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Verfahren zum Pasteurisieren oder Sterilisieren von flüssigen Nährprodukten
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum kontinuierlichen: Pasteurisieren
oder Sterilisieren von sich in. flüssigem oder halbflüssigem Zustand darstellenden
Nährprodukten od. dgl., wie z. B. Milchprodukte, Obstsäfte, Konserven usw.
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Es ist bereits bekannt, Produkte der vorerwähnten Art dadurch zu pasteurisieren
oder zu sterilisieren, daß in das vorzugsweise feinverteilte Produkt Wasserdampf
eingespritzt wird, wonach das warme Produkt mindestens einer Entspannung bei einem
Druck ausgesetzt wird, der zwischen dem der Anfangstemperatur des zu pasteurisierenden
Produkts entsprechenden Druck und dem der Pasteurisier- oder Steirilisiertemperatur
entsprechenden Druck liegt, wobei der bei dieser Entspannung entstehende Dampf zum
Vorwärmen des Produkts vor dem Pasteurisierprozeß ausgenutzt wird. Es ist ferner
bekannt, den; bei der vorerwähnten Entspannung des pasteurisierten Produkts entstehenden
Dampf direkt in: das feinverteilte zu behandelnde Produkt einzuführen, so daß dieser
Dampf die Vorerwärmung des Produkts durch seine Mischung mit diesem.gewährleistet.-Es
ist verständlich, daß die Menge des zum Pasteurisieren oder Sterilisieren des Produkts
einzuführenden Frischdampfes geringer wird, wenn die Vorwärmung bis auf -eine Temperatur
durchgeführt worden ist, die nahe der Pasteurisier- oder Sterilisiertemperatur liegt.
Dieses Ergebnis ist besonders beim Pasteurisieren oder Sterilisieren von Milch von
Bedeutung, da es dabei unbedingt erforderlich ist, eine unveränderte Zusammensetzung
des Endprodukts zu erzielen. Die Einführung von aus der Milch selbst während der
Entspannung entstehendem Dampf in die Milch zu deren Vorwärmung ist in dieser Beziehung
besonders vorteilhaft, denn die- Folge davon ist, daß Aromen in die Milch wieder
eingeführt werden, die sonst aus dem Endprodukt. auf Kosten seines Geschmacks ausgeschieden
werden.
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Von dieser Betrachtung ausgehend, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
anstatt den Dampf, der bei. der Entspannung nach dem Pasteurisieren des Produkts
aus diesem entweicht, zum Vorwärmen des- zu behandelnden Produkts diesen Dampf mechanisch
zu verdichten, und zwar bis zu einem Druck., der über dem der Pasteurisier- oder
Sterilisiertemperatur entsprechenden Druck liegt und den Dampf bei dieser Temperatur
in den vorzugsweise feinverteilten Stoff einzuspritzen, zum Pasteurisieren oder
Sterilisieren des Produkts, Durch die Verwendung von aus dem Produkt selbst sich
entwickelndem Dampf fällt die Einführung von Frischdampf in das Produkt beim Pasteurisieren
oder Sterilisieren vollständig aus; so daß die Zusammensetzung des erhaltenen Produkts
praktisch dieselbe ist wie diejenige des Anfangsprodukts, was von großem Vorteil
ist, insbesondere bei der Verarbeitung von Milch. .
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Bei der Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung kann der sich
bei der Entspannung des pasteurisierten oder sterilisierten Produkts entwickelnde
Dampf bis zum.. gewünschten Druck mit Hilfe eines Kompressors in einer einzigen
Stufe verdichtet werden, bevor er in die Pasteurisier- oder Sterilisierkammer über
ein Reduzierventil eingeführt wird, das seinen Druck bis zu dem der Pasteurisier-oder
Sterilisiertemperatur entsprechenden Wert vermindert.
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Die Entspannung des der Einspritzung von Pasteurisier- oder Sterilisierdampf
bereits ausgesetzten warmen Produkts kann auch in mehreren Stufen ausgeführt werden,
und zwar auf von dem der Pasteurisier- oder Sterilisiertemperatur entsprechenden
Druck bis zu dem der Anfangstemperatur des zu behandelnden Produkts entsprechenden
Druck, wobei die bei diesem aufeinanderfolgenden Entspannungen entstehenden Dämpfe
in mehrere Stufen wieder verdichtet werden können, und zwar auf Drücke, die von
dem letzten Entspannungsdruck bis zu einem Druck steigen, der höher ist als derjenige,
der der Pasteurisier- oder Sterilisiertemperatur entspricht.
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Diese zuletzt genannte Durchführungsweise des Verfahrens erfordert
die Verwendung von mehreren Kompressoren oder von einem mehrstufigen Kompressor,
bietet
aber den Vorteil, daß zum Erreichen des Enddruckes des Pasteurisier- oder Sterilisierdampfes
der Kraftverbrauch dadurch geringer wird, daß die Summe der zum Verdichten des Dampfes
aus jeder Entspannungsstufe bis zur nächsthöiher gelegenen Stufe erforderlichen
Kräfte bedeutend geringer ist als die Kraft, die notwendig ist, um einen einzigen
Arbeitsgang den aus einer einzigen Entspannung stammenden Dampf bis zu dem verhältnismäßig
hohen Druck zu verdichten, unter welchem der Pasteurisier- oder Sterilisierdampf
eingeführt werden muß.
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Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßer Verfahrens, die
sowohl im Falle einer einstufigen Entspannung des pasteurisierten Produkts und der
Verdichtung der durch diese Entspannung entstehenden Dämpfe als auch im Falle mehrstufiger
Arbeitsgänge verwendet werden kann, besteht darin, daß das zu pasteurisierende oder
zu sterilisierende Produkt durch den oder die Dampfkompressoren geleitet wird, wobei
der Austritt des Kompressors der letzten Stufe durch eine entsprechend bemessene
Leitung verlängert wird, die die Pasteurisier- oder Sterilisierkammer bildet, und
hinter welche das pasteurisierte oder sterilisierte Produkt in einer oder mehreren
Stufen bis zum gewünschten Druck entspannt wird. Dadurch wird eine wirksame Mischung
des Produkts mit den Entspannungsdämpfen in dem oder den Kompressoren erzielt. Die
mit dem zu behandelnden Produkt verdichteten Dämpfe kondensieren in dem Produkt
bei stärker werdender Verdichtung entweder im Kompressor selbst oder bei den nächsten
Stufen. Die Dampfmenge vermindert sich somit vom Eintritt bis zum Austritt des oder
der Kompressoren, wodurch eine sehr bedeutende Ersparnis an Kraft erzielt wird.
Andererseits erfolgt oder beendet sich die Pasteurisierung oder Sterilisierung in
den Austritt des Kompressors der letzten Stufe verlängernden Leitung, so daß es
nicht mehr erforderlich ist, eine gesonderte Pasteurisier- oder Sterilisierkammer
und Hilfsvorrichtungen für die Feinverteilung des Produkts vorzusehen.
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In einer veränderten Ausführungsform des letztgenannten Verfahrens
wird das pasteurisierte oder sterilisierte Produkt nur einer einzigen Entspannung
ausgesetzt, wonach das Produkt zusammen mit dem durch diese Entspannung erzeugten
Dampf durch mehrere aufeinanderfolgende Verdichtungsstufen durchgeleitet wird, wobei
der Austritt des Kompressors der letzten Stufe wie vorerwähnt durch eine Leitung
verlängert wird, welche die Pasteurisier-oder Sterilisierkammer bildet und hinter
welcher das pasteurisierte oder sterilisierte Produkt der vorgenannten Entspannung
unterworfen wird.
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In allen Fällen kann das zu behandelnde Produkt vor der Behandlung
einer Vorerwärmung ausgesetzt werden, indem z. B. ein Flächenaustauscher vorgesehen
wird, in welchen entweder Dampf oder das nach dem Pasteurisieren entspannte Produkt
in Gegenströmung geleitet wird, wobei in diesem Fall durch die Vorwärmung gleichzeitig
eine Kühlung des behandelten Produkts stattfindet. Man kann auch auf jegliche Vorwärmung
des zu behandelnden Produkts verzichten und dieses unmittelbar von seinerAnfangstemperatur
bis auf die Pasteurisier- oder Sterilisiertemperatur durch eine Dampfeinspritzung
bringen, die aus .der nachträglichen Entspannung des Produkts gewonnen wird und
auf den entsprechenden Druck verdichtet wird.
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Zum Einleiten des Pasteurisier- oder Sterilisierverfahrens kann in
jedem Fall an einer geeigneten Stelle der die Entspannungskammer mit der Pasteurisier-
oder Sterilisierkammer verbindenden Leitung eine geeignete Menge Frischdampf eingeführt
werden, sodann ein Teil des Produkts auf die gewünschte Pasteurisier- oder Sterilisiertemperatur
gebracht wird, wobei diese Dampfeinführung unterbrochen wird, sobald der Prozeßeingeleitet
ist und die Pasteurisiertemperatur allein durch die Einspritzung des Dampfes erreicht
werden kann, der durch die der Pasteurisierung folgende Entspannung erzeugt wird.
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Die Zeichnung stellt schematisch in den. Fig. 1 bis 5 verschiedene
Pasteurisier- oder Sterilisieranlagen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
dar.
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Gemäß Fig. 1 ist mit 1 ein Röhrenaustaus.cher bezeichnet, durch welchen
das zu pasteurisierende Produkt, z. B. Milch, durch eine Pumpe 2 in Umlauf versetzt
wird. Das Produkt wird durch in 3 eingeführten Dampf vorgewärmt und das Kondensat
in 4 abgeführt. Das vorgewärmte Produkt wird in die Pasteurisier- oder Sterilisierkammer
5 durch eine Leitung 6 eingeleitet, deren inneres Ende eine geeignete Zerstäubungsdüse
7 trägt. Der Unterteil der Kammer 5 ist durch eine mit einem Reduzierventil9 versehene
Leitung 8 mit einer Entspannungskammer 10 verbunden, wobei die Leitung 8 in diese
letztgenannte Kammer hineinragt und an ihrem inneren Ende eine Zerstäubungsdüse
11 trägt.
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Erfindungsgemäß ist mit dem Oberteil der Entspannungskammer 10 die
Saugseite eines mechanischen Kompressors 12 (vorzugsweise mit getrennter Ölkammer)
verbunden, dessen Druckseite durch eine mit einem Reduzierventil 14 versehene Leitung
13 an die Pasteurisier- oder Sterilisierkammer 5 angeschlossen ist. An einer geeigneten
Stelle der die Entspannungskammer 10 mit der Pasteurisierkammer 5 verbindenden Leitung,
z. B. zwischen der Kammer 10 und dem Kompressor 12, ist eine mit einem Ventil 16
versehene Leitung 15 zum Einführen des Anlaufdampfes angeschlossen.
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Mit dem Unterteil der Entspannungskammer 10 ist die Saugseite einer
Entnahmepumpe 17 verbunden, deren Druckseite am einen Röhrenaustauscher 18 angeschlossen
ist, in welchen in 19 Kühlwasser eingeführt ist, das in 20 abgeführt wird. Das aus
dem Austauscher 19 kommende kalte Produkt wird in einem Trog 21 gesammelt. Oben
trägt die Pasteurisierkammer 5 eine Entlüftungsöffnung 22 bekannter Art, die durch
ein Ventil 23 abgeschlossen werden kann.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Vorrichtung ist folgende: Falls
es sich um das Sterilisieren von Milch handelt, wird die zu behandelnde Milch in
den Vorwärmer 1 bei einer Anfangstemperatur von etwa 15°, z. B. durch die Pumpe
2; befördert und wird in dem Vorwärmer auf eine Temperatur von etwa 100° gebracht.
Dic vorgewärmte Milch wird durch die Leitung 6 in die Sterilisierkammer 5 eingeführt,
nachdem sie durch die Düse, 7 fein verteilt wurde. Die auf diese Art feinverteilte
Milch wird durch den: in die Kaminer 5 über die Leitung 13 eingeführten Dampf schnell
auf die Sterilisiertemperatur von etwa 140° gebracht. Bei Beginn dieses Arbeitsganges
ist dieser Dampf durch die Dampfquelle in 15 geliefert, und das Ventil 16 wird geschlossen,
sobald die normale Arbeit der Anlage angelaufen ist, wie später erläutert wird.
Die wähnend dieser Anlaufzeit behandelte kleine Menge Milch, in welcher sich naturgemäß
eine gewisse Menge von Frischdampf befindet, kann gegebenenfalls am Austritt des
Apparates wieder abgeführt werden.
Die in der Kammer 5 sterilisierte
Milch sammelt sich im Unterteil dieser Kammer und wird durch die Leitung 8 in die
Entspannungskammer 10 geführt. Die in dieser stattfindende Entspannung hat eine
Herabsetzung der Temperatur zur Folge, die dann etwa 100° beträgt. Der im Laufe
dieser Entspannung entstehende Dampf wird durch den Kompressor 12 auf den gewünschten
Druck, z. B. 3 atü, verdichtet, wobei die Temperatur des Dampfes höher wird als
die Sterilisiertemperatur. Dieser verdichtete Dampf wird danach in die Sterilisierkammer
5 über das Reduzierventi.l 14 eingeleitet, «-elches den Dampfdruck bis auf den der
Sterilisiertemperatur entsprechenden Wert vermindert, z. B. 2,7 atü für eine Sterilisiertemperatur
von etwa 140°.
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Daraus geht hervor, daß nach der vorerwähnten kurzen Anlaufzeit das
Sterilisieren der Milch allein durch den aus der Milch selbst stammenden Dampf bewirkt
wird, so daß jede Einführung von fremdem Dampf in die Milch vermieden wird und die
während der Entspannung der Milch in der Kammer 10 entweichenden. dampfförmigen
Aromen in die Milch wieder eingeleitet werden. Die Endzusammensetzung der behandelten
Milch bleibt somit dieselbe wie am Anfang, und der auf der Entlüftungsöffnung 22
der Sterilisierkammer 5 angeordnete Hahn23 wird so eingestellt, daß er nur die geringe
in den Milchpartikeln eingeschlossene Luftmenge entweichen läßt.
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Die sterilisierte :Milch wird aus dem Unterteil der Entspannungskammer
10 durch die Entnahmepumpe 17 durch den Austauscher 18 geleitet, in welchem sie
eine zusätzliche Kühlung bis zu einer Temperatur von etwa 30° erfährt, bevor sie
im Trog 21 gesammelt wird.
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Selbstverständlich kann die in Fig. 1 dargestellte Anlage unter ähnlichen
Bedingungen, bis auf die Behandlungstemperaturen, auch zum Pasteurisieren von Milch
und ganz allgemein zum Pasteurisieren oder Sterilisieren von allen flüssigen oder
halbflüssigen Nährmitteln verwendet werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.2 sind die gleichen Teile durch
dieselben Bezugszahlen bezeichnet wie in Fig. 1. Das im Wärmeaustauscher 1 vorgewärmte
zu behandelnde Produkt, z. B. Milch, wird in die Pasteurisier- oder Sterilisierkammer
5 eingeleitet und zerstäubt. Der Unterteil dieser Kammer ist durch eine mit einem
Reduzierventil9 versehene Leitung 8 mit einer :ersten Entspannungskammer 10 verbunden,
in welche die Leitung 8 durch eine Zerstäubungsdüse 11 hineinragt. Der Unterteil
der Kammer 10 ist durch eine mit einem Reduzierventil 26 versehene Leitung 25 mit
einer zweiten Entspannungskammer 24 verbunden, in welche die Leitung 25 durch eine
Zerstäubungsdüse 27 hineinragt.
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Falls es sich wie- im vorhergehenden Beispiel um das Sterilisieren
von Milch handelt, wird diese in dem Vorwärmer 1 bei einer Anfangstemperatur von
etwa 15° eingeleitet und dort auf eine Temperatur von etwa 100° gebracht. Das Sterilisieren
erfolgt in der Kammer 5 bei einer Temperatur von z. B. etwa 140°. Die in: dieser
Kammer sterilisierte Milch erfährt in der Kammer 1 eine erste Entspannung, die ihre
Temperatur auf etwa 125° herabsetzt. In der Kammer 24 findet eine zweite Entspannung
statt, die die Temperatur der Milch bis auf etwa 100° herabsetzt. Die in 28 im Unterteil
der Kammer 24 abgeführte sterilisierte Milch kann wie im vorhergehenden Beispiel
einer zusätzlichen Kühlung ausgesetzt werden. Erfindungsgemäß wird der in der Entspannungskammer
24 entstehende Dampf durch einen Kompressor 29 auf einen Druck verdichtet, der dem
Druck des in der ersten Entspannungskammer 10 entstehenden Dampfes ungefähr gleich
ist, d.. h. im beschriebenen Beispiel auf den der Temperatur von 125° entsprechenden
Druck, d. h. 1,4 atü. Der aus dem Kompressor 29 und aus der ersten Entspannungskammer
10 austretende Dampf wird durch einen zweiten Kompressor 30 auf einen Druck von
etwa 3 atü verdichtet, der einer höheren Temperatur als der der Sterilisiertemperatur
entspricht. Der so verdichtete Druck wird in die Sterilisierkammer 5 über ein Reduzierventil
14 eingeleitet, welches seinen Druck bis zu dem der Sterilisiertemperatur entsprechenden
Wert herabsetzt, d. h. im vorliegenden Beispiel auf einen Druck von etwa 2,7 atü,
der einer Sterilisiertemperatur von etwa 140° entspricht.
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Zwischen dem Kompressor 29 und der Entspannungskammer 24 ist eine
mit einem Ventil 16 versehene Dampfleitung 15 vorgesehen; die, wie vorher beschrieben,
zum Anlaufen des Prozesses dient.
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Bei der Anlage nach Fig. 3 ist nur eine Entspan, nungs- und Kompressionsstufe
vorgesehen. Das zu pasteurisierende oder zu sterilisierende Produkt wird aber durch
den Kompressor geleitet, der den aus der Entspannung stammenden Dampf verdichtet.
Im gezeichneten Beispiel wird der in. der einzigen Entspannungskammer 10 entstehende
Dampf über eine Leitung 31 von einem Kompressor 32 aufgenommen, der gleichzeitig
das im Austauscher 1 vorgewärmte Produkt ansaugt und das Gemisch in eine Leitung
33 fördert, die die Pasteurisier- oder Sterilisierkammer bildet. Falls es sich wie
in dem vorhergehenden Beispiel um das Sterilisieren von Milch bei einer Temperatur
von etwa 140° handelt, wobei die Temperatur des aus der Entspannungskammer 10 kommenden
Dampfes und die Temperatur des aus dem Vorwärmer 1 austretenden Produkts beide etwa
100° betragen, dann muß der Verdichtungsgrad des Kompressors 32 so bemessen sein,
daß das über die Leitung 33 beförderte Gemisch auf eine Temperatur von etwa 140°
gebracht wird. Durch die sehr wirksame Durchmischung der Milch und des Dampfes innerhalb
des Kompressors kann das Sterilisieren der Milch in der Leitung 33 in sehr kurzer
Zeit erfolgen, wobei die genannte Leitung so bemessen sein muß, daß dieses Ergebnis
ohne Zerstörung der Milcheigenschaften erzielt wird. Am Austritt der Leitung 33
ist ein Reduzierventil34 vorgesehen, an welches eine Leitung 35 angeschlossen ist,
die in die Kammer 10 durch eine Zerstäubungsdüse 36 mündet. Mit Hilfe dieses Reduzierventils
wird die Milch in der Kammer entspannt, damit ihre Temperatur bis zur angegebenen
Temperatur von etwa 100° herabgesetzt wird. Wie in den vorerwähnten Beispielen kann
zum Anlauf der Anlage eine zusätzliche Dampfzuführungsleitung 15 vorgesehen sein,
die an die Verbindungsleitung 31 zwischen der Entspannungskammer 10 und dem Kompressor
32 angeschlossen ist.
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Fig. 4 stellt eine Anwendung gemäß Fig. 3 auf eine Anlage mit mehreren
Entspannungs- und Verdichtungsstufen dar. In. diesem Fall besteht die Anlage aus
einer ersten Entspannungskammer 10, deren Unterteil ähnlich wie im Beispiel nach
Fig. 1 mit einer zweiten Entspannungskammer 24 verbunden ist. Der in der Kammer
24 entstehende Dampf wird über eine Leitung 37 von einem Kompressor 38 aufgenommen,
der gleichzeitig das aus dem Vorwärmer 1 kommende Produkt ansaugt und das Gemisch
auf einen Druck verdichtet, der demjenigen des sich in der ersten Entspannungskammer
10 entwickelnden
Dampfes im wesentlichen gleich ist. Das vom Kompresso@r
39 verdichtete Gemisch erhält außerdem den in der Kammer 10 entstehenden Dampf,
der über eine Leitung 40 zugeleitet wird. Das so gebildete Gemisch wird anschließend
durch den Kompressor 39 so verdichtet, daß es in die anschließende Leitung 41 unter
einem Druck befördert wird, der der Pasteurisier-oder Sterilisiertemperatur entspricht.
Das aus der Leitung 41 austretende pasteurisierte Produkt wird von einem Reduzierventil
42 in der Kammer 10 entspannt, indem es in diese Kammer über eine mit einer Zerstäubungsdüse
44 versehene Leitung 43 eingeführt wird. Mit 15 ist der Eintritt des Anlaufdampfes
bezeichnet, der z. B. über die Leitung 37 zugeleitet wird: Bei der veränderten Ausführungsform
nach Fig. 5 ist nur eine Entspannungskammer 10 vorgesehen. Der sich in dieser Kammer
bildende Dampf wird mit Hilfe von zwei nacheinander geschalteten Kompressoren 45
und 46 in zwei Stufen verdichtet. Das aus dem Austauscher 1 austretende vorgewärmte
Produkt läuft ebenfalls hintereinander durch die beiden Kompressoren. Die Verdichtung
des Produkt-Dampf-Gemisches im ersten Kompressor 45 ist derart bemessen, daß die
Temperatur des Gemisches am Austritt des Kompressors zwischen der Vorwärmungstemperatur
und der Pasteurisier- oder Sterilisiertemperatur liegt, während die Verdichtung
des Gemisches im zweiten Kompressor 46 so erfolgt, daß sich das Gemisch am Austritt
dieses Kompressors auf der Pasteurisier- oder Sterilisiertemperatur befindet. Dieser
letzte Arbeitsvorgang erfolgt wie vorher in einer Leitung 47 geeigneter Abmessung,
die mit dem Austritt des Kompressors 46 verbunden ist und an welche ein Reduzierventil
48 angeschlossen ist, das mit der Entspannungskammer 10 durch eine mit einer Verstäubungsdüse
50 versehene Leitung 49 verbunden ist.
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Selbstverständlich können die Kompressoren durch einen einzigen mehrstufigen
Kompressor ersetzt werden.
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Andererseits kann bei den verschiedenen beschriebenen und dargestellten
Anwendungen die Vorwärmüng des Produkts anstatt durch Dampf mit Hilfe eines Gegenstromumlaufs
in einem einzigen Flächenaustauscher des zu behandelnden Produkts und des aus der
letzten Entspannungskammer abgezogenen pasteurisierten Produkts erfolgen, wobei
in diesem Fall ein gleichzeitiges Abkühlen des behandelten Produkts stattfindet.