.
  • the "optimal pulsation frequency" is reached at the optimum of the maxima determined. By monitoring the reduction in the pressure and temperature difference during circulation, this optimal pulsation frequency can be determined and used for further control interventions.
  • the UHT process meets the requirements of a modern, future-oriented UHT application for the manufacture of a plant-based drinkable food product under sterile conditions in every respect, because
  • the UHT system for carrying out the UHT process according to the invention consistently converts the procedural solution features into concrete features.
  • the UHT system ensures the required sterile production conditions by realizing a product-specific temperature profile.
  • This includes, the list below is selected as an example and not mandatory, a preheating zone which has at least a first and, if necessary, a second heat exchanger in the preheating zone.
  • this at least one heat exchanger like all other heat exchangers of the UHT system, is designed as a tube bundle heat exchanger and is preferably operated regeneratively.
  • a preheater zone which has at least one third heat exchanger of the preheater zone, preferably operated via a separate hot water circuit
  • a superheater zone which has at least one heat exchanger of the superheater zone, which is operated via a separate hot water circuit
  • a holding zone which has at least one holding device has, a cooling zone, which has at least one preferably regeneratively operated heat exchanger and, if necessary, heat exchangers of the cooling zone charged with direct water (cooling water and possibly ice water), and a homogenizer in the course of the heat treatment.
  • a supply tank is provided, which is fluidly connected to the first heat exchanger of the preheating zone via an inlet line in which a conveying device, preferably a centrifugal pump, is arranged;
  • the feed tank is fluidly integrated into a circulation line system, which comprises the heat exchanger and the holding device up to a sterile tank and a fifth line section bypassing the sterile tank and leading to the feed tank and the feed line;
  • the invention proposes that a drain line opens out to a gully in the area where the fifth line section joins the supply tank from the fifth line section.
  • the pressure-boosting pump is designed, for example, as a piston pump with, for example, three single-acting pistons.
  • the pressure-boosting pump works in series on the homogenizer, which, as is also provided, generates a second pulsating flow by designing it, for example, as a piston pump with, for example, five single-acting pistons.
  • piston pumps other translatory or rotary displacement pumps with multiple, staggered volume flow delivery can also be provided.
  • the booster pump is designed for a back pressure that ensures the Reynolds number of claims 1 or 2 or the increased flow rate of claims 3 or 4, and that the product-loaded areas of the UHT system between the booster pump and the homogenizer are designed for this back pressure.
  • the this- experience has shown that the necessary back pressures are in the range of 30 to 100 bar.
  • the goal-oriented inventive solution idea is the generation of a "pulsating flow" through the use of two pumps in series, a pressure booster pump and a homogenizer, which have the suitability criteria defined above, preferably speed-controllable translatory or rotary displacement pumps and here preferably piston pumps, each with several single-acting pistons ,
  • the pressure booster pump preferably working with 3 pistons, for example, and the second pump, the homogenizer, preferably working with 5 pistons, for example.
  • the "pulsating flow” ensures a high degree of turbulence within the critical area and thus enables the deposited at least one admixture to be "entrained".
  • the 3-piston machine is equipped with larger pistons and a larger piston stroke than the 5-piston machine, so that one piston stroke of the 3-piston machine can deliver a larger volume than the piston stroke of the 5-piston machine.
  • the machines run at approximately the same rotational frequencies with a view to the same mean volume flow. Nevertheless, the machines naturally do not generate a completely continuous flow, but rather deliver with different maximum pulsations. These are different on the 3-piston engine from those on the 5-piston engine.
  • the pulsating flow is originally generated by the 3-piston machine, because it delivers against the 5-piston machine. Since the pulsation maxima, as mentioned, are not the same, pulsation occurs within the volume flow.
  • the resulting transverse movement (three-dimensional flow field) of the liquid increases the effect of "entraining” or dissolving the (primarily) mineral fouling.
  • the water does not contain any admixtures when it enters the UHT system, for example no calcium, which is why the admixtures deposited in the system can dissolve in the water and are thus discharged via the water during the cleaning and rinsing process.
  • the invention further proposes that the tube bundle heat exchangers each have inner tubes that have the features of the subject matter of publication EP 1 567 818 B1. At least on the surface of the inner wall of the inner tubes, helical, raised or recessed profiles are formed. This measure serves to increase the turbulence compared to the smooth tube and, with sufficient dimensioning, in particular of the raised profiles, generates a flow component in the circumferential direction that is desired within the scope of the turbulence. It is known from heat transfer technology to improve the heat transfer in comparison to the so-called smooth pipe by profiling the heat-transferring inner and outer surface of the pipe.
  • the aforesaid helical depressions are introduced into the tube wall by means of forming techniques, as a result of which no additional material thickness is required to produce these desired macro-roughness structures.
  • the thin-walled tubes deformed in this way are referred to as so-called twisted tubes.
  • the coiling of the inner tubes (depth and angle of the coiling) known from the aforementioned publication is matched to the high flow velocities according to the invention and other solution features in all heat exchangers to increase the turbulence and the reduced product fouling induced by this.
  • the proposed method and the UHT plant are particularly suitable for the production of a plant-based drinkable food product under sterile conditions, such as calcium-fortified almond milk.
  • This almond milk consists of the continuous phase consisting of a homogeneous mixture of a carrier liquid and at least one vegetable substrate, wherein the vegetable substrate is made from almonds softened in a liquid provided for this purpose, such as water, and then pressed or ground, and the vegetable substrate is mixed into the carrier liquid, such as water, with a dry matter content of preferably 5 to 10% and distributed homogeneously, and the disperse phase, which consists of at least one solid admixture, with preferably 1,800 to 2,000 mg of calcium carbonate/liter of continuous phase, with the disperse and continuous phase forming a material solution in the form of the crude product, and produced by using the method according to a of claims 1 to 12 or by heat treatment in the UHT system according to one of claims 13 to 18.
  • the almond milk preferably has a dry matter content of approx. 5% - (10%) (cf. cow's milk: approx. 13% including 3.5% fat).
  • the almond milk is homogeneous and storage-stable before calcium enrichment and shows only minimal calcium sedimentation.
  • the almond milk product is also available in various flavors, including chocolate.
  • the pH value of almond milk is in the slightly alkaline range (7.3 - 7.6; slight reduction during storage up to the end of the product's shelf life).
  • a dry matter content of 10 to 18% is not unusual for almond, oat and soy “milks”.
  • the characteristics specified for the almond milk in the exemplary embodiment can vary significantly over a wide range depending on the amount and type of plant-based substrate and also the admixtures depending on the amount and type.
  • the advantages of the method according to the invention and the UHT system for carrying it out also come into play in a special way with these plant-based drinkable food products.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a relevant section of a UHT system according to the invention, which is reduced to essential features;
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the production cycle according to the invention for producing the finished product FP with the UHT system according to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the first ejection according to the invention of the finished product FP from the UHT system according to FIG. 1;
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the second discharge according to the invention of the mixed phase from the UHT system according to FIG. 1 in connection with a follow-up of a specific quantity of water;
  • FIG. 5 shows a schematic representation of the water circulation according to the invention as part of the cleaning and rinsing process according to the invention in the UHT system according to FIGS
  • Figure 6 is a simplified graphical representation of the characteristics of the first and second pulsating flow within the UHT system of Figure 1.
  • the zones have heat exchangers 1-4 and 6-8 connected in series at an outlet 13a to a sterile tank (not shown), which are preferably designed as so-called tube bundle heat exchangers.
  • the number of heat exchangers is selected as an example and for the sake of simplicity; In the real design of the UHT system, more than one heat exchanger can also be hidden behind each of these heat exchangers shown schematically.
  • the respective tube bundle heat exchanger is preferably an embodiment as described in DE-U-94 03 913 (Principle Tuchenhagen Dairy Systems GmbH, Ahaus) and in which several inner tubes 20 connected in parallel, preferably in the form of a special tube assignment pattern are provided, through which the raw product RP flows, as in the present exemplary embodiment, while a heat transfer medium Wm1, Wm2, usually hot water or steam, is in the annular gap space (outer channel) of a casing pipe (outer casing), which surrounds the inner pipes 20 connected in parallel in their Whole surrounds, flows in countercurrent.
  • the inner tubes 20 preferably have the features of the subject matter of EP 1 567 818 B1.
  • the preheating zone VWZ for preheating VW has, for example, a first and a second heat exchanger in the preheating zone 1, 2, both of which are preferably operated regeneratively with a regenerative heat transfer medium Wm1 (preferably water).
  • Wm1 preferably water
  • the raw product RP is gradually preheated VW to temperatures of approx. 75 °C and approx. 90 °C.
  • a preheater zone VEZ with a third heat exchanger of the preheater zone 3, which is preferably acted upon by a separate hot water circuit and the raw Product RP heated to a temperature of approx. 120 °C.
  • the third heat exchanger of the preheating zone 3 consists, for example, of three separate heat exchangers.
  • at least one heat exchanger of the high-heating zone 4 is provided, which is preferably integrated into a separate hot water circuit and heats the raw product RP to a temperature of approx. 140° C. by high-heating HE.
  • the raw product RP is kept hot at a temperature of approx. 140° C. for a specific time.
  • the hot holding zone HHZ is followed by the cooling zone KZ, in which the raw product RP is cooled K to a temperature of approx. 70 °C and finally approx.
  • a regeneratively operated first heat exchanger of the cooling zone 6 and, if necessary, a second heat exchanger of the cooling zone 7 loaded with cooling water and also, if necessary, a third heat exchanger of the cooling zone 8 loaded with ice water are provided.
  • the second and the third heat exchanger of the cooling zone 7 and 8 are mentioned here only as examples.
  • the UHT system can also be operated with just one of the two or without them.
  • the maximum back pressure can be designed in a range between 30 and 100 bar.
  • a homogenizer 10 is provided between the first and the second heat exchanger of the cooling zone 6, 7 via a third and a fourth line section 13.3, 13.4, which in this arrangement is downstream of the high-heating unit HE and holding HH under aseptic conditions.
  • the number of pistons is generally dependent on the volume flow to be delivered and can deviate upwards or downwards from the number selected in the exemplary embodiment.
  • the booster pump 9 conveys against the homogenizer 10, which is why the product-loaded areas of the UHT system 100 between the booster pump 9 and the homogenizer 10 are designed for a system pressure of the aforementioned 80 bar.
  • the UHT system 100 has a feed tank 11 with a stirring and mixing device 11c, which is fluidly connected to the first heat exchanger of the preheating zone 1 via the feed line 13, in which a conveyor device 12, preferably a centrifugal pump, is arranged.
  • a feed line for water 14 opens upstream of the conveying device 12 into the feed line 13 via which water FW is fed if necessary.
  • the feed tank 11 also has an inlet to and an outlet from the feed tank 11a, 11b, via which the raw product RP can be fed in and removed.
  • the supply tank 11 is fluidly integrated into a circulation line system, which bypasses the heat exchangers 1-4 and 4-8 and the holding device 5 to the sterile tank (not shown) and a fifth line section 13.5 and the inlet line 13 includes.
  • the pressure booster pump 9 described above and arranged downstream of the first heat exchanger of the preheating zone 1 and the aseptically operating homogenizer 10 arranged downstream of the first heat exchanger of the cooling zone 6 are integrated in the circulation line system.
  • a plant-based drinkable food product the raw product RP used, can be subjected to UHT heating to produce a drinkable finished product FP using the method described below.
  • the process description below is based on specific process data obtained during the production and treatment of calcium-enriched almond milk.
  • the raw product RP used consists of a continuous phase TF+TM and a disperse phase B.
  • the continuous phase TF+TM forms a homogeneous mixture of a carrier liquid TF, preferably water, and at least one plant substrate TM, with the plant substrate TM consisting of in a designated liquid, such as water, soaked and then pressed or ground almonds.
  • the vegetable substrate TM is mixed into the carrier liquid TF with a dry matter content of preferably 5 to 10% and preferably distributed homogeneously.
  • the disperse phase B usually forms a material solution with the continuous phase TF+TM in the form of the raw product RP.
  • the raw product RP is placed in the feed tank 11 and is continuously stirred there by means of the stirring and mixing device 11c (FIGS. 1 and 2).
  • the raw product RP is removed from the feed tank 11 by means of the conveying device 12 and fed to the first heat exchanger of the preheating zone 1 via the feed line 13 .
  • the raw product RP undergoes the heat treatment W in indirect heat exchange between the product-side inner tube flow RS of the respective inner tube 20 and the tube-outside heat transfer medium Wm1, Wm2.
  • the heat treatment W consists, in the following order, at least of the preheating VW with the preferably regeneratively operated heat exchangers of the preheating zones 1 and 2, the preheating VE with the heat exchanger of the preheating zone 3, which is preferably operated with a separate hot water circuit, the superheating HE with the preferably with a separate hot water circuit operated heat exchanger of the high heating zone 4, the hot maintenance HH with the hot holder 5 and the cooling K with the heat exchangers of the cooling zone 6, 7 and 8, with the at least one heat exchanger 6 preferably regenerative and the heat exchangers 7 and 8 with direct water, for example cooling water and ice water.
  • a homogenization HG takes place in the homogenizer 10 (FIGS.
  • the at least one admixture B in the present application example the calcium
  • the calcium begins to precipitate out of the material solution RP above a precipitation temperature Ta (see Figure 1, 2; area is marked approximately)
  • a first pulsating flow PS1 is imposed on the inner pipe flow RS in the course of a pressure increase by means of the pressure booster pump 9, which is superimposed on a second pulsating flow PS2 within the inner pipe flow RS, resulting from the homogenization HG by means of the homogenizer 10 ( Figures 1, 2).
  • the precipitation temperature Ta is above approx. 110 °C.
  • Another inventive procedural measure is that in the critical area the internal flow RS of the pipe is reduced to a Reynolds number Re above 30,000 (Re > 30,000), preferably in a value range between 35,000 and 80,000 (35,000 ⁇ Re ⁇ 80,000) and particularly preferably between 50,000 and 80,000 (50,000 ⁇ Re ⁇ 80,000).
  • the precipitation temperature Ta is located in the high temperature HE including the hot maintenance HH and possibly already in the preheating VE above approx. 110° C. and serves as a criterion for the application of the features of claim 1 according to the invention.
  • the invention in accordance with the findings obtained in the exemplary embodiment, proposes the initiation of a flushing and cleaning process the following procedural measures:
  • FIG 6 qualitatively shows the interaction of the pressure booster pump 9 with the homogenizer 10.
  • An average volume flow Q of the inner pipe flow RS Q(RS)
  • Q(RS) an average volume flow Q of the inner pipe flow RS
  • the first pulsating flow PS1 has the volume flow-related first pulsation maxima (+/-) x1 .
  • the second pulsating flow PS2 has the volume flow-related second pulsation maxima (+/-) x2.
  • the process and the UHT system 100 are particularly suitable for to produce a drinkable plant-based food product FP under sterile conditions, such as calcium-fortified almond milk.
  • This almond milk consists of the continuous phase TF+TM consisting of a homogeneous mixture of a carrier liquid TF and at least one vegetable substrate TM, the vegetable substrate TM consisting of almonds soaked in a suitable liquid, such as water, and then pressed or ground is prepared and the vegetable substrate TM is mixed into the carrier liquid TF, such as water, with a dry matter content of preferably 5 to 10% and homogeneously distributed, and the disperse phase B, which consists of at least one solid admixture B, with preferably 1,800 up to 2,000 mg calcium carbonate/liter of continuous phase, with the disperse and continuous phase forming a material solution in the form of the raw product RP.
  • FP finished product, sterilized, homogenized plant-based drinkable food product (e.g. almond milk with calcium fortification)
  • Ta precipitation temperature (e.g. > 110 °C for calcium in almond milk)
  • TF carrier liquid e.g. water
  • TM vegetable substrate e.g. ground almond kernels

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine UHT-Anlage zur UHT-Erhitzung eines trinkfähigen Lebensmittelprodukts auf pflanzlicher Basis unter sterilen Bedingungen, die einerseits eine Standzeitverlängerung im Produktionszyklus und andererseits unter Einbeziehung von Spül- und Reinigungsmaßnahmen eine höhere Produktionsleistung in einem vorgegebenen Zeitraum sicherstellen. Dies wird verfahrenstechnisch dadurch erreicht, dass zumindest in einem Bereich der Wärmebehandlung (W), in dem oberhalb einer Ausfällungstemperatur (Ta) die wenigstens eine Beimengung (B) beginnt, aus der stofflichen Lösung, dem Rohprodukt (RP), auszufallen, · der produktseitigen Rohrinnenströmung (RS) einerseits im Zuge einer Druckerhöhung mittels einer Druckerhöhungspumpe (9) eine erste pulsierende Strömung (PS1) aufgeprägt wird, die sich einer zweiten pulsierenden Strömung (PS2) innerhalb der produktseitigen Rohrinnenströmung (RS), resultierend aus der Homogenisierung (HG) mittels eines Homogenisators (10), überlagert, und · die produktseitigen Rohrinnenströmung (RS) andererseits auf eine hochturbulente Strömung mit einer Reynolds-Zahl (Re) oberhalb von 30.000 ausgelegt ist (Re > 30.000)

Description

Verfahren und Anlage zur UHT-Erhitzung eines trinkfähigen Lebensmittelprodukts auf pflanzlicher Basis unter sterilen Bedingungen
TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur UHT-Erhitzung eines trinkfähigen Lebensmittelprodukts auf pflanzlicher Basis unter sterilen Bedingungen. Das Lebensmittelprodukt bildet in Form eines eingesetzten Rohprodukts vorzugsweise eine homogene Mischung aus einer Trägerflüssigkeit, beispielsweise Wasser, und mindestens einem pflanzlichen Substrat, bei dem es sich beispielsweise um Mandeln, Hafer oder Soja handeln kann. Bei der homogenen Mischung handelt es sich um eine sogenannte kontinuierliche Phase. Der kontinuierlichen Phase ist wenigstens eine feste Beimengung, eine sogenannte disperse Phase, additiv zugegeben. Die disperse Phase geht mit der kontinuierlichen Phase in der Regel eine stoffliche Lösung ein. Bei der festen Beimengung kann es sich beispielsweise um Calciumcarbonat oder eine andere für den Verzehr geeignete Mineralie handeln. Das Rohprodukt wird bis zur Herstellung eines trinkfähigen Fertigprodukts in der nachstehend genannten Reihenfolge einer Wärmebehandlung wenigstens durch eine Vorwärmung, eine Vorerhitzung, eine Hocherhitzung, eine Heißhaltung und eine Kühlung unterzogen und erfährt im Verlauf der Wärmebehandlung eine Homogenisierung, vorzugsweise unter aseptischen Bedingungen. Die Wärmebehandlung erfolgt jeweils im indirekten Wärmeaustausch zwischen einer produktseitigen Rohrinnenströmung und einem rohraußenseitigen Wärmeträgermedium. Darüber hinaus ist Gegenstand der Erfindung eine UHT-Anlage, mit der das Verfahren durchgeführt wird.
Das Verfahren und die UHT-Anlage sind in besonderer Weise dazu geeignet und ausgelegt, ein trinkfähiges Lebensmittelprodukt auf pflanzlicher Basis, wie beispielsweise eine sogenannte Mandel-, Hafer- oder Sojamilch, wärmetechnisch zu behandeln und herzustellen, wobei bekannt ist, dass diese Lebensmittelprodukte besondere Anforderungen an eine UHT-Erhitzung stellen. Dem Lebensmittelprodukt auf pflanzlicher Basis können wenigstens eine feste Beimengung oder auch anders aggregierte Beimengungen beigemisch sein. Mandel-, Hafer- oder Soja- milch können beispielsweise durch Calcium angereichert sein und bilden damit eine Alternative zur herkömmlichen Kuhmilch.
Die vorliegende Erfindung ist im Grundsatz auf die wärmetechnische Behandlung und Herstellung trinkfähiger Lebensmittelprodukte auf pflanzlicher Basis im vorgenannten Sinne anwendbar; sie wird in der nachfolgenden Beschreibung und anhand eines Anwendungsbeispiels, nämlich einer mit Calcium angereicherten Mandelmilch, qualitativ und quantitativ konkretisiert.
Die Calcium-Anreicherung in den trinkfähigen Lebensmittelprodukten auf pflanzlicher Basis erfolgt, um den natürlich hohen Anteil an Calcium in Kuhmilch nachzustellen. Schon im kalten Zustand bleibt das Calcium nicht vollständig in Lösung, sondern fällt bei längerer Verweilzeit und ohne Rühren aus der stofflichen Lösung aus.
Kuhmilch hat im Vergleich zu Mandelmilch einen Calciumgehalt von ca. 1000 - 1200 mg/Liter (je nach Fütterung bzw. Saison). Das Calcium in Kuhmilch ist jedoch zu einem bedeutenden Anteil in den Kasein-Mizellen (Protein) der Milch gebunden und daher stabil in Lösung. Deshalb ist die im Rahmen der Erfindung beschriebene Problematik ein exklusives Problem von trinkfähigen Lebensmittelprodukten auf pflanzlicher Basis. Die genaue Löslichkeit von Calcium in wässriger Lösung ist neben der Temperatur sehr stark von der Präsenz weiterer Mineralstoffe, u.a. Magnesium oder Phosphor, abhängig. Es ist jedoch in der Literatur bestätigt, dass die Löslichkeit mit steigender Temperatur generell abnimmt (Morse, J. W., Arvidson, R. S., and Lüttge, A. Chem Rev. 2007 Feb;107(2): 342-381 ; Calcium Carbonate Formation and Dissolution).
STAND DER TECHNIK
Es sind UHT-Anlagen der gattungsgemäßen Art zur Erhitzung von Mandelmilch, die mit Calcium angereichert ist, bekannt, in denen es bei einer Erhitzung des Produkts auf maximal ca. 140 °C in relativ kurzer Zeit, beispielweise in einer maximalen möglichen Produktionszeit von ca. 2,5 Stunden, in den zur Erhitzung ein- gesetzten sog. Rohrbündel-Wärmeaustauschern oberhalb einer Temperatur von ca. 110 °C zu einem erhöhten Produkt-Fouling kommt. Unter Produkt-Fouling versteht man die Belagbildung bzw. die Ablagerungen auf produktbeaufschlagten Erhitzerflächen der Wärmeaustauscher, im vorliegenden Falle auf der Innenseite der produktführenden Rohrleitungen, im ungünstigsten Falle ein Anbrennen des Produkts. Durch das Produkt-Fouling verschlechtert sich der Wärmeübergang signifikant, bestimmt durch die sogenannte Wärmeübergangszahl oder den sogenannten -koeffizienten, in diesem Bereich und damit zwangsläufig auch der Wärmedurchgang, bestimmt durch die sogenannte Wärmedurchgangszahl oder den sogenannten -koeffizienten, vom rohraußenseitigen Wärmeträgermedium, beispielsweise Wasserdampf oder Heißwasser, zum rohrinnenseitigen Produkt. Diese Verringerung bildet sich über eine Temperaturdifferenz (das sog. Delta-T; AT) im Rohrbündel-Wärmeaustauscher ab, die erforderlich ist, um die notwendige Wärme vom Wärmeträgermedium zum Produkt zu übertragen.
Die im Vergleich zur Behandlung von Kuhmilch deutlich schnellere Belagbildung bei mit Calcium angereicherter Mandelmilch ist durch die Ausfällung von Calcium aus der stofflichen Lösung bei ansteigender Temperatur bedingt, da die Löslichkeit von Calcium mit ansteigender Temperatur abnimmt. Das ausgefällte Calcium, aber auch sonstige additive Beimengungen wie beispielsweise andere (Mineral)- Stoffe neigt bzw. neigen zur Sedimentation an der Rohrinnenwandung. Schon im kalten Zustand bleibt das Calcium nicht vollständig in Lösung, sondern fällt bei längerer Verweilzeit, wenn nicht gerührt wird, aus. Das vorgelegte Rohprodukt wird daher in der Regel stetig gemischt, um Sedimentation zu verhindern und eine homogene Verteilung im UHT-Verfahren zu fördern.
Bei einem sogenannten Rohrbündel-Wärmeaustauscher bildet eine Anzahl parallel geschalteter Innenrohre, die in einem speziellen Rohrbelegungsmuster angeordnet sind, einen vom Produkt durchströmten gemeinsamen Innenkanal, wobei die Innenrohre in ihrer Gesamtheit von einem Mantelrohr umschlossen sind, das innenseits einen vom Wärmeträgermedium beaufschlagten Außenkanal ausbildet. Der schnelle Aufwuchs der Belagbildung in den produktbeaufschlagten Innenrohren lässt sich einerseits über den schnell ansteigenden Gegendruck und anderer- seits über die vorstehend genannte Temperaturdifferenz in dem/den Rohrbündel- Wärmeaustauscher/n der Vorerhitzung und/oder Hocherhitzung erkennen.
In den in Rede stehenden UHT-Anlagen des Standes der Technik ist auf Grund der vorstehend thematisierten Nachteile und der bisherigen Erfahrungen nach einer Produktionszeit von maximal 2,5 Stunden entweder eine sterile Zwischenreinigung der UHT-Anlage (ca. 1 Stunde Zeitverlust) oder eine Hauptreinigung der UHT-Anlage mittels einer sog. CIP-Reinigung (CIP: cleaning in place) mit Säu- re/Lauge und anschließender Wassersterilisation notwendig (Zeitverlust ca. 4 Stunden), bevor ein weiterer Produktionszyklus gestartet werden kann.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine UHT-Anlage der gattungsgemäßen Art zu schaffen, die die Nachteile des Standes der Technik beseitigen, wodurch einerseits eine Standzeitverlängerung im Produktionszyklus und andererseits unter Einbeziehung von Spül- und Reinigungsmaßnahmen, denen eigenständige erfinderische Merkmale zukommen, eine höhere Produktionsleistung in einem vorgegebenen Zeitraum sichergestellt sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche. Eine UHT-Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist Gegenstand des Nebenanspruchs 13. Vorteilhafte Ausgestaltungen der UHT- Anlage sind Gegenstand der zugeordneten Unteransprüche. Weiterhin wird ein trinkfähiges Lebensmittelprodukt auf pflanzlicher Basis, wie mit Calcium angereicherte Mandelmilch, angegeben, die durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und mittels der erfindungsgemäßen UHT-Anlage herstellbar ist.
Ausgehend von den gattungsbildenden Merkmalen einer UHT-Erhitzung besteht der erfinderische Grundgedanke darin, das Produkt-Fouling, d.h. die Entstehung des Belags und die Geschwindigkeit des Aufwuchses des Belags auf den produktführenden Wandungen der Wärmeaustauscher in den kritischen Bereichen der UHT-Erhitzung, zu hemmen. Dies gelingt dadurch, dass die Substrate und oder die ausgefällten Beimengungen, die den Belag bzw. die Anlagerungen bilden, so in der Trägerflüssigkeit in Schwebe gehalten werden, dass sie nicht miteinander konglomerieren und sich nicht an den Wänden der produktführenden Innenrohre ablagern bzw. ansetzen.
Die sterilen Bedingungen, die für die Herstellung des trinkfähigen Lebensmittelprodukts auf pflanzlicher Basis gefordert werden, werden in an sich bekannter Weise durch die Realisierung eines produktspezifischen Temperaturprofils im UHT-Verfahren sichergestellt. Hierzu gehört eine Vorwärmung des eingesetzten Rohprodukts, ggf. in mehreren Stufen, eine sich anschließende Vorerhitzung und eine Hocherhitzung in Verbindung mit einer Heißhaltung mit jeweils einem UHT- Profil (spezieller Temperatur-Zeit-Verlauf) und eine nachfolgende Kühlung, ggf. ebenfalls in mehreren Stufen, auf Lagerungs- oder Abfülltemperatur. Im Verlauf der Wärmebehandlung wird das Rohprodukt einer Homogenisierung unterzogen. Erfolgt die Homogenisierung im Verlauf der Kühlung, d.h. stromabwärts der Hocherhitzung und Heißhaltung, dann handelt es sich um eine Homogenisierung unter aseptischen Bedingungen. Die Ausfällung der wenigstens einen Beimengung aus der Trägerflüssigkeit, im Ausführungsbeispiel des Calciums aus der Mandelmilch, vollzieht sich in der Hocherhitzung und ggf. bereits in der sich an die Vorwärmung anschließende Vorerhitzung, die vorstehend als kritischer Bereich bezeichnet wurden, wenn dort die Ausfällungstemperatur erreicht wird. Bei mit Calcium angereicherter Mandelmilch liegt die Ausfällungstemperatur oberhalb von ca. 110 °C.
Ein erstes Lösungselement der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass zumindest in einem Bereich der Wärmebehandlung, in dem oberhalb einer Ausfällungstemperatur die wenigstens eine Beimengung beginnt, aus der stofflichen Lösung, dem Rohprodukt, auszufallen, der produktseitigen Rohrinnenströmung einerseits im Zuge einer Druckerhöhung mittels einer Druckerhöhungspumpe eine erste pulsierende Strömung aufgeprägt wird. Diese erste pulsierende Strömung überlagert sich andererseits einer zweiten pulsierenden Strömung innerhalb der produktseitigen Rohrinnenströmung, die aus der Homogenisierung mittels eines Homogenisa- tors, der vorzugsweise unter aseptischen Bedingungen arbeitet, resultiert, weil die Druckerhöhungspumpe gegen den Homogenisator fördert.
Bei der Druckerhöhungspumpe kann es sich um translatorisch oder auch rotativ arbeitende Verdrängerpumpen jedweder Art handeln. Ein wesentliches Eignungskriterium für eine diesbezügliche Druckerhöhungspumpe ist die Erzeugung einer steuerbaren pulsierenden Volumenstromlieferung und die Erzeugung eines an sich für UHT-Anlagen unüblich hohen Systemdruckes insbesondere im kritischen Bereich der UHT-Anlage, beginnend am Ausgang der Druckerhöhungspumpe. Der erforderliche unüblich hohe Systemdruck ist vor allem einem weiteren erfindungsgemäßen Lösungsmerkmal geschuldet, das nachstehend thematisiert wird.
Ein weiteres Lösungselement besteht darin, dass im kritischen Bereich die Turbulenz der Rohrinnenströmung gegenüber Auslegungen nach dem Stand der Technik zusätzlich forciert wird, indem dort die Rohrinnenströmung auf eine hochturbulente Strömung mit einer Reynolds-Zahl oberhalb von 30.000 ausgelegt ist (Re > 30.000). Durch diese forcierte Turbulenz wird infolge des dreidimensionalen Strömungsfeldes, die eine verstärkte Querbewegung in der Rohrinnenströmung bewirkt, die Belagbildung und die Geschwindigkeit seines Aufwuchses signifikant reduziert. Es hat sich gezeigt, dass zur Erfüllung der vorstehend thematisierten Erfordernisse die Reynolds-Zahl bevorzugt in einem Wertebereich zwischen 35.000 und 80.000 (35.000 < Re < 80.000) und insbesondere bevorzugt zwischen 50.000 und 80.000 (50.000 < Re < 80.000) auszulegen ist.
Es wird zur Sicherstellung der hochturbulenten Strömung weiterhin vorgeschlagen, die erforderliche Reynolds-Zahl im Bedarfsfall durch eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit oberhalb von 2,5 m/s sicherzustellen (c* > 2,5 m/s), bevorzugt oberhalb von 3,0 m/s. Diese Notwendigkeit stellt sich dann ein, wenn durch die Bemessung der die Rohrinnenströmung ausbildenden Rohrgeometrie (relativ kleine Rohrinnendurchmesser) im kritischen Bereich die erforderliche Reynolds- Zahl mit den üblichen Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich von unterhalb 2 m/s nicht erreichbar ist. Anlagen nach dem Stand der Technik sind im kritischen Bereich mit Strömungsgeschwindigkeiten in der Regel von unterhalb 2 m/s ausge- legt. Der unüblich hohe Systemdruck sorgt für die Ausprägung der erfindungsgemäßen Merkmale im kritischen Bereich, und zwar einerseits der hochturbulenten Strömung und andererseits der erhöhten Strömungsgeschwindigkeit.
Es hat sich als besonders zielführend mit Blick auf die Hemmung der Belagbildung herausgestellt, wenn volumenstrombezogene erste Pulsationsmaxima der ersten pulsierenden Strömung und volumenstrombezogene zweite Pulsationsmaxima der zweiten pulsierenden Strömung unterschiedlich groß sind. Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn volumenstrombezogene erste Pulsationsmaxima der ersten pulsierenden Strömung eine erste Pulsationsfrequenz und volumenstrombezogene zweite Pulsationsmaxima der zweiten pulsierenden Strömung eine zweite Pulsationsfrequenz aufweisen und die erste und die zweite Pulsationsfrequenz unterschiedlich groß sind. Eine Kombination der beiden vorstehend vorgeschlagenen Auslegungskriterien (Pulsationsmaxima und Pulsationsfrequenz) ist besonders wirksam mit Blick auf die Hemmung der Belagbildung und die Reduzierung der Geschwindigkeit von dessen Aufwuchs.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn die erste Pulsationsfrequenz der ersten pulsierenden Strömung kleiner als die zweite Pulsationsfrequenz der zweiten pulsierenden Strömung ist. Bei der Herstellung von mit Calcium angereicherter Mandelmilch ergeben sich besonders gute Ergebnisse, wenn sich die erste Pulsationsfrequenz zur zweiten Pulsationsfrequenz wie 3 zu 5 verhält (erste Pulsationsfre- quenz/zweite Pulsationsfrequenz = 3/5).
Die Hemmung der Belagbildung und der Geschwindigkeit seines Aufwuchses mit den erfindungsgemäßen verfahrenstechnischen Merkmalen zeitigt eine Standzeit der erfindungsgemäßen UHT-Anlage, betrieben mit dem erfindungsgemäßen UHT-Verfahren und beispielhaft angewendet auf mit Calcium angereicherte Mandelmilch (nachfolgend als Rohprodukt bezeichnet), die mit mehr als 8 Stunden deutlich höher liegt als die mit UHT-Anlagen des Standes der Technik erreichbaren Standzeiten (max. ca. 2,5 Stunden). Bei UHT-Anlagen nach dem Stand der Technik ist nach der genannten Standzeit von 2,5 Stunden eine Zwischen- oder chemische Hauptreinigung erforderlich, um die Wärmedurchgangsbedingungen auf den Anfangszustand des Produktionszyklusses zurückzuführen. Eine Standzeit von mehr als 8 Stunden ist allerdings nur realisierbar, wenn für diesen Produktionszeitraum eine hinreichende Menge an Rohprodukt bereitgestellt und in der UHT-Anlage vorgelegt werden kann.
Die wenigstens eine Beimengung zu trinkfähigen Lebensmittelprodukten auf pflanzlicher Basis, beispielsweise Mandel-, Hafer- und Sojamilch, kann bei der sogenannten Ausfällungstemperatur in der Hocherhitzung und ggf. bereits in der Vorerhitzung aus der stofflichen Lösung ausfallen. Bei mit Calcium angereicherter Mandelmilch ist die Ausfällungstemperatur oberhalb von ca. 110 °C, im sog. kritischen Bereich, verortet und dient als Kriterium für die Anwendung der erfindungsgemäßen Merkmale. Bei anderen trinkfähigen Lebensmittelprodukten auf pflanzlicher Basis ist der diesbezügliche kritische Bereich bei einer entsprechenden oder auch einer davon abweichenden Ausfällungstemperaturen zu verorten.
Unter den Rahmenbedingungen im Hinblick auf die mengenmäßige Bereitstellstellung von Rohprodukt nach dem Stand der Technik schlägt die Erfindung nach Verarbeitung der üblichen Bereitstellungsmengen an Rohprodukt mit dem erfindungsgemäßen UHT-Verfahren einen erfindungsgemäßen Spül- und Reinigungsvorgang vor, der die bisherige Zwischen- oder chemische Reinigung vermeidet bzw. gleichwirkend ersetzt.
Diese Lösung, der eine eigenständige erfinderische Bedeutung zukommt, besteht darin, dass bei Erreichen
• einer vorgegebenen Druckdifferenz, bezogen auf einen Anfangsdruck am Ausgang der Druckerhöhungspumpe, und
• einer vorgegebenen Temperaturdifferenz zwischen Rohprodukt und einem separatem Wärmeträgermedium in der Hocherhitzung bzw. im kritischen Bereich, bezogen auf eine Anfangstemperaturdifferenz, folgende Schritte (i) bis (iv) vorgesehen sind:
(i) erstes Ausschieben des Fertigprodukts aus der UHT-Anlage in einen außerhalb der UHT-Anlage angeordneten Steriltank mittels Wasser; (ii) zweites Ausschieben einer Mischphase aus Fertigprodukt und Wasser mittels einer sich anschließenden definierten Menge Wasser an dem Steriltank vorbei in einen Gully;
(iii) Zirkulieren von Wasser in der mit Roh- und/oder Fertigprodukt kontaminierten UHT-Anlage über eine Zirkulationszeit, die sich aus dem vollständigen Abbau der Druckdifferenz auf den Anfangsdruck und der Temperaturdifferenz auf die Anfangstemperaturdifferenz ergibt und
(iv) Überführen der UHT-Anlage in eine erneute Produktionsbereitschaft für eine bereitgestellte Batch-Menge Rohprodukt.
Bei dem verwendeten Wasser kann es sich um Frischwasser besonderer Qualität, aber auch im Regelfall um Wasser ohne besondere Anforderungen an Qualität und Reinheit handeln, weil dieses Wasser bei der Durchführung der Schritte (i) bis (iv) die UHT-Erhitzung mit dem Temperaturprofil des Produktionszyklusses durchläuft und damit in der Anlage sterilisiert wird.
Die Produktionszeit des Rohprodukts mit ca. 2,5 Stunden ist bei dem Anwendungsbeispiel der mit Calcium angereicherten Mandelmilch durch die Batch- Menge des bereitgestellten Rohprodukts determiniert. Innerhalb dieser Zeit steigen der Druck am Ausgang der Druckerhöhungspumpe (Druckdifferenz bezogen auf einen Anfangsdruck) und es stellt sich eine Temperaturdifferenz im kritischen Bereich ein, die gegenüber einer Anfangstemperaturdifferenz erhöht ist. Das bedeutet, dass es bereits eine deutliche Belagbildung im kritischen Bereich der UHT- Anlage (> 110 °C) gibt, die dort den Wärmedurchgang bzw. die Wärmedurchgangszahl signifikant verringert. Um die Erhitzungstemperatur nach wie vor zu realisieren, steigt daher die wärmeträgerseitige Temperatur, erkennbar durch erhöhten Dampfeinsatz.
Nach Ende der Produktion erfolgt ein erstes Ausschieben des Rohprodukts aus der UHT-Anlage mit Wasser in einen Steriltank (Produkt wird mit Wasser aus der Anlage ausgeschoben). Durch die strömungstechnische Gestaltung der Wärmeaustauscher, vorzugsweise Rohrbündel-Wärmeaustauscher, wird im Zuge eines sich anschließenden zweiten Ausschiebens eine Mischphase aus Ausschub- wasser und Restprodukt minimiert, wodurch Produktverluste somit auf ein Mindestmaß begrenzt werden. Nach dem zweiten Ausschieben der Mischphase wird eine definierte Menge Wasser am Steriltank vorbei in einen Gully geschoben.
Anschließend geht die Anlage in Zirkulation („Wasser-Umlauf1), d.h. es wird Wasser in der UHT-Anlage zirkuliert, wodurch die UHT-Anlage steril und in stetiger Produktionsbereitschaft bleibt. Die hierfür benötige Zirkulationszeit liegt erfahrungsgemäß bei weniger als 30 Minuten. Die erforderliche Zirkulationszeit bestimmt sich aus dem Grad der Reinigung der UHT-Anlage. Sie endet, wenn die Druckdifferenz auf den Anfangsdruck und die Temperaturdifferenz auf die Anfangstemperaturdifferenz (zwei Kenngrößen für die Verschmutzung der UHT- Anlage). abgebaut sind, d.h. wenn der kritische Bereich vollständig vom Belag abgereinigt ist (Ausgangszustand wie nach einer chemischen Anlagenreinigung, z.B. CIP-Reinigung).
Der Spül- und Reinigungsvorgang wird gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens dadurch weiter optimiert,
• dass im Verlauf des Zirkulierens der zirkulierte Volumenstrom Wasser schrittweise über die Druckerhöhungspumpe in Verbindung mit dem Homogenisator reduziert wird,
• dass dabei die Abnahme der Druckdifferenz und der Temperaturdifferenz überwacht und jeweils maximale Gradienten ermittelt werden und
• dass das Zirkulieren unter den Zirkulationsbedingungen am Optimum der ermittelten Maxima bis zum Erreichen des Anfangsdruckes und der Anfangstemperaturdifferenz fortgeführt wird.
Durch das schrittweise Reduzieren des Volumenstroms Wasser im Verlauf des Zirkulierens wird außerdem eine sich über die Zeit geringfügig ändernde Pulsationsfrequenz der ersten und der zweiten pulsierenden Strömung erzeugt (variierendes Strömungsprofil mit verschiedenen ersten und zweiten Pulsationsfrequenzen und volumenstrombezogene erste und zweite Pulsationsmaxima), wobei sich diese Variationen positiv auf die Lösung des Belages auswirken. Es wird die Abnahme der Druckdifferenz und der Temperaturdifferenz überwacht und es werden die jeweils maximalen Gradienten dieser Abnahmen ermittelt. Am Optimum der ermittelten Maxima ist die „optimale Pulsationsfrequenz“ erreicht. Durch die Überwachung des Abbaus der Druck- und der Temperaturdifferenz während des Zirkulierens kann diese optimale Pulsationsfrequenz ermittelt und zu weiteren Regelungseingriffen herangezogen werden. An der Stelle der größten Gradienten des Abbaus der Druck- und Temperaturdifferenz kann davon ausgegangen werden, dass das in diesem Moment vorliegende Strömungsprofil die Lösung des Belags optimal verstärkt. Dieser ideale Punkt kann sowohl bei maximalem als auch bei reduziertem Zirkulations-Volumenstrom liegen oder kann je nach Art und Resilienz des Belags variieren. Zudem wird durch die Reduktion des Volumenstroms des zirkulierten Wassers auch der Energieeinsatz weiter reduziert, sodass die UHT- Anlage den Anforderungen an eine effiziente Prozessanlage gerecht wird.
Zusammengefasst ergeben sich folgende Vorteile mit dem erfindungsgemäßen Spül- und Reinigungsvorgang in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der UHT-Anlage:
Das UHT-Verfahren wird den Anforderungen einer modernen, zukunftsausgerichteten UHT-Applikation für die Herstellung eines trinkfähigen Lebensmittelprodukts auf pflanzlicher Basis unter sterilen Bedingungen in jeder Hinsicht gerecht, weil
• das vorgeschlagene UHT-Verfahren eine maximale Produktqualität (Sensorik,
Stabilität, Haltbarkeit) auch bei langen Produktionszyklen garantiert, die deutlichen über dem Stand der Technik liegen;
• eine signifikante Effizienzsteigerung durch den Wegfall von Reinigungs- und Sterilisationsschritten gegeben ist;
• der Energiebedarf, dem aus Sicht des Anlagenbetreibers eine stetig wachsende Bedeutung zukommt, deutlich gesenkt wird, da die Anzahl von Reinigungen und der damit verbundenen Neusterilisationen deutlich reduziert wird und darüber hinaus der Volumenstrom beim Wasserumlauf reduziert werden kann (Themen: steigende Energiepreise; Reduktion von Emissionen; Erwerb von CO2- Zertifikaten; angestrebte Klimaneutralität als Unternehmensphilosophie aber auch als Werbeträger). Die gattungsbildenden Merkmale der UHT-Anlage, wie sie im Oberbegriff des Nebenanspruchs angegeben sind, sind grundsätzlich bekannt. Die Betriebsparameter sind jeweils abhängig vom herzustellenden Produkt, seiner Rezeptur und von den spezifischen Betriebsparameter der in der UHT-Anlage eingesetzten Komponenten und Aggregationen. So genügt es beispielsweise, wenn in UHT-Anlagen nach dem Stand der Technik zur Erzeugung des Volumenstroms durch die in Reihe geschalteten Wärmeaustauscher und zur Überwindung der Druckverluste eine geeignete Fördereinrichtung, in der Regel eine Kreiselpumpe, eingesetzt wird.
Die UHT-Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen UHT-Verfahrens setzt die verfahrenstechnischen Lösungsmerkmale konsequent in gegenständliche Merkmale um. Die UHT-Anlage stellt in an sich bekannter Weise die zu fordernden sterilen Produktionsbedingungen durch die Realisierung eines produktspezifischen Temperaturprofils sicher. Hierzu gehört, die nachfolgende Aufzählung ist beispielhaft gewählt und nicht zwingend, eine Vorwärmzone, die wenigstens einen ersten und erforderlichenfalls einen zweiten Wärmeaustauscher der Vorwärmzone aufweist. Dieser wenigstens eine Wärmeaustauscher ist im Regelfall, wie auch alle anderen Wärmeaustauscher der UHT-Anlage, als Rohrbündel-Wärmeaustauscher ausgeführt und wird vorzugsweise regenerativ betrieben. Anschließend folgt, in Strömungsrichtung des Rohprodukts gesehen, eine Vorerhitzerzone, die wenigstens einen vorzugsweise über einen separaten Heißwasserkreis betriebenen dritten Wärmeaustauscher der Vorerhitzerzone aufweist, eine Hocherhitzerzone, die wenigstens einen über einen separaten Heißwasserkreis betriebenen Wärmeaustauscher der Hocherhitzerzone aufweist, eine Heißhalterzone, die wenigstens einen Heißhalter aufweist, eine Kühlzone, die wenigstens einen vorzugsweise regenerativ betriebenen Wärmeaustauscher sowie erforderlichenfalls mit Direktwasser (Kühlwasser und ggf. Eiswasser) beaufschlagte Wärmeaustauscher der Kühlzone aufweist, und im Verlauf der Wärmebehandlung ein Homogenisator.
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabenstellung sind, ausgehend von den gattungsbildenden Merkmalen der UHT-Anlage, folgende Kennzeichenmerkmale vorgesehen: • es ist ein Vorlaufbehälter vorgesehen, der mit dem ersten Wärmeaustauscher der Vorwärmzone über eine Zulaufleitung, in der eine Fördereinrichtung, vorzugsweise eine Kreiselpumpe, angeordnet ist, fluidgängig verbunden ist;
• eine Zulaufleitung für Wasser mündet oberstromig der Fördereinrichtung in die Zulaufleitung ein;
• der Vorlaufbehälter ist fluidgängig in ein Zirkulationsleitungssystem eingebunden, das die Wärmeaustauscher und den Heißhalter bis zu einem Steriltank und einen den Steriltank im Bypass umgehenden, zum Vorlaufbehälter führenden fünften Leitungsabschnitt und die Zulaufleitung umfasst;
• unterstromig des ersten Wärmeaustauschers der Vorwärmzone ist eine Druckerhöhungspumpe und unterstromig des ersten Wärmeaustauschers der Kühlzone ist der Homogenisator angeordnet.
Zur Realisierung des Spül- und Reinigungsvorganges der UHT-Anlage mit Wasser über das Zirkulationsleitungssystem schlägt die Erfindung vor, dass im Einmündungsbereich des fünften Leitungsabschnitts in den Vorlaufbehälter aus dem fünften Leitungsabschnitt eine Ablaufleitung zu einem Gully ausmündet.
Zur Erzeugung einer wirksamen ersten pulsierenden Strömung ist die Druckerhöhungspumpe beispielsweise als Kolbenpumpe mit beispielsweise drei einfachwirkenden Kolben ausgebildet. Die Druckerhöhungspumpe arbeitet in Reihe auf den Homogenisator, der, wie dies ebenfalls vorgesehen ist, eine zweite pulsierende Strömung durch Ausbildung beispielsweise als Kolbenpumpe mit beispielsweise fünf einfachwirkenden Kolben erzeugt. Anstelle von Kolbenpumpen können auch andere translatorisch oder rotativ arbeitende Verdrängerpumpen mit mehrfacher, zeitlich versetzter Volumenstromlieferung vorgesehen werden.
Um die verfahrenstechnischen Anforderungen strömungsmechanisch zu erfüllen, ist weiterhin vorgesehen, dass die Druckerhöhungspumpe für einen Gegendruck ausgelegt ist, der die Reynoldszahl der Ansprüche 1 oder 2 oder die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit der Ansprüche 3 oder 4 sicherstellt, und dass die produktbeaufschlagten Bereiche der UHT-Anlage zwischen der Druckerhöhungspumpe und dem Homogenisator für diesen Gegendruck ausgelegt sind. Die dies- bezüglich erforderlichen Gegendrücke liegen erfahrungsgemäß im Bereich von 30 bis 100 bar.
Der zielführende erfinderische Lösungsgedanke ist die Erzeugung einer „pulsierenden Strömung“ durch den Einsatz von zwei Pumpen in Reihe, eine Druckerhöhungspumpe und ein Homogenisator, die die eingangs definierten Eignungskriterien aufweisen, vorzugsweise drehzahlregelbare translatorisch oder rotativ arbeitende Verdrängerpumpen und hier vorzugsweise Kolbenpumpen mit jeweils mehreren einfachwirkenden Kolben, wobei die Druckerhöhungspumpe vorzugsweise beispielsweise mit 3 Kolben und die zweite Pumpe, der Homogenisator, vorzugsweise beispielsweise mit 5 Kolben arbeiten. Die „pulsierende Strömung“ sorgt für eine hohe Verwirbelung innerhalb des kritischen Bereichs und ermöglicht damit das „Mitreißen“ der abgelagerten wenigstens einen Beimengung. Die 3-Kolben Maschine ist mit größeren Kolben und größerem Kolbenhub als die 5-Kolben Maschine ausgestattet, sodass ein Kolbenhub der 3-Kolben Maschine ein größeres Volumen fördern kann als der Kolbenhub der 5-Kolben Maschine. Die Maschinen laufen zur Erfüllung der Kontinuitätsbedingung mit Blick auf einen gleichen mittleren Volumenstrom bei näherungsweise gleichen Drehfrequenzen. Dennoch erzeugen die Maschinen naturgemäß keinen vollständig kontinuierlichen Durchfluss, sondern fördern jeweils mit unterschiedlichen Pulsationsmaxima. Diese sind bei der 3- Kolben Maschine verschieden von jenen bei der 5-Kolben Maschine. Die pulsierende Strömung wird originär von der 3-Kolben Maschine erzeugt, weil diese gegen die 5-Kolben Maschine fördert. Da die Pulsationsmaxima, wie angesprochen, nicht gleich sind, entsteht eine Pulsation innerhalb des Volumenstroms.
Die hohen Fließgeschwindigkeiten, wie erfindungsgemäß zur Erzeugung der erforderlichen Reynolds-Zahl vorgesehen, die über das im Stand der Technik übliche Maß hinausgehen, sorgen in Verbindung mit der niedrigen Viskosität des Wassers für eine hohe Turbulenz der Strömung. Die damit erreichte Querbewegung (dreidimensionales Strömungsfeld) der Flüssigkeit verstärkt den Effekt des „Mitreißens“ bzw. Lösens des (vorrangig) mineralischen Foulings. Das Wasser enthält beim Eintritt in die UHT-Anlage keine Beimengung, beispielsweise kein Calcium, weshalb die in der Anlage abgelagerte Beimengung im Wasser in Lösung gehen kann und damit über das Wasser im Verlauf des Reinigungsund Spülvorgangs ausgetragen wird.
Die Erfindung schlägt weiterhin vor, dass die Rohrbündel-Wärmeaustauscher jeweils Innenrohre aufweisen, die die Merkmale des Gegenstandes der Druckschrift EP 1 567 818 B1 aufweisen. Wenigstens auf der Oberfläche der Innenwand der Innenrohre sind schraubengangförmige, erhabene oder vertiefende Profilierungen ausgebildet. Diese Maßnahme dient der Turbulenzerhöhung gegenüber dem Glattrohr und erzeugt, bei hinreichender Bemessung insbesondere der erhabenen Profilierungen, eine im Rahmen der Turbulenz gewünschte Strömungskomponente in Umfangsrichtung. Aus der Wärmeübertragungstechnik ist bekannt, den Wärmeübergang im Vergleich zum sog. Glatt-Rohr durch Profilierung der wärmeübertragenden Rohrinnen- und Rohraußenfläche zu verbessern. Hierzu werden die vorgenannten schraubengangförmigen Vertiefungen durch Umformtechniken in die Rohrwand eingebracht, wodurch zur Erzeugung dieser gewünschten Makro- Rauhigkeits-Strukturen keine zusätzliche Materialdicke erforderlich ist. Dies bedeutet, dass eine außenseitig angebrachte Vertiefung innenseitig eine entsprechende Erhöhung darstellt. Die so verformten dünnwandigen Rohre werden als sogenannte Drallrohre bezeichnet. Die aus der vorgenannten Druckschrift bekannte Wendelung der Innenrohre (Tiefe und der Winkel der Wendelung) ist in allen Wärmeaustauschern zur Erhöhung der Turbulenz und dem durch diese induzierten reduzierten Produkt-Fouling auf die hohen erfindungsgemäßen Strömungsgeschwindigkeiten und weiteren Lösungsmerkmale abgestimmt.
Das vorgeschlagene Verfahren und die UHT-Anlage eignen sich besonders für die Herstellung eines trinkfähigen Lebensmittelprodukts auf pflanzlicher Basis unter sterilen Bedingungen, wie mit Calcium angereicherte Mandelmilch. Diese Mandelmilch besteht aus der kontinuierlichen Phase, die aus einer homogenen Mischung aus einer Trägerflüssigkeit und mindestens einem pflanzlichen Substrat besteht, wobei das pflanzliche Substrat aus in einer dafür vorgesehenen Flüssigkeit, wie Wasser, aufgeweichten und dann gepressten oder zermahlenen Mandeln hergestellt ist und das pflanzliche Substrat in die Trägerflüssigkeit, wie Wasser, mit einem Trockenmassegehalt von vorzugsweise 5 bis 10 % eingemischt und homogen verteilt ist, und der dispersen Phase, die wenigstens aus einer festen Beimengung besteht, mit vorzugsweise 1 .800 bis 2.000 mg Calciumcarbonat/Liter kontinuierliche Phase, wobei die disperse mit der kontinuierlichen Phase eine stoffliche Lösung in Form des Rohprodukts eingeht, und hergestellt durch Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder durch Wärmebehandlung in der UHT-Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 18.
Die Mandelmilch hat vorzugsweise einen Trockenmassegehaltvon ca. 5% - (10%) (vgl. Kuhmilch: ca. 13% inkl. 3.5% Fett). Die Mandelmilch ist homogen und vor Calcium-Anreicherung lagerstabil und weist nur eine minimale Calcium- Sedimentation auf. Das Produkt Mandelmilch ist neben der „reinen“ Variante auch in verschiedenen Geschmacksrichtungen verfügbar, u.a. Schokolade. Der pH- Wert der Mandelmilch liegt im leicht alkalischen Bereich (7,3 - 7,6; leichte Reduktion während der Lagerung bis hin zum Ende der Produkthaltbarkeit). Ein Trockenmassegehalt von 10 bis 18 % sind bei Mandel-, Hafer- und Soja-„Milchen“ allerdings nicht unüblich.
Für die vorgenannten und auch andere trinkfähige Lebensmittelprodukte auf pflanzlicher Basis können die für die Mandelmilch im Ausführungsbeispiel spezifizierten Merkmale in einem weiten Bereich nach Menge und Art des pflanzlichen Substrats sowie auch die Beimengungen nach Menge und Art signifikant variieren. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und die UHT-Anlage zu seiner Durchführung kommen auch bei diesen trinkfähigen Lebensmittelprodukten auf pflanzlicher Basis in besonderer Weise zum Tragen. KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine eingehendere Darstellung der Erfindung ergibt sich aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren der Zeichnung sowie aus den Ansprüchen. Während die Erfindung in den verschiedensten Ausführungsformen realisiert ist, wird in der Zeichnung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der UHT-Anlage, mit der das erfindungsgemäße UHT-Verfahren durchführbar ist, dargestellt und nachfolgend nach Aufbau und Funktion beschrieben. Es zeigen
Figur 1 in schematischer Darstellung einen relevanten Teilbereich einer erfindungsgemäßen UHT-Anlage, der auf wesentliche Merkmale reduziert ist;
Figur 2 in schematischer Darstellung der erfindungsgemäße Produktionszyklus zur Herstellung des Fertigprodukts FP mit der UHT-Anlage gemäß Figur 1;
Figur 3 in schematischer Darstellung das erfindungsgemäße erste Ausschieben des Fertigprodukts FP aus der UHT-Anlage gemäß Figur 1;
Figur 4 in schematischer Darstellung das erfindungsgemäße zweite Ausschieben der Mischphase aus der UHT-Anlage gemäß Figur 1 in Verbindung mit einem Nachlauf einer bestimmten Menge Wasser;
Figur 5 in schematischer Darstellung das erfindungsgemäße Zirkulieren des Wassers im Rahmen des erfindungsgemäßen Reinigungs- und Spülvorganges in der UHT-Anlage gemäß Figur 1 und
Figur 6 eine vereinfachte grafische Darstellung der Merkmale der ersten und der zweiten pulsierenden Strömung im Rahmen der UHT-Anlage gemäß Figur 1.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
UHT-Anlage
Ein in Figur 1 dargestellter Teilbereich 100 einer UHT-Anlage (UHT: Ultra-Hoch- Temperatur) besteht, ausgehend von einer Zulaufleitung 13, in der ein zu behan- delndes Rohprodukt RP, beispielsweise ein zu behandelndes trinkfähiges Lebensmittelprodukt auf pflanzlicher Basis, wie im vorliegenden Falle mit Calcium angereicherte Mandelmilch, eine Rohrinnenströmung RS ausbildet, in der dargestellten Strömungsrichtung in an sich bekannter Weise aus einer Vorwärmzone VWZ, einer Vorerhitzerzone VEZ, einer Hocherhitzerzone HZ, einer Heißhalterzone HHZ und einer Kühlzone KZ. Die Zonen weisen zwecks Wärmebehandlung W des Rohprodukts RP bis zu einem Fertigprodukt FP an einem Austritt 13a zu einem nicht dargestellten Steriltank in Reihe geschaltete Wärmeaustauscher 1-4 und 6-8 auf, die vorzugsweise als sogenannte Rohrbündel-Wärmeaustauscher ausgebildet sind. Die Anzahl der Wärmeaustauscher ist beispielhaft und vereinfachend gewählt; hinter jedem dieser schematisch dargestellten Wärmeaustauscher kann sich in der realen Ausgestaltung der UHT-Anlage auch mehr als ein Wärmeaustauscher verbergen.
Bei dem jeweiligen Rohrbündel-Wärmeaustauscher handelt es sich vorzugsweise um eine Ausführung, wie sie in der DE-U-94 03 913 (Prinzip Tuchenhagen Dairy Systems GmbH, Ahaus) beschrieben ist und bei der mehrere parallel geschaltete Innenrohre 20 vorzugsweise in Gestalt eines speziellen Rohrbelegungsmusters vorgesehen sind, die, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel, von dem Rohprodukt RP durchflossen werden, während ein Wärmeträgermedium Wm1 , Wm2, in der Regel Heißwasser oder Dampf, im Ringspaltraum (Außenkanal) eines Mantelrohres (Außenmantel), welches die parallel geschalteten Innenrohre 20 in ihrer Gesamtheit umgibt, im Gegenstrom strömt. Die Innenrohre 20 weisen vorzugsweise die Merkmale des Gegenstandes der EP 1 567 818 B1 auf.
Im Ausführungsbeispiel weist die Vorwärmzone VWZ zur Vorwärmung VW beispielsweise einen ersten und einen zweiten Wärmeaustauscher der Vorwärmzone 1 , 2 auf, die beide vorzugsweise regenerativ mit einem regenerativen Wärmeträgermedium Wm1 (vorzugsweise Wasser) betrieben werden. In den Wärmeaustauschern 1 und 2 erfolgt eine stufenweise Vorwärmung VW des Rohprodukts RP auf Temperaturen von ca. 75 °C und ca. 90 °C. Anschließend folgt eine Vorerhitzerzone VEZ mit einem dritten Wärmeaustauscher der Vorerhitzerzone 3, der vorzugsweise über einen separaten Heißwasserkreis beaufschlagt ist und das Roh- Produkt RP auf eine Temperatur von ca. 120 °C erhitzt. In der realen Ausführung besteht der dritte Wärmeaustauscher der Vorwärmzone 3 beispielsweise aus drei separaten Wärmeaustauschern. In der sich anschließenden Hocherhitzerzone HZ ist wenigstens ein Wärmeaustauscher der Hocherhitzerzone 4 vorgesehen, der vorzugsweise in einen separaten Heißwasserkreis eingebunden ist und das Rohprodukt RP durch Hocherhitzung HE auf eine Temperatur von ca. 140 °C erhitzt. In einem Heißhalter 5 der Heißhalterzone HHZ findet eine Heißhaltung HH des Rohprodukts RP bei der Temperatur von ca. 140 °C für eine bestimmte Zeit statt. Der Heißhalterzone HHZ schließt sich die Kühlzone KZ an, in der das Rohprodukt RP eine Kühlung K zum trinkfertig sterilisierten Fertigprodukt FP auf eine Temperatur von ca. 70 °C und schließlich ca. 20 °C erfährt. Hierzu sind beispielsweise ein regenerativ betriebener erster Wärmeaustauscher der Kühlzone 6 und erforderlichenfalls ein mit Kühlwasser beaufschlagter zweiter Wärmeaustauscher der Kühlzone 7 und ebenfalls erforderlichenfalls ein mit Eiswasser beaufschlagter dritter Wärmeaustauscher der Kühlzone 8 vorgesehen. Der zweite und der dritte Wärmeaustauscher der Kühlzone 7 und 8 sind hier nur beispielhaft genannt. Die UHT-Anlage kann anwendungsbedingt auch nur mit einem der beiden oder ohne diese beiden betrieben werden.
Zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmeaustauscher der Vorwärmzone 1 , 2 ist über einen ersten und einen zweiten Leitungsabschnitt 13.1 , 13.2 eine Druckerhöhungspumpe 9, vorzugsweise eine translatorisch oder rotativ arbeitende Verdrängerpumpe und hier vorzugsweise eine Kolbenpumpe mit drei (n=3) einfachwirkenden ersten Verdrängern 9a, eine sogenannte 3-Kolben Maschine, vorgesehen, die im Ausführungsbeispiel (UHT-Erhitzung von mit Calcium angereicherter Mandelmilch) für einen unüblich hohen maximalen Gegendruck von 80 bar ausgelegt ist. Abhängig von der Dimensionierung der Innenrohre im kritischen Bereich kann der maximale Gegendruck in einem Bereich zwischen 30 und 100 bar ausgelegt sein.
Zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmeaustauscher der Kühlzone 6, 7 ist über einen dritten und einen vierten Leitungsabschnitt 13.3, 13.4 ein Homogenisator 10 vorgesehen, der in dieser Anordnung stromabwärts der Hocherhitzung HE und Heißhaltung HH unter aseptischen Bedingungen arbeitet. Im Ausführungsbeispiel wird vorzugsweise eine Kolbenpumpe mit fünf (n=5) einfachwirkenden zweiten Verdrängern 10a, eine sogenannte 5-Kolben Maschine, vorgeschlagen. Die Anzahl der Kolben ist generell von dem zu fördernden Volumenstrom abhängig und kann von der im Ausführungsbeispiel gewählten Anzahl nach oben oder unten abweichen. Die Druckerhöhungspumpe 9 fördert gegen den Homogenisator 10, weshalb die produktbeaufschlagten Bereiche der UHT-Anlage 100 zwischen der Druckerhöhungspumpe 9 und dem Homogenisator 10 für einen Anlagendruck in Höhe der vorerwähnten 80 bar ausgelegt sind.
Die UHT-Anlage 100 weist einen Vorlaufbehälter 11 mit einer Rühr- und Mischeinrichtung 11c auf, der mit dem ersten Wärmeaustauscher der Vorwärmzone 1 über die Zulaufleitung 13, in der eine Fördereinrichtung 12, vorzugsweise eine Kreiselpumpe, angeordnet ist, fluidgängig verbunden ist. Eine Zulaufleitung für Wasser 14 mündet oberstromig der Fördereinrichtung 12 in die Zulaufleitung 13 ein, über die im Bedarfsfall Wasser FW zugeführt wird. Der Vorlaufbehälter 11 verfügt weiterhin über einen Eintritt zum und einen Austritt vom Vorlaufbehälter 11a, 11b, über die das Rohprodukt RP zu- und abgeführt werden kann. Der Vorlaufbehälter 11 ist fluidgängig in ein Zirkulationsleitungssystem eingebunden, das die Wärmeaustauscher 1-4 und 4-8 und den Heißhalter 5 bis zu dem nicht dargestellten Steriltank und einen den Steriltank im Bypass umgehenden und über einen Eintritt 13b zum Vorlaufbehälter 11 führenden fünften Leitungsabschnitt 13.5 und die Zulaufleitung 13 umfasst. Im Zirkulationsleitungssystem sind die vorstehend beschriebene und unterstromig des ersten Wärmeaustauschers der Vorwärmzone 1 angeordnete Druckerhöhungspumpe 9 und der unterstromig des ersten Wärmeaustauschers der Kühlzone 6 vorgesehene, aseptisch arbeitende Homogenisator 10 eingebunden.
Im Einmündungsbereich des fünften Leitungsabschnitts 13.5 in den Vorlaufbehälter 11 mündet aus dem fünften Leitungsabschnitt 13.5 eine Ablaufleitung zu einem Gully 15 für Restprodukt RM aus. Verfahren
Mit der vorstehend beschriebenen UHT-Anlage 100 (Figur 1) kann mit dem nachstehend noch beschriebenen Verfahren ein trinkfähiges Lebensmittelprodukt auf pflanzlicher Basis, das eingesetzte Rohprodukt RP, einer UHT-Erhitzung zur Herstellung eines trinkfähigen Fertigprodukts FP unterzogen werden. Die nachstehende Verfahrensbeschreibung stützt sich auf konkrete Prozessdaten, die bei der Herstellung und Behandlung einer mit Calcium angereicherten Mandelmilch gewonnen wurden.
Das eingesetzte Rohprodukts RP besteht aus einer kontinuierlichen Phase TF+TM und einer dispersen Phase B. Die kontinuierliche Phase TF+TM bildet eine homogene Mischung aus einer Trägerflüssigkeit TF, vorzugsweise Wasser, und mindestens einem pflanzlichen Substrat TM, wobei das pflanzliche Substrat TM aus in einer dafür vorgesehenen Flüssigkeit, wie Wasser, aufgeweichten und dann gepressten oder zermahlenen Mandeln hergestellt ist. Das pflanzliche Substrat TM ist in der Trägerflüssigkeit TF mit einem Trockenmassegehalt von vorzugsweise 5 bis 10 % eingemischt und vorzugsweise homogen verteilt. Die disperse Phase B besteht aus wenigstens einer festen Beimengung B, die beispielsweise mit 1800 bis 2000 mg Calciumcarbonat der kontinuierlichen Phase TF+TM zugegeben ist (RP = (TF + TM) + B). Die disperse Phase B geht mit der kontinuierlichen Phase TF+TM in der Regel eine stoffliche Lösung in Form des Rohprodukts RP ein.
Das Rohprodukt RP wird im Vorlaufbehälter 11 vorgelegt und dort mittels der Rühr- und Mischeinrichtung 11c stetig umgerührt (Figuren 1 und 2). Im Produktionszyklus (Figur 2) wird das Rohprodukt RP aus dem Vorlaufbehälter 11 mittels der Fördereinrichtung 12 abgeführt und über die Zulaufleitung 13 dem ersten Wärmeaustauscher der Vorwärmzone 1 zugeführt.
Das Rohprodukt RP erfährt im Zuge seiner Behandlung bis zu einem trinkfähigen Fertigprodukt FP die Wärmebehandlung W jeweils im indirekten Wärmeaustausch zwischen der produktseitigen Rohrinnenströmung RS des jeweiligen Innenrohres 20 und dem rohraußenseitigen Wärmeträgermedium Wm1 , Wm2. Die Wärmebehandlung W besteht, in der nachstehend genannten Reihenfolge, wenigstens aus der Vorwärmung VW mit den vorzugsweise regenerativ betriebenen Wärmeaustauschern der Vorwärmzone 1 und 2, der Vorerhitzung VE mit dem vorzugsweise mit einem separaten Heißwasserkreis betriebenen Wärmeaustauscher der Vorerhitzerzone 3, der Hocherhitzung HE mit dem vorzugsweise mit einem separaten Heißwasserkreis betriebenen Wärmeaustauscher der Hocherhitzerzone 4, der Heißhaltung HH mit dem Heißhalter 5 und der Kühlung K mit den Wärmeaustauschern der Kühlzone 6, 7 und 8, wobei der mindestens eine Wärmeaustauscher 6 vorzugsweise regenerativ und die Wärmeaustauscher 7 und 8 mit Direktwasser, beispielsweise Kühlwasser und Eiswasser, betrieben werden. Im Verlauf der Kühlung K erfolgt eine Homogenisierung HG in dem Homogenisator 10 (Figuren 1, 2), die im Ausführungsbeispiel unter aseptischen Bedingungen durchgeführt wird.
Zumindest in dem kritischen Bereich der Wärmebehandlung W, in dem oberhalb einer Ausfällungstemperatur Ta die wenigstens eine Beimengung B, im vorliegenden Anwendungsbeispiel das Calcium, beginnt, aus der stofflichen Lösung RP auszufallen (siehe Figur 1, 2; Bereich ist näherungsweise markiert), wird der Rohrinnenströmung RS einerseits im Zuge einer Druckerhöhung mittels der Druckerhöhungspumpe 9 eine erste pulsierende Strömung PS1 aufgeprägt, die sich einer zweiten pulsierenden Strömung PS2 innerhalb der Rohrinnenströmung RS, resultierend aus der Homogenisierung HG mittels des Homogenisators 10, überlagert (Figur 1, 2). Für Calcium liegt die Ausfällungstemperatur Ta oberhalb von ca. 110 °C. Eine weitere erfinderische verfahrenstechnische Maßnahme besteht darin, dass im kritischen Bereich die Rohrinnenströmung RS andererseits auf eine Reynolds-Zahl Re oberhalb von 30.000 (Re > 30.000), bevorzugt in einem Wertebereich zwischen 35.000 und 80.000 (35.000 < Re < 80.000) und besonders bevorzugt zwischen 50.000 und 80.000 (50.000 < Re < 80.000) ausgelegt ist.
In diesem Zusammenhang wird vorgeschlagen, falls die geometrischen Abmessungsverhältnisse der Innenrohre 20 ein Erreichen der erforderlichen Reynolds- Zahl Re mit den im Stand der Technik üblichen Strömungsgeschwindigkeiten (unterhalb c = 2 m/s) nicht möglich machen (wegen Re proportional zur Strömungsgeschwindigkeit und dem Rohrinnendurchmesser), dass die erforderliche Reynolds-Zahl Re im Bedarfsfall durch eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit c* oberhalb von 2,5 m/s (c* > 2,5 m/s, bevorzugt oberhalb von 3 m/s (c* > 3 m/s), sichergestellt ist.
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Tabelle - Rohrbelegungsmuster a mit einem ersten Rohrinnendurchmesser
Rohrbelegungsmuster b mit einem zweiten Rohrinnendurchmesser (erster Rohrinnendurchmesser kleiner zweiter Rohrinnendurchmesser)
Der vorstehende Sachverhalt wird durch die vorstehende Tabelle, in der wesentliche Daten für die UHT-Erhitzung von Mandelmilch mit Calcium-Anreicherung durch die einzelnen Wärmeaustauscher, die sich hinter den in Figur 1 schematisch dargestellten Wärmeaustauschern 3 und 4 der Vorerhitzer- VEZ und Hocherhitzerzone HZ verbergen, aufgelistet sind, zeigt, dass für Strömungsgeschwindigkeiten c = 2,33 m/s, die bereits deutlich über den üblichen Strömungsgeschwindigkeiten des Standes der Technik unterhalb von c = 2 m/s liegen, eine hinreichend hochturbulente Strömung im Innenrohr 20 vorliegt. Für den Wärmeaustauscher mit dem ersten Rohrbelegungsmuster a im Wärmeaustauscher 3 ergäbe sich bei einer Strömungsgeschwindigkeit von gleich oder unterhalb c = 2 m/s eine Reynolds-Zahl Re unterhalb von 30.000 (Re < 30.000), demnach eine nicht hinreichende hochturbulente Strömung. Daher wird hier das erfindungsgemäße Merkmal der erhöhten Strömungsgeschwindigkeit angewendet. Für den Wärmeaustauscher mit dem ersten Rohrbelegungsmuster a im Wärmeaustauscher 4 ergäbe sich bei einer Strömungsgeschwindigkeit von gleich oder unterhalb c = 2 m/s eine Reynolds-Zahl Re von ca. Re = 37.000 gegenüber ca. Re = 56.500 (Re = 37.000 versus 56.500), demnach eine zwar notwendigerweise hohe, nicht aber im Vergleich zum vorhergehenden Wärmeaustauscher mit dem zweiten Rohrbele- gungsmuster b eine hinreichend hohe Turbulenz der Rohrinnenströmung RS. Dieser Mangel wird im Sinne der vorgeschlagenen Erfindung durch Auslegung des Wärmeaustauschers 4 mit dem ersten Rohrbelegungsmuster a mit einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit c* = 3,05 m/s behoben.
Die Ausfällungstemperatur Ta ist in der Hocherhitzung HE einschließlich der Heißhaltung HH und ggf. bereits in der Vorerhitzung VE oberhalb von ca. 110 °C verortet und dient als Kriterium für die Anwendung der erfindungsgemäßen Merkmale des Anspruchs 1 .
Während der Produktfahrt, die in Figur 2 dargestellt ist, steigt durch Belangbildung, vorzugsweise in den kritischen Bereichen der UHT-Anlage 100 (oberhalb von ca. 110 °C), der Druckverlust, der sich durch eine Änderung eines Anfangsdruckes p9 am Ausgang der Druckerhöhungspumpe 9, im Ausführungsbeispiel von 22 auf 35 bar, mithin mit einer Druckdifferenz Ap = 13 bar bemerkbar macht. Im selben Zeitraum erhöht sich in der Hocherhitzerzone HZ, und zwar im Wärmeaustauscher der Hocherhitzerzone 4, eine Anfangstemperaturdifferenz ATo zwischen Rohprodukt RP und separatem Wärmeträgermedium Wm2 von ATo = 0,4 °C auf eine Temperaturdifferenz AT = 1 ,9 °C. Das weist darauf hin, dass es eine signifikante Belagbildung im kritischen Bereich gibt.
Nach Maßgabe des vorstehend beispielhaft angegebenen Sachverhalts (Ap = 35- 22 =13 bar; AT - ATo = 1 ,9 - 0,4 = 1 ,5 °C) schlägt die Erfindung nach Maßgabe der im Ausführungsbeispiel gewonnenen Erkenntnisse zur Einleitung eines Spül- und Reinigungsvorganges folgende verfahrenstechnische Maßnahmen vor:
Bei Erreichen
• einer vorgegebenen Druckdifferenz Ap, bezogen auf einen Anfangsdruck p9 am Ausgang der Druckerhöhungspumpe 9, und
• einer vorgegebenen Temperaturdifferenz AT zwischen Rohprodukt RP und separatem Wärmeträgermedium Wm2 in der Hocherhitzung HE, bezogen auf eine Anfangstemperaturdifferenz ATo, sind folgende Schritte (i) bis (iv) vorgesehen: Produktausschub - Figur 3
(i) Erstes Ausschieben A1 des Fertigprodukts FP aus der UHT-Anlage 100 in einen außerhalb der UHT-Anlage 100 angeordneten Steriltank mittels Wasser FW. Das Wasser FW wird über die Zulaufleitung für Wasser 14 der Zulaufleitung 13 oberstromig der Fördereinrichtung 12 zugeführt und das Fertigprodukt FP verlässt über den Austritt 13a den Teilbereich der UHT- Anlage 100. Die Druckerhöhungspumpe 9 und der Homogenisator 10 sind erfindungsgemäß im Betrieb.
Ausschub Mischphase und treibendes Wasser FW - Figur 4
(ii) Zweites Ausschieben A2 einer Mischphase aus Fertigprodukt FP und Wasser FW mittels einer sich anschließenden definierten Menge Wasser FW an dem Steriltank vorbei in einen Gully über die Ablaufleitung zum Gully 15. Das Wasser FW wird über die Zulaufleitung für Wasser 14 zugeführt und die Mischphase und die definierte Menge Wasser FW verlassen als Restprodukt RM über den fünften Leitungsabschnitt 13.5 und die Ablaufleitung zum Gully 15 den Teilbereich der UHT-Anlage 100. Die Druckerhöhungspumpe 9 und der Homogenisator 10 sind erfindungsgemäß im Betrieb.
Zirkulieren (Umlauf) mit Wasser FW - Figur 5
(iii) Zirkulieren Z von Wasser FW in der mit Roh- und/oder Fertigprodukt RP, FP kontaminierten UHT-Anlage 100 über eine Zirkulationszeit At, die sich aus dem vollständigen Abbau der Druckdifferenz Ap auf den Anfangsdruck p9 und der Temperaturdifferenz AT auf die Anfangstemperaturdifferenz ATo ergibt. Das Wasser FW wird über die Zulaufleitung 13 und den ersten bis fünften Leitungsabschnitt 13.1 bis 13.5 über den Vorlaufbehälter 11 zirkuliert. Die Druckerhöhungspumpe 9 und der Homogenisator 10 sind erfindungsgemäß im Betrieb, sodass das zirkulierende Wasser FW über die nach wie vor in Betrieb befindliche Wärmebehandlung W zumindest in den Zonen außerhalb der mit Direktwasser (separates Kühlwasser; separates Eiswasser) betriebenen Kühlung eine fortlaufende Sterilisierung erfährt. Überführen der UHT-Anlage in eine erneute Produktionsbereitschaft - Figur 5 Figur 1
(iv) Überführen UE der UHT-Anlage 100 in eine erneute Produktionsbereitschaft für eine bereitgestellte Batch-Menge Rohprodukt RP. Die UHT- Anlage 100 wird vom Vorlaufbehälter 11 aus mit Rohprodukt RB beschickt. Die Druckerhöhungspumpe 9 und der Homogenisator 10 sind erfindungsgemäß im Betrieb.
Figur 6 zeigt qualitativ das Zusammenspiel der Druckerhöhungspumpe 9 mit dem Homogenisator 10. Ein mittlerer Volumenstrom Q der Rohrinnenströmung RS (Q(RS)), wie er durch die Fördereinrichtung 12 aus dem Vorlaufbehälter 11 in die UHT-Anlage 100 näherungsweise kontinuierlich gefördert wird, ist auf der Ordinate und die Zeit t ist auf der Abszisse aufgetragen. Die Druckerhöhungspumpe 9 erzeugt mit einer ersten Pulsationsfrequenz f1 , resultierend aus beispielsweise n = 3 einfachwirkenden ersten Verdrängern 9a (siehe Figur 1), die stark vereinfacht dargestellte erste pulsierende Strömung PS1 , die sich dem mittleren Volumenstrom Q(RS) überlagert (RS + PS1 ). Die erste pulsierende Strömung PS1 habe die volumenstrombezogenen ersten Pulsationsmaxima (+/-) x1 . Der Homogenisator 10 erzeugt mit einer zweiten Pulsationsfrequenz f2, resultierend aus beispielsweise n = 5 einfachwirkenden zweiten Verdrängern 10a, die stark vereinfacht dargestellte zweite pulsierende Strömung PS2, die sich dem mittleren Volumenstrom Q(RS) überlagert (RS + PS2). Die zweite pulsierende Strömung PS2 habe die volumenstrombezogenen zweiten Pulsationsmaxima (+/-) x2. Das Ergebnis des Zusammenspiels zwischen der quasi kontinuierlichen originären Rohrinnenströmung RS, die überlagert ist von der ersten und der zweiten pulsierenden Strömung PS1 , PS2, eine resultierende pulsierende Rohrinnenströmung (Q(RS) + PS1 + PS2), entzieht sich den Möglichkeiten einer vereinfachenden Darstellung in Figur 6. Ihre Existenz und Wirksamkeit ist durch den vorstehend beschriebenen Praxisbetrieb der erfindungsgemäßen UHT-Anlage 100 belegt.
Verwendung
Das Verfahren und die UHT-Anlage 100 sind in besonderer Weise dazu geeignet, ein trinkfähiges Lebensmittelprodukt auf pflanzlicher Basis FP unter sterilen Bedingungen, wie mit Calcium angereicherte Mandelmilch, herzustellen. Diese Mandelmilch besteht aus der kontinuierlichen Phase TF+TM, die aus einer homogenen Mischung aus einer Trägerflüssigkeit TF und mindestens einem pflanzlichen Substrat TM besteht, wobei das pflanzliche Substrat TM aus in einer dafür vorgesehenen Flüssigkeit, wie Wasser, aufgeweichten und dann gepressten oder zermahlenen Mandeln hergestellt ist und das pflanzliche Substrat TM in die Trägerflüssigkeit TF, wie Wasser, mit einem Trockenmassegehalt von vorzugsweise 5 bis 10 % eingemischt und homogen verteilt ist, und der dispersen Phase B, die wenigstens aus einer festen Beimengung B besteht, mit vorzugsweise 1 .800 bis 2.000 mg Calciumcarbonat/Liter kontinuierliche Phase, wobei die disperse mit der kontinuierlichen Phase eine stoffliche Lösung in Form des Rohprodukts RP eingeht.
BEZUGSZEICHENLISTE DER VERWENDETEN ABKÜRZUNGEN
100 Teilbereich einer UHT-Anlage
1 (regenerativer) erster Wärmeaustauscher der Vorwärmzone
2 (regenerativer) zweiter Wärmeaustauscher der Vorwärmzone
3 Wärmeaustauscher der Vorerhitzerzone
(mit separatem Heißwasserkreis)
4 Wärmeaustauscher der Hocherhitzerzone
(mit separatem Heißwasserkreis)
5 Heißhalter
6 (regenerativer) erster Wärmeaustauscher der Kühlzone
7 zweiter Wärmeaustauscher der Kühlzone (mit separatem Kühlwasser)
8 dritter Wärmeaustauscher der Kühlzone (mit separatem Eiswasser))
9 Druckerhöhungspumpe
9a erster Verdränger (dreimal einfachwirkend)
10 Homogenisator anordnungsabhängig aseptisch oder nicht aseptisch arbeitend
10a zweiter Verdränger (fünfmal einfachwirkend)
11 Vorlaufbehälter
11a Eintritt zum Vorlaufbehälter
11b Austritt vom Vorlaufbehälter
11c Rühr- oder Mischeinrichtung
12 Fördereinrichtung
13 Zulaufleitung
13a Austritt
13b Eintritt
13.1 erster Leitungsabschnitt
13.2 zweiter Leitungsabschnitt
13.3 dritter Leitungsabschnitt
13.4 vierter Leitungsabschnitt
13.5 fünfter Leitungsabschnitt
14 Zulaufleitung für Wasser
15 Ablaufleitung zum Gully
20 Innenrohr A1 erstes Ausschieben
A2 zweites Ausschieben
B Beimengung (z.B. Calcium)
FP Fertigprodukt, sterilisiert, homogenisiert = trinkfähiges Lebensmittelprodukt auf pflanzlicher Basis (z.B. Mandelmilch mit Calcium-Anreicherung)
FW Wasser
HE Hocherhitzung
HG Homogenisierung
HZ Hocherhitzerzone
HH Heißhaltung
HHZ Heißhalterzone
K Kühlung
KZ Kühlzone
PS1 erste pulsierende Strömung (Druckerhöhungspumpe 9)
PS2 zweite pulsierende Strömung (Homogenisator 10)
Q Volumenstrom (mittlere Rohrinnenströmung)
Re Reynolds-Zahl
RM Restprodukt (Mischphase; Wasser)
RP Rohprodukt, unbehandelt = trinkfähiges Lebensmittelprodukt auf pflanzlicher Basis, unbehandelt
RS Rohrinnenströmung
Ta Ausfällungstemperatur (z.B. > 110 °C für Calcium in Mandelmilch)
TF Trägerflüssigkeit (z.B. Wasser)
TM pflanzliches Substrat (z.B. zermahlene Mandelkerne)
AT Temperaturdifferenz (Hocherhitzung: Rohprodukt/separates Wärmeträgermedium)
ATo Ausgangstemperaturdifferenz
(Hocherhitzung: Rohprodukt/separates Wärmeträgermedium)
UE Überführen
VE Vorerhitzung
VEZ Vorerhitzerzone
VW Vorwärmung
VWZ Vorwärmzone
W Wärmebehandlung
Wm1 regeneratives Wärmeträgermedium
Wm2 separates Wärmeträgermedium
Z Zirkulieren c* erhöhte Strömungsgeschwindigkeit f1 erste Pulsationsfrequenz f2 zweite Pulsationsfrequenz n Anzahl p9 Anfangsdruck (am Ausgang der Druckerhöhungspumpe 9)
Ap Druckdifferenz (bezogen auf Gegendruck p9) t Zeit
At Zirkulationszeit x1 volumenstrombezogenes erstes Pulsationsmaxima x2 volumenstrombezogenes zweites Pulsationsmaxima

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur UHT-Erhitzung eines trinkfähigen Lebensmittelprodukts auf pflanzlicher Basis unter sterilen Bedingungen,
• bei dem das Lebensmittelprodukt (RP; FP) in Form eines eingesetzten Rohprodukts (RP) eine homogene Mischung aus einer Trägerflüssigkeit (TF) und mindestens einem pflanzlichen Substrat (TM) eine kontinuierliche Phase (TF+TM) bildet und der kontinuierlichen Phase (TF+TM) wenigstens eine feste Beimengung (B) additiv zugegeben ist, die eine disperse Phase (B) darstellt und mit der kontinuierlichen Phase (TF+TM) eine stoffliche Lösung in Form des Rohprodukts (RP) eingeht,
• bei dem das Rohprodukt (RP) bis zu einem trinkfähigen Fertigprodukt (FP) in der nachstehend genannten Reihenfolge einer Wärmebehandlung (W) wenigstens durch eine Vorwärmung (VW), eine Vorerhitzung (VE), eine Hocherhitzung (HE), eine Heißhaltung (HH) und eine Kühlung (K) unterzogen wird sowie im Verlauf der Wärmebehandlung (W) eine Homogenisierung (HG) erfährt und
• bei dem die Wärmebehandlung (W) jeweils im indirekten Wärmeaustausch zwischen einer produktseitigen Rohrinnenströmung (RS) und einem rohraußenseitigen Wärmeträgermedium (Wm1 , Wm2) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einem Bereich der Wärmebehandlung (W), in dem oberhalb einer Ausfällungstemperatur (Ta) die wenigstens eine Beimengung (B) beginnt, aus der stofflichen Lösung, dem Rohprodukt (RP), auszufallen,
• der produktseitigen Rohrinnenströmung (RS) einerseits im Zuge einer Druckerhöhung mittels einer Druckerhöhungspumpe (9) eine erste pulsierende Strömung (PS1 ) aufgeprägt wird, die sich einer zweiten pulsierenden Strömung (PS2) innerhalb der produktseitigen Rohrinnenströmung (RS), resultierend aus der Homogenisierung (HG) mittels eines Homogenisators (10), überlagert, und
• die produktseitige Rohrinnenströmung (RS) andererseits auf eine hochturbulente Strömung mit einer Reynolds-Zahl (Re) oberhalb von 30.000 ausgelegt ist (Re > 30.000). Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Reynolds-Zahl (Re) in einem Wertebereich bevorzugt zwischen 35.000 und 80.000 (35.000 <.Re < 80.000) und besonders bevorzugt zwischen 50.000 und 80.000 ausgelegt ist (50.000 <.Re < 80.000). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erforderliche Reynolds-Zahl (Re) im Bedarfsfall durch eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit (c*) oberhalb von 2,5 m/s sichergestellt ist (c* > 2,5 m/s). Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit (c*) in einem Bereich oberhalb von 3,0 m/s ausgelegt ist (c* > 3,0 m/s). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass volumenstrombezogene erste Pulsationsmaxima (x1 ) der ersten pulsierenden Strömung (PS1 ) und volumenstrombezogene zweite Pulsationsmaxima (x2) der zweiten pulsierenden Strömung (PS2) unterschiedlich groß sind. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass volumenstrombezogene erste Pulsationsmaxima (x1 ) der ersten pulsierenden Strömung (PS1 ) eine erste Pulsationsfrequenz (f1 ) und volumenstrombezogene zweite Pulsationsmaxima (x2) der zweiten pulsierenden Strömung (PS2) eine zweite Pulsationsfrequenz (f2) aufweisen und die erste und die zweite Pulsationsfrequenz (f1 , f2) unterschiedlich groß sind.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Kombination der Merkmale der Ansprüche 5 und 6.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Pulsationsfrequenz (f1) kleiner als die zweite Pulsationsfrequenz (f2) ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Pulsationsfrequenz (f1) zur zweiten Pulsationsfrequenz (f2) wie 3 zu 5 verhält (f1/f2 = 3/5).
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausfällungstemperatur (Ta) in der Hocherhitzung (HE) und ggf. bereits in der Vorerhitzung (VE) oberhalb von 110 °C verortet ist und als Kriterium für die Anwendung der erfindungsgemäßen Merkmale des Anspruchs 1 dient.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen
• einer vorgegebenen Druckdifferenz (Ap), bezogen auf einen Anfangsdruck (p9) am Ausgang der Druckerhöhungspumpe (9), und
• einer vorgegebenen Temperaturdifferenz (AT) zwischen Rohprodukt (RP) und einem separatem Wärmeträgermedium (Wm2) in der Hocherhitzung (HE), bezogen auf eine Anfangstemperaturdifferenz (ATo), folgende Schritte (i) bis (iv) vorgesehen sind:
(i) erstes Ausschieben (A1) des Fertigprodukts (FP) aus der UHT-Anlage (100) in einen außerhalb der UHT-Anlage (100) angeordneten Steriltank mittels Wasser (FW); (ii) zweites Ausschieben (A2) einer Mischphase aus Fertigprodukt (FP) und Wasser (FW) mittels einer sich anschließenden definierten Menge Wasser (FW) an dem Steriltank vorbei in einen Gully;
(iii) Zirkulieren (Z) von Wasser (FW) in der mit Roh- und/oder Fertigprodukt (RP; FP) kontaminierten UHT-Anlage (100) über eine Zirkulationszeit (At), die sich aus dem vollständigen Abbau der Druckdifferenz (Ap) auf den Anfangsdruck (p9) und der Temperaturdifferenz (AT) auf die Anfangstemperaturdifferenz (ATo) ergibt und
(iv) Überführen (UE) der UHT-Anlage (100) in eine erneute Produktionsbereitschaft für eine bereitgestellte Batch-Menge Rohprodukt (RP). Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet,
• dass im Verlauf des Zirkulierens (Z) der zirkulierte Volumenstrom Wasser (FW) schrittweise über die Druckerhöhungspumpe (9) in Verbindung mit dem Homogenisator (10) reduziert wird,
• dass dabei die Abnahme der Druckdifferenz (Ap) und der Temperaturdifferenz (AT) überwacht und jeweils maximale Gradienten ermittelt werden und
• dass das Zirkulieren (Z) unter den Zirkulationsbedingungen am Optimum der ermittelten Maxima bis zum Erreichen des Anfangsdruckes (p9) und der Anfangstemperaturdifferenz (ATo) fortgeführt wird. UHT-Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur UHT-Erhitzung eines trinkfähigen Lebensmittelprodukts auf pflanzlicher Basis unter sterilen Bedingungen,
• wobei das Lebensmittelprodukt (RP; FP) in Form eines eingesetzten Rohprodukts (RP) eine homogene Mischung aus einer Trägerflüssigkeit (TF) und mindestens einem pflanzlichen Substrat (TM) eine kontinuierliche Phase (TF+TM) bildet und der kontinuierlichen Phase (TF+TM) wenigstens eine feste Beimengung (B) additiv zugegeben ist, die eine disperse Phase (B) darstellt und mit der kontinuierlichen Phase (TF+TM) eine stoffliche Lösung in Form des Rohprodukts (RP) eingeht, • wobei die UHT-Anlage (100) ausgebildet ist zur Wärmebehandlung (W) des Rohprodukts (RP) mit dem Ziel der Herstellung eines trinkfähigen Fertigprodukts (FP), mit einer, in Strömungsrichtung des Rohprodukts (RP) gesehen, Vorwärmzone (VWZ), die wenigstens einen ersten (1 ) und erforderlichenfalls einen zweiten Wärmeaustauscher der Vorwärmzone (2) aufweist, einer Vorerhitzerzone (VEZ), die wenigstens einen dritten Wärmeaustauscher der Vorerhitzerzone (3) aufweist, mit einer Hocherhitzerzone (HZ), die wenigstens einen Wärmeaustauscher der Hocherhitzerzone (4) aufweist, mit einer Heißhalterzone (HHZ), die wenigstens einen Heißhalter (5) aufweist, mit einer Kühlzone (KZ), die wenigstens einen ersten Wärmeaustauscher der Kühlzone (6) und erforderlichenfalls einen zweiten und einen dritten Wärmeaustauscher der Kühlzone (7, 8) aufweist, und im Verlauf der Wärmebehandlung (W) mit einem Homogenisator (10),
• wobei die Wärmeaustauscher (1-4; 6-8) jeweils als Rohrbündel-Wärmeaustauscher ausgebildet und in Reihenschaltung angeordnet sind, in denen ein indirekter Wärmeaustausch zwischen dem Rohprodukt (RP), das in mehreren parallel angeordneten Innenrohren (20) strömt und dort eine Rohrinnenströmung (RS) ausbildet, und einem Wärmeträgermedium (Wm1 , Wm2), das die Innenrohre (20) rohraußenseitig umströmt, erfolgt, dadurch gekennzeichnet,
• dass ein Vorlaufbehälter (11) vorgesehen ist, der mit dem ersten Wärmeaustauscher der Vorwärmzone (1) über eine Zulaufleitung (13), in der eine Fördereinrichtung (12) angeordnet ist, fluidgängig verbunden ist,
• dass eine Zulaufleitung für Wasser (14) oberstromig der Fördereinrichtung (12) in die Zulaufleitung (13) einmündet,
• dass der Vorlaufbehälter (11 ) fluidgängig in ein Zirkulationsleitungssystem eingebunden ist, das die Wärmeaustauscher (1-4; 6-8) und den Heißhalter (5) bis zu einem Steriltank und einen den Steriltank im Bypass umgehenden, zum Vorlaufbehälter (11) führenden fünften Leitungsabschnitt (13.5) und die Zulaufleitung (13) umfasst, und • dass unterstromig des ersten Wärmeaustauschers der Vorwärmzone (1 ) eine Druckerhöhungspumpe (9) und unterstromig des ersten Wärmeaustauschers der Kühlzone (6) der Homogenisator (10) angeordnet sind. UHT-Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Einmündungsbereich des fünften Leitungsabschnitts (13.5) in den Vorlaufbehälter (11 ) aus dem fünften Leitungsabschnitt (13.5) eine Ablaufleitung zu einem Gully (15) ausmündet. UHT-Anlage nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckerhöhungspumpe (9) als Kolbenpumpe mit drei einfachwirkenden Kolben ausgebildet ist. UHT-Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Homogenisator (10) als Kolbenpumpe mit fünf einfachwirkenden Kolben ausgebildet ist. UHT-Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckerhöhungspumpe (9) für einen Gegendruck ausgelegt ist, der die Reynolds-Zahl (Re) der Ansprüche 1 oder 2 oder die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit (c*) der Ansprüche 3 oder 4 sicherstellt, und dass die produktbeaufschlagten Bereiche der UHT-Anlage (100) zwischen der Druckerhöhungspumpe (9) und dem Homogenisator (10) für diesen Gegendruck ausgelegt sind. UHT-Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenrohre (20) der Rohrbündel-Wärmeaustauscher (1-4; 6-8) jeweils die Merkmale des Gegenstandes der EP 1 567 818 B1 aufweisen. Trinkfähiges Lebensmittelprodukt auf pflanzlicher Basis wie Mandelmilch, bestehend aus der kontinuierlichen Phase (TF+TM), die aus einer homogenen Mischung aus einer Trägerflüssigkeit (TF) und mindestens einem pflanzlichen Substrat (TM) besteht, wobei das pflanzliche Substrat (TM) aus in einer dafür vorgesehenen Flüssigkeit, wie Wasser, aufgeweichten und dann gepressten oder zermahlenen Mandeln hergestellt ist und das pflanzliche Substrat (TM) in die Trägerflüssigkeit (TF), wie Wasser, mit einem Trockenmassegehalt von 5 bis 10 % eingemischt und homogen verteilt ist, und der dispersen Phase (B), die wenigstens aus einer festen Beimengung (B) besteht, mit
1.800 bis 2.000 mg Calciumcarbonat/Liter kontinuierliche Phase, wobei die disperse (B) mit der kontinuierlichen Phase (TF+TM) eine stoffliche Lösung in Form des Rohprodukts (RP) eingeht, und hergestellt durch Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche
1 bis 12 oder durch Wärmebehandlung (W) in der UHT-Anlage nach einem der Ansprüche 13 bis 18.
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