DE19616459C1 - Vorrichtung zum Erhitzen und Rückkühlen von Milch - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des An­ spruches 1 genannten Art.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist aus
"Handbuch der Milch- und Molkereitechnik" Tetra Pak 2. überarbeitete Auflage Seite 163, Abb. 4A
bekannt.

Derartige Vorrichtungen dienen zur Herstellung längerfristig halt­ bar gemachter Milch, die beispielsweise unter der Bezeichnung "H-Milch" in den Handel gelangt. Wärme wird der Vorrichtung in der Heizstufe zugeführt, die beispielsweise als fremdbeheizter Wärme­ tauscher ausgebildet ist oder an der auch die Milch direkt mit Heiß­ dampf erwärmt werden kann mit unmittelbar anschließender Ent­ spannung. Vor und hinter der Heizstufe angeordnete Wärmeaustau­ scherstufen erwärmen die Milch stufenweise und kühlen sie wieder zurück. Durch Rückgewinnung mit einer Austauschkreislaufein­ richtung zwischen den der Heizstufe vor- und nachgeschalteten Stu­ fen kann der kostenintensive Energieverbrauch gering gehalten werden. Zwischen den Stufen sind Behandlungseinrichtungen vor­ gesehen, so z. B. eine Verweilstrecke nach der Heizstufe, um die Milch über den vorgeschriebenen Zeitraum auf Maximaltemperatur zu halten. Ferner lassen sich - zumeist unmittelbar vor der Heiz­ stufe - in einem Eiweißabscheider Eiweiße abscheiden. Als weitere Behandlungseinrichtung kann auf geeigneter Temperaturstufe eine Homogenisierungseinrichtung vorgesehen sein zur Vergleichmäßi­ gung der Partikelgrößen des Fettanteiles.

Derartige Vorrichtungen weisen einen Druckbereich zwischen einer den Druck erhöhenden Pumpe und einer den Druck wieder reduzie­ renden Drossel auf, der wenigstens den heißesten Bereich der Vor­ richtung umfaßt. Die Druckerhöhung ist erforderlich, um das Sie­ den der Milch bei den zu erreichenden Temperaturen von über 100°C zu verhindern. Auch Wasser als Austauschmedium der Kreislaufeinrichtung muß zur Verhinderung von Dampfbildung un­ ter Druck gehalten werden.

Sind die Wärmeaustauschstufen und ist die Kreislaufeinrichtung korrekt ausgelegt, so kann die bei der Heizstufe zugeführte Wärme weitgehend zum Vorwärmen rückgewonnen werden, so daß der äu­ ßerst kostenintensive Energieverbrauch solcher Vorrichtungen rela­ tiv gering gehalten werden kann. Das setzt allerdings ordnungsge­ mäße unveränderte Funktion der Wärmeaustauscherstufen voraus.

Mit gattungsgemäßen Vorrichtungen kann Milch, z. B. in Form von Konsummilch, oder auch ein Milchmischgetränk mit z. B. Frucht- oder Kakaozusätzen behandelt werden. Dabei besteht aber stets das Problem, daß bei Überschreiten einer Temperatur von etwa 90°C, also in den letzten Vorwärmstufen Milchinhaltsstoffe thermisch ausgefällt werden. Diese Milchinhaltsstoffe sind überwiegend die in der Milch enthaltenen Proteine, aber auch z. B. Milchsalze.

Mit einem Eiweißabscheider, der auf entsprechendem Temperatur­ niveau zwischen Vorwärmstufen oder zwischen diesen und der Heizstufe angeordnet ist, kann der größte Teil der ausgefällten Milch­ inhaltsstoffe außerhalb der Wärmeaustauschstufen abgeschieden werden. Damit läßt sich aber nicht verhindern, daß die Milchin­ haltsstoffe auch in den Wärmeaustauscherstufen selbst ausfallen.

Dies führt zu Wandbelägen in den milchführenden Leitungen der Wärmeaustauscher. Dadurch ändert sich die Strömungsgeschwin­ digkeit der Milch in den Wärmeaustauschern und somit deren Ver­ weilzeit. Ferner wirken die Beläge isolierend. Beides resultiert in einer Verschlechterung des Wärmeaustauschgrades des betroffenen Wärmeaustauschers.

Bei gattungsgemäßen Vorrichtungen ist die Kreislaufeinrichtung stets als ein einziger Kreislauf ausgebildet, in dem das Wärme­ tauschmedium, als welches üblicherweise Wasser verwendet wird, durch alle Rückkühlstufen und Vorwärmstufen strömt. Ändert sich durch die beschriebene Belagbildung in den der Heizstufe benach­ barten Vorwärmstufen der Wärmeaustauschgrad, so führt dies dazu, daß den vorgeschalteten Stufen zu warmes Wasser zum Aus­ tausch zugeführt wird. Die Milchtemperatur in zwischen den ersten Stufen angeordneten Behandlungseinrichtungen steigt also an, was unerwünscht ist, wenn dort eine konstante Temperatur erforderlich ist. Das Wasser gelangt dann auch mit zu hoher Temperatur von der ersten Vorwärmstufe zur letzten Rückkühlstufe, so daß an die­ ser die Milchausgangstemperatur ansteigt, was ebenfalls uner­ wünscht ist.

Auch die Milchtemperatur nach den nicht mehr ordnungsgemäß funktionierenden Vorwärmstufen stimmt nicht mehr. Sie liegt nun zu niedrig. Das wird aber in der Heizstufe wieder korrigiert, die stets auf konstante Endtemperatur regelt.

Es ist bei gattungsgemäßen Vorrichtungen bekannt, in dem Kreis­ lauf des Austauschmediums einen Zusatzwärmetauscher vorzuse­ hen, der z. B. mit Frischwasser gekühlt wird. Damit kann bei sich änderndem Temperaturgleichgewicht und ansteigender Temperatur des Austauschmediums korrigierend eingegriffen werden, um das Austauschmedium wieder auf die gewünschte Temperatur zu brin­ gen.

Bei der bekannten Konstruktion sitzt der Zusatzwärmetauscher im Austauschkreislauf zwischen Vorstufen. Er kann auch in der Rück­ leitung des Kreislaufes angeordnet sein. Wird eine temperaturge­ steuerte Regelung vorgesehen, so kann die Prozeßtemperatur unab­ hängig von den beschriebenen Änderungen des Wärmeaustausch­ grades konstant gehalten werden.

Allerdings gelingt dies immer nur an einer bestimmten Stelle des Kreislaufes, also entweder an einer der vorderen Stufen oder an der letzten Rückkühlstufe, die die Ausgangstemperatur der Milch be­ stimmt. Hält man beispielsweise die Temperatur an der letzten Rückkühlstufe oder in einer der Vorstufen konstant ein, so kann sich an anderen Stellen des Kreislaufes die Temperatur ändern. Bei­ spielsweise ändert sich die Temperatur der ersten Rückkühlstufe unmittelbar nach der Heizstufe, so daß das schnelle Rückkühlen der Milch auf unter 100°C nicht mehr gewährleistet sein kann, was zu Geschmacksänderungen führt. Ändert sich die Temperatur in den Vorstufen, so können dort angeordnete Milchbehandlungseinrich­ tungen, wie beispielsweise Entrahmungseinrichtungen, nicht mehr ordnungsgemäß arbeiten, was ebenfalls zu Qualitätsmängeln führt.

Da die Milch der Vorrichtung üblicherweise mit 5°C zugeführt wird, liegt die Temperatur, mit der das Wasser im Kreislauf von der ersten Vorwärmstufe zur letzten Rückkühlstufe strömt, nur im Bereich von etwa 15°C. Diese Temperatur liegt nur wenig über der Temperatur des aus der Wasserleitung bezogenen Frischwas­ sers, das im Zusatzwärmeaustauscher zur Zusatzkühlung verwendet wird. Auch wenn, wie bei der eingangs genannten bekannten Kon­ struktion der Zusatzwärmetauscher in den Vorwärmstufen angeord­ net wird, liegt die dortige Temperatur des Austauschmediums noch relativ niedrig. Angesichts der niedrigen Temperaturdifferenz sind große Frischwassermengen erforderlich. Sie ergeben nach Durch­ strömen des Zusatzwärmetauschers Abwasser auf einem niedrigen Temperaturniveau, das zur Wärmerückgewinnung nicht nutzbar ist. Es ergeben sich also erhebliche Wasser- und Energieverluste.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei Vor­ richtungen der gattungsgemäßen Art bei besserer Qualität die Be­ triebskosten zu senken.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteiles des Anspruches 1 gelöst.

Bei dieser Konstruktion wird das den Wärmeaustausch besorgende Wasser im inneren Kreislauf von dem Zusatzwärmeaustauscher im Austausch mit Frischwasser zusätzlich abgekühlt, um die in den vom inneren Kreislauf erfaßten Vorwärmstufen bei Änderung des Wärmetauschgrades infolge des Ausfällens von Milchinhaltsstoffen anfallende zu hohe Wassertemperatur wieder auf die gewünschte Höhe zu bringen. Dadurch erreicht die Milch in der letzten vom in­ neren Kreislauf umfaßten Rückkühlstufe die gewünschte Tempera­ tur. Das Rückkühlen der Milch auf unter 100° C erfolgt also mit größerer Sieherheit. Der äußere Kreislauf bleibt in seinen Tempe­ raturen völlig unbeeinflußt. Die von diesem besorgte letzte Rück­ kühlung der Milch auf die Ausgabetemperatur bleibt konstant auf dem gewünschten Wert. Auch die im äußeren Kreislauf liegenden ersten Vorwärmstufen behalten ihre Solltemperatur, so daß dort angeordnete Behandlungseinrichtungen ihre gewünschte konstante Temperatur behalten. Auf diese Weise wird die Qualität der Milch­ behandlung erhöht und konstant gehalten.

Da das Wasser im inneren Kreislauf auf höherer Temperatur liegt als im äußeren Kreislauf, erfolgt der Wärmeaustausch mit dem Frischwasser mit einer wesentlich höheren Temperaturdifferenz, die über 80°C liegen kann. Das den Zusatzwärmeaustauscher verlassende Abwasser kann Temperaturen bis 80°C erreichen und zur Wärmerückgewinnung verwendet werden, beispielsweise zur Gebäudebeheizung oder zur Gewinnung von Prozeßwärme bei anderen Maschinen. Da die Temperaturdifferenz im Zusatzwärme­ austauscher sehr hoch ist, wird auch gegenüber dem Stand der Technik wesentlich weniger Frischwasser benötigt.

Insgesamt ergibt sich also ein verringerter Frischwasserbedarf und eine wesentlich verbesserte Nutzbarkeit der abgeführten Wärme, woraus wesentliche Kosteneinsparungen resultieren.

Vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 2 vorgesehen. Mit einer solchen Regelung kann der äußere Kreislauf in seinen Tempe­ raturen völlig konstant gehalten werden.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise und schematisch dargestellt.

Die einzige Figur zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung von H-Milch, die aber beispielsweise auch zur Herstellung von Kakao oder sonstigen, steril abzufüllenden Milchmischgetränken verwen­ det werden kann.

Milch gelangt über eine Leitung 1 in die Vorrichtung und wird in einer ersten Wärmeaustauscherstufe 2 von der üblichen Lagertem­ peratur von 5°C auf 55°C erwärmt. Die Milch läuft sodann durch eine Behandlungseinrichtung 40 die beispielsweise einen Separator zur Fettabscheidung und eine Standardisierungseinrichtung zur standardisierten Zugabe des Fettes zur Einstellung des üblichen Standardfettgehaltes von 3,5% aufweist. Für derartige Behand­ lungseinrichtungen ist eine konstante Temperatur von 55°C ideal. Abweichungen sollten vermieden werden.

An dieser Stelle nach der Rahmabscheidung kann auch eine Beimi­ schung von Geschmacksstoffen erfolgen, z. B. von Kakao zur Her­ stellung eines Kakaogetränkes. In der Ausgangsleitung der Be­ handlungseinrichtung 40 kann ein Pufferbehälter zwischengeschaltet sein, in dem solche Mischvorgänge durchführbar sind. Der Puffer­ behälter kann auch zur Milchentgasung dienen, was eine separate Entgasungseinrichtung entbehrlich macht. Die Entgasung kann in einem offenen Behälter erfolgen oder unter Vakuumbeaufschla­ gung. Ein solcher Pufferbehälter bietet auch Vorteile hinsichtlich der Entlastung der nachfolgenden Stufen von Druckschwankungen in der Behandlungseinrichtung 40, die beispielsweise beim Schlammabscheiden aus einem Separator auftreten.

Von der Behandlungseinrichtung 40 gelangt die Milch durch eine zweite Wärmeaustauscherstufe 4, in der sie auf 70°C gebracht wird, zu einer Druckerhöhungspumpe 5, von der die Milch durch eine Homogenisierungseinrichtung 6 gebracht wird. Bei der Druc­ kerhöhung erhöht sich die Temperatur der Milch leicht auf 74°C, mit der sie in eine dritte Wärmetauscherstufe 7 eintritt, um diese mit 90°C zu verlassen.

Bei dieser Temperatur fallen aus der Milch Milchinhaltsstoffe, ins­ besondere Protein, aus. Ein Proteinabscheider 8 nimmt die wesent­ lichen Mengen der ausgefällten Milchinhaltsstoffe auf. Die Milch gelangt mit 90°C zu einer Wärmeaustauschstufe 7′, um diese mit 124°C zu verlassen.

Mit dieser Temperatur gelangt die Milch in eine Heizstufe 9, die über einen Kreislauf 10 von einer Heizung 11 beheizt wird und die Milch auf 140°C, also die Endtemperatur der Behandlung gebracht wird.

In einer Temperaturhaltestrecke 12 wird die Milch über die ge­ wünschte Zeit auf dieser Temperatur gehalten. Sie gelangt dann mit immer noch 140°C zu einer weiteren Wärmetauscherstufe 13 und von dort mit 90°C zu einer Wärmetauscherstufe 14, wo sie auf 20°C heruntergekühlt wird.

Von der letzten Wärmetauscherstufe 14 gelangt die Milch durch eine Drossel 15 in die Abgabeleitung 16, mit der sie einem Tank oder direkt einer Abpackmaschine zugeführt wird.

Die Milch wird also in der Heizstufe 9 beheizt und transportiert von dort Wärme zu den Stufen 13 und 14. Diese dienen als Rückkühl­ stufen, während die Stufen 2, 4, 7 und 7′ als Vorwärmstufen die Milch vorwärmen.

Die in den Rückkühlstufen 13 und 14 anfallende Wärme wird über eine Kreislaufeinrichtung den Vorwärmstufen zugeführt.

Ein äußerer Kreislauf 17 mit dem üblichen Wasser als Wärme­ tauschmedium verläuft durch die letzte Rückkühlstufe 14 und die ersten Stufen 2 und 4. Die erforderliche Umwälzpumpe ist zur zeichnerischen Vereinfachung nicht dargestellt. Die Strömungs­ richtung des Wassers ist mit Pfeilen angedeutet.

Ein innerer Kreislauf 41 transportiert Wasser in Pfeilrichtung durch die erste Rückkühlstufe 13 und die letzten beiden Vorwärmstufen 7′ und 7.

Wie der Zeichnung entnehmbar, sind die Wärmetauscherstufen sämtlich so ausgebildet, daß sich an den jeweiligen Ein- und Aus­ gängen immer Temperaturdifferenzen zwischen Wasser und Milch von etwa 8°C ergeben. Betrachtet man beispielsweise die erste Rückkühlstufe 13, so gelangt Milch in diese mit 140°C und wird auf 90°C heruntergekühlt. Wasser tritt in umgekehrter Richtung mit 82°C ein und verläßt diese Stufe mit 132°C. An beiden Enden der Stufe ergibt sich also zwischen Milch und Wasser eine Tempe­ raturdifferenz von 8°C. Dies trifft im wesentlichen auch auf die übrigen Stufen zu. Die Temperaturen sind jeweils neben die Lei­ tungen geschrieben.

In dem dargestellten Temperaturgleichgewicht arbeitet die Vor­ richtung nur, wenn sämtliche Wärmetauscherstufen vollständig ord­ nungsgemäß arbeiten und somit ihren vollen Wärmetauschgrad aufweisen. Beim Betrieb der Vorrichtung ändert sich dies.

Milchinhaltsstoffe, also hauptsächlich Protein, beginnen bei Tempe­ raturen von etwa 90°C auszufallen. Diese Temperatur wird inner­ halb des Wärmeaustauschers der Stufe 7 erreicht, so daß bereits in diesem durch Fällung Oberflächenbeläge entstehen. Im wesentli­ chen sollen die Milchinhaltsstoffe in dem Proteinabscheider 8 aus­ fallen. Ein geringer Anteil fällt aber auch noch in dem Wärmetau­ scher 7′ aus. Die beiden Wärmetauscher 7 und 7′ wachsen daher innen allmählich mit Belägen von ausgefallenen Milchinhaltsstof­ fen, insbesondere Protein und auch Milchsalzen, zu. Dadurch ändert sich ihr Durchströmungsquerschnitt für Milch. Dies führt zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und somit zu einer Verringerung der Verweilzeit der Milch in diesen Wärmetauschern. Außerdem ändert sich durch die Beläge der Wärmedurchgangswi­ derstand zum Wasser hin. Der Wärmetauschgrad dieser Wärmetau­ scher sinkt also.

Dies hat zur Folge, daß die Temperatur des Wassers im inneren Kreislauf 41 nach der Stufe 7 nicht bei 82°C bleibt, sondern all­ mählich zu höheren Temperaturen hin ansteigt. Das im inneren Kreislauf 41 in die erste Rückkühlstufe 13 eintretende Wasser würde dann zu heiß werden mit der Folge, daß die Milch, die bei 13 austritt, höhere Temperaturen als 90°C erreicht.

Durch die Verringerung des Wärmetauschgrades in den Stufen 7 und 7′ wird auch die Milch beim Erreichen der Heizstufe 9 kühler, was aber durch die Regelung der Heizung 11 auf konstante Milchaustrittstemperatur von 140°C ausgeglichen werden kann.

Um die aus der ersten Rückkühlstufe 13 mit 90°C austretende Milch bei konstanter Temperatur zu halten, ist in dem inneren Kreislauf 41 ein Zusatzwärmetauscher 42 vorgesehen, der im Ge­ genstrom von Frischwasser durchströmt wird, das auf der Leitung 43 ankommt und den Zusatzwärmetauscher 42 auf der Leitung 44 als erwärmtes Abwasser verläßt.

Mit diesem zusätzlichen Wärmetauscher 42 kann die Temperatur des Wassers im inneren Kreislauf 41 wieder auf die gewünschten 82°C gebracht werden, so daß die die erste Rückkühlstufe 13 ver­ lassende Milch bei 90°C gehalten wird.

Um eine genaue Temperaturregelung der Milch an dieser Stelle zu erreichen, ist in der Milchleitung zwischen den Stufen 13 und 14 ein Temperaturfühler 45 angeordnet, der über eine Leitung 46 einen Durchflußregler 47 in der Frischwasserleitung 43 steuert. Es kann aber auch eine Handregelung oder eine Standardvorein­ stellung, die für übliche Fälle ausreicht, vorgesehen sein.

Da die der letzten Rückkühlstufe 14, die als einzige im äußeren Kreislauf 17 sitzt, zugeführte Milch konstant bei 90°C gehalten wird und da dies die einzige Stelle ist, bei der der innere Kreislauf 41 den äußeren Kreislauf 17 thermisch beeinflußt, bleiben die Tem­ peraturen im äußeren Kreislauf 17 vollständig konstant. Die Milch­ ausgangstemperatur bleibt also bei 20°C und auch die für die Be­ handlungsstufe 40 vorteilhaften 55°C bleiben konstant.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, wird die Milch in dem Bereich, in dem sie über 100°C gebracht wird, zwischen der Druckerhö­ hungspumpe 5 und der Drossel 15 auf Überdruck gehalten, um Sie­ den zu vermeiden. Auch der innere Kreislauf 41, dessen erforderli­ che Umwälzpumpe nicht dargestellt ist, wird auf Druck gehalten, um bei den erreichten Temperaturen von über 100°C Sieden zu vermeiden.

Dem Zusatzwärmetauscher 42 wird Frischwasser auf der Leitung 43 mit einer Temperatur von ca. 10°C zugeführt, wie sie übli­ cherweise aus dem Wasserleitungsnetz anfällt. Die Temperaturdif­ ferenz zur Temperatur des Wassers im inneren Kreislauf 41 von mindestens 82°C ist also sehr hoch. Das Abwasser auf der Leitung 44 hat somit Temperaturen von bis über 80°C, die sehr gut nutzbar sind. Die Leitung 44 kann also in nicht dargestellter Weise zu Wärmetauscheinrichtungen geführt werden. Der Verbrauch an Frischwasser ist infolge der hohen Temperaturdifferenz niedrig.

Claims (2)

1. Vorrichtung zur Erhitzung von Milch auf über 100°C, mit einer fremdbeheizten Heizstufe (9), die die Milch auf die Endtemperatur bringt, mit wenigstens zwei dieser vorge­ schalteten Wärmeaustauschstufen (2, 4, 7, 7′) zum Vorwär­ men sowie wenigstens zwei dieser nachgeschalteten Stufen (13, 14) zum Rückkühlen der Milch, mit einer Kreislaufein­ richtung (17, 41) zum Führen eines Austauschmediums im Gegenstrom zur Milch durch die Rückkühlstufen (13, 14) und die Vorwärmstufen (2, 4, 7, 7′), mit einem Zusatzwär­ metauscher (42) zur Zusatzkühlung des Austauschmediums (41) im Austausch mit Frischwasser (43) und mit zwischen den Stufen (2, 4, 7, 7′, 9, 13,) angeordneten Einrichtungen (40, 5, 6, 8, 12) zur Behandlung der Milch, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kreislaufeinrichtung in einen inneren Kreislauf (41) und einen äußeren Kreislauf (17) getrennt ist, wobei der innere Kreislauf (41) jeweils wenigstens eine der Heizstufe (9) benachbarte Vorwärmstufe (7, 7′) und Rück­ kühlstufe (13) und der äußere Kreislauf (17) jeweils wenig­ stens eine von der Heizstufe (9) entfernt liegende Vorwärm­ stufe (2, 4) und Rückkühlstufe (14) umfaßt, wobei der innere Kreislauf (41) wenigstens die Vorwärmstufen (7, 7′) umfaßt, bei denen Gefahr der Temperaturausfällung von Milchin­ haltsstoffen besteht, und wobei der Zusatzwärmeaustauscher (42) im inneren Kreislauf (41) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchfluß von Frischwasser (43) des Zusatzwärme­ tauschers (42) in Abhängigkeit von der Temperatur der Milch zwischen der letzten Rückkühlstufe (13) des inneren Kreislaufes (41) und der ersten Rückkühlstufe (14) des äuße­ ren Kreislaufes (17) geregelt wird.