WO2006024395A1 - Vorrichtung und ein verfahren zur mikropartikulierung von filtrationsretentaten - Google Patents

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Tetra Laval Holdings and Finance SA
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Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for the microparticulation of filtration retentates, in particular of whey proteins in ultrafiltration whey concentrates, comprising a mechanical treatment and a heat treatment.
  • the aim of particulating is to allow filtration retentates, e.g. Produce whey protein particles in a size range of a few micrometers. This is generally achieved by a combination of heat-induced denaturation and aggregation of the whey proteins with mechanical comminution of the particles.
  • filtration retentates e.g. Produce whey protein particles in a size range of a few micrometers.
  • This is generally achieved by a combination of heat-induced denaturation and aggregation of the whey proteins with mechanical comminution of the particles.
  • the superposition of the two counteracting processes aggregation and particle fragmentation for the particleization process is used in order to obtain a specific size distribution of the particles.
  • the filtration retentate or especially the whey protein aggregate can be adapted to the specific requirements for various products.
  • whey proteins in the form of aggregates in the size range of a few micrometers can be integrated into a cheese matrix.
  • the yield is increased and the texture properties, especially of reduced-fat cheeses, are improved.
  • Use in cheese, for example, requires particle sizes below 10 microns. Vonnemann Kloiber & colleagues our sign: 2572
  • the aggregates obtained by particulation in a certain size range as narrow as possible can be used in an analogous manner, for example, in the production of milk desserts or ice cream.
  • the rotor since the comminution of the particles is triggered in the scraped surface heat exchanger only by intensive shear stress in the known method, the defined choice of a desired defined particle size is not possible a priori. Instead, essentially the design and choice of operating parameters must be done empirically. In addition, in order to produce particularly small size ranges of a few micrometers, which are of particular interest for the applications mentioned, the rotor must be operated with the scrapers at a very high rotational speed. This has the disadvantage that the wear of the scraped surface heat exchanger is particularly large. Furthermore, the operation at high rotational speed leads to increased energy consumption.
  • the present invention is therefore based on the object, a device and a method for a mechanical treatment and heat treatment comprising microparticulation of Filtrationsretentaten, in particular of whey proteins in ultrafiltration whey concentrates indicate that allow a particularly high yield of particles in a preselected size range particularly resource-friendly.
  • this object is achieved in that in a device for a mechanical treatment and a heat treatment comprising microparticulation of Filtrationsretentaten, in particular of whey proteins in ultrafiltration whey concentrates, a separate
  • Heat treatment device and a separate mechanical treatment device are provided. In this way, it is advantageously possible to specifically vary both the heating and the mechanical treatment as independent parameters.
  • a desired size range of the particles can be produced precisely.
  • the yield of particles within the required particle size interval is thus advantageously improved.
  • a separate mechanical treatment device is provided, a desired particle size can be preselected over a larger range than in the prior art.
  • the scraped surface heat exchanger does not have to be operated at high speed, which leads to a significantly reduced wear of this device.
  • the microparticulate device according to the invention is further improved if a residence section is arranged between the heat treatment device and the mechanical treatment device.
  • a residence section is arranged between the heat treatment device and the mechanical treatment device.
  • the dwelling is designed as a pipe loop.
  • intermediate storage between the heat treatment device and the mechanical treatment device can advantageously be provided without great costs.
  • the heat treatment device is designed as a scraped surface heat exchanger.
  • a scraped surface heat exchanger a rotating scraper constantly creates a new thin product film on the exchange surface. This has the advantage that the thermal load and thus the buildup of the product on the heating surface is correspondingly low. This leads advantageously to a very effective heat transfer at low thermal stress, especially sensitive products.
  • the scraped surface heat exchanger is connected to a hot water circuit.
  • the hot water circuit can be performed with advantage through an annular gap between an inner cylinder and an outer insulating jacket of the scraped surface heat exchanger.
  • the Filtrationsretentate, in particular the whey proteins in an ultrafiltration whey concentrate can be heated in this way in the scraped surface heat exchanger to the desired temperature with advantage.
  • the hot water circuit allows a much more accurate adjustment of the temperature at the heat transfer surface of the scraped surface heat exchanger than would be possible with the use of steam as the heating medium. This avoids burning of the retentate with the consequence that u.a. the possible duration of operation of the scraped surface heat exchanger is severely limited between two cleanings, or that burnt particles dissolve and reach the final product, where they would cause undesirable discoloration.
  • the mechanical treatment device is designed as a homogenizer.
  • Homogenizers are a tried and tested homogenizing agent.
  • the homogenizer has a nip passage for the filtration retentate with a width which is constant over its extent. This has the advantage of ensuring that any filtration retentate that has passed through the homogenizer has a maximum particle size dictated by the width of the nip passage. The provision of a constant width over the entire extent of the nip passage also ensures that this maximum particle size is ensured regardless of the location at which the particular particle has passed through the nip passage.
  • the gap passage is annular.
  • Spalt begangsumble a high product throughput can be achieved while maintaining particularly favorable external dimensions of the homogenizer.
  • the width of the gap passage is made variably adjustable. While retaining the properties mentioned above with regard to the particle size selection, it is advantageously achieved in this way that the Vonnemann Kloiber & colleagues our sign: 2572
  • the microparticulation device according to the invention can advantageously be adapted to the treatment of filtration retentates for a very wide variety of applications, whereby the economy is advantageously influenced.
  • a plate heat exchanger for heat exchange between the Filtrationsretentaten the final product of the microparticulation is additionally provided.
  • Heat treatment device already preheated, at the same time, the final product of the microparticulation, coming from the homogenizer output, further cooled down.
  • it is advantageously ensured that no further aggregation processes take place undesirably in the end product.
  • the object underlying the invention is likewise achieved by a method for the microparticulation of filtration retentates, in particular of whey proteins in ultrafiltration whey concentrates, comprising a mechanical treatment and a heat treatment, in which the heat treatment and the mechanical treatment are carried out spatially and temporally separated from each other.
  • the heat treatment is carried out before the mechanical treatment.
  • the filtration retentate is determined according to the Vonneman ⁇ Kloiber & conduct our sign: 2572
  • a particularly favorable development of the microparticulation method according to the invention is obtained when the filtration retentate is temporarily stored in a residence zone. This advantageously achieves retention of the retentate over a defined time at the temperature level after the scraped surface heat exchanger so as to complete aggregate formation for as high a proportion of the retentate as possible.
  • the heat treatment is carried out in a scraped surface heat exchanger.
  • scraped surface heat exchanger is heated by a hot water circuit.
  • the microparticulation method according to the invention can be designed to be particularly energy-saving and wear-poor if, according to the invention, the scraped surface heat exchanger is operated at low speed.
  • the operation of the scraped surface heat exchanger at low speed is advantageously possible according to the invention, since the mechanical processing of the particles according to the invention does not take place in the scraped surface heat exchanger. Accordingly, advantageously no aspects in the choice of the speed of the scraped surface heat exchanger are to be considered, which are not related to its optimal operation.
  • the mechanical treatment is carried out in a homogenizer. Vonnemann Kloiber & colleagues our sign: 2572
  • a special embodiment of the microparticulation method according to the invention provides that the mechanical treatment is carried out in a homogenizer with an annular gap passage.
  • Another particularly energy-efficient variant of the microparticulation method according to the invention provides that in addition a heat exchange between the filtration retentate and a final product of the microparticulation is carried out.
  • Figure 1 schematic representation of the overall structure of the microparticulation device according to the invention.
  • FIG. 2 shows a sectional view of the scraped surface heat exchanger used in the microparticulate device according to the invention.
  • FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of the homogenizer used in the microparticulate device according to the invention. Vonnemann Kloiber & colleagues our sign: 2572
  • FIG 1 is a schematic structure of a
  • Microparticulation device 1 shown. From a feed tank 2 pressurized Filtrationsretentat flows through the Retentatzu Arthur 3 through a plate heat exchanger 4 to the scraped surface heat exchanger 5. The scraped surface heat exchanger 5 is heated with a hot water circuit 6. Downstream of the scraped surface heat exchanger 5 there is the dwelling section 7 designed as a pipe loop. The dwelling section 7 is connected to the homogenizer 9 via the supply line 8. The output of the homogenizer 9 is connected via the discharge line 10 to the plate heat exchanger 4. The product discharge line 11 is led from the outlet of the plate heat exchanger 4 to the product outlet 12 of the microparticulation device 1.
  • FIG. 2 shows a detailed representation of the scraped surface heat exchanger 5.
  • the scraped surface heat exchanger 5 has a product inlet 13.
  • the product inlet 13 leads to the product space 14 in which the rotor 15 with the scrapers 16 is located.
  • the rotor is driven by the motor 17.
  • the product space 14 has a scraped-product exit 18 at a end remote from the product inlet 13.
  • the product space 14 is delimited by the cylinder-jacket surface-shaped heat transfer surface 19.
  • Heat transfer surface 19 forms with the outer wall 20 of the scraped surface heat exchanger 5, the annular gap 21 for the heating medium.
  • the annular gap 21 for the heating medium has at the upper end of the Edelmediumeinlella 22 and at the lower end of the Edelmediumauslenfin 23rd
  • the homogenizer 9 is shown in a schematic sectional view.
  • the homogenizer 9 essentially consists of the punch 24 and the baffle ring 25.
  • the annular gap passage 26 is formed between the punch 24 and the baffle ring 25.
  • the punch 24 is displaceable in the direction of the longitudinal axis 27 relative to the baffle ring 25.
  • the large aggregates 29 of the whey proteins before passing through the annular gap passage 26 and on the low pressure side 30, the particulate end product 31 can be seen on the high pressure side 28 after passing through the annular gap passage 26.
  • the starting product of the microparticulation with the microparticulation device 1 is the filtration residue of filtered whey collected in the feed tank 2.
  • the Filtrationsretentat is transported from the feed tank 2 to the plate heat exchanger 4.
  • Plate heat exchanger 4 the filtration retentate is preheated by heat exchange with the finished product located in the discharge 10. After the filtration retentate has passed through the plate heat exchanger 4, it is transported further via the retentate feed line 3 to the product inlet 13 of the scraped surface heat exchanger 5.
  • the rotor 15 driven by the motor 17 causes the scrapers 16 attached to the ends of the rotor 15 to constantly form a new thin film of filtration retentate on the heat transfer surface 19 produce.
  • the heat transfer surface 19 is heated by means of the annular gap 21 formed between the heat transfer surface 19 and the outer wall 20 of the scraped surface heat exchanger 5 for heating medium.
  • Hot water enters the hot water circuit 6 via the heating medium inlet 22 and leaves it again via the heating medium outlet 23.
  • the rotating scrapers 16, which are driven via the rotor 15, rotate at a low speed in order to ensure optimum heat transfer and as little as possible To consume energy.
  • the filtration retentate is kept hot during a residence time to complete aggregate formation. From the pipe loop 7, the filtration retentate passes via the supply line 8 into the homogenizer 9.
  • the filtration retentate on the high-pressure side 28 enters the homogenizer 9 along its longitudinal axis 27.
  • the filtration retentate consists essentially of the large aggregates 29 which are suitable for further use, e.g. for incorporation in cheese or ice cream instead of fat, are unsuitable.
  • Due to the pressure gradient, which exists between high pressure side 28 and low pressure side 30, the large units 29 are pressed through the annular gap passage 26 to the low pressure side 30 therethrough. In this case, the large units 29 are comminuted according to the width of the annular gap passage 26.
  • the filtration retentate consists of a surprisingly large number of particles within a narrow diameter range which are suitable for further use, e.g. the installation in place of fat, are useful.
  • the particulate product 31 is cooled by heat to the coming from the feed tank 2 original Filtrationsretentat.
  • the particulate product 31 leaves the plate heat exchanger 4 via the product discharge line 11 in the direction of the product outlet 12 of the microparticulate device 1.
  • microparticulation method according to the invention and the device for microparticulation thus produce a significantly higher proportion of usable particles than the known methods and devices. Because of the operation of the scraped surface heat exchanger 5 at low speed of the scraped surface heat exchanger 5 is subject to a correspondingly low wear, which advantageously also the maintenance costs are reduced.
  • the punch 24 is displaced along the longitudinal axis 27 relative to the baffle ring 25.
  • the width of the annular gap passage 26 changes.
  • the particulate product 31 contained on the low-pressure side 30 now has a narrow size distribution about a mean value shifted in accordance with the new width of the annular gap passage 26.
  • the microparticulation device according to the invention is universally usable for the treatment of filtration retentate for a number of end products such as cheese, ice cream, etc. Vonneman ⁇ Kloiber & conduct our sign: 2572

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Abstract

Um eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren zur eine mechanische Behandlung und eine Wärmebehandlung umfassenden Mikropartikulierung von Filtrationsretentaten, insbesondere von Molkenproteinen in Ultrafiltrationsmolkenkonzentraten, anzugeben, die jeweils eine besonders hohe Ausbeute von Partikeln in einem vorwählbaren Größenbereich besonders ressourcenschonend ermöglichen, wird vorgeschlagen, daß eine separate Wärmebehandlungsvorrichtung (5) sowie eine separate mechanische Behandlungsvorrichtung (9) vorgesehen sind, bzw. daß die Wärmebehandlung und die mechanische Behandlung räumlich und zeitlich getrennt voneinander durchgeführt werden.

Description

Vorrichtung und ein Verfahren zur Mikropartikulierung von
Filtrationsretentaten
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur eine mechanische Behandlung und eine Wärmebehandlung umfassenden Mikropartikulierung von Filtrationsretentaten, insbesondere von Molkenproteinen in Ultrafiltrationsmolkenkonzentraten.
Eine derartige Vorrichtung zur Mikropartikulierung ist beispielsweise bekannt aus der Dissertationsschrift „Thermische Denaturierung und Aggregation von Molkenproteinen in Ultrafiltrationsmolkenkonzentraten - Reaktionskinetik und Partikulieren im Schabewärmetauscher -", erschienen im Shaker Verlag unter ISBN 3-8265-6233-X aus dem Jahre 1999.
Ziel des Partikulierens ist es, Filtrationsretentate, wie z.B. Molkenproteinpartikel in einem Größenbereich von wenigen Mikrometern herzustellen. Dies wird generell erreicht durch eine Kombination der hitzeinduzierten Denaturierung und Aggregation der Molkenproteine mit einer mechanischen Zerkleinerung der Partikel. Man nutzt also die Überlagerung der beiden entgegenwirkenden Vorgänge Aggregation und Partikelzerteilung für den Partikulierungsprozess aus, um eine bestimmte Größenverteilung der Partikel zu erhalten.
Durch die Partikulierung kann das Filtrationsretentat bzw. speziell das Molkenproteinaggregat den spezifischen Anforderungen für verschiedenartige Produkte angepasst werden. Beispielsweise können Molkenproteine in Form von Aggregaten im Größenbereich weniger Mikrometer in eine Käsematrix integriert werden. Die Ausbeute wird erhöht und die Textureigenschaften, insbesondere von fettreduzierten Käsen, werden verbessert. Die Anwendung in Käse erfordert beispielsweise Partikelgrößen unter 10 μm. Vonnemann Kloiber & Kollegen unser Zeichen: 2572
Die durch Partikulierung erhaltenen Aggregate in einem bestimmten, möglichst engen Größenbereich, können beispielsweise auch bei der Herstellung von Milchdesserts oder Eiscreme in analoger Weise verwendet werden.
Bei der durch die o. g. Dissertationsschrift vorbekannten Vorrichtung zur Mikropartikulierung wird sowohl der Wärmebehandlungsvorgang als auch der Vorgang der mechanischen Bearbeitung, das heißt, der mechanischen Zerkleinerung, der Teilchen in ein und demselben Apparat gleichzeitig in gekoppelter Weise durchgeführt. Dabei wird gemäß dem zitierten Stand der Technik ein Schabewärmetauscher eingesetzt, in welchem die Molkenproteine aus dem Ultrafiltrationsmolkenkonzentrat eingeleitet werden. In dem Schabewärmetauscher wird das Filtrationsretentat einerseits durch den Wärmeübertrag an der Übertragungsfläche des Schabewärmetauschers erwärmt. Auf der anderen Seite erzeugen innerhalb des Schabewärmetauschers umlaufende Schaber eine
Scherkraft, wodurch eine mechanische Zerkleinerung der Partikel erreicht wird.
Nachteilig an dieser Vorrichtung bzw. an diesem Verfahren zur Mikropartikulierung ist hingegen, dass der Prozess des Erwärmens, durch welchen eine Aggregatbildung hervorgerufen wird, unmittelbar gekoppelt ist mit dem Vorgang des mechanischen Zerkleinems. So kann nachteilig der Wärmeübertrag auf das Filtrationsretentat nur durch Erhöhen der Umlauffrequenz der Schaber variiert werden, was jedoch unvermeidlich auch zu einer Änderung der mechanischen Zerkleinerungswirkung führt. Somit können nachteilig die gegenläufigen Vorgänge der durch Wärmebehandlung hervorgerufenen Aggregation und der durch mechanische Scherbeanspruchung hervorgerufenen Zerkleinerung nicht als unabhängige Parameter des Prozesses beeinflusst werden. Dies hat den Nachteil, dass es im Allgemeinen nicht möglich ist, Partikel in einem Vonπemanπ Kloiber & Kollegen unser Zeichen: 2572
vorgewählten und engen Größenbereich herzustellen. Da außerdem die Zerkleinerung der Partikel bei dem vorbekannten Verfahren in dem Schabewärmetauscher lediglich durch intensive Scherbeanspruchung ausgelöst wird, ist a priori die definierte Wahl einer gewünschten definierten Partikelgröße nicht möglich. Statt dessen muß im wesentlichen die Auslegung und Wahl der Betriebsparameter empirisch erfolgen. Außerdem muss zur Erzeugung von besonders kleinen Größenbereichen von wenigem Mikrometern, welche für die genannten Anwendungen insbesondere von Interesse sind, der Rotor mit den Schabern mit sehr hoher Rotationsgeschwindigkeit betrieben werden. Dies hat den Nachteil, dass die Abnutzung des Schabewärmetauschers besonders groß ist. Des weiteren führt der Betrieb bei hoher Umlaufgeschwindigkeit zu einem erhöhten Energieverbrauch.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur eine mechanische Behandlung und eine Wärmebehandlung umfassenden Mikropartikulierung von Filtrationsretentaten, insbesondere von Molkenproteinen in Ultrafiltrationsmolkenkonzentraten, anzugeben, die eine besonders hohe Ausbeute von Partikeln in einem vorwählbaren Größenbereich besonders ressourcenschonend ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass bei einer Vorrichtung zur eine mechanische Behandlung und eine Wärmebehandlung umfassenden Mikropartikulierung von Filtrationsretentaten, insbesondere von Molkenproteinen in Ultrafiltrationsmolkenkonzentraten, eine separate
Wärmebehandlungsvorrichtung sowie eine separate mechanische Behandlungsvorrichtung vorgesehen sind. Auf diese Weise ist es mit Vorteil möglich, sowohl die Erwärmung als auch die mechanische Behandlung gezielt als voneinander unabhängige Parameter zu variieren. Vonnemann Kloiber & Kollegen ^ unser Zeichen: 2572
Dadurch lässt sich ein gewünschter Größenbereich der Partikel präzise herstellen. Die Ausbeute von Partikeln innerhalb des benötigten Teilchengrößenintervalls wird somit vorteilhaft verbessert. Dadurch, dass eine separate mechanische Behandlungsvorrichtung vorgesehen ist, kann über einen größeren Bereich als beim Stand der Technik eine gewünschte Partikelgröße vorgewählt werden. Weiterhin ist vorteilhaft, dass der Schabewärmetauscher nicht mit hoher Drehzahl betrieben werden muss, was zu einem deutlich reduzierten Verschleiß dieses Gerätes führt.
Besonders günstig ist es nach der Erfindung, wenn die Wärmebehandlungsvorrichtung stromaufwärts von der mechanischen Behandlungsvorrichtung angeordnet ist. Hierdurch wird mit Vorteil im ersten Schritt eine Aggregation der Molkenproteine bewirkt. Erst nachdem dieser Aggregationsvorgang abgeschlossen ist, erfolgt wiederum unter sehr präzise und unabhängig vom Erwärmungsvorgang wählbaren Parametern die mechanische Zerkleinerung der Aggregate.
Die erfindungsgemäße Mikropartikulierungsvorrichtung wird noch verbessert, wenn zwischen der Wärmebehandlungsvorrichtung und der mechanischen Behandlungsvorrichtung eine Verweilstrecke angeordnet ist. Hierdurch kann mit Vorteil der Aggregationsvorgang außerhalb des Schabewärmetauschers vollständig zum Abschluss gebracht werden, bevor die mechanische Zerkleinerung erfolgt. Es wird somit mit Vorteil vermieden, dass nach erfolgter mechanischer Zerkleinerung noch weiter eine Aggregation erfolgt, was die gewünschte Größenverteilung unerwünscht verfälschen würde.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Verweilstrecke als Rohrschleife ausgebildet. Hierdurch kann mit Vorteil ohne große Kosten eine Zwischenspeicherung zwischen Wärmebehandlungsvorrichtung und mechanischer Behandlungsvorrichtung bereitgestellt werden. Vonnemaπn Kloiber & Kollegen unser Zeichen: 2572
Gemäß einer speziellen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikropartikulierungsvorrichtung ist die Wärmebehandlungsvorrichtung als Schabewärmetauscher ausgebildet. Bei einem Schabewärmetauscher erzeugt ein umlaufender Schaber ständig einen neuen dünnen Produktfilm auf der Austauscherfläche. Dies hat den Vorteil, dass die thermische Belastung und damit die Ansatzbildung des Produkts auf der Heizfläche entsprechend gering ist. Dies führt mit Vorteil zu einer sehr effektiven Wärmeübertragung bei geringer thermischer Belastung, insbesondere empfindlicher Produkte.
Zur Weiterbildung der Erfindung ist der Schabewärmetauscher mit einem Heißwasserkreislauf verbunden. Der Heißwasserkreislauf kann mit Vorteil durch einen Ringspalt zwischen einem inneren Zylinder und einem äußeren Isoliermantel des Schabewärmetauschers geführt werden. Die Filtrationsretentate, insbesondere die Molkeproteine in einem Ultrafiltrationsmolkenkonzentrat, können auf diese Weise mit Vorteil in dem Schabewärmetauscher auf die gewünschte Temperatur erwärmt werden. Der Heißwasserkreis gestattet eine wesentlich genauere Einstellung der Temperatur an der Wärme-Übertragungsfläche des Schabewärmetauschers als dies etwa bei der Verwendung von Dampf als Heizmedium möglich wäre. Man vermeidet dadurch ein Anbrennen des Retentats mit der Folge, dass u.a. die mögliche Betriebsdauer des Schabewärmetauschers zwischen zwei Reinigungen stark begrenzt ist, oder dass sich angebrannte Partikel lösen und bis ins Endprodukt gelangen, wo sie unerwünschte Verfärbungen hervorrufen würden.
Besonders günstig für den Verbrauch und schonend für die Abnutzung des Schabewärmetauschers ist es, wenn in spezieller Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Schabewärmetauscher zum Betrieb bei niedriger Drehzahl ausgebildet ist. Vonπemann Kloiber & Kollegen unser Zeichen: 2572
In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Mikropartikulierungsvorrichtung ist vorgesehen, dass die mechanische Behandlungsvorrichtung als Homogenisator ausgebildet ist. Homogenisatoren sind ein in der Praxis erprobtes Mittel zur Homogenisierung. Dabei erfolgt insbesondere auch eine Zerkleinerung besonders großer Partikel von Produkten, insbesondere Filtrationsretentaten, wie Molkenproteinen in Ultrafiltrationsmolkenkonzentraten.
In spezieller Ausgestaltung der Erfindung weist der Homogenisator einen Spaltdurchgang für das Filtrationsretentat mit einer über dessen Ausdehnung konstanten Breite auf. Dies hat den Vorteil, dass sichergestellt wird, dass jegliches Filtrationsretentat, welches durch den Homogenisator gegangen ist, eine durch die Breite des Spaltdurchgangs vorgegebene maximale Teilchengröße hat. Die Vorsehung einer konstanten Breite über die gesamte Ausdehnung des Spaltdurchgangs stellt zudem sicher, dass diese maximale Teilchengröße unabhängig von dem Ort, an dem das jeweilige Teilchen durch den Spaltdurchgang getreten ist, gewährleistet ist.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Spaltdurchgang ringförmig ausgebildet. Durch das Vorsehen eines ringförmigen Spaltdurchganges kann bei gegebener
Spaltdurchgangsbreite ein hoher Produktdurchsatz erreicht werden unter Beibehaltung von besonders günstigen Außenabmessungen des Homogenisators.
Um einen besonders breiten Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen Mikropartikulierungsvorrichtung zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass die Breite des Spaltdurchgangs variabel einstellbar ausgestaltet ist. Unter Beibehaltung der weiter oben genannten Eigenschaften bezüglich der Teilchengrößenselektion wird auf diese Weise vorteilhaft erreicht, dass der Vonnemann Kloiber & Kollegen unser Zeichen: 2572
Mittelwert der engen Teilchengrößenverteilung nach Wahl über einen Bereich verschiebbar ist, der durch die Einstellung der Spaltweite gegeben ist. Hierdurch kann mit Vorteil die erfindungsgemäße Mikropartikulierungsvorrichtung an die Behandlung von Filtrationsretentaten für unterschiedlichste Anwendungen angepaßt werden, wodurch die Wirtschaftlichkeit vorteilhaft beeinflusst wird.
In Ausgestaltung der Erfindung ist zusätzlich ein Plattenwärmetauscher für einen Wärmeaustausch zwischen den Filtrationsretentaten am Endprodukt der Mikropartikulierung vorgesehen. Durch diese energetisch besonders günstige Variante wird das Filtrationsretentat vor Eintritt in den Schabewärmetauscher oder in die sonstige
Wärmebehandlungsvorrichtung bereits vorgewärmt, wobei gleichzeitig das Endprodukt der Mikropartikulierung, aus dem Homogenisatorausgang kommend, weiter herabgekühlt wird. Insbesondere wird mit Vorteil sichergestellt, dass in dem Endprodukt keine weiteren Aggregationsvorgänge unerwünscht ablaufen.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird gleichermaßen gelöst durch ein Verfahren zur Mikropartikulierung von Filtrationsretentaten, insbesondere von Molkenproteinen in Ultrafiltrationsmolkenkonzentraten, umfassend eine mechanische Behandlung und eine Wärmebehandlung, bei welchem die Wärmbehandlung und die mechanische Behandlung räumlich und zeitlich getrennt von einander durchgeführt werden.
Bei einer Weiterbildung des Mikropartikulierungsverfahrens nach der Erfindung wird die Wärmebehandlung vor der mechanischen Behandlung durchgeführt.
In spezieller Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikropartikulierungsverfahrens wird das Filtrationsretentat nach der Vonnemanπ Kloiber & Kollegen unser Zeichen: 2572
Wärmebehandlung und vor der mechanischen Behandlung in einem Speichervolumen zwischengespeichert.
Eine besonders günstige Weiterbildung des erfindungsgemäßen Mikropartikulierungsverfahrens erhält man, wenn das Filtrationsretentat in einer Verweilstrecke zwischengespeichert wird. Hierdurch wird mit Vorteil ein Halten des Retentats über eine definierte Zeit auf dem Temperatumiveau nach dem Schabewärmetauscher erreicht, um so die Aggregatbildung für einen möglichst hohen Anteil des Retentats abzuschließen.
In weiterer Ausgestaltung des Mikropartikulierungsverfahrens gemäß der Erfindung wird die Wärmebehandlung in einem Schabewärmetauscher durchgeführt.
Dabei ist es besonders günstig, wenn der Schabewärmetauscher von einem Heißwasserkreislauf beheizt wird.
Das erfindungsgemäße Mikropartikulierungsverfahren kann besonders energiesparend und abnutzungsarm ausgestaltet werden, wenn gemäß der Erfindung der Schabewärmetauscher bei niedriger Drehzahl betrieben wird. Der Betrieb des Schabewärmetauschers bei niedriger Drehzahl ist mit Vorteil nach der Erfindung möglich, da die mechanische Bearbeitung der Teilchen erfindungsgemäß nicht im Schabewärmetauscher erfolgt. Dementsprechend sind vorteilhaft keine Aspekte bei der Wahl der Drehzahl des Schabewärmetauschers zu berücksichtigen, welche nicht im Zusammenhang mit dessen optimalem Betrieb stehen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Mikropartikulierungsverfahrens wird die mechanische Behandlung in einem Homogenisator durchgeführt. Vonnemann Kloiber & Kollegen unser Zeichen: 2572
Um einen besonders hohen Durchsatz an Filtrationsretentat zu erhalten, sieht eine spezielle Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikropartikulierungsverfahrens vor, dass die mechanische Behandlung in einem Homogenisator mit ringförmigem Spaltdurchgang durchgeführt wird.
Eine andere besonders energieeffiziente Variante des Mikropartikulierungsverfahrens nach der Erfindung sieht vor, dass zusätzlich ein Wärmeaustausch zwischen dem Filtrationsretentat und einem Endprodukt der Mikropartikulierung durchgeführt wird.
Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Verfahren finden sich in der vorstehenden Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Mikropartikulierung.
Die Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf eine Zeichnung beispielhaft beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten den Figuren der Zeichnung zu entnehmen sind.
Funktionsmäßig gleiche Teile sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Figuren der Zeichnung zeigen im Einzelnen:
Figur 1 : schematische Darstellung des Gesamtaufbaus der erfindungsgemäßen Mikropartikulierungsvorrichtung.
Figur 2: Schnittdarstellung des in der erfindungsgemäßen Mikropartikulierungsvorrichtung verwendeten Schabewärmetauschers.
Figur 3: schematische Querschnittsdarstellung der in der erfindungsgemäßen Mikropartikulierungsvorrichtung verwendeten Homogenisiervorrichtung. Vonnemann Kloiber & Kollegen unser Zeichen: 2572
In der Figur 1 ist schematisch der Aufbau einer
Mikropartikulierungsvorrichtung 1 dargestellt. Aus einem Vorlaufbehälter 2 fließt druckbeaufschlagtes Filtrationsretentat über die Retentatzuleitung 3 durch einen Plattenwärmetauscher 4 zu dem Schabewärmetauscher 5. Der Schabewärmetauscher 5 wird mit einem Heißwasserkreislauf 6 beheizt. Stromabwärts von dem Schabewärmetauscher 5 befindet sich die als Rohrschleife ausgeführte Verweilstrecke 7. Die Verweilstrecke 7 ist über die Zufuhrleitung 8 mit dem Homogenisator 9 verbunden. Der Ausgang des Homogenisators 9 ist über die Ableitung 10 mit dem Plattenwärmetauscher 4 verbunden. Die Produktausfuhrleitung 11 ist vom Ausgang des Plattenwärmetauschers 4 zum Produktausgang 12 der Mikropartikulierungsvorrichtung 1 geführt.
In der Figur 2 ist eine Detaildarstellung des Schabewärmetauschers 5 zu erkennen. Der Schabewärmetauscher 5 weist einen Produkteintritt 13 auf. Der Produkteintritt 13 führt zu dem Produktraum 14, in welchem sich der Rotor 15 mit den Schabern 16 befindet. Der Rotor wird von dem Motor 17 angetrieben. Der Produktraum 14 hat an einem dem Produkteintritt 13 abgewandten Ende einen Schabewärmetauscherproduktausgang 18. Der Produktraum 14 ist durch die zylindermantelflächenförmige Wärmeübertragungsfläche 19 umgrenzt. Die
Wärmeübertragungsfläche 19 bildet mit der Außenwand 20 des Schabewärmetauschers 5 den Ringspalt 21 für das Heizmedium. Der Ringspalt 21 für das Heizmedium hat am oberen Ende den Heizmediumeinlaß 22 und am unteren Ende den Heizmediumauslaß 23.
In Figur 3 ist der Homogenisator 9 in schematischer Schnittdarstellung abgebildet. Der Homogenisator 9 besteht im Wesentlichen aus dem Stempel 24 und dem Prallring 25. Zwischen dem Stempel 24 und dem Prallring 25 entsteht der Ringspaltdurchgang 26. Der Stempel 24 ist in Richtung der Längsachse 27 relativ zu dem Prallring 25 verschiebbar. In Vonnemann Kloiber & Kollegen unser Zeichen: 2572
der Abbildung sind weiterhin auf der Hochdruckseite 28 die großen Aggregate 29 der Molkeproteine vor Passieren des Ringspaltdurchganges 26 sowie auf der Niederdruckseite 30 das partikulierte Endprodukt 31 nach Passieren des Ringspaltdurchganges 26 zu erkennen.
Ausgangsprodukt der Mikropartikulierung mit der Mikropartikulierungsvorrichtung 1 ist das in dem Vorlaufbehälter 2 aufgefangene Filtrationsretentat von gefilterter Molke. Über die Retentatzuleitung 3 wird das Filtrationsretentat aus dem Vorlaufbehälter 2 zu dem Plattenwärmetauscher 4 transportiert. In dem
Plattenwärmetauscher 4 wird das Filtrationsretentat durch Wärmetausch mit dem in der Ableitung 10 befindlichen Fertigprodukt vorgewärmt. Nach Durchgang des Filtrationsretentats durch den Plattenwärmetauscher 4 wird dieses weiter über die Retentatzuleitung 3 zum Produkteintritt 13 des Schabewärmetauschers 5 transportiert.
Über den Produkteintritt 13 des Schabewärmetauschers 5 gelangt das Filtrationsretentat in den Produktraum 14. Im Produktraum 14 bewirkt der über den Motor 17 angetriebene Rotor 15, dass die an den Enden des Rotors 15 angebrachten Schaber 16 ständig einen neuen dünnen Film von Filtrationsretentat auf der Wärmeübertragungsfläche 19 erzeugen. Die Wärmeübertragungsfläche 19 wird dabei mittels des zwischen der Wärmeübertragungsfläche 19 und der Außenwand 20 des Schabewärmetauschers 5 gebildeten Ringspalts 21 für Heizmedium erwärmt. In den Ringspalt 21 gelangt dazu über den Heizmediumeinlass 22 Heißwasser in den Heißwasserkreislauf 6 und verlässt diesen wieder über den Heizmediumauslass 23. Die über den Rotor 15 angetriebenen umlaufenden Schaber 16 laufen mit einer niedrigen Drehzahl um, um optimalen Wärmeübertrag sicher zu stellen und dabei möglichst wenig Energie zu verbrauchen. Außerdem wird Vonnemann Kloiber & Kollegen unser Zeichen: 2572
dadurch der Verschleiß möglichst gering gehalten. In dem mit niedriger Drehzahl betriebenen Schabewärmetauscher 5 erfolgt praktisch keine Teilchenzerkleinerung. Durch die Wärmezufuhr über die Wärmeübertragungsfläche 19 wird in dem Filtrationsretentat eine Denaturierung und Aggregation der Molkenproteine induziert. Das denaturierte und aggregierte Filtrationsretentat verlässt anschließend über den Produktaustritt 24 den Produktraum 14 und tritt in die Rohrschleife 7 ein.
In der Rohrschleife 7 wird das Filtrationsretentat während einer Verweilzeit heiß gehalten, um die Aggregatbildung zum Abschluss zu bringen. Von der Rohrschleife 7 gelangt das Filtrationsretentat über die Zufuhrleitung 8 in den Homogenisator 9.
Dabei tritt das Filtrationsretentat an der Hochdruckseite 28 in den Homogenisator 9 entlang von dessen Längsachse 27 ein. Auf der Hochdruckseite 28 besteht das Filtrationsretentat im Wesentlichen aus den großen Aggregaten 29, welche für die weitere Verwendung, wie z.B. dem Einbau in Käse oder Eiscreme anstelle von Fett, ungeeignet sind. Durch den Druckgradienten, der zwischen Hochdruckseite 28 und Niederdruckseite 30 besteht, werden die großen Aggregate 29 durch den Ringspaltdurchgang 26 zu der Niederdruckseite 30 hindurch gepresst. Dabei werden die großen Aggregate 29 entsprechend der Breite des Ringspaltdurchgangs 26 zerkleinert. An der Niederdruckseite 30 des Homogenisators 9 besteht das Filtrationsretentat aus einer überraschend großen Zahl von innerhalb eines engen Durchmesserbereichs liegenden Partikeln, welche für die weitere Verwendung, wie z.B. dem Einbau an Stelle von Fett, brauchbar sind.
Nach Passieren des Ringspaltdurchgangs 26 wird das partikulierte Produkt 31 über die Ableitung 10 zu dem Plattenwärmetauscher 4 Vonnemann Kloiber & Kollegen unser Zeichen: 2572
transportiert. In dem Plattenwärmetauscher 4 wird das partikulierte Produkt 31 durch Wärmeabgabe an das aus dem Vorlaufbehälter 2 kommende ursprüngliche Filtrationsretentat abgekühlt. Das partikulierte Produkt 31 verlässt den Plattenwärmetauscher 4 über die Produktausfuhrleitung 11 in Richtung zu dem Produktausgang 12 der Mikropartikulierungsvorrichtung 1.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Mikropartikulierung sowie die Vorrichtung zur Mikropartikulierung erzeugen somit einen wesentlich höheren Anteil nutzbarer Partikel als die bekannten Verfahren und Vorrichtungen. Wegen der Betriebsweise des Schabewärmetauschers 5 bei niedriger Drehzahl unterliegt der Schabewärmetauscher 5 einem entsprechend geringen Verschleiß, wodurch vorteilhaft auch die Instandhaltungskosten herabgesetzt sind.
Wenn für die weitere Verwendung eine andere Beschaffenheit des partikulierten Produkts 31 benötigt wird, wird der Stempel 24 entlang der Längsachse 27 relativ zu dem Prallring 25 verschoben. Dadurch ändert sich die Breite des Ringspaltdurchgangs 26. Dies hat wiederum zur Folge, dass das an der Niederdruckseite 30 enthaltene partikulierte Produkt 31 eine enge Größenverteilung nunmehr um einen entsprechend der neuen Breite des Ringspaltdurchgangs 26 verschobenen Mittelwert aufweist. Auf diese Weise ist die erfindungsgemäße Mikropartikulierungsvorrichtung universell zur Aufbereitung von Filtrationsretentat für eine Reihe von Endprodukten wie z.B. Käse, Eiscreme etc. verwendbar. Vonnemanπ Kloiber & Kollegen unser Zeichen: 2572
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Mikropartikulierungsvorrichtung
2 Vorlaufbehälter
3 Retentat-Zuleitung 4 Plattenwärmetauscher
5 Schabewärmetauscher
6 Heißwasserkreislauf
7 Verweilstrecke
8 Zufuhrleitung 9 Homogenisator
10 Ableitungb
11 Produktausfuhrleitung
12 Produktausgang
13 Produkteintritt 14 Produktraum
15 Rotor
16 Schaber
17 Motor
18 Schabewärmetauscherproduktausgang 19 Wärmeübertragungsfläche
20 Außenwand
21 Ringspalt für Heizmedium
22 Heizmediumeinlaß
23 Heizmediumauslaß 24 Stempel
25 Prallring
26 Ringspaltdurchgang
27 Längsachse
28 Hochdruckseite 29 große Aggregate
30 Niederdruckseite
31 partikuliertes Produkt

Claims

Vonnemann Kloiber & Kollegen unser Zeichen: 2572PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung (1) zur eine mechanische Behandlung und eine Wärmebehandlung umfassenden Mikropartikulierung von Filtrationsretentaten, insbesondere von Molkenproteinen in Ultrafiltrationsmolkenkonzentraten, dadurch gekennzeichnet, daß eine separate
Wärmebehandlungsvorrichtung (5) sowie eine separate mechanische Behandlungsvorrichtung (9) vorgesehen sind.
2. Mikropartikulierungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlungsvorrichtung (5) stromaufwärts von der mechanischen Behandlungsvorrichtung (9) angeordnet ist.
3. Mikropartikulierungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Wärmebehandlungsvorrichtung (5) und der mechanischen
Behandlungsvorrichtung (9) eine Verweilstrecke (7) angeordnet ist.
4. Mikropartikulierungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilstrecke (7) als Rohrschleife ausgebildet ist.
5. Mikropartikulierungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlungsvorrichtung (5) als Schabewärmetauscher ausgebildet ist.
6. Mikropartikulierungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Schabewärmetauscher (5) mit einem Heißwasserkreislauf (6) verbunden ist. Vonnemann Kloiber Sc Kollegen unser Zeichen: 2572
7. Mikropartikulierungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schabewärmetauscher (5) zum Betrieb bei niedriger Drehzahl ausgebildet ist.
8. Mikropartikulierungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Behandlungsvorrichtung (9) als Homogenisator (9) ausgebildet ist.
9. Mikropartikulierungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e ke n nze i ch n et , daß der
Homogenisator (9) einen Spaltdurchgang (26) für das Filtrationsretentat mit einer über dessen Ausdehnung konstanten Breite aufweist.
10. Mikropartikulierungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Spaltdurchgang (26) ringförmig ausgebildet ist.
11. Mikropartikulierungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Spaltdurchgangs (26) variabel einstellbar ausgestaltet ist.
12. Mikropartikulierungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Plattenwärmetauscher (4) für einen Wärmeaustausch zwischen dem Filtrationsretentat und einem Endprodukt der Mikropartikulierung vorgesehen ist.
13. Verfahren zur Mikropartikulierung von Filtrationsretentaten, insbesondere von Molkenproteinen in Ultrafiltrationsmolkenkonzentraten, umfassend eine mechanische Vonnemann Kloiber & Kollegen unser Zeichen: 2572
Behandlung und eine Wärmebehandlung dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung und die mechanische Behandlung räumlich und zeitlich getrennt voneinander durchgeführt werden.
14. Mikropartikulierungsverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung vor der mechanischen Behandlung durchgeführt wird.
15. Mikropartikulierungsverfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtrationsretentat nach der Wärmebehandlung und vor der mechanischen Behandlung in einer Verweilstrecke (7) heißgehalten wird.
16. Mikropartikulierungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtrationsretentat in einer Rohrschleife (7) heißgehalten wird.
17. Mikropartikulierungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung in einem Schabewärmetauscher (5) durchgeführt wird.
18. Mikropartikulierungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Schabewärmetauscher (5) von einem Heißwasserkreislauf (6) geheizt wird.
19. Mikropartikulierungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Schabewärmetauscher (5) bei niedriger Drehzahl betrieben wird. Vonnemann Kloiber & Kollegen unser Zeichen: 2572
20. Mikropartikulierungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Behandlung in einem Homogenisator (9) durchgeführt wird.
21. Mikropartikulierungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische
Behandlung in einem Homogenisator (9) mit ringförmigem Spaltdurchgang (26) durchgeführt wird.
22. Mikropartikulierungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Wärmeaustausch zwischen dem Filtrationsretentat und einem
Endprodukt der Mikropartikulierung durchgeführt wird.
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