DE2245320C3

DE2245320C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Gefrierkonzentrieren von Lösungen

Info

Publication number: DE2245320C3
Application number: DE19722245320
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Ing. 6242 Kronberg Steinbach
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-09-15
Filing date: 1972-09-15
Publication date: 1979-08-09
Also published as: SE401454B; GB1433538A; DE2245320A1; FR2200029B1; JPS4993965A; NL7312616A; FR2200029A1; CH563177A5; DE2245320B2

Description

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Sehr viele Fruchtsäfte, Fruchtextrakte, Chemikalien und Pharmazeutika fallen bei ihrer Produktion in einer sehr niedrigen Konzentration von max. IO bis 15% Feststoffgehalt an. Aus verschiedenen Gründen ist es oft erwünscht, die Feststoffkonzentration zu erhöhen bzw. die Wasserkonzentration herabzusetzen. Hierzu werden verschiedene Verfahren angewandt, z. B. Eindampfen, Trocknen, Extrahieren, umgekehrte Osmose oder Gefrierkonzentrieren. Während das Eindampfen mit recht niedrigen Kosten durchgeführt werden kann, sind die Verfahren der umgekehrten Osmose, des Trocknens und besonders des Gefriertrocknens, und des Gefrierkonzentrierens noch sehr teuer und aufwendig. Gerade das Eindampfen besitzt aber Nachteile, die darauf « zurückzuführen sind, daß das Produkt erhitzt werden muß, um das Lösungsmittel Wasser in die Dampfphase zu überführen. Durch das Erhitzen ergeben sich insbesondere bei den aus wirtschaftlichen Gründen erforderlichen höheren Arbeitstemperaturen Verände- «i rungen des einzudampfenden Produkts, die sich unter anderem geschmacklich, oder durch Verlust wertvoller Vitamine und anderer Inhaltstoffe auswirken. Ein weiterer Nachteil des Eindampfens besteht darin, daß durch das Erhitzen nicht nur das Lösungsmittel Wasser, h j sondern viele andere flüchtige Stoffe, wie die Aionastoffe, verloren gehen. Somit entsteht durch das Eindampfen im allgemeinen ein relativ geringerwertiges Produkt

Durch das Trocknen wird das Wasser nahezu vollständig entzogen, was in vielen Fällen unerwünscht ist Auch hierbei können durch Erhitzen und durch den Verdampfungs- oder Verdunstungsvorgang, der auch beim Trocknen zum Entzug des V/assers angewandt werden muß, flüchtige Aroma- und andere Gehaltsstoffe verloren gehen.

Die Extraktion ist nur in wenigen Fällen anwendbar; die umgekehrte Osmose ist bisher noch nicht so weit ausgereift, daß sie überall vorteilhaft angewandt werden könnte.

Ganz besondere Vorteile bietet das Gefrierkonzentrieren. Das Lösungsmittel Wasser wird nicht in die Dampfphase, sondern in die feste kristalline Phase als Eis überführt Durch mechanische Verfahren, z. B. Zentrifugieren, Filtern, Sieben, Pressen und Waschen kann die feste Phase, die aus fast reinem Eis besteht, von der flüssigen Phase, die nahezu alle löslichen Stoffe enthält, getrennt werden. Es lassen sich auf diesem Wege Konzentrate mit einem Feststoffgehalt von etwa 40 ,bis 50% erzeugen. Da die Aromastoffe, meistens ätherische öle, ebenfalls nicht in die kristalline Phase übergehen, sondern in der Lösung zurückbleiben und da bei tiefen Temperaturen nahezu alle chemischen Reaktionen unterbunden sind, bleiben die hochwertigen Inhaltstoffe hinsichtlich ihrer Konzentration und ihrer chemischen Zusammensetzung unverändert erhalten.

Das Gefrierkonzentrieren wird daher zur Zeit als ein ideales Verfahren zur Herstellung von hochwertigen Konzentraten aus Fruchtsäften u. dgl. angesehen. Einer weiteren Verbreiterung stehen vorwiegend die hohen Kosten des Gefrierkonzentrierens sowie in manchen Fällen ein geringer Produktverlust entgegen, der durch das Haften von Konzentrat an den Eiskristallen hervorgerufen wird. Aus Kostengründen wird auch heute noch von den meisten Verarbeitern von Säften das Eindampfen zur Herstellung von Konzentraten angewandt. Nur in besonderen Fällen, wo es sich entweder um sehr hochwertige Ausgangsstoffe handelt, wie Kaffeextrakt und Teextrakt, oder wo der Verbraucher bereit ist, höhere Preise für ein hochwertiges Produkt zu bezahlen, wird das Gefrierkonzentrieren angewandt.

Obwohl Kälte mit niedrigen Kosten und ohne Schwierigkeiten erzeugt werden kann, werden die hohen Kosten herkömmlicher Gefrierkonzentrierverfahren vorwiegend durch das Einfrieren verursacht, da es mit bisher bekannten Anlagen nicht möglich ist, große Produktmengen zu verarbeiten. Weitere Probleme sind mit der Trennung von Eis und Konzentrat verbunden. So ist aus der US-PS 24 48 802 bereits bekannt, die Abkühlung der Lösung durch teilweises Verdampfen im Vakuum vorzunehmen. Es hat sich jedoch erwiesen, daß Anlagen der bekannten Art und auch später vorgeschlagenen Verbesserungen keine einwandfreie Trennung von Eis und Konzentrat ermöglichen, wenn hohe Konzentrationen angestrebt werden und daß die ausbringbare Eismenge dann gering ist. Es ist auch schon bekannt, Zentrifugen für das Einfrieren und Trennen der Lösungen einzusetzen. Wegen des Wärmeübergangs durch Leitung an gekühlte Flächen (DE-PS 1 59 197) oder durch Konvektion an umströmende Kaltluft (US-PS 19 99712) sind einerseits nur geringe Einfrierleistungen zu erzielen und andererseits wird durch das Anfrieren von Eiskristallen an Apparateteilen, die zwangsläufig kälter als die Lösung sind, ein kontinuierlicher Betrieb verhindert.

Hier setzt die vorliegende Erfindung ein, die es sich zur Aufgabe gestellt hat, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem selbst Lösungen hoher Konzentration in wirtschaftlicher Weise durch Gefrieren hergestellt werden können.

Ausgehend von einem Stand der Technik, wie er im Oberbegriff des Hauptanspruchs wiedergegeben ist, wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Maßnahmen des Hauptanspruchs gelöst In Ausgestaltung der Erfindung werden vorteilhaft die aus den Unteransprü- to chen 2 und 3 sich ergebenden Maßnahmen angewendet

Die Erfindung umfaßt auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, deren Merkmale dem Anspruch 4 und in Weiterbildung dem Anspruch 5 zu entnehmen sind.

Die Erfindung bedient sich des an sich bekannten Verfahrens zur Kälteerzeugung durch Verdampfen eines Teils des abzukühlenden bzw. einzufrierenden Gutes bei einem Dampfdruck, der niedriger ist als der Gleichgewichtsdampfdruck bei Gefriertem^eratur des Gutes. Je kg verdampften Wassers, das in den meisten Fällen als Lösungsmittel vorhanden ist und teilweise entzogen werden soll, werden dem abzukühlenden Gut ca. 600 kcal entzogen. Wäre die Lösung bereits annähernd auf Gefriertemperatur vorgekühlt so könnten durch Verdampfung von 1 kg Wasser ca. 7,5 kg Eis gebildet werden. Bei hohen Konzentrationen wird das Verhältnis noch günstiger, da die Schmelzenthalpie mit zunehmender Feststoffkonzentration erheblich abnimmt und bei der Verdampfung von 1 kg Wasser nicht ;o nur 7,5 sondern 10 bis 15 kg Eis entstehen.

Das Kühlen und Einfrieren durch Verdampfen eines Teils des Lösungsmittels hat darüber hinaus den Vorteil, daß die Kühlflächen nicht unmittelbar mit der zu konzentrierenden Lösung in Berührung kommen und daher auch ohne Kratzvorrichtungen u.dgl. kein Zuwachsen der Gefrierapparatur eintritt

Beim Abkühlen der Lösung unter deren Gefrierpunkt bildet sich ein Gemisch von konzentrierter Lösung und Eiskristallen, das auch als Eismatsch bezeichnet wird. In den meisten technisch vorkommenden Fällen besitzt die Lösung eine höhere spezifische Dichte als das kristalline Lösungsmittel Das gefrorene Lösungsmittel kann daher von der konzentrierten Lösung getrennt werden, was bei der Erfindung in bekannter Weise durch Zentrifugie- '■ < ren geschieht Dabei sammelt sich das gefrorene Lösungsmittel an der Oberfläche der durch Zentrifugalkraft an der Wand der Trommel haftenden Flüssigkeitsschicht. Von dort werden die Lösungsmittelkristalle in axialer Richtung durch die Trommel gefördert und aus ihr ausgetragen.

Beide Teilprozesse, d. h. Erzeugen der Kristalle durch Abkühlung und das Abtrennen der Lösungsmittelkristalle durch Zentrifugieren werden gleichzeitig in einer einheitlichen Vorrichtung, die aus einer entsprechend π ausgebildeten Zentrifugentrommel besteht, durchgeführt Dabei ist die Zentrifugentrommel in einer Vakuumkammer angeordnet, die ihrerseits über einen Wärmetauscher an eine Vakuumpumpe angeschlossen ist Für das Fördern der Eiskristalle in axialer Richtung w> kann eine schneckenförmige Rührvorrichtung verwendet werden, die teilweise in die Flüssigkeit eintaucht und mit ähnlicher Geschwindigkeit wie die Trommel rotiert. Durch die geringe Differenz der Trommelrotation und der Umdrehungsgeschwindigkeit des Rührers entsteht »> eine schraubenförmige Förderbewegung, so daß die Lösungsmittelkristalle allmählich zu einem Ende der Trommel hinbefördert werden und sich dort ansammeln. Die Förderbewegung der Schnecke hat zugleich einen Rühreffekt durch den ständig die Flüssigkeitsschicht durchgerührt wird und die an der Trommelwand befindliche Lösung mit der stärker konzentrierten Lösung an der Oberfläche ausgetauscht wird. Dieser Effekt wird dadurch verstärkt, daß die an der Oberfläche befindliche Lösung eine höhere Konzentration als die an der Wand befindliche Lösung besitzt und durch die Dichteunterschiede eine zusätzliche Konvektion hervorgerufen wird.

Erfindungsgemäß wird die frisch zulaufende Lösung dort in die Trommel gegeben, wohin die Lösungsmittelkristalle durch die Schnecke gefördert werden. Am entgegengesetzten Ende wird sich die konzentrierte Lösung ansammeln, die keine Lösungsmittelkristalle mehr enthält Sie wird als fertiges Produkt durch eine geeignete Vorrichtung, z. B. Überlauföffnungen, aus der Trommel austreten bzw. aus ihr entnommen. Da die Lösungsmittelkristalle durch die Fördereinrichtung im Gegenstrom zur Lösung bewegt werden, kommen sie während ihres Wachsens mit immer niedriger konzentrierter Lösung in Berührung, die einen höheren Gefrierpunkt besitzt Das Kristallwachstum, das anfangs in der hochkonzentrierten Lösung sehr langsam vonstatten ging wird zunehmend schneller. Dieser Vorgang kann dazu beitragen, daß sich statt sehr vieler feiner Kristalle große, gleichmäßige Lösungsmittelkristalle bilden, die später besonders leicht von der Lösung getrennt werden können. Die Trommel kann an dem Ende, zu dem die Lösungsmittelkristalle durch die Fördereinrichtung bewegt werden, konisch ausgeführt werden, so daß die Fördereinrichtung die entstandenen Lösungsmittelkristalle schließlich aus der Lösung herausfördert Hierbei können die Lösungsmittelkristalle von der frisch zulaufenden Lösung übersprüht werden, wodurch erfahrungsgemäß die Reste konzentrierterer Lösung, die noch an den Kristallen haften, abgewaschen werden. Die frische Lösung darf auch etwas erwärmt zulaufen, so daß der Wascheffekt durch ein oberflächliches Abschmelzen der groben Kristalle und ein vollständiges Auflösen der kleinen Kristalle oder von dendritischen Bildungen, an denen die Lösung besonders gut haftet, vervollständig wird. Auf diese Weise läßt sich, unterstützt von der Zentrifugalwirkung der Trommel, eine besonders gute Trennung der Lösungskristalle von der anhaftenden konzentrierten Lösung herbeiführen.

Da die frisch zulaufende Lösung mit der höchsten Temperatur und der niedrigsten Konzentration auch den bei weitem höchsten Dampfdruck besitzt, kann die dort auftretende Verdampfung so heftig sein, daß sie den wesentlich langsamer ablaufenden Kühl- und Verdampfungsprozeß am entgegengesetzten Ende, an dem sich die höher konzentrierte Lösung befindet, behindert. Das kann durch eine Stufung des Vakuumdrucks in der Trommel verhindert werden. So können zum Beispiel Querwände in der Trommel vorgesehen werden, die hinreichend enge Bohrungen zu/ Drosselung des Dampfstromes aufweisen.

Wenn nun die Dampfaustrittsöffnung der Trommel auf der Seite liegt, wo sich die konzentriertere Lösung sammelt, so wird auch der Verdampfungsvorgang auf der entgegengesetzten Seite, an der die frische Lösung zuläuit, entsprechend gedrosselt. Es kann sogar erreicht werden, daß in dem Bereich, in dem die Lösungsmittelkristalle durch frisch zulaufende Lösung gewaschen werden, nahezu keine Verdampfung stattfindet

Die Trommel kann sowohl um eine waaeerechte. eine

senkrechte oder auch um eine geneigte Achse rotieren. Bei Verwendung von geneigten oder vertikalen Achsen wird sich die Flüssigkeitsoberfläche innerhalb der Trommel nicht mehr zylindrisch, sondern paraboloidisch ausbilden. Entsprechend können auch die Trommel und insbesondere die Fördereinrichtungen gestaltet werden. Da nun die Förderschnecke einen annähernd parabelförmigen Umriß erhält, kann sie aus der Trommel herausgezogen werden, was in vielen Fällen, wo eine häufige Reinigung oder gelegentliche Montagen oder Reparaturen erforderlich sind, vorteilhaft ist.

Die Erfindung wird in mehreren Ausführungsformen anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigt in schematischer Vereinfachung

F i g. 1 das Prinzip einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Gefrierkonzentrier-Verfahrens,

F i g. 2 eine abweichende Ausgestaltung der Trommel nachFig. !,und

F i g. 3 eine durch Vakuumkammern ergänzte Trommel für die .Anlage nach Fig. 1.

Wie aus F i g. 1 zu ersehen ist, enthält die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als wesentlichsten Bestandteil zunächst eine rotierende Trommel 1. In dieser Trommel befindet sich die Lösung, die ständig aus der Leitung 2 ergänzt wird. Die Trommel 1 befindet sich hier in einer Vakuumkammer 3. Bei Inbetriebnahme wird die Vakuumkammer durch die Pumpe 4 evakuiert, bis die Verdampfung der Flüssigkeit in der Trommel 1 einsetzt. Der dort entstehende Dampf wird auf dem Wärmetauscher 5 niedergeschlagen und als Eis abgeschieden. Die Kältemaschine 6 kühlt den Wärmetauscher 5 auf die erforderliche niedrige Temperatur. Nach einer hinreichenden Anlaufzeit beginnt das Lösungsmittel zu kristallisieren. Die aufschwimmenden Lösungsmittelkristalle werden durch die Förderschnecke 7, die sich ein wenig schneller oder langsamer als die Trommel 1 dreht, zur Austrittsöffnung der Trommel gefördert und dort, bevor sie aus der Trommel ausgeschleudert werden, nochmals durch Übersprühen mit niedrig konzentrierter frischer Lösung gespült. Die frische Lösung wird in einem Vorratsbehälter 8 bereitgehalten und durch die Lösungspumpe 9 in die Anlage hineindosiert. Eine Schneckenpresse oder eine Pumpe 10 fördert das zu einer festen Masse verdichtete Lösungsmittel (z. B. einen Eisstrang oder ein Lösungsmittelkristail-Lösungsgemisch) auf Atmosphärendruck. Die konzentrierte Lösung kann durch eine Überlauföffnung 11 aus der Trommel austreten unc wird durch die Konzentratpumpe 12 abgesogen. Die Trommel und die Schnecke werden über den Getriebeblock 13 angetrieben.

Eine andere Ausführungsart der Erfindung entsteh! dadurch, daß die Trommel 1 nicht, wie in F i g. 1 gezeigt um eine waagerechte, sondern um eine senkrechte Achse rotiert, vergleiche F i g. 2. In diesem Fall bildet die

in Flüssigkeitsoberfläche keinen Zylinder, sondern eir Paraboloid. Daraus ergibt sich der für Vakuumanlager wichtige Vorteil, daß der abströmende Querschnitt füi den Dampf sehr groß gewählt werden kann, da die Form des Flüssigkeitsspiegels den Strömungsverhältnisser besser angepaßt ist. Bei vertikaler Anordnung dei Trommel 1 kann die Entnahme der Lösungsmitteln stalle am oberen, weiten oder am unteren, engen Ende der Trommel 1 erfolgen. In F i g. 2 ist beispielsweise eine Entnahme der Lösungsmittelkristalle am unteren Ende der paraboloidförmigen Trommel vorgesehen.

In einer dritten Ausführungsart der erfindungsgemä Ben Vorrichtung wird eine Trennung des Vakuum rau mes in zwei Bereiche vorgesehen (Fig.3). Hierzi dienen das Abschlußblech 14, das ein wenig in die gefrierende Flüssigkeit eintaucht, und die Dichtung 15 Während in der rechten Kammer 16 z. B. ein Druck vor 2 Torr herrscht, ausreichend, um in einer gefrierender Zuckerlösung die Konzentration der nicht gefrorerer Restlösung auf ca. 50% zu erhöhen, stellt sich in dei

w linken Kammer 17 infolge des teilweisen Abschlusses gegen Kammer 16 und durch Zulauf relativ warmei frischer Lösung ein höherer Druck ein. Dieser kann durch das zusätzliche Überströmventil 18 und durch entsprechende Regelung der Temperatur der aus dei Ί Leitung zulaufenden Lösung so eingeregelt werden, daC entweder ein leichtes Abschmelzen des Eises stattfindet das sich in Kammer 17 befindet, oder daß sich die frische Lösung aus der Leitung 2 bereits bis unter ihrer Gefrierpunkt abkühlt. Durch Messen von Temperaturen und Drücken läßt sich der gewünschte Druck leiehl kontrollieren und einregulieren.

Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht seinerseits im noch leichteren und gründlicheren Trennen vor Eis und Lösung und andererseits darin, daß ein unkontrolliertes Schäumen der frischen Lösung vermieden wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum kontinuierlichen Gefrierkonaentrieren von Lösungen, deren Lösungsmittelkrisialle spezifisch leichter als die Lösung sind, durch Abkahlen der Lösung unter deren Gefrierpunkt in einer Zentrifugentrommel, in der die Lösungsmittelkristalle unter Einwirkung der Zentrifugalkraft von der Restlösung getrennt, in axialer Richtung der Zentrifugentrommel gefördert und aus ihr ausgetragen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Zentrifugentrommel befindliche Lösung durch teilweises Verdampfen des Lösungsmittel!! im Vakuum abgekühlt wird und daß die Lösungsmittelkristalle in entgegengesetzter Richtung zum Losungsfiuß durch die Trommel gefördert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die frisch zulaufende Lösung auf das entstandene Lösungsmittelkristall-Konzentratgemisch gesprüht wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu konzentrierende Lösung einem höheren Vakuumdruck ausgesetzt wird als die bereits teilweise konzentrierte Lösung.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, mit einer mit Fördereinrichtungen versehenen Zentrifugentrommel mit Öffnungen zum Einspeisen der Lösung, zum Austragen von Lösungsmittelkristallen und für den Ablauf der Restlösung, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrifugentrommel (1) in einer Vakuumkammer (3) angeordnet ist, die über einen Wärmetauscher (5) an eine Vakuumpumpe (4) angeschlossen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrifugentrommel (1) i:um Aufrechterhalten unterschiedlicher Vakuumdrücke in Kammern (16,17) unterteilt ist.