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Verfahren und Einrichtung zur mechanisch/thermischen
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Behandlung einschließlich Sterilisation bzw.
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Pasteurisation fluider Massen Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Einrichtung zur mechanisch/thermischen Behandlung einschließlich Sterilisation
bzw. Pasteurisstion fluider Massen, insbesondere Kakeomassen gemaß Oberbegriff des
Hauptanspruches.
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Es zeichnet sich heute ab, daß für Lebensmittel aller Art in zunehmendem
Maße mikrobiologische StandErds auf nationaler und internationaler Ebene festgelegt
werden. In Bezug auf Kakao trifft dies in veretärktem Maße zu, da die Kakso-AwbaulSnder
Kakao nicht nur mehr in Form von Rohkakao, sondern mit steigender Tendenz in Form
des Halbfabrikates Kakaomasse auf den Markt bringen, aber auch andere ö1-haltige
Fruchtkerne, wie Erdnußpasten, Nußpasten, Sojapasten u. dgl. Nachfolgend wird auf
Kaksomassen
Bezug genommen, da diese im Vordergound stehen.
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Es wurden daher Richtlinien erarbeitet, die die Qualitätsanforderungen
en geröstete Kakeomasse definieren.
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Die nach diesen Richtlinien angegebenen und bakteriologisch zuläsaigen
Grenzwerte lauten: Salmonellen abwesend in 25 g E-Coli abwesend in 1 g Coliforme
Keime max. lo/ g Schimmelpilze max. 5o/ g Gesamtkeimzahl max. 2- 105/g Die Praxis
zeigt, daß die auf dem Markt angebotenen Kakeomassen in der Regel diese Werte nicht
erreichen bzw. nicht unterschreiten. Es wurden nicht selten Geaamtkeimzahlen von'
- 106/g gemessen.
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Das Halbfabrikat Kakaomssse muß daher vor der Weiterverarbeitung zu
Schokolademassen durch geeignete Maßnahmen entkeimt werden, da bei keiner Verfshrensoperstion
der Schokoladamsssenherstellung Temperaturen auftreten, die eine wirksame Entkeimung
gewährleisten.
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Eine der wichtigsten EinfluBgrhBen ist dabei die sogenannte Wassersktivität
aw 4 5w = loo (# = Gleichgewichtsfeuchte), die das Verhältnis des Dsmpfdruckes eines
Lebensmittals zu demjenigen von reinem Wasser sngibt.
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Wasserarme Lebensmittel wie Kakeomasse sind ther-~ misch wesentlich
schwieriger zu entkeimen als wasserreiche Lebensmittel, wie bspw. Milch. So ist
nachgewiesen, daß bei Salmonellen im Wasseraktivitätebereich um 0,6 Steigerungen
der Wideratandsfähigkeit gegen die letale Auswirkung von Hitze um den Faktor 1 ooo
auftreten können. Aus diesem Grund muß das Halbfsbrikat Kakeomasse vor der Weiterverarbeitung
unbedingt frei von pathogenen Keimen sein.
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Das feuchtthermische Abtöten von Mikroorganismen, die den vorgetrockneten,
geschulten und gebrochenen Kaksobohnen, also dem Kernbruch anhaften, ist bereits
bekannt und im Prinzip werden folgende Verfahren angewandt:
a)
ein Chargenmischer, dessen Behälter mit Kernbruch gefüllt ist, wälzt diesen um.
Über Düsen wird dabei lo - 30% einer wässrigen Alkalilösung bzw. Wasser (bezogen
auf das Kernbruchgewicht) auf den Kernbruch gleichmBEig aufgesprüht und unter Druck
und Temperatur über 125°C der Hernbruch behandelt. Die Behandlungezeit betrugt ca.
30 bis 6c min. Das Kerngut wird anschließend unter Vakuum bzw.
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unter normalem Druck (Atmosphärendruck) getrocknet.
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b) In einem Röster wird durch absatzweise Behandlung unter Druck und
Temperatur in ähnlicher Weise wie unter a) die Entkeimung vorgenommen.
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Diese unter a) und b) genannten und bekannten diskontinuierlichenVerfahren
:ermöglichen zwar das Abtöten aller pathogenen Keime, haben aber den Nachteil, de
wegen des hohen SSure- und Feuchtigkeitsgehaltes des Kernbruchs, sowie der notwendigen
relativ langen Behandlungazeit
hierbei gleichzeitig geschmackagebende
Reaktionen (Röstresktionen) ablaufen, die im Sinne des gewollten R5stendzustandes
unspezifisch sind (schlechte Geschmacksentwicklung).
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Kakaomasaen, die eine solche Vorbehandlung erfahren haben, werden
daher vorwiegend zur Herstellung von Kakeopulver und nur selten zur Herstellung
von Schokolademassan verwendet.
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Soweit bekannt, ist es bisher nicht gelungen, kontinuierlich arbeitende
Anlagen zur Kakaomasse-Entkeimung zu entwickeln, die den eingangs erwähnten Forderungen
entsprechen, da die teilweise diametralen Forderungen, die sich aus den Produkteigenschaften
der Kakaomasse ergeben, mit Verfahrensprozessen und Einrichtungen'bekannter Art
nicht zu verwirklichen sind.
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Einerseits ist bekannt, daß: 1. das Erhitzen von Kskaomasse in einem
geschlossenen Gefß (Druck) auf Temperaturbereiche > loo°C eine unerwünschte unspezifische
Aromaententwicklung
bewirkt, weil insbesondere die dabei entstehenden
flüchtigen Bestandteile nicht frei abdiffundieren können.
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2.) dieser unter 1) genannte negative Effekt ist um BO größer, Je
höher insbesondere der SSuregehalt der Masse ist. Er steigt weiterhin mit der Höhe
des Wassergehaltes der Masse, der Höhe der Massetemperatur und der Behandlungszeit.
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3.) Je höher der Feuchtigkeitsgehalt (Säure + Wasser) der Kskaomasse
ist, umso schlechter werden in der Regel deren Fließeiqenschaften. Das führt so
weit, daß bei bestimmten Kaksosorten und Feuchtigkeitsgehalten ab2% 2% nach oben,
bei Temperaturen im Bereich von looOC 1:: und grö-Ber ein totales Stocken (Festwerden
der Masse) eintritt, was das Pumpen und dispergieren der Masse praktisch unmöglich
macht.
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4.) das Absenken der Wasseraktivität (Verringerung des Wassersteiles
der Kakaomasse) vermindert die thermische Abthtbarkeit der Mikroorganismen. Die
größte Hitzeresistenz vieler Mikroorganiamen liegt bei SasseraktivitSten von # o,2
... o,3.
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Eine bestimmte Wasserkonzentration kann daher nicht unterschritten
werden.
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5.) weiterhin haben Fette protektive Wirkungen, d.h. die Kakeobutter
schützt die Bakterien und Sporen vor der Hitzeeinwirkung und dies weitgehend im
Wasseraktivitätsbereich von o,2 bis o,4 aufgrund der unterschiedlichen Größenordnungen
der Temperaturleitfähigkeit und der Wasserdiffusion in das Fett.
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Andererseits ist der Grad der Entkeimung umso größer, je größer der
Wassergehalt und die Temperatur der Masse sowie die Behandlungszeit ist.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein kontinuierlich
arbeitendes Verfahren und eine dafür geeignete Einrichtung zu schaffen, mit denen
man in der Lage ist, die Masse im Zuge ihrer sonstigen Behandlung keimabtötend behandeln
zu können, ohne daß dabei die Aromenqualität nachteilig beeinflußt wird.
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Diese Aufgabe ist mit einem Verfahren nach der Erfindung durch das
im Kennzeichen des Anspruches 1
Erfaßte und bezüglich der Einrichtung
durch das im Kennzeichen des Anspruches 4 ErfaBte gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen bezüglich des Verfahrens ergeben sich
nach den Unteransprüchen 2,3 und bezüglich der Einrichtung nach den Unteransprechen
5 bis lo.
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Nach dem erfindungsgemäUen Verfahren, bei dessen Durchführung zum
Teil bekannte Apparate benutzt werden, geschieht also folgendes: 1.) Kaksomsase
wird zunächst in dünner Schicht in einen hierfür geeigneten Apparat(DE-Patent 155
7184b bei Temperaturen < loo°C entsäuert, teilentfeuchtet und entgast, wobei
Je nach Säuregrad und Wassergehalt der Kakaomasse eine wasaerinjizierende Verfahrensstufe
nach DE-Patent 231 3563 - (Impfanlane) vorgeachaltet wird.
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2.) Die aus dem Apparat nach 1) austretendeentsäuerte und entgaste
Masse wird mit Hilfe einer Pumpe in den noch näher zu beschreibenden Reaktor gedrückt
und dort aufgestaut,
wobei - wenn erforderlich - der Wassergehalt
der Masse durch eine weitere Injektion gemä3 DE-Patent 231 3563 vor Eintritt in
den Reaktor angehoben wird.
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3.) Im Stau-Reaktor erfolgt die zeitlich und tempersturmäßig gesteuerte
mechanisch/thermiache Behandlung der Masse, die die gewünschte Keimabtötung ohne
negative Geschmacksbeeinflussung und ohne negative Strukturenveränderung der Kakeomasse
ermöglicht, wobei a) die notwendige Temperatur der Kekeomasse durch Friktion bzw.
Dissipation erzielt wird, bei steilem Temperaturanstieg innerhalb der Masse, b)
die mittlere Verweilzeit der Masse im Staureaktor durch den Füllgrad sowie einer
ggf. integrierten Umpumpeinrichtung in einer statistisch gesehen engen Verteilung
gehalten wird Rd c) geringfügige Temperaturschwankungen der Masse durch zusätzliches
Heizen bzw. Kühlen der ReaktorwSnde über den Doppelmantel ausgeglichen werden.
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4.) Die den Stau-Reaktor verlassende Masse wird mit Hilfe einer weiteren
Pumpe durch einen Kühler gedrückt, wobei eine Abkühlung der Masse auf Temperaturen
< loo°C mit Rückkondensstion der Dampfphase stattfindet.
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4.) Die aus dem Kühler austretende Masse wird einem weiteren Dünnachichtapparat
gemäß DE- Patent 155 71 84 zugeführt, worin die notwendige Restentfeuchtung und
Restentgasung stattfindet.
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Die dabei benutzten und bekannten Apparate werden bevorzugt verwendet,
womit jedoch nicht ausgeschlossen sein soll, daß auch anderes Shnliche Wirkungen
erbringende Apparaturen geeignet sind.
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Die Kombination bekannter und neuentwickelter Aggregate führt dazu,
daß die divergierenden Forderungen, die das zu behandelnde Produkt stellt, quasi
entwirrt werden und führt zu überraschenden Ergebnissen: So wurde bspw. bei einer
Durchsatzleistung von looo kg/h im kontinuierlichen Betrieb, bei einer Ausgangskeimzahl
der Kakeomasse vonC=l,Z S 1o5 Keime/g, bei einer Massetemperatur von 120°C und
einer
mittleren Verweilzeit der Masse im Stau-Reaktor von 1,5 min eine absolut pathogenfreie
und geschmacklich unbeeinflußte Kakeomasse mit einem Endkeimgehalt von lo.ooo/g
erreicht.
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Eine Erhöhung der Massetemperatur um 5 ... lo°C im Stau-Reaktor erbrachte
sogar einen Endkeimgehslt der Masse von c 500/g, wobei ebenfalls noch keine signifikanten
Geschmacksänderungen der Masse eintraten.
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Der Wassergehalt der Kakeomasse -im Reaktor betrug dabei 2,5%.
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Wesentlich und von ganz entscheidender Bedeutung ist also, daß die
Masse, ohne daß dabei der kontinuierliche Durchlauf unterbrochen wird, in einer
mittleren Durchlsufphase aufgestaut wird, um in der aufgestauten Masse durch innere
Reibung die erforderliche Temperatur zur Keimabtötung zu erzeugen.
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Soweit dobainach Merkmal c) dea Anspruches 1 Wärme zu- oder abgeführt
wird, hat dies letztlich seinen Grund darin, daß die durch innere Reibung
erzeugte
Entkeimungstemperstur auf ihrem mittleren Wert gehalten wird, um einerseits eine
sichere Keimabtötung zu erzielen, andererseits aber geschmacksbeeinträchtigenden
Temperaturanstiege zu vermeiden.
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Das erfindungsgemEße Verfahren und die Einrichtung zu seiner DurchfUhrung
werden nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung von AusfUhrungabeiepielen
näher erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 ein Blockschaltbild der Anlage; Fig. 2 einen Schnitt
durch den Stau-Reaktor; Fig. 3 in radialer Ansicht ein Dissipationselement in Form
eines Bügels; Fig. 4 das Element gemäß Fig. 3 in Vorderansicht und Fig. 5 in Draufsicht
das Element gemaß Fig. 3,4 in Zuordnung zum Rotor und der Innenwand des Stau-Reaktors.
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Gemäß Fig. 1 besteht die ganze Einrichtung bzw. Entkeimungsanlage
im wesentlichen aus zwei gleichen Dünnschichtuppraten 1,2 bekannter Bauart, die
insoweit keiner Einzelbeschreibung bedürfen.
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Zwischen diesen beiden Apparaten 1,2 ist, durch entsprechende Leitungen
3 verbunden, der Stau-Reaktor 5 angeordnet, der im Schnitt und im einzelnen in Fig.
2 verdeutlicht ist. Der Massedurchlauf erfolgt von links nach rechts und wird von
Pumpen 18,18',l8",18"' bewirkt. 19 ist eine Impfeinrichtung ebenfalls bekannter
Bauart, von der aus über Leitungen 3' ggf.
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Wasser in die betreffenden Leitungen 3t bzw. in die durchströmende
Masse eingeimpft werden kann. Hinter den Impf- bzw. Einmündungastellen 20 in den
Leitungen 3 sind sogenannte statische Mischer 21, ebenfalls bekannter Bausrteingebaut.
Der Außenwärmetauscher 4, mit dem lediglich die im Staureaktor 5 erzeugte Reibunga-
und Entkeimungswärme in Balance bzw. auf einem entsprechenden Mittelwert gehalten
wird, ist nach dem Ausführungsbeispiel als Doppelmantel mit in den Stau-Reaktor
5 integriert.
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Es konnte aber auch ein separater Durchlaufwärmetauscher (gestrichelt
in Fig. 1 angedeutet) vorgeschaltet werden.
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Die von einem Thermostat 22 ( Fig. 2) gesteuerte Zu-und Abfuhr des
Wärmetauschmediums erfolgt über entsprechende Anschlüsse 23.
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Der Stau-Reaktor 5 ist als zylindrisches, bis auf die Einlauf- und
Auslauföffnungen 24,25 geschlossenes Gehäuse 5' ausgebildet, in dem der Rotor 11
rotiert, der seinen Antrieb von einem Motor 26 erhält.
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Motor 26 und Reaktor 5 sitzen gemeinsam auf einem Untergestell 27.
Der zylindrische Rotor 11 begrenzt nach innen einen ringzylindrischen Stauspalt
lo und trägt suf seiner Oberfläche die Reibungs- bzw.
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Dissipationselemente 12, für deren Umlauf der Stauspalt lo zur Verfügung
steht. Am unteren Ende des Rotors 11 sind Flügel angeordnet, die in Verbindung mit
dem Rotor und dem Gehäuseboden :28 eine Pumpe 9 bilden.
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Die Förderleistungen der Pumpen 18,l8',18",l8"' sind gleich, während
die Leistung der Pumpe 9 etwas großer ist, wodurch ein FUrdermengenüberschuß entsteht.
Da dieser Überschuß nicht von der Pumpe 18" aufgenommen werden kann, muß die
Überschußmenge
durch die Zweigleitung 8 in den Staureaktor 5 zurückfließen, dessen Stauspalt lo
mehr oder weniger noch mit Masse gefüllt-ist (theoretisch kann der ganze Innenraum
-des Stau-Reaktors 5 gefüllt sein), d.h. die Masse liegt in diesem Reaktor nicht
in dünner Schicht vor.
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Bei Inbetriebnahme der Einrichtung muß natürlich die ganze Anlage
soweit gefüllt sein, daß sich im Reaktor 5 die gewünschte Stau- bzw. FUllstandshöhe
ergibt. Erst wenn diese erreicht ist, werden die Folgepumpen 18", 18"' in Gang gesetzt
und natürlich auch ; der Dünnachichtapparat 2.
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Die die Reibungswärme in der Masse erzeugenden Dissipationselemente
12 sind gemaß Fig. 3 - 5 in Form von auf die Rotoroberflche aufgesetzten BUgeln
12' ausgebildet, die so bemessen und angeordnet sind, daß sie mit ihrer Vorderkante
14 die Innenwand 5" bestreichen.
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Um möglichst viele und starke Strömungsabrisse und damit klirbelbildungen
in der Masse zu erzeugen, sind die Flankenstege 13 um einen kleinen WinkeloW gegen
die Anströmrichtung 29 angestellt.
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Der vertikal stehende Steg 15 ist um einen Winkel ß angestellt (Fig.
5), und schließlich ist der ganze hintere Rand 16 des Steges 15 noch mit Masseabrißspritzen
17 ausgestattet. Durch diese, mit dem Rotor 11 in der angestauten Masse umlaufenden
Elemente 12 erfolgt also eine äußerst intensive Verwirbelung der Masse verbunden
mit einer starken Wärmeentwicklung in der Masse. Diese Erwärmung ist zwar weitgehend
homogen und ebenso die mittlere Verweilzeit der Massepartikel.
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Evtl. auftretende und immerhin mögliche Abweichungen von diesen Mittelwerten
wird aber entgegengewirkt und zwar bezüglich der Temperatur durch den Außenwärmetauscher
4, der im wesentlichen eher eine Kühl- als eine Zusatzerwärmungsfunktion zu-erfüllen
hat und bezüglich der Verweilzeit durch die TeilrUckführung der Masse über die Leitung
B.
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Dadurch ist gewährleistet, daß nahezu jedes Massepsrtikel der unter
Druck im Staureaktor 5 befindlichen Masse entapiechend lange der keimabtötenden
Erwärmung bzw. Hitze ausgesetzt wird, dh. der Stau-Reaktor gewährleistet optimale
Ergebnissesnsmlich
hohe Entkeimungsraten bei möglichst kurzer Verweilzeit
und optimaler Temperaturbelastung der Masse dadurch, daß er a) einen steilen Temperaturanstieg
der Masse ermöglicht, also mit hoher Energiedichte arbeitet, b) daß die Temperaturschwankungsbreite
innerhalb der Masse möglichst gering gehalten wird und c) daß ebenso die mittlere
statistische Streuung der Verweilzeit der Massepartikel um ihren Sollwert ebenfalls
gering gehalten wird.
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Ausführungsbeispiel: Höhe des Staureaktors 5: ca. 2 m Innendurchmesser
(5") : ca.o,5 m Außendurchmesser des Rotors 11: cs.o,45 m Drehzahl des Rotors :
# 600 min Durchsatzleistung : looo kg/h Massetemperatur im Staureaktor: ca. 12o0
1:: Temperatur der Masse bei 19 : 50 - 60° C Temperatur der Masse bei Verlassen
des Kühlere 6 : 9o° C Temperatur der Masse hinter der Pumpe 18"' So0 C Mittlere
Verweilzeit der Masse im Staureaktor : # 1, 5 min Druck im Staureaktor 5 ca. 2 bar
Bezüglich
der erreichten Keimabtötung wird auf Seite 16 ,1.Absatz der Einleitung verwiesen.
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Der Umwälzfaktor durch die Zweigleitung 8 für die Staumasse lag etwa
in der Größenordnung eines Zehnfachen der Fßrderleistung der Pumpe 18".
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Messungen haben im übrigen ergeben, daß unter sonst gleichen Bedingungen
Dissipationselemente 11 mit geradem hinteren Rand 16 (also ohne Abrißspitzen 17)
nur etwa 1/5 der Energieumsetzung erbrachten, wie die Bügel 12' gemäß Fig. 3.
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