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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anreicherung von zum unmittelbaren
Verzehr oder zur Lebensmittelherstellung bestimmten Flüssigkeiten
mit Sauerstoff, Kohlendioxid und/oder anderen Gasen mittels Hohlfaser-Membranreaktoren,
mindestens einer Gasquelle sowie Steuer- und Regelventilen gemäß Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Die
Anreicherung von z. B. karbonisiertem Wasser mit Sauerstoff unter
Zuhilfenahme von Druckreaktoren gehört zum Stand der Technik. Beispielsweise
sei auf die Vorrichtung zur Herstellung von mit Gas angereichertem
Wasser gemäß
DE 197 42 301 A1 verwiesen.
Dort wird von einem Gasvorrat ausgegangen, welcher über eine
Leitungsverbindung zu einer Mischkammer führt. In der Mischkammer wird
eine Gasatmosphäre
erzeugt, die z. B. aus Sauerstoff oder Kohlensäure besteht. In diese Gasatmosphäre wird
dann Trinkwasser mit Überdruck
eingesprüht.
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Das
Trinkwasser kann sich mit dem Gas zu einem kohlensohlensäure- oder
sauerstoffhaltigen Wasser vermengen und über einen Produktauslass aus
der Mischkammer entnommen werden. Der apparative Aufwand einer derartigen
Aufbereitungsanlage ist sehr groß und darüber hinaus ist das Anreicherungspotential
begrenzt.
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Aus
dem deutschen Gebrauchsmuster
DE 202 11 723 U1 ist eine Vorrichtung zur
Anreicherung von Wasser mit einem Gas bekannt, wobei dort insbesondere
Trinkwasser mit vorzugsweise Sauerstoff und/oder Kohlensäure versetzt
werden soll. Hierfür ist
gemäß dem vorstehend
bezeichneten Stand der Technik eine Wasserzuleitung, eine Wasserableitung und
eine Gaszuführung
vorhanden. Die dortige Vorrichtung weist ein rohrförmiges Gehäuse und
ein aus einer Vielzahl von Hohlfasern bestehendes Faserbündel auf,
wobei das Faserbündel
in dem rohrförmigen
Gehäuse
angeordnet ist. Diese Vorrichtung soll an jede Wasserleitung anschließbar sein,
um das Wasser dann durch das Gasanreicherungsmoduls zu führen und
mit Gas anzureichern. Über
ein vorgesehenes Rückschlagventil
wird vermieden, dass Flüssigkeit
aus dem Faserbündel
in die Gaszuleitung fließen
kann. Ein weiteres Rückschlagventil
verhindert, dass Gas in die Wasserzuleitung strömt. Die vorgestellte Lösung soll
sich auch dazu eignen, eine konventionelle Kohlensäure-Tafelwasser-Anlage durch Einbau
eines Sauerstoff-Anreicherungsmoduls zu erweitern.
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Es
hat sich jedoch gezeigt, dass die vorbekannte Vorrichtung zur Anreicherung
von Wasser mit Hilfe von Hohlfaser-Membranreaktoren bei dem Erreichen
bestimmter Sättigungsverhältnisse
keine ausreichende Funktion mehr gewährleistet. Darüber hinaus
sind die erreichbaren Sauerstoff- und/oder Kohlendioxid-Anreicherungsmengen
weder reproduzierbar noch kontrollierbar mit der Folge, dass eine Anwendung
im großtechnischen
Sinne für
z. B. Flaschenabfüllanlagen
nicht in Betracht kommt.
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Zum
Stand der Technik gehören
weiterhin Membranreaktoren mit Hohlfasern, die zur An- oder Abreicherung
von Flüssigkeiten
mit Gasen oder aber auch zur Befeuchtung von Gasen Verwendung finden.
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Bezüglich der
vorteilhaften Wirkungen beim Verzehr von sauerstoffangereicherten
Wässern
sei noch auf die
DE
102 01 825 A1 im Sinne einer beispielhaften Schilderung
verwiesen.
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Zum
Stand der Technik sei noch auf die
DE 34 31 906 A1 aufmerksam gemacht, welche
ein System zum Begasen von Flüssigkeiten,
insbesondere zur Karbonisierung und/oder Nitrierung von Fertiggetränken zeigt,
wobei ein Kapillarmembranaustauscher eingesetzt wird.
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Bei
der gattungsbildenden Lehre nach
DE 202 14 972 U1 handelt es sich um eine
Vorrichtung zum Anreichern von Wasser mit einem Gas, insbesondere
zur Karbonisierung von Trinkwasser, wobei Hohlfaser-Membranreaktoren
zum Einsatz kommen. Gemäß der dortigen
Offenbarung wird vorgeschlagen, zum Vermeiden eines Überdrucks
auf der Seite des Membrankontaktors, auf der das Gas geführt wird,
ein Überdruck-
bzw. Entlüftungsventil
vorzusehen. Um die Konzentration des Gases im anzureichernden Wasser
insgesamt zu erhöhen,
ist weiterhin beschrieben, dass zweckmäßigerweise zwischen dem Wasserauslass
eines Membrankontaktors und seinem Wasserzulauf ein Rücklauf vorgesehen
ist, so dass zumindest ein Teil des angereicherten Wassers den Anreicherungsprozess
im Membrankontaktor erneut durchlaufen kann. Anregungen, ein zeitgesteuertes
Entfernen von Abgas aus den Reaktoren als geringe Gasmenge über längere Zeitabschnitte vorzunehmen,
sind in diesem Stand der Technik nicht aufgezeigt.
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Aus
dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes
Verfahren zur Anreicherung von zum unmittelbaren Verzehr oder zur
Lebensmittelherstellung bestimmten Flüssigkeiten mit Sauerstoff,
Kohlendioxid und/oder anderen Gasen anzugeben, welches bzw. welche
auf den Einsatz an sich bekannter Hohlfaser-Membranreaktoren zurückgeht,
in Weiterbildung des Standes der Technik jedoch eine zeitlich längere, kontinuierliche
Prozessführung
ermöglicht,
so dass eine großtechnische
Anwendung z. B. für
Abfüllanlagen
möglich
wird und hierbei die Kosten zum Betreiben einer solchen Anordnung
in vertretbaren Grenzen bleiben.
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Darüber hinaus
gilt es, mit dem zu schaffenden Verfahren sicherzustellen, dass
mit Hilfe ein und derselben Anordnung ganz unterschiedliche Anreicherungsgase,
aber auch Gasgemische verwendet werden können ohne ansonsten anfallende
Umrüst- und
damit Ausfallzeiten, die zu einer Verringerung der Produktivität führen.
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Die
Lösung
der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einer Lehre gemäß Definition
nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen
und Weiterbildungen darstellen.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist es möglich,
einen kontinuierlichen Anreicherungsprozess von Wasser bzw. Trinkwasser,
aber auch von z. B. Bierwürze
unter Zuhilfenahme von mindestens einem Hohlfaser-Membranreaktor
für die
gleichzeitige Anreicherung von Wasser nur mit Sauerstoff oder nur mit
Kohlendioxid oder aber auch mit einem beliebigen Gasgemisch daraus
anzugeben. Das Fertigprodukt ist demnach angereichertes Wasser mit
bis zu 100 ml Sauerstoff je Liter und bis zu 8 g Kohlendioxid je
Liter Wasser oder eine beliebige Mischung daraus. Dieses Produkt
kann ohne Unterbrechung hergestellt werden und es sind die Anreicherungs-
und Mischungsverhältnisse
stufenlos und während
des Anlagenbetriebs einstellbar.
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Es
besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit,
einen kontrollierten Gasüberschuss,
z. B. von Sauerstoffgas, im Kopfraum der zu befüllenden Flaschen zu erzeugen.
Für diesen
Zweck wird Gas kontrolliert im Hohlfaser-Membranreaktor überdosiert,
d. h. es wird mehr Gas erzeugt, als in der Flüssigkeit gelöst werden
kann. Dieses Gas gelangt dann als Spülgas in den Kopfraum der Gebinde.
Es wird also Luftstickstoff durch das Spülgas ersetzt, so dass ein Sättigungsverlust
während
der Lagerung der Getränke vermindert
ist.
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Die
Reproduzierbarkeit der Qualität
des erhaltenen Endprodukts ist durch eine Massendurchflussmessung
und Regelung der Gase gewährleistet, wobei
die entsprechenden Parameter von einem Zentralrechner den jeweiligen
Eingangs- und Ausgangsparametern
der zu behandelnden Flüssigkeit angepasst
werden. Weiterhin findet eine Endkontrolle statt nebst Ergebnisdokumentation.
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Die
auf dem Verfahren basierende Anordnung ermöglicht darüber hinaus die Verwendung von bereits
vorkarbonisiertem Wasser, bereitgestellt aus einer separaten Erzeugungsanlage.
Mittels integrierbarer Druckwechsel-Adsorptionsanlage besteht die Möglichkeit
einer unabhängigen,
kostengünstigen Sauerstofferzeugung
am Produktionsort.
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Ausgangsseitig
der Hohlfaser-Membranreaktoren besteht die Möglichkeit der ergänzenden Einspeisung
oder Beigabe von Flüssigkeiten,
z. B. Flüssighefe
in einen mit Sauerstoff angereicherten Bierwürzestrom.
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Gemäß dem Verfahren
wird in einem ersten Schritt eine Erfassung von Eingangstemperatur
und Druck der zu behandelnden Flüssigkeit
vorgenommen, wobei die Flüssigkeit
selbst mengengeregelt auf ein oder mehrere, parallel angeordnete
Hohlfaser-Membranreaktoren geführt
wird.
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Weiterhin
werden die Hohlfaser-Membranreaktoren mit einer Massendurchfluss-geregelten
Menge eines Anreicherungsgases oder Gasgemisches beaufschlagt.
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Zur
Sicherung des kontinuierlichen Betriebs erfolgt ein zeitgesteuertes
Entfernen von Abgas aus den Hohlfaser-Membranreaktoren, bevorzugt
als gering gehaltene Gasmenge, jedoch über längere Zeitabschnitte, wobei
darüber
hinaus eine laufende Messung des Anreicherungsgasgehalts ausgangsseitig der
Hohlfaser-Membranreaktoren vorgenommen wird. Hierdurch verlängert sich
die Einsatzzeit der Hohlfaser-Membranreaktoren bis zur Komplettspülung, und
es ist die Abhängigkeit
von im zu behandelnden Wasser bereits enthaltenen, gelösten Gasen reduziert.
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Die
Anreicherungsgas-Versorgung kann über Gasflaschen, Gastanks oder
aber auch die vorerwähnte
Druckwechsel-Adsorptionsanlage vorgenommen werden.
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In
vorgegebenen Zeitabschnitten erfolgt je nach den Hygieneerfordernissen
ein anlageinternes Spülen
der Hohlfaser-Membranreaktoren. Dies bedeutet, dass eine Demontage
der Hohlfaser-Membranreaktoren zu Spül- und Reinigungszwecken nicht notwendig
ist.
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Ausgangsseitig
der Hohlfaser-Membranreaktoren kann über eine Anspeisung und eine
nachgeordnete statische Mischeinrichtung dem angereicherten Flüssigkeitsstrom
ein weiterer Stoff, aber auch ein Stoffgemisch beigegeben werden.
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Ausgangsseitig
der statischen Mischeinrichtung wird eine weitere Kontrolle der
Gasgehalte zum Zweck der geregelten Zuführung der aufbereiteten Flüssigkeit
zu einer z. B. Abfüllanlage
vorgenommen.
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Der
weitere Stoff kann, wie bereits oben dargelegt, karbonsiertes Wasser
sein oder aber aus Flüssighefe
bestehen, der einer sauerstoffangereicherten Bierwürze beigemengt
wird.
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Beim
Einsatz mehrerer flüssigkeitsseitig
parallel geschalteter Hohlfaser-Membranreaktoren
kann mindestens ein erster Hohlfaser-Membranreaktor mit einem ersten
Anreicherungsgas und mindestens ein zweiter Hohlfaser-Membranreaktor mit
einem zweiten Anreicherungsgas beaufschlagt werden. Das erste Anreicherungsgas
kann beispielsweise Sauerstoff und das zweite Anreicherungsgas Kohlendioxid
sein.
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Bei
der auf dem Verfahren basierenden Anordnung zur Anreicherung von
zum unmittelbaren Verzehr oder zur Lebensmittelherstellung bestimmten
Flüssigkeiten
mit Sauerstoff, Kohlendioxid und/oder anderen Gasen mittels Hohlfaser-Membranreaktoren
sowie Gasquelle und Steuer- und Regelventilen ist aufgabeseitig
eine Druck-, Temperatur- und Durchflussmengen-Messeinrichtung vorgesehen,
wobei im Falle mehrerer Hohlfaser-Membranreaktoren diese flüssigkeitsseitig
parallel geschaltet sind.
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Eine
Gasaufbereitungs- und Zuführeinrichtung
steht mit einer Massendurchfluss-Messeinrichtung in Verbindung und
führt auf
die Hohlfaser-Membranreaktoren.
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An
den Hohlfaser-Membranreaktoren ist jeweils gasausgangsseitig ein
Dosierventil und diesem nachgeordnet ein zeitgesteuertes Abgas-
oder Spülgasventil
vorgesehen, wobei die Abgas- oder Spülgasventile eine Verbindung
zur freien Atmosphäre aufweisen.
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Flüssigkeitsabgabeseitig
der Hohlfaser-Membranreaktoren sind jeweils gasselektive Messeinrichtungen
befindlich, wobei bei dem Vorsehen mehrerer Hohlfaser-Membranreaktoren
diese auf einen ersten Mischer führen.
Dem ersten Mischer nachgeordnet ist eine Anspeisung mit einem zweiten Mischer,
wobei weitere gasselektive Messeinrichtungen zur Feststellung der
Eigenschaften des erhaltenen Mischprodukts angeschlossen sind.
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Alle
Messeinrichtungen und Mischer stehen mit einer übergeordneten Steuerung einschließlich Displayeinheit
in Verbindung, um eine kontinuierliche Produktfertigung und -kontrolle
zu gewährleisten.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter
Zuhilfenahme eines Blockschemas einer Anordnung zur Anreicherung
von Flüssigkeiten
mit Gasen näher
erläutert werden.
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Bei
der Blockschema-Darstellung wird von zwei frischwasserseitig parallel
geschalteten Hohlfaser-Membranreaktoren 1 ausgegangen.
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Frischwasseraufgabeseitig
ist über
ein erstes Ventil 2 ein Reinigungsanschluss geschaffen.
Mit Hilfe eines zweiten Ventils 3 lässt sich dann die Frischwasser-Aufgabemenge den
parallel geschalteten Hohlfaser-Membranreaktoren 1 zuführen.
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Die
zugeführte
Frischwassermenge wird mit einer Druckmesseinrichtung 4,
einer Temperaturmesseinrichtung 5 und einer Durchflussmengen-Messeinrichtung 6 überwacht.
Die entsprechenden Messgrößen gelangen
zu einer übergeordneten Steuerung 7 mit
Displayeinheit.
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Eine
Gasaufbereitungs- und -zuführeinrichtung 8 umfasst
eine Massendurchfluss-Messeinrichtung 9, eine oder mehrere
Gasquellen 10 bis 12 oder aber auch gaserzeugende
Druckwechseladsorptions-Anlagen 13.
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Soll
ein Gasgemisch zur Anreicherung verwendet werden, ist ein Mischer 14 mit
den jeweiligen Gasquellen 10 bis 12 bzw. einer
vorgesehenen Druckwechseladsorptions-Anlage 13 verbunden.
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An
den Hohlfaser-Membranreaktoren 1 ist ausgangsseitig jeweils
ein Dosierventil 15, insbesondere ein Feindosier-Nadelventil
vorgesehen, welchem jeweils nachgeordnet ein zeitgesteuertes Abgas-
oder Spülgasventil 16 ist.
Ausgangsseitig führt das
jeweilige Abgas- oder Spülgasventil 16 in
die freie Atmosphäre.
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Flüssigkeitsabgabeseitig
der Hohlfaser-Membranreaktoren 1 sind jeweils gasselektive Messeinrichtungen 17 befindlich,
wobei beim Vorsehen mehrerer Hohlfaser-Membranreaktoren 1 selbige
auf einen Ausgangsmischer 18 führen.
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Diesem
Ausgangsmischer 18 nachgeordnet ist eine Anspeisung 19 mit
einem statischen Mischer 20. Auch in diesem Zweig sind
Sensoren 21 zur Erfassung von z. B. Druck und Temperatur
des Zugabestoffes vorgesehen und es ist ein Steuerventil 22 zur Regelung
der Zugabemenge bezogen auf die bereits behandelte Flüssigkeit
vorhanden.
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Ausgangsseitig
des statischen Mischers 20 sind nochmals gasselektive Messeinrichtungen 23 vorgesehen,
um die Eigenschaften des erhaltenen Mischprodukts feststellen und
durch geeignete Steuer- und Regelungsmaßnahmen beeinflussen zu können.
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Wie
erwähnt,
stehen alle Messeinrichtungen und Mischer mit der übergeordneten
Steuerung 7 in Verbindung, um eine kontinuierliche Produktfertigung und
-kontrolle zu gewährleisten. Über die
ersten Ventile 2, die aufgabe- und abgabeseitig der Anreicherungsanlage
vorgesehen sind, lässt
sich die gewünschte
Reinigung und Spülung
der Gesamtanlage einschließlich
der Hohlfaser-Membranreaktoren 1 in einfacher Weise durchführen.
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Die
Arbeitsweise der Anordnung gemäß Ausführungsbeispiel
gestaltet sich wie folgt.
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Trinkwasser
oder andere Flüssigkeiten
zur Lebensmittelherstellung, z. B. Bierwürze entsprechender Qualität wird nach
einer Druck- und Temperaturkontrolle der Anlage über eine Mengenregelung zugeführt. Im
Anschluss wird der Wasserstrom je nach Erfordernis auf einen oder
mehrere der Hohlfaser-Membranreaktoren
mengengeregelt aufgeteilt. Es können
dann verschiedene Produktionsvarianten mit derselben Anlage gefahren
werden. Zum einen lassen sich die Hohlfaser-Membranreaktoren mit Sauerstoff
betreiben, wobei eine Anreicherung je nach Wassertemperatur und
Wasserdruck mit bis zu 100 ml Sauerstoff pro Liter erreichbar ist.
Der Anreicherungsgrad wird hier über
eine kontinuierliche Sauerstoffmessung kontrolliert und geregelt.
Die zugegebene Menge an Sauerstoff wird mit der Massendurchfluss-
und -regeleinheit eingestellt.
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In
einer weiteren Variante lassen sich die Hohlfaser-Membranreaktoren
mit Kohlendioxid betreiben, wobei eine Anreicherung je nach Wassertemperatur
und Wasserdruck mit bis zu 8 g Kohlendioxid pro Liter Wasser erfolgen
kann. Der Anreicherungsgrad wird wiederum über eine kontinuierliche Kohlendioxidmessung
geregelt. Die zugegebene Menge an Kohlendioxid wird mit der Massendurchfluss-
und -regeleinheit eingestellt.
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Es
lassen sich auch ein oder mehrere Hohlfaser-Membranreaktoren mit
Sauerstoff betreiben und ein oder mehrere andere Hohlfaser-Membranreaktoren
mit Kohlendioxid beaufschlagen. Die zwei mit jeweils Sauerstoff
und Kohlendioxid angereichteren Volumenströme werden dann mittels statischer Mischeinheit
homogen gemischt und zur Abfüllanlage
geleitet.
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Auch
lassen sich beide Hohlfaser-Membranreaktoren mit Sauerstoff betreiben,
wobei der sauerstoffangereicherte z. B. Trinkwasserstrom mit bereits aufkarbonisiertem
Wasser aus einer bestehenden Karbonisierungsanlage stufenlos über eine
entsprechende Mengen-Sauerstoff- und Kohlendioxid-Messung zum gewünschten
Endprodukt vermischt und dann abgefüllt wird.
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Der
besondere Vorteil der vorgestellten Anordnung besteht in der quasi
Inline-Ausführungsform, die
zur kontinuierlichen Behandlung geeignet ist, ohne dass Zwischenbehälter notwendig
werden oder Reaktionszeiten abzuwarten sind.
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- 1
- Hohlfaser-Membranreaktor
- 2
- erstes
Ventil
- 3
- zweites
Ventil
- 4
- Druckmesseinrichtung
- 5
- Temperaturmesseinrichtung
- 6
- Durchflussmengen-Messeinrichtung
- 7
- Steuerung
- 8
- Gasaufbereitungs-
und -zuführeinrichtung
- 9
- Massendurchfluss-Messeinrichtung
- 10
bis 12
- Gasquellen
- 13
- Druckwechseladsorptions-Anlage
- 14
- Mischer
- 15
- Dosierventil
- 16
- Abgas-
oder Spülgasventil
- 17
- gasselektive
Messeinrichtung
- 18
- Ausgangsmischer
- 19
- Anspeisung
- 20
- statischer
Mischer
- 21
- Sensoren
- 22
- Steuerventil
- 23
- weitere
gasselektive Messeinrichtung