WO1993013674A1 - Verfahren und vorrichtung zur abtötung von mikroorganismen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur abtötung von mikroorganismen Download PDF

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WO1993013674A1
WO1993013674A1 PCT/EP1993/000078 EP9300078W WO9313674A1 WO 1993013674 A1 WO1993013674 A1 WO 1993013674A1 EP 9300078 W EP9300078 W EP 9300078W WO 9313674 A1 WO9313674 A1 WO 9313674A1
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medium
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temperature
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PCT/EP1993/000078
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Franz Roiner
Klaus Kohrs
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Franz Roiner
Klaus Kohrs
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A23—FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
    • A23C—DAIRY PRODUCTS, e.g. MILK, BUTTER OR CHEESE; MILK OR CHEESE SUBSTITUTES; MAKING THEREOF
    • A23C3/00—Preservation of milk or milk preparations
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    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A23L3/00—Preservation of foods or foodstuffs, in general, e.g. pasteurising, sterilising, specially adapted for foods or foodstuffs
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    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2/00—Methods or apparatus for disinfecting or sterilising materials or objects other than foodstuffs or contact lenses; Accessories therefor
    • A61L2/02—Methods or apparatus for disinfecting or sterilising materials or objects other than foodstuffs or contact lenses; Accessories therefor using physical phenomena
    • A61L2/025—Ultrasonics

Definitions

  • the invention relates to a method for killing microorganisms in a gaseous and / or liquid and / or pasty medium, in particular milk or milk products. If the medium is gaseous, it can contain dry matter and / or moisture.
  • the invention further relates to a device for performing such a method.
  • the method according to the invention is particularly suitable for milk and / or milk products. However, it is also suitable for all other gaseous, liquid and / or pasty media in which microorganisms are located. Microorganisms are understood to mean bacteria, viruses, molds, spores, cells and / or yeasts and / or other microorganisms. In addition to milk and / or milk products, the following media are particularly suitable as media in which microorganisms to be killed are present: blood, liquid egg, jam, fruit juices, beer, wine. However, the method according to the invention is also suitable for water.
  • milk can be treated by the following methods: continuous heating, short-term heating, high-temperature heating, ultra-high temperature heating and sterilization. In the latter two methods, a complete killing of the Microorganisms can be reached. With the other processes, only a partial killing of the microorganisms is achieved (ie a "reduction" of the microorganisms).
  • ultrasound treatment is used to clean objects, but not to kill germs.
  • objects are vibrated in a non-lethal environment.
  • a method for ultrasound sterilization in which an object to be sterilized is brought into a non-lethal environment and subjected to an ultrasound vibration while maintaining this environment.
  • the temperature rise of the object caused by the vibration is limited to a predetermined maximum value.
  • the object is intermittently exposed to vibration. If the temperature rises, which is caused by vibration, a certain time period is required to reach the respective temperature. During this time, however, changes in equilibrium of an uncontrollable nature occur in an unstable system such as milk.
  • the medium is preferably treated with ultrasound for a period of at most 6 seconds.
  • the frequency of the ultrasound is preferably at least 18 kHz and also preferably at least 20 kHz.
  • the power of the ultrasound is preferably at least 2,000 watts.
  • the medium is preferably treated with ultrasound for a period of at most 6 seconds.
  • the frequency of the ultrasound is preferably at least 18 kHz and also preferably at least 20 kHz.
  • the power of the ultrasound is preferably at least 2,000 watts.
  • the medium is preferably treated with ultrasound for a period of at most 6 seconds.
  • the frequency of the ultrasound is preferably at least 18 kHz and also preferably at least 20 kHz.
  • the power of the ultrasound is preferably at least 2,000 watts.
  • the medium is preferably treated with ultrasound for a period of at most 6 seconds.
  • the frequency of the ultrasound is preferably at least 18 kHz and also preferably at least 20 kHz.
  • the power of the ultrasound is preferably at least 2,000
  • the microorganisms can be partially or completely destroyed by the process according to the invention.
  • Another advantageous effect of the ultrasound treatment is homogenization of the medium.
  • the medium is moved during the ultrasound treatment; this can be done by the medium flowing and / or flowing.
  • the ultrasound treatment is therefore carried out in a moving and / or flowing and / or flowing medium.
  • the microorganism content could only be reduced by two orders of magnitude, that is to say about 1%.
  • With the required Absen Lowering the microorganism content is ultimately about achieving sufficient storage stability and maintaining the quality, in particular the freshness, of the products, in particular the milk products.
  • the ultrasound treatment be carried out at a temperature of the medium of at least 58 ° C. or at most 15 ° C.
  • the ultrasound treatment to be carried out according to the invention is an ultrasound treatment of a moving or unmoving medium containing microorganisms at temperatures of 0 to 50 ° C, preferably 45 ° C, and an intensity of 1800 watts or more and a sonication time of 30 to 60 seconds precedes such that the water activity in the medium is changed by changing the surface of the dispersed, emulsified and dissolved substances in the medium to be treated.
  • a further advantageous development is characterized in that the ultrasound treatment carried out according to the advantageous development just explained is carried out by pulse irradiation and / or by multiple irradiation and / or by differently directed irradiation at temperatures from 0 to 50 ° C, a duration of 30 to 60 seconds an intensity of 500 to 2500 watts leads to a change in the surface and / or membrane of the microorganisms.
  • the medium is preferably treated with directed ultrasound delt.
  • the ultrasonic waves are therefore directed; "directed ultrasound treatment” is carried out.
  • the ultrasound treatment is preferably carried out at varying temperatures.
  • the temperature of the medium is preferably 0 to 100 ° C.
  • the treatment with ultrasound is preferably carried out at elevated temperature. It has been shown that the ultrasound treatment for the purpose of killing microorganisms works in a temperature range of 25 to 50 ° C, but is not very effective. In this area, the microorganisms develop a relatively brisk metabolism.
  • the ultrasound treatment is therefore preferably carried out at a temperature which is at least 58 ° C. From this temperature, the results can be clearly improved. Under certain conditions, it is already possible not only to reduce the microorganisms, that is to say not only to partially kill the microorganisms, but also to kill the microorganisms, that is to say to completely kill the microorganisms.
  • the ultrasound treatment is carried out at a temperature of at least 60 ° C., preferably at least 65 ° C., preferably at least 70 ° C. It has been shown that from 70 ° C the microorganisms can be completely killed.
  • the tempe temperature of the medium is kept at a constant temperature during the treatment with ultrasound.
  • the treatment with ultrasound introduces energy into the medium which normally leads to an increase in temperature in the medium.
  • the medium is cooled in such a way that its temperature remains the same. This has the advantage that the optimum and maximum permissible temperature is maintained during the process. This is of particular importance for liquid egg, which must never exceed certain temperatures.
  • a further advantageous development is characterized in that the treatment with ultrasound is carried out first at an elevated temperature and then at a reduced temperature.
  • the temperature of the first stage does not have to be chosen quite as high, which protects the medium. This allows a certain increase in naturalness to be achieved.
  • the first, elevated temperature as high as for an exclusive treatment at elevated temperature. In this case, the achievable security is doubled.
  • an “elevated” temperature is to be understood as the elevated temperature described above, and also a “lowered” temperature.
  • Another advantageous development is characterized in that the temperature of the medium, starting from a temperature of at least 58 ° C, during the ultrasound treatment is increased. This has proven to be particularly effective.
  • the ultrasound source can be used as an energy source for increasing the temperature.
  • the power or the intensity of the ultrasound source drops with increasing temperature.
  • the power or intensity of the ultrasound acting on the medium is the lower, the higher the
  • Another advantageous development is characterized in that the temperature of the medium, starting from a temperature of at most 15 ° C, is reduced during the ultrasound treatment. This has also proven to be particularly effective.
  • the power or the intensity of the ultrasound source preferably increases with decreasing temperature of the medium.
  • the ultrasound treatment is preferably repeated one or more times. This can be done, for example, by the medium flowing through a device in which several ultrasound sources are arranged one behind the other in the direction of flow.
  • the treatment with ultrasound is preferably carried out for a predetermined time. Practical tests have shown that the number of microorganisms killed increases in principle with the duration of the ultrasound treatment.
  • the ultrasound treatment time is preferably at least 10 seconds. When heated to 85 ° C., it is then possible to kill all the microorganisms in milk. According to a further advantageous development, the duration of the treatment with ultrasound is at least 30 seconds. A complete destruction of the microorganisms in milk is possible if the temperature is at most 10 ° C. or at least 70 ° C.
  • the duration of the ultrasound treatment is at least 45 seconds. A complete kill of the microorganisms can then be achieved in milk if the temperature is at least 60 ° C.
  • a further advantageous development is characterized in that the duration of the ultrasound treatment, that is to say the sonication time, is 5 to 30 seconds.
  • the process according to the invention can be carried out at a pH of 7, that is to say in a neutral medium.
  • a pH of 7 that is to say in a neutral medium.
  • the pH is different from 7, ie if the medium is more or less acidic or basic.
  • the pH of the medium is preferably less than 7, more preferably less than 6, 8. This is particularly the case with milk from This is important because the protein bonds in the milk are released when the pH is above 7.
  • the pH value can be increased above 7, preferably above 7.1.
  • the medium is irradiated with microwaves before, during and / or after the ultrasound treatment.
  • the required temperature can be set by this microwave radiation. It is also possible, instead or in addition, to increase the effectiveness of the microorganism killing by means of the ultrasound treatment.
  • the medium and thus the microorganisms, cells, spores and the like located therein are exposed to a varying ultrasound intensity.
  • the ultrasound intensity can be increasing. But it can also be sloping. It can also initially increase and then decrease. Finally, the ultrasound intensity can initially decrease and then increase.
  • the intensity of the ultrasound acting on the medium is preferably increased during the ultrasound treatment.
  • the easiest way to achieve this is for the medium to flow towards the ultrasound source.
  • the volume or volume element of the medium is then irradiated more intensively the closer it is to the ultrasound source. If work is not carried out with a flowing medium, that is to say not continuously, but with a stationary medium, the intensity of the ultrasound acting on the medium can be increased by increasing the power of the ultrasound source.
  • a further advantageous development is characterized in that the different ultrasound intensities are pulsed properly carried out and / or interrupted at short notice.
  • the pulse-like and / or briefly interrupted different ultrasound intensities are preferably accompanied by a microwave treatment, the duration of which is preferably 3 seconds, preferably less than 3 seconds.
  • the movement of the medium is directed towards the ultrasound source or away from the ultrasound source or transversely to the ultrasound source.
  • the direction of movement of the medium can also consist of a combination of the options just described.
  • the intensity of the sonication is regulated by the distances between the ultrasound source and the medium, by the contact of the ultrasound source with the medium and by the depth of immersion of the ultrasound source in the medium.
  • the ultrasound sources can be connected in series or connected in parallel.
  • the ultrasound sources preferably have a special arrangement for the medium. They can be arranged vertically, transversely or at an angle. It is also possible to provide an alternating arrangement of these options.
  • Another advantageous further development is characterized in that the effect of the ultrasound treatment is achieved by the depth of action.
  • the ultrasound treatment can be carried out several times.
  • the ultrasound treatment can be carried out using ultrasound sources that differ in their power.
  • the dry matter fraction and / or the moisture fraction is varied in the gaseous media.
  • a further advantageous development is characterized in that the temperatures, pH values, viscosities, dry matter constituents, moisture components, flow velocities, flow velocities and / or the movement intensity are varied in the media to be treated during, before or after an ultrasound treatment.
  • Another advantageous further development is characterized in that coarse and / or finely dispersed substances are introduced into the PA and / or coarse and / or finely dispersed substances are additionally formed in the substrate to be PA and these are retained in the PA so that the destruction existing microorganisms and / or homogenization effects are accelerated.
  • the density of the medium is preferably at least 1.01 g / cm 3 .
  • the activity of the medium or the water activity is preferably at most 0.995.
  • the invention further relates to a device for carrying out the method according to the invention, that is to say a device for treating a gaseous, liquid and / or pasty medium with ultrasound.
  • the device according to the invention consists of a preferably cylindrical vessel with an inflow and an outflow and an ultrasound source (sonotrode).
  • the ultrasound source preferably projects into the vessel and into the medium.
  • the inflow is preferably arranged in the lower region of the vessel and the outflow in the upper region of the vessel.
  • the ultrasound source is then provided in the upper area of the vessel.
  • the inflow is arranged in the upper region of the vessel and the outflow in the lower region of the vessel.
  • the ultrasound source protrudes into the vessel.
  • the distance between the ultrasound source and the drain is preferably 60 to 80 mm.
  • ultrasound sources are provided, preferably on different sides of the vessel.
  • the ultrasound source has a certain shape, preferably a round shape.
  • a further advantageous development is characterized in that the ultrasound source is immersed in a closed space in which pressures of up to 10 bar, preferably 6 bar, can be generated and / or in which negative pressures can be generated.
  • the ultrasound sources are preferably stored in such a way that there is no direct contact with the surrounding material.
  • a varying ultrasound intensity is carried out or achieved by means of one or more ultrasound sources in certain arrangements. Furthermore, it has proven to be advantageous to carry out the ultrasound treatment itself in a pulsed manner or with short-term interruptions. This treatment is in particular achieved by appropriate distances between the ultrasound source and the moving medium or by contact or promoted by appropriate immersion depths of the ultrasound source or in the moving medium.
  • the invention further relates to a device for performing the method according to the invention, which is characterized in that the device is flowed through by the medium and that several ultrasound sources are provided in the flow direction in succession in the device.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of a device for
  • FIG 3 shows a third embodiment of such a device.
  • the device shown in Fig. 1 for treating a medium with ultrasound consists of a cylindrical, upright vessel 1 with an inlet 2 and an outlet 3.
  • the inlet 2 is arranged in the lower region of the vessel 1, the outlet 3 in the upper region of the vessel 1.
  • an ultrasound source 4 is provided in the upper region of the vessel 1, which projects into the vessel and into the medium located therein. In order to achieve an optimal effect of the ultrasound source, it must have a certain minimum immersion depth. Practical tests have shown that the optimal immersion depth is 1 mm.
  • the vessel 1 is continuously flowed through.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of a device device for the treatment of a liquid medium with ultrasound.
  • the vessel 11 leads out of the bottom of the vessel.
  • the vessel 11 is funnel-shaped 15 in the lower region.
  • the distance between the ultrasound source 14 and the inlet cross section 16 of the drain 13 is 60 to 80 mm.
  • the device according to FIG. 2 is also continuously flowed through.
  • FIG. 3 shows a third exemplary embodiment of a device for treating a medium with ultrasound.
  • the cylindrical vessel 21 has an inlet 22 and an outlet 23.
  • Two ultrasound sources 24, 25 are provided which are located on different sides of the vessel 21 and which are also at a horizontal distance from one another.
  • the device according to FIG. 3 is also continuously flowed through. Depending on requirements, more than two ultrasound sources can also be provided.
  • the starting material was 400 ml of raw milk in a beaker with a capacity of 500 ml.
  • the tests carried out and their results are shown below in tabular form:
  • microorganisms were completely killed at a temperature of 70 ° C, at all dilutions and with a sonication time of 30 seconds (case IVa) and with a sonication of 45 seconds (case IVb).
  • Example 1 In milk the density is brought to a value above 1.01 g / cwß. The water activity is reduced to below 995. The pH is adjusted to less than 6, 8 or more than 7.1. The temperature is set above 58 ° C. This also changes the viscosity of the milk.
  • the milk prepared in this way is subjected to an ultrasound treatment with a frequency of at least 18 kHz. The temperature of the milk is increased to a maximum of 29 ° C during the sonication process, starting at 58 ° C. The duration of the sonication is 5 to 30 seconds. With a sonication time of 30 seconds, about 74 ° C. is reached after 20 seconds and 99 ° C. after another 10 seconds.
  • the ultrasound treatment is thus carried out in such a way that the milk after 20 seconds a temperature of 74 ° C and has a temperature of 99 ° C after another 10 sec.
  • the power of the ultrasound source or ultrasound drops with this increasing temperature.
  • the number of microorganisms drops by four orders of magnitude.
  • Example 2 Again milk is treated, which is prepared as in Example 1.
  • the temperature of the milk during the ultrasound treatment is at most 15 ° C.
  • the temperature of the milk is set to 15 ° C.
  • the ultrasound treatment begins.
  • the temperature is reduced to 0 ° C during the ultrasound treatment.
  • the sonication time is 15 to 120 seconds.
  • the temperature drops linearly depending on the sonication time.
  • the power of the ultrasound source increases with falling temperature.
  • Example 3 Like Examples 1 and 2; after a done
  • Ultrasound treatment this ultrasound treatment is repeated one or more times in the same way.
  • the temperature of the milk is brought to the respective starting point.
  • the temperature of the milk is brought to 58 ° C. before the ultrasound treatment is repeated.
  • the temperature of the milk is brought to 15 ° C. before the ultrasound treatment is repeated.
  • the repeated sonication measures can be effected in that the milk flows in a device and in this device several ultrasound sources are arranged one behind the other in the direction of flow.
  • Example 4 The milk is treated in a device through which the milk flows. The stream of incoming milk is divided and treated by means of ultrasound sources connected in parallel.
  • Example 5 As example 1; during the temperature increase that takes place during the ultrasound treatment, temperature holding times are provided during which the temperature is not increased. This takes place within the temperature range of 58 ° C to 71 ° C. The temperature holding times can be carried out with or without sonication.
  • Example 6 As example 2; within the temperature range of 15 ° C to 6 ° C, temperature holding times are carried out with or without sonication.
  • Example 7 As example 1; the temperature changes of
  • Example 8 As example 2; the temperature changes of

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Abstract

Ein Verfahren dient zur Abtötung von Mikroorganismen in einem gasförmigen, flüssigen und/oder pastösen Medium, insbesondere Milch oder Milchprodukte. Um ein derartiges Verfahren zu verbessern, wird das Medium für einen Zeitraum von höchstens 60 sec. mit Ultraschall einer Frequenz von mindestens 20 kHz und einer Leistung von mindestens 2000 Watt behandelt, wobei das Medium bewegt wird. Dies geschieht in einer Vorrichtung zur Behandlung eines gasförmigen, flüssigen und/oder pastösen Mediums mit Ultraschall, bestehend aus einem vorzugweise zylindrischen Gefäß (1) mit einem Zufluß (2) und einem Abfluß (3) und einer Ultraschallquelle (4), die vorzugweise in das Gefäß (1) und in das Medium hineinragt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Abtötung von Mikroorganismen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtötung von Mikroorganismen in einem gasförmigen und/oder flüssigen und/oder pastösen Medium, insbesondere Milch oder Milchprodukte. Soweit das Medium gasförmig ist, kann es Trockenmasse und/oder Feuchtigkeit enthalten. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens .
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für Milch und/ oder Milchprodukte geeignet. Es ist aber auch für alle anderen gasförmigen, flüssigen und/oder pastösen Medien geeignet, in denen sich Mikroorganismen befinden. Unter Mikroorganismen werden dabei Bakterien, Viren, Schimmelpilze, Sporen, Zellen und/ oder Hefen und/oder sonstige Mikroorganismen verstanden. Als Medien, in denen sich abzutötende Mikroorganismen befinden, kommen neben Milch und/oder Milchprodukten insbesondere folgende Medien in Betracht: Blut, Flüssigei, Marmelade, Fruchtsäfte, Bier, Wein. Das erfindungsgemäße Verfahren ist allerdings auch für Wasser geeignet.
Zur Abtötung von Mikroorganismen ("Keimen", insbesondere pathoge nen Keimen) in Medien sind bereits verschiedene Verfahren bekannt. So kann beispielsweise Milch durch folgende Verfahren behandelt werden: Dauererhitzung, Kurzzeiterhitzung, Hocherhitzung, Ultrahocherhitzung und Sterilisierung. Bei den beiden letztgenannten Verfahren soll eine vollständige Abtötung der Mikroorganismen erreicht werden. Bei den übrigen Verfahren wird nur eine teilweise Abtötung der Mikroorganismen erreicht (also eine "Reduzierung" der Mikroorganismen).
Es wurde allerdings kürzlich entdeckt, daß auch bei der Ultrahocherhitzung auf 135° C oder mehr gewisse Sporen nicht abgetötet werden. Der Keim "Germanicus" ist nach derzeit vorliegenden Erkenntnissen bis 145° C resistent.
Insbesondere im Labormaßstab wurden bereits Ultraschallbehandlungen in nicht bewegten Medien (oftmals in destilliertem Wasser, aber auch in Vollmilch) durchgeführt. Allerdings waren die Erfolge nicht durchschlagend, weil das Medium ruhte, die zeitliche Ultraschallbehandlung viel zu lange (bis zu 30 min. ) und die eingesetzte Energie (bis zum 250 Watt) viel zu niedrig war. Bei einer derartigen Behandlung haben Mikroorganismen (MO) immer ausreichend Gelegenheit zur Anpassung; sie sind dann in der Lage, die Prozedur zu überstehen.
Aus der Literaturstelle "Stomatol DDR"(1975 August) 25 (8) 551-3 ist es bekannt, Geräte, Werkzeuge und Arbeitsprodukte in einer Reinigungslösung in Verbindung mit Ultraschall zu behandeln.
Aus J. APPL. Bacteriol. 71 (5) 1991, 445-451 ist eine Untersuchung bekannt, die zum Ziel hatte, die Hitzeresistenz von Sporen durch eine kombinierte Anwendung von Ultraschall und Hitze zu reduzieren. Die Ultraschallbehandlung wurde mit einer Frequenz von 20 kHz und einer Leistung von 120 Watt bei 12° C über 30 min. durchgeführt. Das mit Ultraschall behandelte Medium wurde inhaltsstoffmäßig verwendet.
Aus SCR MED (BRNO) 63 (7) 1991, 437-442 sind Untersuchungen bekannt, Ultraschallzerkleinerer mit einer Frequenz von 22 kHz und einer Oszillationsamplitude von 48 mm sowie mit einer Frequenz von 20 kHz und einer Oszillationsamplitude von 110 mm einzusetzen. Die Ergebnisse zeigten, daß dabei keine exakte Sterilisa- tion eintrat. Aus APPL ENVIRON Mikrobil. 57 (7) 1991, 2079-2084 ist es bekannt, eine sich ausbreitende Ultraschallenergie mit einer Frequenz von 26 kHz zu benutzen, um in einer wässrigen
Suspension mit verschiedenen Bakterienkulturen die keimtötende Wirkung von Ultraschall beurteilen zu können. Es zeigte sich, daß bei dieser Behandlung mit zunehmender Dauer der Behandlung und zunehmender Intensität signifikante Veränderungen eintreten Die Zeitdauer der Behandlung und die Intensitätsdauer führen je doch zu irreversiblen Veränderungen der sonstigen Inhaltsstoffe.
Aus J. of Applied Bacteriology (1989) 67 (6) 619-628 ist eine Behandlung mit Ultraschallwellen zur Reduzierung der Hitzeeinwirkung bei Sterilisationsmaßnahmen in Milch und anderen Lebens mitteln bekannt. Die Ultraschallbehandlung wurde vor der Hitzebehandlung mit einer Frequenz von 20 kHz und einer Leistung von 150 Watt für 15 min. bei 31 ° C durchgeführt; es wurde also die Ultraschallbehandlung (Beschallung) mit der Hitzebehandlung (31° C) kombiniert. Es zeigte sich, daß in destilliertem Wasser signifikante Reduzierungen bei 70 bis 95° C eintraten. Allerdings konnte auch hierbei keine befriedigende Sterilisation erreicht werden.
Aus der DE-OS 24 38 067 ist ein Sterilisationsverfahren bekannt, bei dem ein zu sterilisierender Gegenstand in einer nicht-letale Umgebund gebracht wird und unter Aufrechterhaltung dieser
Umgebung einer Ultraschallvibration unterzogen wird.
Alle soeben erwähnten, zum Stand der Technik aufgeführten Verfah ren haben erhebliche Nachteile, da alle diese Verfahren in unbewegten Medien mit langer (1 min. bis 30 min.) Beschallungsdauer durchgeführt wurden und außerdem in keinem Fall eine für Haltbarkeitszwecke und Sterilisationszwecke befriedigende Keimabtötung erreicht worden ist. Im Falle einer signifikanten Veränderung (J. of Applied Bacteriology (1989) 67 (6) 619-628) wurden sonstige Inhaltsstoffe irreversibel geschädigt. Eine sinnvolle wirtschaftliche Anwendung, insbesondere ein kontinuierlicher Ablauf, sowie die Erhaltung bzw. Verbesserung der ernährungsphysiologischen und sensorischen Wertigkeit ist bei allen aufgezeigten Verfahren nicht möglich.
In vielen Fällen wird eine Ultraschallbehandlung zur Reinigung von Gegenständen verwendet, jedoch nicht zur Keimabtötung. In einem anderen Fall werden Gegenstände in nicht-letaler Umgebung in Vibration gebracht. Auch diesen Verfahren haften bezüglich einer zufriedenstellenden Keimabtötung erhebliche Nachteile an. Sie werden in nicht bewegten Medien, in Reinigungsflüssigkeiten bzw. in einer nicht-letalen Umgebung durchgeführt.
Aus der DE-OS 2438 067 ist ein Verfahren zur Ultraschall-Sterilisation bekannt, bei dem ein zu sterilisierender Gegenstand in eine nicht-letale Umgebung gebracht und unter Aufrechterhaltung dieser Umgebung einer Ultraschall-Vibration unterzogen wird. Der durch die Vibration bewirkte Temperaturanstieg des Gegenstandes wird auf einen vorbestimmten Höchstwert begrenzt. Zur Begrenzung der Temperatur wird der Gegenstand intermittierend der Vibration ausgesetzt. Bei einem Temperaturanstieg, der durch Vibration bewirkt wird, ist jedoch eine bestimmte zeitliche Dauer zum Erreichen der jeweiligen Temperatur erforderlich. Während dieser Zeit treten in einem labilen System wie beispielsweise Milch jedoch Gleichgewichtsveränderungen unkontrollierbarer Art ein. Diese unkontrollierbar ablaufenden Gleichgewichtsbeziehungen, beispielsweise zwischen Eiweißmicellen und Submicellen oder bestimmten mit Eiweiß in Beziehung stehenden Salzen sind in der Lage, abzutötenden Mikroorganismen Schutz in Form einer Membranverdickung zu gewähren, so daß diese Mikroorganismen nicht mehr durch Ultraschallwellen zerstört werden können. Ferner werden bei einer durch Ultraschallwellen bewirkten Temperaturerhöhung und der damit verbundenen Zeitdauer Enzyme aktiviert, die während eines langsamen Temperaturanstiegs Bindungen spalten, die sowohl technologisch im Sinne der obigen Ausführungen als auch sensorisch Nachteile bringen. Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen und ein verbessertes Verfahren zur Abtötung von Mikroorganismen in einem gasförmigen, flüssigen und/oder pastösen Medium vorzuschla- gen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das
Medium mit Ultraschall behandelt wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Vorzugsweise wird das Medium für einen Zeitraum von höchstens 6 sec. mit Ultraschall behandelt. Die Frequenz des Ultraschalls beträgt vorzugsweise mindestens 18 kHz ferner vorzugsweise mindestens 20 kHz. Die Leistung des Ultraschalls beträgt vorzugsweise mindestens 2.000 Watt. Vorzugsweise wird das Medium
während der Ultraschallbehandlung bewegt.
Es hat sich gezeigt, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren die Mikroorganismen teilweise oder vollständig abgetötet werden können. Als weiterer vorteilhafter Effekt der Ultraschallbehandlung ergibt sich eine Homogenisierung des Mediums. Während der Ultraschallbehandlung wird das Medium bewegt; dies kann dadurch erfolgen, daß das Medium fließt und/oder strömt. Die Ultraschall behandlung wird also in einem bewegten und/oder fließenden und/ oder strömenden Medium durchgeführt.
Nach den bisher bekannten Verfahren konnte der Gehalt an Mikroorganismen nur um zwei Zehnerpotenzen, also auf etwa 1 %, abgesenkt werden. In vielen Anwendungsfällen ist es jedoch erforderlich, eine Absenkung des Gehalts an Mikroorganismen auf mindestens vier Zehnerpotenzen zu erreichen, um den Qualitätsanforderungen gerecht zu werden. Bei einer Anwendung in der Milchwirtschaft ist dies deshalb erforderlich, da andernfalls die Milch zu schnell schlecht werden würde. Bei der erforderlichen Absen kung des Gehalts an Mikroorganismen geht es letztlich darum, eine ausreichende Lagerfähigkeit und Erhaltung der Qualität, insbesondere der Frische, der Produkte, insbesondere der Milchprodukte, zu erreichen.
Im Temperaturbereich zwischen 15° C und 58° C erfolgen bei Milch und Flüssige!, aber auch bei anderen zu behandelnden Medien, sensorische Veränderungen. Der Grund hierfür liegt darin, daß inaktive Enzyme in diesem Temperaturbereich aktiviert werden, die den Stoffwechsel beschleunigen (katalysieren) und auf diese Weise unerwünschte StoffWechselprodukte entstehen lassen. Nach einer besonders vorteilhaften Weiterbildung wird deshalb vorgeschlagen, daß die Ultraschallbehandlung bei einer Temperatur des Mediums von mindestens 58° C oder höchstens 15° C durchgeführt wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß der erfindungsgemäß durchzuführenden Ultraschallbehandlung eine Ultraschallbehandlung eines bewegten oder unbewegten mikroorganismenhaltigen Mediums bei Temperaturen von 0 bis 50° C, vorzugsweise 45° C, und einer Intensität von 1800 Watt oder mehr sowie einer Beschallungsdauer von 30 bis 60 sec. derart vorausgeht, daß die Wasseraktivität im Medium durch Oberflächenveränderung der dispergierten, emulgierten und gelösten Stoffe im zu behandelnden Medium geändert wird.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß die nach der soeben erläuterten vorteilhaften Weiterbildung durchgeführte Ultraschallbehandlung durch Impulsbeschallung und/oder durch Mehrfachbeschallung und/oder durch unterschiedlich gerichtete Beschallung bei Temperaturen von 0 bis 50° C, einer Beschallungsdauer von 30 bis 60 sec. und einer Intensität von 500 bis 2500 Watt zu einer Oberflächen- und/oder Membranänderung der Mikroorganismen führt.
Vorzugsweise wird das Medium mit gerichtetem Ultraschall behan delt. Die Ultraschallwellen sind also gerichtet; es wird eine "gerichtete Ultraschallbehandlung" durchgeführt.
Die Ultraschallbehandlung wird vorzugsweise bei variierenden Temperaturen durchgeführt. Vorzugsweise beträgt die Temperatur des Mediums 0 bis 100° C.
Vorzugsweise wird die Behandlung mit Ultraschall bei erhöhter Temperatur durchgeführt. Es hat sich gezeigt, daß die Ultraschallbehandlung zum Zwecke der Mikroorganismen- Abtötung in einem Temperaturbereich von 25 bis 50° C zwar funktioniert, abe wenig effektiv ist. In diesem Bereich entfalten nämlich die Mikroorganismen eine verhältnismäßig rege StoffWechseltätigkeit. Die Ultraschallbehandlung wird folglich vorzugsweise mit einer Temperatur durchgeführt, die mindestens 58° C beträgt. Ab dieser Temperatur läßt sich eine deutliche Verbesserung der Ergebnisse feststellen. Es ist bei bestimmten Bedingungen bereits möglich, die Mikroorganismen nicht nur zu reduzieren, also nicht nur eine teilweise Abtötung der Mikroorganismen herbeizuführen, sondern die Mikroorganismen abzutöten, also eine vollständige Abtötung der Mikroorganismen zu erreichen. Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird die Ultraschallbehandlung bei einer Temperatur von mindestens 60° C, vorzugsweise mindestens 65° C, vorzugsweise mindestens 70° C durchgeführt. Es hat sich gezeigt, daß ab 70° C die Mikroorganismen vollständig abgetötet werden können.
Es ist ferner vorteilhaft, die Behandlung mit Ultraschall bei erniedrigter Temperatur durchzuführen. Praktische Versuche haben ergeben, daß auch bei einer erniedrigten Temperatur die Mikroorganismen besonders effektiv abgetötet werden können. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Temperatur höchstens 15° C beträgt. Bei einer Temperatur von höchstens 10° C ist eine weitere Steigerung der Effektivität des Verfahrens möglich.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird die Tempe ratur des Mediums während der Behandlung mit Ultraschall auf einer konstanten Temperatur gehalten. Durch die Behandlung mit Ultraschall wird Energie in das Medium eingebracht, die normalerweise zu einer Temperatursteigerung in dem Medium führt. Um zu verhindern, daß dadurch die höchstzulässige Temperatur überschritten wird, wird das Medium derart gekühlt, daß seine Temperatur gleich bleibt. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, daß die optimale und höchstzulässige Temperatur während des Verfahrens beibehalten wird. Von besonderer Bedeutung ist dies für Flüssigei, das keinesfalls bestimmte Temperaturen überschreiten darf.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung mit Ultraschall zunächst bei erhöhter Temperatur und anschließend bei erniedrigter Temperatur durchgeführt wird. Bei diesem zweistufigen Verfahren ist es nicht unbedingt erforderlich, daß bereits in der ersten Stufe, also bei erhöhter Temperatur, alle Keime abgetötet werden. Folglich muß die Temperatur der ersten Stufe nicht ganz so hoch gewählt werden, wodurch das Medium geschont wird. Hierdurch kann eine gewisse Steigerung der Naturbelassenheit erreicht werden. Es ist aber auch möglich, die erste, erhöhte Temperatur so hoch wie bei einer ausschließlichen Behandlung bei erhöhter Temperatur zu wählen. In diesem Fall wird die erreichbare Sicherheit verdoppelt.
Es ist auch möglich, das umgekehrte Verfahren durchzuführen, die Behandlung mit Ultraschall also zunächst bei erniedrigter Temperatur und anschließend bei erhöhter Temperatur durchzuführen. In beiden Fällen ist unter einer "erhöhten" Temperatur die oben beschriebene erhöhte Temperatur zu verstehen, ebenso eine "erniedrigte" Temperatur.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Mediums, ausgehend von einer Temperatur von mindestens 58° C, während der Ultraschallbehandlung er höht wird. Dies hat sich als besonders wirkungsvoll erwiesen. Die Ultraschallquelle kann dabei als Energiequelle zur Temperaturerhöhung benutzt werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung fällt die Leistung bzw. die Intensität der Ultraschallquelle mit zunehmender Temperatur ab. Die Leistung bzw. Intensität des auf das Medium wirkenden Ultraschalls ist also umso geringer, je höher die
Temperatur ist.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeich net, daß die Temperatur des Mediums, ausgehend von einer Temperatur von höchstens 15° C, während der Ultraschallbehandlung vermindert wird. Auch dies hat sich als besonders wirkungsvoll erwiesen.
Vorzugsweise steigt die Leistung bzw. die Intensität der Ultraschallquelle mit abnehmender Temperatur des Mediums an. Die
Leistung bzw. Intensität des auf das Medium wirkenden Ultraschalls ist also umso höher, je geringer die Temperatur ist.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden die
Temperaturveränderungen stufenweise durchgeführt. Nach einer Temperaturveränderung wird während einer bestimmten Haltezeit keine Temperaturveränderung durchgeführt. Während dieser Haltezeiten und/oder währnd der Temperaturveränderungszeiten ist es möglich, eine vollständige oder teilweise oder keine Ultraschallbehandlung durchzuführen.
Vorzugsweise wird die Ultraschallbehandlung einmal oder mehrmals wiederholt. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß das Medium eine Vorrichtung durchströmt, in der in Strömungsrichtung mehrere Ultraschallquellen hintereinander angeodnet sind.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn vor der Wiederholung der
Ultraschallbehandlung die Temperatur des Mediums auf den Aus gangswert gebracht wird.
Vorzugsweise wird die Behandlung mit Ultraschall während einer vorbestimmten Zeit durchgeführt. Praktische Versuche haben ergeben, daß im Prinzip mit der Dauer der Ultraschallbehandlung die Anzahl der abgetöteten Mikroorganismen ansteigt. Vorzugsweise beträgt die Ultraschall-Behandlungszeit mindestens 10 sec. Bei einer Erhitzung auf 85° C ist es dann möglich, alle Mikroorganismen in Milch abzutöten. Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung beträgt die Zeitdauer der Behandlung mit Ultraschall mindestens 30 sec.. Eine vollständige Abtötung der Mikroorganismen ist dann in Milch möglich, wenn die Temperatur höchstens 10° C oder mindestens 70° C beträgt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung beträgt die Zeitdauer der Ultraschallbehandlung mindestens 45 sec.. Dann kann in Milch eine vollständige Abtötung der Mikroorganismen erreicht werden, wenn die Temperatur mindestens 60° C beträgt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer der Ultraschallbehandlung, also die Beschallungszeit, 5 bis 30 sec. beträgt.
Es hat sich gezeigt, daß umso mehr Mikroorganismen abgetötet werden, je geringer die Viskosität des Mediums ist. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist deshalb dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung mit Ultraschall bei verringerter Viskosität des Mediums durchgeführt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei einem pH-Wert von 7, also in einem neutralen Medium, durchgeführt werden. Es ist allerdings vorteilhaft, wenn der pH-Wert von 7 verschieden ist, wenn das Medium also mehr oder weniger sauer oder basisch ist.
Vorzugsweise ist der pH-Wert des Mediums geringer als 7, ferner vorzugsweise geringer als 6, 8. Dies ist besonders bei Milch von Bedeutung, weil die Eiweißbindungen in der Milch aufgelöst werden, wenn der pH-Wert über 7 liegt.
Bei anderen Medien kann statt einer Verringerung des pH-Wertes auch eine Steigerung des pH-Wertes über 7 vorzugsweise über 7,1 vorgenommen werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird das Medium vor, während und/oder nach der Ultraschallbehandlung mit Mikrowellen bestrahlt. Durch diese Mikrowellenbestrahlung kann die erforderliche Temperatur eingestellt werden. Es ist ferner möglich, stattdessen oder zusätzlich durch die Ultraschallbehandlung die Effektivität der Mikroorganismen-Abtötung zu steigern.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden das Medium und damit die darin befindlichen Mikroorganismen, Zellen, Sporen und dergleichen einer variierenden Ultraschallintensität ausgesetzt. Die Ultraschallintensität kann ansteigend sein. Sie kann aber auch abfallend sein. Sie kann ferner zunächst ansteigend und dann abfallend sein. Schließlich kann die Ultraschallintensität auch zunächst abfallend und dann ansteigend sein.
Vorzugsweise wird die Intensität des auf das Medium wirkenden Ultraschalls während der Ultraschallbehandlung erhöht. Dies kan am einfachsten dadurch erreicht werden, daß das Medium in Richtung auf die Ultraschallquelle hin strömt. Ein bestimmtes
Volumen bzw. Volumenelement des Mediums wird dann umso intensiver bestrahlt, je näher es der Ultraschallquelle gekommen ist. Wenn nicht mit einem strömenden Medium, also nicht kontinuierlich, sondern mit einem ruhenden Medium gearbeitet wird, kann die Intensität des auf das Medium wirkenden Ultraschalls dadurch erhöht werden, daß die Leistung der Ultraschallquelle gesteiger wird.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Ultraschallintensitäten impuls- artig durchgeführt und/oder kurzfristig unterbrochen werden.
Vorzugsweise werden die impulsartig durchgeführten und/oder kurzfristig unterbrochenen unterschiedlichen Ultraschallintensitäten durch eine Mikrowellenbehandlung begleitet, deren Zeitdauer vorzugsweise 3 sec, bevorzugt weniger als 3 sec. beträgt.
Vorteilhaft ist es, wenn die Bewegung des Mediums zur Ultraschallquelle hin oder von der Ultraschallquelle weg oder quer zur Ultraschallquelle gerichtet ist. Die Bewegungsrichtung des Mediums kann auch aus einer Kombination der soeben beschriebenen Möglichkeiten bestehen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird die Intensi- tät der Beschallung durch Abstände der Ultraschallquelle zum Medium, durch Berührung der Ultraschallquelle mit dem Medium und durch die Eintauchtiefe der Ultraschallquelle in das Medium reguliert.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden mehrere Ultraschallquellen verwendet. Die Ultraschallquellen können hintereinander geschaltet oder parallel geschaltet sein.
Vorzugsweise besitzen die Ultraschallquellen eine spezielle Anordnung zum Medium. Sie können senkrecht, quer oder schräg angeordnet sein. Es ist auch möglich, eine abwechselnde Anordnung aus diesen Möglichkeiten vorzusehen.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Effekt der Ultraschallbehandlung durch die Wirkungs- tiefe erzielt wird.
Die Ultraschallbehandlung kann mehrmals durchgeführt werden.
Ferner kann die Ultraschallbehandlung durch in der Leistung unterschiedliche Ultraschallquellen durchgeführt werden. Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird in strömen den gasförmigen Medien der Trockenmasseanteil und/oder der Feuchtigkeitsanteil variiert.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeich net, daß in den zu behandelnden Medien während, vor oder nach einer Ultraschallbehandlung die Temperaturen, pH-Werte, Viskositäten, Trockenmassebestandteile, Feuchtigkeitsanteile, Fließgeschwindigkeiten, Strömungsgeschwindigkeiten und/oder die Bewegungsintensität variiert werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeich net, daß grob- und/oder feindisperse Substanzen in den Beschallungsraum eingeleitet werden und/oder grob- und/oder feindisper se Substanzen im zu beschallenden Substrat zusätzlich entstehen und diese im Beschallungsraum zurückgehalten werden, so daß die Abtötung vorhandener Mikroorganismen und/oder Homogenisierungseffekte beschleunigt werden.
Vorzugsweise beträgt die Dichte des Mediums mindestens 1, 01 g/cm3.
Die Aktivität des Mediums bzw. die Wassseraktivität beträgt vor zugsweise höchstens 0,995.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, also eine Vorrichtung zur Behandlung eines gasförmigen, flüssigen und/ oder pastösen Mediums mit Ultraschall. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem vorzugsweise zylindrischen Gefäß mit einem Zufluß und einem Abfluß und aus einer Ultraschallquelle (Sonotrode). Vorzugsweise ragt die Ultraschallquelle in das Gefäß und in das Medium hinein. Es ist aber auch möglich, die Ultraschallquelle in einem gewissen Abstand von dem Medium anzuordnen, also beispielsweise in einem gewissen Abstand über einem Flüssigkeitsspiegel. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.
Vorzugsweise ist der Zufluß im unteren Bereich des Gefäßes und der Abfluß im oberen Bereich des Gefäßes angeordnet. Die Ultraschallquelle ist dann im oberen Bereich des Gefäßes vorgesehen.
Nach einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist der Zufluß im oberen Bereich des Gefäßes und der Abfluß im unteren Bereich des Gefäßes angeordnet. Die Ultraschallquelle ragt in das Gefäß hinein. Hierbei beträgt der Abstand zwischen der Ultraschallquelle und dem Abfluß vorzugsweise 60 bis 80 mm.
Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind mehrere, vor zugsweise zwei Ultraschallquellen vorgesehen, vorzugsweise auf verschiedenen Seiten des Gefäßes.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung besitzt die Ultraschallquelle eine bestimmte Form, bevorzugt eine runde Form.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallquelle in einen abgeschlossenen Raum eintaucht, in dem Drücke bis zu 10 bar, bevorzugt 6 bar, erzeugt werden können und/oder in dem Unterdrücke erzeugt werden können.
Vorzugsweise sind die Ultraschallquellen so gelagert, daß keine direkte Berührung mit Umgebungsmaterial gegeben ist.
In einer besonderen Ausgestaltung des Verfahrens und der Vorrichtung wird eine in sich variierende Ultraschallintensität mittels einer oder mehrere Ultraschallquellen in bestimmten Anordnungen durchgeführt bzw. erreicht. Weiterhin hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, die Ultraschallbehandlung selbst impulsartig oder mit kurzfristigen Unterbrechungen durchzuführen. Diese Behandlung wird insbesondere durch entsprechende Abstände der Ultraschallquelle zum bewegten Medium bzw. durch Berührung bzw. durch entsprechende Eintauchtiefen der Ultraschallquelle des bzw. in das bewegte Medium gefördert.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Vorrichtung von dem Medium durchströmt wird und daß in der Vorrichtung mehrere Ultraschallquellen in Strömungsrichtung hintereinander vorgesehen sind.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung im einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur
Behandlung eines Mediums mit Ultraschall in einer schematischen Darstellung,
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer derartigen Vor- richtung und
Fig. 3 eine dritte Ausführungsform einer derartigen Vor- richtung.
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung zur Behandlung eines Mediums mit Ultraschall besteht aus einem zylindrischen, aufrechtstehenden Gefäß 1 mit einem Zufluß 2 und einem Abfluß 3. Der Zufluß 2 ist im unteren Bereich des Gefäßes 1 angeordnet, der Abfluß 3 im oberen Bereich des Gefäßes 1. Ferner ist im oberen Bereich des Gefäßes 1 eine Ultraschallquelle 4 vorgesehen, die in das Gefäß und in das darin befindliche Medium hineinragt. Um eine optimale Wirkung der Ultraschallquelle zu erreichen, muß diese eine gewis- se Mindesteintauchtiefe haben. Praktische Versuche haben ergeben, daß die optimale Eintauchtiefe bei 1 mm liegt. Das Gefäß 1 wird kontinuierlich durchströmt.
Die Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrich- tung zur Behandlung eines flüssigen Mediums mit Ultraschall.
Auch dort ist ein zylindrisches Gefäß 11 mit einem Zufluß 12 und einem Abfluß 13 vorhanden. Die Ultraschallquelle 14 ragt in das Gefäß 11 und in das darin befindliche Medium hinein. Der Zufluß
12 ist im oberen Bereich des Gefäßes 11 angeordnet, der Abfluß
13 führt unten aus dem Gefäß heraus. Das Gefäß 11 ist im unteren Bereich trichterförmig 15 ausgebildet. Der Abstand zwischen der Ultraschallquelle 14 und dem Eintrittsquerschnitt 16 des Abflusses 13 beträgt 60 bis 80 mm. Auch die Vorrichtung gemäß Fig. 2 wird kontinuierlich durchströmt.
Die Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Behandlung eines Mediums mit Ultraschall. Das zylindrische Gefäß 21 besitzt einen Zufluß 22 und einen Abfluß 23. Es sind zwei Ultraschallquellen 24, 25 vorgesehen, die sich auf verschiedenen Seiten des Gefäßes 21 befinden und die auch einen horizontalen Abstand voneinander aufweisen. Auch die Vorrichtung gemäß Fig. 3 wird kontinuierlich durchströmt. Je nach Bedarf können auch mehr als zwei Ultraschallquellen vorgesehen werden.
Bei praktisch durchgeführten Versuchen wurde Rohmilch mit Ultraschall behandelt. Es hat sich gezeigt, daß umsomehr Mikroorganismen abgetötet werden, je größer der auf die Mikroorganismen wirkende Streß ist. Hierbei hat sich herausgestellt, daß auf die Mikroorganismen folgende Streßfaktoren wirken: Temperatur, pH- Wert, mechanischer Streß durch Ultraschallbehandlung. Hinsichtlich der Temperatur ist der auf die Mikroorganismen wirkende Streß im Temperaturbereich von 35 bis 50° C am geringsten. Über 50° C steigt der Streß an, ebenso unter 35° C. Hinsichtlich des pH-Wertes steigt der Streß ebenfalls mit der Abweichung vom neutralen pH-Wert 7 nach oben oder unten an. Hinsichtlich der mechanischen Beanspruchung durch Ultraschall steigt der Streß auf die Mikroorganismen mit der Intensität (Energie) des Ultraschalls und der Zeitdauer der Ultraschallbehandlung an.
Bei praktischen Versuchenwurden unterschiedliche Zeit-Temperatur- korrelationen untersucht. Ausgangsmaterial war jeweils 400 ml Rohmilch in einem Becherglas von 500 ml Inhalt. Die durchgeführten Versuche und deren Ergebnisse werden nachstehend in Tabellen- form wiedergegeben:
I. a) Rm beschallt bei 10ºC, 30 sec.
b) Rm beschallt bei 10ºC, 45 sec.
II. a) Rm beschallt bei 30ºC, 30 sec.
b) Rm beschallt bei 30ºC, 45 sec.
III. a) Rm beschallt bei 60°C, 30 sec.
b) Rm beschallt bei 60ºC, 45 sec.
IV. a) Rm beschallt bei 70°C, 30 sec.
b) Rm beschallt bei 70ºC, 45 sec.
Auswertung: Bestimmung der Gesamtkeimzahl
Nr. Verdünnung Koloniebildende Einheiten (KbE)
Figure imgf000019_0001
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Hierin bedeuten:
"Rm" = "Rohmilch" mit einer Ausgangs-Keimbelastung von einer Million Keimen pro Milliliter (ml)
"c" = Durchschnittswert
"*" = Der Keimanteil liegt unter 10 KbE, ist also nicht mehr nachweisbar.
Die Angabe der Verdünnung in Werten von -2, -3 und -4 entspricht den Verdünnungsreihen nach mikrobiologischem Standard.
Bei einer Beschallung von Rohmilch für 30 Sekunden bei 10° C (Fall Ia) wurde bei einer Verdünnung von -2 und -4 (jeweils Doppelproben) keine koloniebildenden Einheiten festgestellt. Die festgestellten koloniebildenden Einheiten bei einer Verdünnung von -3 müssen auf einer Kontamination des Gefäßes beruhen.
Im Fall Ib wurde Rohmilch für 45 Sekunden bei 10° C beschallt . An sich müßten bei einer Verdünnung von -3 und -4 weniger koloniebildende Einheiten feststellbar sein als bei einer
Verdünnung von -2. Hieraus folgt, daß auch die Feststellung der koloniebildenden Einheiten bei der Verdünnung von -3 und -4 auf einer Kontamination des Gefäßes beruhen müssen.
Bei der Beschallung von Rohmilch bei 30° C für 30 Sekunden (Fall Ha) und für 45 Sekunden (Fall Ilb) wurden bei einer Verdünnung von -2 keine koloniebildenden Einheiten festgestellt. Bei den größeren Verdünnungen von -3 und -4 wurden koloniebildende
Einheiten festgestellt, jedoch unter starker Reduzierung des Ausgangs-Keimgehaltes (eine Million KbE).
Bei einer Temperatur von 60° C wurde ebenfalls eine sehr starke Keimreduzierung festgestellt, und zwar sowohl bei einer
Beschallungsdauer von 30 Sekunden (Fall lIla) als auch bei einer Beschallungsdauer von 45 Sekunden (Fall Illb). Eine vollständige Abtötung wurde erreicht bei einer Verdünnung von -4 und (bei einer Probe) auch bei einer Verdünnung von -3 und einer
Beschallungsdauer von 45 Sekunden.
Bei einer Temperatur von 70° C wurde eine vollständige Abtötung der Mikroorganismen erreicht, und zwar bei allen Verdünnungen und sowohl bei einer Beschallungsdauer von 30 Sekunden (Fall IVa) als auch bei einer Beschallung von 45 Sekunden (Fall IVb).
Die bisherigen Auswertungen deuten darauf hin, daß ein besserer Abtötungseffekt bei sehr hohen Temperaturen bzw. niedrigen
Temperaturen eintritt. Hierbei scheinen aber Temperaturen um 65° C bis 70° C durchaus zu genügen. Ferner scheint es so zu sein, daß bereits verhältnismäßig kurze Beschallungszeiten von 30 Sekunden oder 45 Sekunden ausreichend sind.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger Beispiele erläutert:
Beispiel 1: In Milch wird die Dichte auf einen Wert über 1,01 g/cwß gebracht. Die Wasseraktivität wird auf unter 0, 995 abgesenkt. Der pH-Wert wird auf weniger als 6, 8 oder mehr als 7,1 eingestellt. Die Temperatur wird auf über 58° C eingestellt. Hierdurch ändert sich auch die Viskosität der Milch. Die so vorbereitete Milch wird einer Ultraschallbehandlung mit einer Frequenz von mindestens 18 kHz unterzogen. Die Temperatur der Milch wird, beginnend bei 58° C, während des Beschallungsvorganges bis auf maximal 29° C erhöht. Die Beschallungsdau er beträgt 5 bis 30 sec.. Bei einer Beschallungsdauer von 30 sec. werden nach 20 sec. etwa 74° C erreicht und nach weiteren 10 sec. 99° C. Die Ultraschallbehandlung wird also derart durchgeführt, daß die Milch nach 20 sec. eine Temperatur von 74° C hat und nach weiteren 10 sec. eine Temperatur von 99° C hat. Die Leistung der Ultraschallquelle bzw. des Ultraschalls fällt mit dieser ansteigenden Temperatur ab. In der so behandelten Milch sinkt die Anzahl der Mikroorganismen um vier Zehnerpotenzen.
Beispiel 2; Es wird wiederum Milch behandelt, die wie in Beispiel 1 vorbereitet wird. Im Unterschied zu Beispiel 1 beträgt die Temperatur der Milch während der Ultraschallbehandlung allerdings höchstens 15° C. Zunächst wird die Temperatur der Milch auf 15° C eingestellt. Dann beginnt die Ultraschallbehandlung. Während der Ultraschallbehandlung wird die Temperatur bis auf 0° C erniedrigt. Die Beschallungsdauer beträgt 15 bis 120 sec. Die Temperatur fällt je nach Beschallungsdauer linear ab. Die Leistung der Ultraschallquelle steigt mit abfallender Temperatur an.
Beispiel 3: Wie Beispiel 1 und 2; nach einer durchgeführten
Ultraschallbehandlung wird diese Ultraschallbehandlung einmal oder mehrmals in gleicher Weise wiederholt. Vor einer Wiederholung der Ultraschallbehandlung wird die Temperatur der Milch auf den jeweiligen Ausgangspunkt gebracht. Im Beispiel 1 wird die Temperatur der Milch also vor der Wiederholung der Ultraschallbehandlung auf 58° C gebracht. Im Beispiel 2 wird die Temperatur der Milch vor der Wiederholung der Ultraschallbehandlung auf 15° C gebracht. Die wiederholten Beschallungsmaßnahmen können dadurch bewirkt werden, daß die Milch in einer Vorrichtung strömt und daß in dieser Vorrichtung mehrere Ultraschallquellen in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind. Beispiel 4: Die Milch wird in einer Vorrichtung behandelt, die von der Milch durchströmt wird. Der Strom der anströmenden Milch wird geteilt und mittels nebeneinander geschalteter Ultraschallquellen behandelt.
Beispiel 5: Wie Beispiel 1; während der Temperaturerhöhung, die während der Ultraschallbehandlung stattfindet, werden Temperaturhaltezeiten vorgesehen, während der die Temperatur nicht erhöht wird. Dies geschieht innerhalb des Temperaturbereiches von 58° C bis 71° C. Die Temperaturhaltezeiten können ohne oder mit Beschallung vorgenommen werden.
Beispiel 6 : Wie Beispiel 2; innerhalb des Temperaturbereiches von 15° C bis 6° C werden Temperaturhaltezeiten ohne oder mit Beschallung vorgenommen.
Beispiel 7: Wie Beispiel 1; die Temperaturveränderungen von
58° C bis 99° C werden stufenweise durchgeführt.
Beispiel 8: Wie Beispiel 2; die Temperaturveränderungen von
15° C bis 0° C werden stufenweise durchgeführt.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zur Abtötung von Mikroorganismen in einem gasförmigen, flüssigen und/oder pastösen Medium, insbesondere Milch oder Milchprodukte, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium mit Ultraschall behandelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium für einen Zeitraum von höchstens 60 sec. mit Ultraschall behandelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium mit Ultraschall einer Frequenz von mindestens 18 kHz, vorzugsweise von mindestens 20 kHz, behandelt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium mit Ultraschall einer Leistung von mindestens 2.000 Watt behandelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium bewegt wird.
6. Verfahren nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß der nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführenden Ultraschallbehandlung eine Ultraschallbehandlung eines bewegten oder unbewegten mikroorganismenhaltigen Mediums bei einer Temperatur von 0 bis 50° C, bevorzugt 45° C, und einer Intensität von 1800 Watt oder mehr sowie einer Beschallungsdauer von 30 bis 60 sec. derart vorausgeht, daß die Wasseraktivität im Medium durch Oberflächenveränderung der dispergierten, emulgierten und gelösten Stoffe im zu behandelnden Medium geändert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die nach Anspruch 6 durchgeführte Ultraschallbehandlung durch Impulsbeschallung und/oder Mehrfachbeschallung und/oder durch unterschiedlich gerichtete Beschallung bei Temperaturen von 0 bis 50° C, einer Beschallungsdauer von 30 bis 60 sec. und einer Intensität von 500 bis 2.500 Watt zu einer Oberflächen- und/oder Membranänderung der Mikroorganismen führt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium mit gerichtetem Ultraschall behandelt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallbehandlung bei variierenden Temperaturen durchgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Mediums 0 bis 100° C beträgt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung mit Ultraschall bei erhöhter Temperatur durchgeführt wird, wobei die Tempertur vorzugsweise mindestens 58° C, ferner vorzugsweise mindestens 60° C, ferner vorzugsweise mindestens 65° C, ferner vorzugsweise mindestens 70° C beträgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung mit Ultraschall bei erniedrigter Temperatur durchgeführt wird, wobei die Temperatur vorzugsweise höchstens 15° C, ferner vorzugsweise höchstens 10° C beträgt.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Mediums während der Behandlung mit Ultraschall konstant gehalten wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung mit Ultraschall zunächst bei erhöhter Temperatur und anschließend bei erniedrigter Temperatur durchgeführt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung mit Ultraschall zunächst bei erniedrigter Temperatur und anschließend bei erhöhter Temperatur durchgeführt wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Mediums, ausgehend von einer Temperatur von mindestens 58° C, während der
Ultraschallbehandlung erhöht wird.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung der Ultraschallquelle mit zunehmender Tempertur abfällt.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Mediums, ausgehend von einer Temperatur von höchstens 15° C, während der Ultraschallbehandlung vermindert wird.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung der Ultraschallquelle mit abnehmender Temperatur ansteigt.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch
gekennzeichnet, daß die Temperaturveränderungen stufenweise durchgeführt werden.
21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallbehandlung einmal oder mehrmals wiederholt wird.
22. Verfahren nach Anspruch 21 in Verbindung mit einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Wiederholung der Ultraschallbehandlung die Temperatur des Mediums auf den Ausgangswert gebracht wird.
23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung mit Ultraschall während einer vorbestimmten Zeit durchgeführt wird, wobei die vor- bestimmte Zeit vorzugsweise mindestens 10 sec., ferner vorzugsweise mindestens 30 sec, ferner vorzugsweise mindestens 45 sec. beträgt.
24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer der Ultraschallbehandlung 5 bis 30 sec beträgt.
25. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung mit Ultraschall bei verringerter Viskosität des Mediums durchgeführt wird.
26. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung mit Ultraschall bei einem von 7 verschiedenen pH-Wert durchgeführt wird.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Wert geringer als 7, vorzugsweise geringer als 6,8, ist.
28. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Wert höher als 7, vorzugsweise höher als 7,1, ist.
29. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium vor, während und/oder nach der Ultraschallbehandlung mit Mikrowellen bestrahlt wird.
30. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium einer variierenden Ultraschallintensität (ansteigend oder abfallend bzw. ansteigend und abfallend oder umgekehrt) ausgesetzt wird, wobei vorzugsweise die Intensität des auf das Medium wirkenden Ultraschalls während der Ultraschallbehandlung erhöht wird.
31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Ultraschallintensitäten impulsartig durchgeführt und/oder kurzfristig unterbrochen werden und
vorzugsweise durch eine Mikrowellenbehandlung von
vorzugsweise 3 sec., bevorzugt weniger als 3 sec.,
begleitet werden.
32. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung des Mediums zur Schallquelle hin oder von der Schallquelle weg oder quer zur Schallquelle oder kombiniert erfolgt.
33. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der Beschallung durch Abstände der Schallquelle zum Medium, durch Berührung der Schallquelle mit dem Medium und/oder durch die Eintauchtiefe der Schallquelle in das Medium reguliert wird.
34. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Ultraschallquellen verwendet werden, die vorzugsweise durch Hintereinanderschaltung und/ oder Parallelschaltung miteinander verbunden sind.
35. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallquellen eine spezielle Anordnung zum Medium besitzen, wobei die Ultraschallquellen vorzugsweise senkrecht und/oder quer und/oder schräg und/oder abwechselnd angeordnet sind.
36. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Effekt der Ultraschallbehandlung durch die Wirkungstiefe erzielt wird.
37. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallbehandlung mehrmals durchgeführt wird.
38. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallbehandlung durch in der Leistung unterschiedliche Ultraschallquellen durchgeführt wird.
39. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in strömenden gasförmigen Medien der Trockenmasseanteil und/oder der Feuchtigkeitsanteil variiert wird.
40. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Medium während, vor oder nach der bzw. einer Ultraschallbehandlung die Temperaturen, pH-Werte, Viskositäten, Trockenmassebestandteile,
Feuchtigkeitsanteile, Fließgeschwindigkeiten,
Strömungsgeschwindigkeiten und/ oder BewegungsIntensitäten verändert werden.
41. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß grob- und/oder feindisperse Substanzen in den Beschallungsraum eingeleitet werden und/oder grobund/oder feindisperse Substanzen im zu beschallenden Substrat zusätzlich entstehen und diese im Beschallungsraum zurückgehalten werden, so daß die Abtötung vorhandener Mikroorganismen und/oder Homogenisierungseffekte beschleunigt werden.
42. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte des Mediums mindestens 1 , 01 g/cm3 beträgt.
43. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivität des Mediums bzw. die Wasseraktivität höchstens 0,995 beträgt.
44. Vorrichtung zur Behandlung eines gasförmigen, flüssigen und/oder pastösen Mediums mit Ultraschall, bestehend aus einem vorzugsweise zylindrischen Gefäß (1) mit einem Zufluß (2) und einem Abfluß (3) und einer Ultraschallquelle (4), die vorzugsweise in das Gefäß (1) und in das Medium hineinragt.
45. Vorrichtung nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, daß der Zufluß (2) im unteren Bereich des Gefäßes (1) und der Abfluß (3) im oberen Bereich des Gefäßes (1) angeordnet ist und daß die Ultraschallquelle (4) im oberen Bereich des Gefäßes (1) vorgesehen ist.
46. Vorrichtung nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, daß der Zufluß im oberen Bereich des Gefäßes und der Abfluß im unteren Bereich des Gefäßes angeordnet ist und daß die Ultraschallquelle in das Gefäß hineinragt (Fig. 2).
47. Vorrichtung nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Ultraschallquelle und dem Abfluß 60 bis 80 mm beträgt.
48. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 44 bis 47, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, vorzugsweise zwei Ultraschallquellen auf vorzugsweise verschiedenen Seiten des Gefäßes vorgesehen sind (Fig. 3).
49. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 44 bis 48, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallquelle eine bestimmte Form, vorzugsweise eine runde Form besitzt.
50. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 44 bis 49, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallquelle in einem abgeschlos senen Raum eintaucht, in dem Drücke bis 10 bar, bevorzugt 6 bar, erzeugt werden bzw. Unterdrücke erzeugt werden können.
51. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 44 bis 50, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallquellen so gelagert sind, daß keine direkte Berührung mit Umgebungsmaterial gegeben ist.
52. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 43, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung von dem Medium durchströmt wird und daß in der Vorrichtung mehrere Ultraschallquellen in Strömungsrichtung hintereinander vorgesehen sind.
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