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Dokumentenidentifikation DE19912541C1 26.10.2000
Titel Verfahren zum Abtöten schädlicher Mikroorganismen in Flüssigkeiten durch kurzzeitiges Hocherhitzen
Anmelder Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, 76133 Karlsruhe, DE
Erfinder Schubert, Klaus, Dr., 76227 Karlsruhe, DE;
Fichtner, Maximilian, Dr., 68723 Oftersheim, DE
DE-Anmeldedatum 19.03.1999
DE-Aktenzeichen 19912541
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 26.10.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.10.2000
IPC-Hauptklasse A23L 3/18
IPC-Nebenklasse A23C 3/033   
IPC additional class // A23L 2/46,A61L 2/04,C12N 7/04  
Zusammenfassung Ein Verfahren zum Abtöten schädlicher Mikroorganismen in Flüssigkeiten durch kurzzeitiges Hocherhitzen, z. B. durch Ultrahocherhitzen von flüssigen Lebensmitteln wie Milch oder anderen Flüssigkeiten, bei welchem die Flüssigkeit im ersten Schritt in bzw. durch einen Mikrowärmetauscher mit bis zu etwa 10000 Mikrokanälen pro cm3 Wärmetauschervolumen in einem extrem kurzen Zeitintervall mit einem Gradienten von mindestens 200°K/sec erhitzt wird, im zweiten Schritt in einem Zeitintervall von <2sec auf dieser Temperatur gehalten und in einem dritten Schritt wiederum in bzw. durch einen Mikrowärmetauscher der gleichen Art in einem extrem kurzen Zeitintervall mit einem Gradienten von mindestens 200°K/sec wieder abgekühlt wird.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtöten schädlicher Mikroorganismen in Flüssigkeiten durch kurzzeitiges Hocherhitzen, z. B. durch Ultrahocherhitzen von flüssigen Lebensmitteln wie Milch oder anderen Flüssigkeiten in drei Schritten, wobei die Flüssigkeit zuerst erhitzt, anschließend für einen bestimmten Zeitraum auf dieser Temperatur gehalten und danach abgekühlt wird, sowie die Verwendung eines Mikrowärmetauschers.

Bisher ist es üblich, schädliche Mikroorganismen in Flüssigkeiten, insbesondere in flüssigen Lebensmitteln, durch eine Hitzebehandlung wie Pasteurisieren, Sterilisieren, Ultrahocherhitzen oder ähnliche Verfahren abzutöten. Dadurch wird die Qualität und die Haltbarkeit des Produktes verbessert. Im einzelnen laufen diese Verfahren so ab, daß die Flüssigkeit, z. B. Milch, zunächst erhitzt, anschließend für einen bestimmten Zeitraum auf dieser Temperatur gehalten und danach abgekühlt wird. Dazu werden neben der Dampfinjektion zur Wärmeübertragung konventionelle Röhren- oder Plattenwärmetauscher verwendet, wobei infolge derer Geometrie oft stark unterschiedliche Verweilzeiten der Produkte in dem Wärmetauscher gegeben sind. Dabei können im Produkt Hitzeschäden infolge geringer Geschwindigkeit in den wandnahen Zonen auftreten. Die damit erreichten Aufheiz- und Abkühlzeiten sowie die Temperaturen werden später anhand der Fig. 2 erläutert. Im Laborversuchsmaßstab wurden auch schon mehrere Kapillarrohre zur Aufheizung verwendet, die einen Durchmesser von 1 bis 3 mm aufwiesen. Solche Kapillarrohre sind jedoch für die Aufheizung größerer Durchsätze bei einer großtechnischen Produktion nicht geeignet.

In DE 44 08 073 C2 und DE 195 21 256 C1 werden Anlagen beschrieben, bei denen ein Rohmilchstrom und ein bereits erhitzter Fertigmilchstrom in mindestens einem Gegenstromwärmetauscher erwärmt bzw. abgekühlt wird. Der so vorgewärmte Rohmilchstrom wird anschließend weiter erhitzt, durchläuft einen mit einer Haltetemperatur beaufschlagten Kanal, der sog. Haltestrecke, um dann als Fertigmilchstrom im zuvor genannten Gegenstromwärmetauscher abgekühlt zu werden. Schließlich wird der Fertigmilchstrom in einem separaten Wärmetauscher weiter abgekühlt. Angaben zu Temperaturgradienten, Haltezeiten oder Dimensionen der Anlagen enthalten die zuvor genannten Druckschriften nicht.

Ein Verfahren zur Behandlung von Milch und/oder Milchprodukten beschreibt DE 197 38 926 A1. Speziell für die Erhöhung der Haltbarkeit von Milch ist erforderlich, durch eine Hocherhitzung mit Haltezeiten von 1 bis 10 s schädliche Mikroorganismen, insbesondere die Säurebildner, abzutöten. Hierzu eignet sich das Sterilisieren von Milch bei mindestens 105°C, was zwar das Abtöten nahezu aller Keime bewirkt, aber auch aufgrund einer Denaturierung der Molkeeiweiße die sensorischen Eigenschaften stark verändert. Dies äußert sich beispielsweise im Auftreten eines Kochgeschmackes oder in Farbänderungen. Um derartige sensorischen Veränderungen weitgehend auszuschließen und trotzdem eine lange Haltbarkeit der Milch zu gewährleisten, wird ein Verfahren beschrieben, bei dem ein Rohmilchstrom zunächst mit einem Gegenstromwärmetauscher der zuvor beschriebenen Art auf 65 bis 95°C vorgewärmt wird, wobei noch keine Denaturierung der Molkeeiweiße auftritt. Anschließend folgt die Hochpasteurisierung in einem kurzen Zeitintervall, d. h. einer Aufheizung auf 100 bis 130°C, einer Verweilzeit bei dieser Temperatur sowie einer darauf folgenden Schockabkühlung. Aus der graphischen Darstellung des Temperaturprofils über der Zeit lassen sich maximale Temperaturgradienten in Höhe von ca. 5 K/s herleiten.

Die vorliegende Erfindung hat davon ausgehend zur Aufgabe ein Verfahren zum Abtöten schädlicher Mikroorganismen in Flüssigkeiten durch kurzzeitiges Hocherhitzen ohne Erhitzung durch direkte Dampfzufuhr, z. B. durch Ultrahocherhitzen von flüssigen Lebensmitteln wie Milch oder anderen Flüssigkeiten unter Erhalt der in der Flüssigkeit enthaltenen Wertstoffe anzugeben, das einerseits ein sehr kurzzeitiges Aufheizen auf Temperaturbereiche über 140°C und ein anschließendes Abkühlen jeweils im Milli- bis Hundertstelsekundenbereich ermöglicht und das andererseits aber auch gleichzeitig Durchsätze in einem größeren produktionstechnichen Maßstab erlaubt.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren vor, wie es im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angeführt ist. Weitere vorteilhafte Merkmale des neuen Verfahrens sind in den Merkmalen der Unteransprüche 2 und 3 angeführt. Letztlich besteht ein weiterer Erfindungsgedanke in der neuartigen Verwendung, die im Anspruch 4 angegeben ist.

Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im folgenden und anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert: Es zeigen:

die Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Mikrowärmetauschers,

die Fig. 2 den Temperaturverlauf des Verfahrens gegenüber dem Stand der Technik.

Die Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Mikrowärmetauschers 1 zur Erläuterung seiner Funktionsweise. Er besteht aus einem Stapel diffusionsverschweißter Metallfolien 2 mit Foliendicken von z. B. 100 µm. In diese Metallfolien werden mit Hilfe formgeschliffener Werkzeuge parallel zueinander verlaufende Mikrokanäle 4' für die Fluidpassage 4 der zu erhitzenden Flüssigkeit und Mikrokanäle 3' für die Fluidpassage 3 eines Kühlmittel eingebracht. Die minimal zu realisierenden Kanalabmessungen liegen im Bereich von 10 µm. Die geometrische Form der Mikrokanäle 3' und 4' ist frei wählbar. So sind zum Beispiel Rechteck- sowie auch kreisförmige Querschnitte möglich. Die Mikrokanäle 3' und 4' können unterschiedliche Abmessungen aufweisen. Um gleiche Durchflußmengenströme in den einzelnen Mikrokanälen einer Fluidpassage zu gewährleisten, sind die Mikrokanaäle einer solchen Fluidpassage untereinander gleich. Der charakteristische hydraulische Kanaldurchmesser von Mikrokanälen der Fluidpassage i (hier i = 3 bzw. 4) ergibt sich aus der Beziehung:



di = 4Ai/Ui , wobei



di = charakteristischer hydraulischer Durchmesser der Kanäle der Fluidpassage i

Ai = durchströmter Kanalquerschnitt der Fluidpassage i

Ui = benetzter Kanalumfang der Fluidpassage i

i = Index für die Fluidpassage

ist. Die Fig. 1 zeigt weiter einen als vergrößerten Ausschnitt dargestellten Mikrokanal 4' der Fluidpassage 4 mit der Kanalabmessung ai, wobei ai die größte Abmessung des Mikrokanales 4' senkrecht zur Kühlmittelpassage 3 ist. Weiterhin ist die kleinste Wandstärke bi, das heisst der geringste Abstand zwischen den beiden Fluidpassagen 3 und 4 eingezeichnet.

Mikrowärmetauscher sind allgemein dadurch gekennzeichnet, daß entweder

  • - die charakteristischen hydraulischen Kanaldurchmesser di (hier: i = 3 und 4) oder
  • - die Kanalabmessungen ai
aller Mikrokanäle zumindest einer Fluidpassage i kleiner 1000 µm sind. Die kleinste Wandstärke bi zwischen den einzelnen Fluidpassagen ist ebenfalls kleiner 1000 µm, vorzugsweise kleiner 200 µm zu wählen. Diese Aussagen gelten auch für den Fall, daß die Mikrokanäle einer Fluidpassage i untereinander unterschiedlich groß sind.

Die einzelnen Metallfolien 2 werden bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 1 so übereinander gestapelt, daß die Mikrokanäle 3' und 4' zweier benachbarter Fluidpassagen unter 90° zueinander verlaufen (Kreuzstrom-Mikrowärmetauscher) und heliumdicht gegeneinander abgedichtet sind. Neben der in der Fig. 1 dargestellten Kreuzstromführung sind auch andere typische Strömungsführungen wie Gleich- und Gegenstromführung und alle Kombinationen daraus realisierbar. Die deutliche Erhöhung der Wärmeübertragungsleistung im Mikrowärmetauscher beruht darauf, daß durch die kleinen hydraulischen Kanaldurchmesser di, vor allem aber durch die kleinen Kanalabmessungen ai, die Transportwege für die zwischen den Fluidpassagen 3' und 4' zu übertragenden Wärmeströme sehr kurz sind. Gegenüber Wärmedurchgangskoeffizienten von ca. 1000 W/K m in konventionellen Wärmetauschern ergeben sich in Mikrowärmetauschern Werte in der Größenordnung 20 000 W/K m (beide Fluidpassagen 3' und 4': di = 80 µm, ai = 70 µm). Die spezifische Wärmeübertragungsfläche kann Werte größer 100 cm2/cm3 erreichen gegenüber ca. 1 cm2/cm3 in konventionellen Rohrbündelwärmetauschern. Daraus resultiert insgesamt eine Steigerung der volumenspezifischen Wärmeübertragungsleistung um mindestens einen Faktor 100.

Aus gewonnenen experimentellen Daten solcher Mikrowärmetauscher 1 ergeben sich Verweilzeiten herunter bis zu wenigen Millisekunden sowie Aufheiz- und Abkühlraten von bis zu 10 000 K pro Sekunde. Daher kann ein Flüssigkeitsstrom von 400 kg/h in einem Mikrowärmetauscher von 1 cm3 aktivem Volumen bei 6 bar Eimtritts- und 1 bar Austrittsdruck in 3 Millisekunden um 30°K erhitzt oder abgekühlt werden. Für einen größeren Mikrowärmetauscher mit 27 cm3 aktivem Volumen ergeben sich ein Durchsätze von ca. 4000 kg/h. Unter dem aktiven Volumen eines Mikrowärmetauschers ist das Volumen im Inneren des Wärmetauschers zu verstehen, in welchem die Mikrokanäle verlaufen, wobei das Volumen von Deck- und Seitenplatten sowie das der Anschlüsse nicht mitgerechnet ist.

Das neue Verfahren besteht nun im wesentlichem darin, daß die Flüssigkeit mit den schädliche Mikroorganismen zu dem kurzzeitiges Hocherhitzen, wie z. B. zum Ultrahocherhitzen von flüssigen Lebensmitteln wie Milch im ersten Schritt in bzw. durch einen solchen Mikrowärmetauscher 1 gemäß der Fig. 1 mit bis zu etwa 10 000 Mikrokanälen pro cm3 aktivem Wärmetauschervolumen in einem extrem kurzen Zeitintervall mit einem Gradienten von mindestens 200 K/sec erhitzt wird, im zweiten Schritt in einem Zeitintervall von < 2 sec auf dieser Temperatur gehalten und in einem dritten Schritt wiederum in bzw. durch einen weiteren Mikrowärmetauscher in einem extrem kurzen Zeitintervall mit einem Gradienten von mindestens 200°K/sec wieder abgekühlt wird. Dabei kann im zweiten Schritt ebenfalls durch einen Mikrowärmetauscher der angegebenen Art Wärme noch zusätzlich Wärme zum Halten der Temperatur zugeführt werden. Im praktischen Fall wird dabei die Flüssigkeit in einem Zeitintervall von etwa 0,2 bis 0,3 sec auf eine Temperatur zwischen 140° und 200°C und in demselben Zeitintervall von etwa 0,2 bis 0,3 sec wieder abgekühlt.

Das Verfahren ist in der Fig. 2 im Vergleich zum Stand der Technik graphisch im prinzipiellen Verlauf dargestellt. 5 zeigt den Temperaturverlauf über der Zeit bei den Verfahren nach dem Stand der Technik und 6 den bei dem Verfahren nach der Erfindung. Beide Kurven 5 und 6 gehen von einer Ausgangstemperatur von etwa 10°C aus, wobei aber auch von höheren Vorwärmtemperaturen von bis zu etwa 80°C, - gestrichelter Kurververlauf 13 und 14 -, ausgegangen werden kann. Solche Vorwärmtemperaturen können konventionell oder, wie bei der Kurve 6 für das neue Verfahren dargestellt, im Milli- oder Hundertstelsekundenbereich ebenfalls durch einen Mikrowärmetauscher erzeugt werden. Bei der Kurve 5 nach dem Stand der Technik sieht man einen relativ langsamen Anstieg der Temperatur im Bereich von mehreren Sekunden beim Aufheizen 7, eine Haltezeit 8 und einen mehrere Sekunden langen Temperaturabfall beim Abkühlen 9. Der Kurvenverlauf 6 zeigt dem gegenübergestellt die entsprechenden Werte des neuen Verfahrens, eine sehr kurze Aufheizzeit 10 von wenigen Milli- oder Hundertstelsekunden, eine Haltezeit 11 von unter einer Sekunde und eine Abkühlzeit 12 ebenfalls im Milli- oder Hundertstelsekundenbereich.

Das Verfahren sieht demnach vor, daß zur Erreichung des gesetzten Zieles Mikrostrukturapparate in Form von Mikrowärmetauschern verwendet werden. Dadurch lassen sich die Flüssigkeiten in kürzester Zeit, wie in dem angegebenen Zeitraum von Milli- bzw. Hundertstelsekunden aufheizen und wieder abkühlen. Da für die Hochtemperaturbehandlung von Flüssigkeiten zur Abtötung von Mikroorganismen gilt, daß mit abnehmender Einwirkzeit die Behandlungstemperatur gesteigert werden kann, kann das erfindungsgemäße Verfahren bei sehr hohen Temperaturen in Bereichen von 200°C mit sehr kurzen Einwirkzeiten durchgeführt werden. Wenn die zu behandelnde Flüssigkeit zum Beispiel Milch ist, kann durch das neue Verfahren die Haltbarkeit der Milch verlängert und gleichzeitig eine Qualitätssteigerung, etwa in Form eines verbesserten Milchgeschmackes erreicht werden. Der Grund hierfür liegt darin, daß bei der kurzen sehr hohen Erwärmung der Milch die schädlichen Mikroorganismen vollständig abgetötet werden, die Wertstoffe jedoch erhalten bleiben. Dabei ist das neue Verfahren nicht auf bestimmte Flüssigkeiten beschränkt, es kann neben der bereits erwähnten Milch auch für andere empfindliche Flüssigkeiten, flüssige Lebensmittel wie Säfte zur Entkeimung, Proteinlösungen, physiologische Lösungen und andere eingesetzt werden. Denkbar ist auch ein Einsatz bei biologischen oder pharmazeutischen Flüssigkeiten wie Blutplasma, bei denen eine Virusinaktivierung vorgenommen werden soll. Bezugszeichenliste 1 Mikrowärmetauscher

2 Metallfolien

3, 3' Mikrokanäle, Fluidpassagen

4, 4' Mikrokanäle, Fluidpassagen

5 Temperaturverlauf Stand der Technik

6 Temperaturverlauf Erfindung

7 Aufheizzeit Stand der Technik

8 Haltezeit Stand der Technik

9 Abkühlzeit Stand der Technik

10 Aufheizzeit Erfindung

11 Haltezeit Erfindung

12 Abkühlzeit Erfindung

13 Vorheizung Stand der Technik

14 Vorheizung Erfindung


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Abtöten schädlicher Mikroorganismen in Flüssigkeiten durch kurzzeitiges Hocherhitzen, z. B. durch Ultrahocherhitzen von flüssigen Lebensmitteln wie Milch oder anderen Flüssigkeiten in drei Schritten, wobei die Flüssigkeit zuerst erhitzt, anschließend für einen bestimmten Zeitraum auf dieser Temperatur gehalten und danach abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit im ersten Schritt in bzw. durch einen Mikrowärmetauscher (1) mit bis zu etwa 10 000 Mikrokanälen pro cm3 aktivem Wärmetauschervolumen in einem extrem kurzen Zeitintervall mit einem Gradienten von mindestens 200 K/sec erhitzt wird, im zweiten Schritt in einem Zeitintervall von < 2 sec. auf dieser Temperatur gehalten und in einem dritten Schritt wiederum in bzw. durch einen weiteren Mikrowärmetauscher in einem extrem kurzen Zeitintervall mit einem Gradienten von mindestens 200°K/sec wieder abgekühlt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Schritt ebenfalls durch einen Mikrowärmetauscher (1) der angegebenen Art Wärme zusätzlich Wärme zum Halten der Temperatur zugeführt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit in einem Zeitintervall von etwa 0,2 bis 0,3 sec auf eine Temperatur zwischen 140° und 200°C und in demselben Zeitintervall von etwa 0,2 bis 0,3 sec wieder abgekühlt wird.
  4. 4. Verwendung eines Mikrowärmetauschers (1) mit bis zu etwa 10 000 Mikrokanälen pro cm3 aktivem Wärmetauschervolumen zum Abtöten schädlicher Mikroorganismen in Flüssigkeiten durch kurzzeitiges Hocherhitzen, z. B. durch Ultrahocherhitzen von flüssigen Lebensmitteln wie Milch oder anderen Flüssigkeiten.






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