DE69033273T2

DE69033273T2 - Gepulste hochspannungssysteme zur verlängerung der haltbarkeit von pumpfähigen nährmtteln

Info

Publication number: DE69033273T2
Application number: DE69033273T
Authority: DE
Inventors: Andrew Bushnell; Reginald Clark; Joseph Dunn
Original assignee: PurePulse Technologies Inc
Current assignee: PurePulse Technologies Inc
Priority date: 1989-06-12
Filing date: 1990-06-11
Publication date: 1999-12-30
Anticipated expiration: 2010-06-12
Also published as: CA2057031C; AU5836190A; EP0594566B1; CA2057031A1; EP0594566A1; JPH04506151A; DE69033273D1; AU640384B2; WO1990015547A1; EP0594566A4; ES2135379T3

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist gerichtet auf Verfahren und Einrichtungen zum Haltbarmachen fließfähiger Lebensmittel und ist insbesondere auf Verfahren und Einrichtungen gerichtet, die zur Verlängerung der Lagerfähigkeit von verderblichen fließfähigen Lebensmitteln, wie etwa Milchprodukte, Fruchtsäfte und flüssige Eiprodukte, die Wachstumsmedien für Mikroorganismen sind, dienen. Die vorliegende Erfindung ist auch gerichtet auf haltbar gemachte flüssige Lebensmittel, die eine verlängerte Lagerfähigkeit aufweisen.
Es wurde eine beträchtliche technische Anstrengung auf die Haltbarmachung von verderblichen fließfähigen Lebensmittelprodukten, wie etwa Milchprodukte, natürliche Fruchtsäfte und flüssige Eiprodukte, gerichtet, die normalerweise eine große Vielfalt an Mikroorganismen enthalten können, und die exzellente Kulturmedien für Mikroorganismen sind.
Praktische Haltbarmachverfahren, die beträchtliche kommerzielle Anwendung gefunden haben, verwenden überwiegend eine Hitzebehandlung, wie etwa Pasteurisierung, um die Population an Mikroorganismen zu inaktivieren oder zu verkleinern. Beispielsweise werden Milchprodukte herkömmlich bei einer minimalen Temperatur von wenigstens etwa 72ºC für 15 Sekunden (oder eine äquivalente Zeit/Temperatur-Beziehung) pasteurisiert, um pathogene Bakterien und die meisten nicht-pathogenen Organismen zu zerstören, wobei ferner auch degradierende Enzymsysteme teilweise oder vollständig inakti viert werden. Allerdings sind auf diese Art und Weise verarbeitete Produkte generell noch nicht steril und weisen eine begrenzte Lagerfähigkeit auf, selbst bei einer Kühlungstemperatur. Die Lagerfähigkeit von flüssigen Lebensmitteln kann durch Behandlungsprozesse mit größerer Hitze, wie etwa "ultrahohe Pasteurisierung", oder "ultrahohe Temperatur" ("UHT"), wie etwa eine Behandlung von etwa 94ºC für 3 Sekunden bis etwa 150ºC für 1 Sekunde, in Verbindung mit aseptischer Verpackung zum Erreichen einer vollständigen Zerstörung aller Bakterien und Sporen beträchtlich verlängert werden. Allerdings beeinträchtigt eine derartige Hitzebehandlung typischerweise nachteilig den Geschmack des Lebensmittelprodukts, da sie zumindest teilweise dessen Proteininhalt denaturiert oder auf andere Weise gewünschte Eigenschaften des fließfähigen Lebensmittelprodukts nachteilig beeinträchtigt. Andere Ansätze zur Haltbarmachung von flüssigen Lebensmitteln, die ebenfalls gewisse Nachteile aufweisen, umfassen die Verwendung von chemischen Zusätzen oder von ionisierender Strahlung.
Die bakteriziden Effekte von elektrischen Strömen wurden ebenfalls seit dem Ende des 19. Jahrhunderts untersucht, wobei vielfältige Versuche durchgeführt wurden, elektrische Ströme zur Behandlung von Lebensmittelprodukten zu verwenden, wie etwa in den US-Patenten 1,900,509, 2,428,328, 2,428,329 und 4,457,221 und in den deutschen Patenten 1,946,267 und 2,907,887 beschrieben ist. Die lethalen Effekte von niederfrequentem Wechselstrom mit niedriger elektrischer Feldstärke wurden größtenteils der Bildung elektrolytischer chemischer Produkte aus der Anwendung von Strom durch Direktkontaktelektroden wie auch einer durch Stromfluß durch ein elektrisch widerstandsbehaftetes Medium erzeugten Ohmsche Erhitzung zugeschrieben. Wie im US-Patent 3,594,115 beschrieben, wurden ferner lethale Effekte von Hochspannungsbogenentladungen elektrohydraulischen Schockwellen zugeschrieben. Allerdings sind möglicherweise derartige elektrolytische chemische Produkte in fließfähigen Lebensmitteln nicht wünschenswert und die Verwendung von explosiven Bogenentladungen zum Erzeugen von mikro biologisch lethalen Schockwellen hat keine weitverbreitete Anwendung bei der Bereitstellung von genießbaren flüssigen Lebensmitteln mit verlängerter Lagerfähigkeit gefunden.
Kürzlich wurde - gegenüber dem Fachgebiet der Lebensmittelhaltbarmachung selbständig - der Effekt von starken elektrischen Feldern auf Mikroorganismen in nicht nährenden Medien untersucht als ein Mechanismus, um die Durchlässigkeit der Zellmembranen von Mikroorganismen und einzelnen Zellen reversibel oder irreversibel zu vergrößern [Sale, et al., "Effects of High Electric Fields on Microorganisms III. Lysis of Erythrocytes and Protoplasts", Biochmica et Biophysica Acta, 163, Seiten 37-43 (1968); Hulsheger, et al., "Killing of Bacteria with Electric Pulses of High Field Strength", Radiat. Environ Biophys, 20, Seiten 53-65 (1981); Hulsheger, et al., "Lethal Effects of High-Voltage Pulses on E. coli K12", Radiat. Environ. Biophys. 18, Seiten 281-288 (1980); Zimmermann, et al., "Effects of External Electrical Fields on Cell Membranes", Bioelectrochemistry and Bioenergetics, 3, Seiten 58-63 (1976); Zimmermann, et al., "Electric Field-Induced Cell-to-Cell Fusion", J. Membrane Biol., 67, Seiten 165-182 (1982); Hulsheger, et al., "Electric Field Effects on Bacteria and Yeast Cells", Radiat. Environ. Biophys; 22, Seiten 149-162 (1983); U. Zimmermann, et al., "The Development of Drug Carrier Systems: Electrical Field Induced Effects in Cell Membranes", Biochemistry and Bioenergetics, 7, Seiten 553-574 (1980); Jacob, et al., "Microbiological Implications of Electric Field Effects II. Inactivation of Yeast Cells and Repair of Their Cell Envelope", Zeitschrift für Allgemeine Mikrobiologie, 21, 3, Seiten 225-233 (1981); Kinositas, Jr., "Formation and Resealing of Pores of Controlled Sizes in Human Erythrocyte Membrane", Nature, 268, 4, Seiten 438-440 (August, 1977); Neamann, et al., "Gene Transfer into Mouse Lyoma Cells by Electroporation in High Electric Fields", IRI Press Limited, Oxford, England, Seiten 841-845]. Die Anwendung von hohen elektrischen Feldern, um die Durchlässigkeit von Zellen reversibel zu vergrößern, wurde dazu verwendet, eine Zellfusion von lebenden Zellen durchzuführen und normaler weise ausgeschlossene Komponenten in lebende Zellen einzuführen. Elektrische Felder in nicht nährenden Medien weisen einen direkten lethalen Effekt auf Mikroorganismen auf, wobei die Tötungsrate von der Feldstärke oberhalb eines kritischen Feldpegels und der Dauer des angewendeten Hochspannungspulses oder der angewendeten Hochspannungspulse abhängt.
Diese Studien postulieren die Zellmembrane als den Ort eines kritischen Effekts des reversiblen oder nicht reversiblen Verlusts der Membran-Funktion als die halbdurchlässige Barriere zwischen der Zelle und ihrer Umgebung. Es wird angenommen, daß ein äußeres Feld von kurzer Dauer oberhalb eines kritischen elektrischen Feldwerts ein auferlegtes Transmembranen-Potential induziert, das eine dramatische Zunahme der Durchlässigkeit der Membrane erzeugt. Da eine Zunahme der Durchlässigkeit der Zelle die Gegenwirkung von Unterschieden der Osmolarität des Zellinhalts und der umgebenden Medien verhindert, können in nicht nährenden Medien als sekundäre Mechanismen ein Austausch oder Verlust des Zellinhalts, eine Zell-Lysis und eine irreversible Zerstörung auftreten, die die Fähigkeit von Zellen begrenzen, sich selbst zu reparieren, und die nachteilig durchlässige Zellen durch osmotische Druckunterschiede zwischen dem Medium und dem Inneren der Zelle beeinträchtigen.
Die DE-85 88 72 beschreibt eine Anordnung zur Behandlung von Volumenmaterial in einem elektrischen Wechselfeld. Die Einrichtung umfaßt ein Paar von koaxialen Elektroden, die derart ausgelegt sind, daß sie koaxiale Kegel- oder Pyramidenoberflächen bilden. Eine derartige Anordnung macht es möglich, die elektrische Feldstärke durch Veränderung des axialen Versatzes zwischen den Elektroden zu variieren. Der Neigungswinkel der Elektroden kann auf den Schüttwinkel des Materials eingestellt werden, um zu verhindern, daß das Volumenmaterial durch die Behandlungskammer kriecht oder rutscht. Material. das zu behandeln ist, zum Beispiel zu schmelzen ist, wird zwischen den Elektroden durch einen dielektrischen Behälter eingeführt, der an die äußere Elektrode angrenzt.
Das US-Patent Nr. 4,838,154 und das hier oben identifizierte US-Patente Nr. 4,695,472 sind auf Verfahren und Einrichtungen zur Bereitstellung von fließfähigen Lebensmittelprodukten mit verlängerter Lagerfähigkeit gerichtet. Allerdings würden verbesserte Verfahren und Einrichtungen dieses Typs wünschenswert sein, insbesondere derartige Verfahren und Einrichtungen, die ein verbessertes Leistungsvermögen und verbesserte Effizienz aufweisen. Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren und Einrichtungen zum Verlängern der Lagerfähigkeit von verderblichen pumpbaren Lebensmittelprodukten, wie etwa Milchprodukten, natürlichen Fruchtsäften, pumpbaren flüssigen Eiprodukten, Bier, Wein, Suppen, Schmor/Eintopfgerichten, Soßen, Suspensionen teilchenförmiger Lebensmittel oder Breie und andere pumpbare Lebensmittelprodukte, zu verlängern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt eine Einrichtung für gepulste Elektrofeldbehandlung zum Haltbarmachen eines pumpbaren Lebensmittels, umfassend: eine Elektrofeldbehandlungszelle mit einem ersten Elektrodenmittel zum Herstellen eines elektrischen Kontakts mit in der Behandlungszelle benachbart dem ersten Elektrodenmittel angeordnetem pumpbaren Lebensmittel und mit einem von dem ersten Elektrodenmittel im Abstand angeordneten zweiten Elektrodenmittel zum Herstellen eines elektrischen Kontakts mit in der Behandlungszelle zwischen dem ersten Elektrodenmittel und dem zweiten Elektrodenmittel angeordnetem pumpbaren Lebensmittel und mit einem festen dielektrischen Trennmittel, das das erste und das zweite Elektrodenmittel trennt; ein Einlaßleitungsmittel zum Einführen eines in der Elektrofeldbehandlungszelle zu behandelnden pumpbaren Lebensmittels und ein Auslaßleitungsmittel zum Abgeben eines Lebensmittelerzeugnisses, das durch die Behandlungszelle hindurchgegangen ist; ein Mittel zum Anlegen von Hochspannungselektropulsen an dem ersten und dem zweiten Elek trodenmittel mit einer vorbestimmten Rate, um ein elektrisches Feld von wenigstens 20.000 Volt pro Zentimeter oder mehr zwischen den Elektrodenmitteln durch ein dazwischen in der Behandlungszelle angeordnetes pumpbares Lebensmittel vorzusehen; und ein Mittel zum Pumpen eines pumpbaren Lebensmittels durch das Einlaßleitungsmittel mit einer Rate derart, daß das gesamte pumpbare Lebensmittel beim Durchgang durch die Behandlungszelle wenigstens einem Puls ausgesetzt wird, bevor es durch das Auslaßleitungsmittel aus der Behandlungszelle geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Trennmittel derart angeordnet ist, daß es das zweite Elektrodenmittel innerhalb und im Abstand von dem ersten Elektrodenmittel sichert, wobei die Behandlungszelle eine im wesentlichen gleichmäßige Elektrofeldbehandlungszone umfaßt, in der das erste und das zweite Elektrodenmittel in einem im wesentlichen gleichmäßigen Abstand voneinander angeordnet sind.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Es werden nun Beispiele von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Bearbeitungssystems mit kontinuierlichem Produktfluß zur Verlängerung der Lagerdauer von verderblichen pumpbaren Lebensmitteln ist, das ein Behandlungssystem verwendet, das dazu fähig ist, gemäß der vorliegenden Erfindung auf ein pumpbares Lebensmittelprodukt eine sehr hohe elektrische Feldspannung auszuüben;
Fig. 2 eine Seitenansicht eines Querschnitts durch die Rotationssymmetrieachse einer Ausführungsform einer Bearbeitungszelle für eine gepulste Elektrofeldbehandlung ist, die eine modifizierte koaxiale Geometrie aufweist, die dafür ausgelegt ist, eine größere Pulsstabilität zu geben, welche Behandlungszelle im System der Fig. 1 verwendet werden kann;
Fig. 3 eine Seitenansicht eines Querschnitts durch die Rotationssymmetrieachse einer weiteren Ausführungsform einer Behandlungszelle zur gepulsten Elektrofeldbehandlung ist, die in der Einrichtung de Fig. 1 verwendet werden kann und eine koaxiale Geometrie mit einem langen Kriechpfad auf der die beiden Hochspannungselektroden trennenden Isolationsoberfläche aufweist, welche Bearbeitungszelle in einem Bearbeitungssystem mit kontinuierlichem Fluß des in Fig. 1 veranschaulichten Typs verwendet werden kann;
Fig. 4 eine schematische Ansicht ist eines Querschnitts durch die Rotationssymmetrieachse einer Ausführungsform einer Testzelle zur schubweisen gepulsten Statik-Elektrofeldbehandlung, die insbesondere dafür ausgelegt ist, gepulste elektrische Felder mit sehr hoher Spannung auf verderbliche flüssige Lebensmittelprodukte auszuüben, zusammen mit einem schematischen elektrischen Diagramm einer Hochspannungspulserzeugungs-Schaltungsanordnung für die Testeinrichtung;
Fig. 5 ein Diagramm des elektrischen Feldes der Behandlungszelle zur schubweisen Hochspannungsbehandlung der Fig. 4 ist, das Feldverteilungs-Equipotentiallinien zeigt, die für die Anlegung eines Hochspannungspulses über die Zellelektroden berechnet sind;
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Hochspannungs- Energieversorgungs- und Pulsformungsnetzwerks zum Anlegen von Hochspannungspulsen an der Testzelle der Fig. 4 ist;
Fig. 7 ein Oszilloskoplinienzug des Pulsformungsnetzwerks der Fig. 6 im Betrieb mit einer kurzgeschlossenen Last ist;
Fig. 8 ein Oszilloskoplinienzug ist, der die typische Anstiegszeit des Pulsformungsnetzwerks für eine 20 Ohm-Last für das Netzwerk der Fig. 6 veranschaulicht;
Fig. 9 ein Oszilloskoplinienzug der Anstiegszeit des Pulsformungsnetzwerks mit einer 20 Ohm-Last ist;
Fig. 10 ein Spannung-über-Zeit-Oszilloskoplinienzug der Ausgabe des Netzwerks in Fig. 6 in Anwendung auf eine 1-Ohm- Zentimeter-Salzlösung ist;
Fig. 11 ein Spannung-über-Zeit-Oszilloskoplinienzug der Ausgabe des Netzwerks der Fig. 6 in Anwendung auf eine 300-Ohm- Zentimeter-Salzlösung ist;
Fig. 12 ein Spannung-über-Zeit-Oszilloskoplinienzug der Ausgabe des Netzwerks der Fig. 6 in Anwendung auf Apfelsaft ist;
Fig. 13 ein Spannung-über-Zeit-Oszilloskoplinienzug der Ausgabe des Netzwerks der. Fig. 6 in Anwendung auf Milch ist;
Fig. 14 ein Spannung-über-Zeit-Oszilloskoplinienzug der Ausgabe des Netzwerks der Fig. 6 in Anwendung auf ungefilterten Orangensaft ist;
Fig. 15 ein Spannung-über-Zeit-Oszilloskoplinienzug der Ausgabe des Netzwerks der Fig. 6 in Anwendung auf gefilterten Orangensaft ist;
Fig. 16 ein Spannung-über-Zeit-Oszilloskoplinienzug der Ausgabe des Netzwerks der Fig. 6 in Anwendung auf deionisiertes Wasser ist;
Fig. 17 ein schematisches Diagramm einer gepulsten Elektrofeldkonfiguration zur Definition der Designanalyse ist;
Fig. 18 ein schematisches Diagramm eines kontinuierlichen Pulsersystems ist, das das Pulsformungsnetzwerk zeigt;
Fig. 19 eine graphische Repräsentation des Widerstands einer Zelle für ein gepulstes Elektrofeld als eine Funktion des spezifischen Widerstands des Produkts ist;
Fig. 20 eine graphische Darstellung des durch ein Pulsformungsnetzwerk erzeugten elektrischen Feldes als eine Funktion des spezifischen Widerstands des Produkts in einer Zelle zur gepulsten Elektrobehandlung ist;
Fig. 21 eine Darstellung der durch eine 1 Ohm-Last an einem Pulsformungsnetzwerk mit fünf Abschnitten erzeugten Elektrofeldwellenform ist;
Fig. 22 eine Darstellung der durch eine 1,6 Ohm-Last an einem Pulsformungsnetzwerk mit drei Abschnitten erzeugten Elektrofeldwellenform ist;
Fig. 23 eine Darstellung der durch eine 1,0 Ohm-Last an einem Pulsformungsnetzwerk mit drei Abschnitten erzeugten Elektrofeldwellenform ist;
Fig. 24 eine Ansicht eines Querschnitts durch die Rotationsachse einer rotationssymmetrischen Zelle für ein gepulstes Elektrofeld ähnlich zu derjenigen der Fig. 2 ist, die zum Testen des Flusses konfiguriert ist;
Fig. 25 ein Equipotential-Diagramm der Zelle für ein gepulstes. elektrisches Feld ist;
Fig. 26 ein Diagramm des elektrischen Feldes auf der Masseelektrode der Zelle für ein gepulstes Elektrofeld ist; und
Fig. 27 ein Diagramm des elektrischen Felds auf der Hochspannungselektrode der Zelle für ein gepulstes Elektrofeld ist.
Im allgemeinen werden in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Verfahren und Einrichtungen bereitgestellt zum Haltbarmachen von flüssigen Lebensmitteln, die normalerweise ausgezeichnete bakteriologische Wachstumsmedien sind, indem elektrische Feldpulse sehr hoher Spannung und sehr kurzer Dauer durch das gesamte Lebensmittel angelegt werden. Mit "pumpbares Lebensmittel" ist ein genießbares Lebensmittelprodukt gemeint, das eine Viskosität oder eine Extrusionsfähigkeit derart aufweist; daß das Lebensmittelprodukt zwangsweise durch eine Behandlungszone fließen kann. Die Produkte schließen extrudierbare Produkte, wie etwa Teige oder Fleischemulsionen, flüssige Produkte, wie etwa Getränke, flüssige Milchprodukte, Fleischsäfte, Soßen und Suppen, und Lebensmittelteilchen enthaltende Lebensmittelbreie, wie etwa Schmorgerichte, und Lebensmittelteilchen enthaltene Suppen und gekochte und ungekochte Gemüse- oder Kornbreie, ein. Es ist wünschenswert, daß die flüssige Phase des Produkts eine Viskosität weniger als 1000 Poise und bevorzugt weniger als 500 Zentipoise bei einer Temperatur oberhalb 0ºC aufweist. Typischerweise können die pumpbaren Lebensmittelprodukte im Bereich von 20 bis 95 Gew.-% Wasser und von 4 bis 75 Gew.-% an Feststoffen umfassen, die aus der aus Proteinen, Kohlenhydraten und Fetten bestehenden Gruppe und Mischungen davon gewählt sind, auf Grundlage des Gesamtgewichts des Lebensmittels. Die Viskosität des Lebensmittels kann im allgemeinen am besten bei Umgebungstemperatur (beispielsweise etwa 23ºC) oder einer erhöhten Verarbeitungstemperatur (beispielsweise 65ºC) bestimmt werden. Mit "bakteriologisches Wachstumsmedium" ist gemeint, daß beim Lagern bei einer Temperatur im Bereich von 10ºC bis etwa 30ºC das fließfähige Lebensmittel mit seiner natürlichen mikrobiologischen Population oder nach Impfen mit Testorganismen eine Zunahme im biologischen Gehalt oder in der biologischen Aktivität als Funktion der Zeit zeigen wird, wie durch direkte mikrokopische Zählungen, koloniebildende Einheiten auf angemessenen sekundären Medien, metabolischen Endproduktanalysen, biologischer Trocken- oder Naßgewicht- oder anderer qualitativer oder quantitativer analytischer Methodologie zum Überwachen einer Zunahme in der biologischen Aktivität oder im biologischen Inhalt erfaßbar ist. Beispielsweise kann die mikrobiologische Population eines pumpbaren Lebensmittels, das ein biologisches Wachstumsmedium ist, unter derartigen Bedingungen über eine Zeitperiode von zwei Tagen sich wenigstens verdoppeln. Die fließfähigen Lebensmittel werden eine elektrische Leitfähigkeit von wenigstens 0,0001 mhos cm&supmin;¹ aufweisen, obwohl auch deionisierte Lebensmittelprodukte behandelt werden können, die niedrigere Leitfähigkeiten aufweisen. Typischerweise können pumpbare Lebensmittelprodukte einen kombinierten Natrium- und Kaliumgehalt von wenigstens 0,10 Gew.-% auf Grundlage des Gesamtgewichts des fließfähigen Lebensmittels aufweisen. Es wird vermerkt, daß deionisiertes Wasser als ein Aufschlämmungsmittel für die hochgepulste elektrische Feldbehandlung von teilchenförmigen gekochten, hydratisierten, ungekochten oder unhydratisierten Lebensmittelprodukten verwendet werden kann, wie hiernach detaillierter beschrieben werden wird. Die Zusammensetzungen von typischen flüssigen Lebensmittelprodukten, die biologische Wachstumsmedien sind, sind - von "Nutritive Value of American Foods in Common Units", Agriculture Handbook Nr. 456 des US-Landwirtschaftsministeriums (1975) abgeleitet - wie folgt: FLIESSFÄHIGE LEBENSMITTEL
* kondensiert - kommerziell
* * aus teilweise entrahmter Milch
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind auf Verfahren und Produkte gerichtet, die Pulse mit extrem hohem elektrischen Feld von kurzen, gesteuerten/geregelten Pulsdauern verwenden können. Derartige Felder können mittels Behandlungszellen angewendet werden, die eine Auslegung für hohe Feldstabilität aufweisen und hiernach im Detail beschrieben werden. Verschiedene Ausführungsformen derartiger Verfahren und Einrichtungen können eine Verarbeitung mit elektrischem Feld verwenden, um sowohl haltbar zu machen als auch zu erwärmen, für den kombinierten Nutzen einer elektrischen Feldbehandlung bei leicht erhöhter Temperatur. Es kann eine Einpulsbehandlung für verschiedene Lebensmittelprodukte verwendet werden. Verarbeitbare Lebensmittel schließen Produkte niedriger Viskosität, wie etwa Getränke als auch dicke viskose, teilchenförmige Eßwaren und Eßwaren gemischt aus Flüssigkeit und Teilchen. Die Verwendung von Entgasungsverfahren und Einrichtungen zum Vereinfachen der Verwendung von hohen elektrischen Feldern ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Verfahren und Einrichtungen, die hiernach in ihren Einzelheiten diskutiert werden.
Wie angegeben, wird in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung das gesamte pumpbare fließfähige Lebensmittel wenigstens einem elektrischen Puls sehr hoher Feld- und Stromintensität ausgesetzt, und es mag wünschenswert sein, daß wenigstens ein Teil des fließfähigen Lebensmittels in einer Elektropulsbehandlungszone hoher Stabilität einer Mehrzahl von elektrischen Pulsen sehr hoher Spannung ausgesetzt wird. Das pumpfähige Lebensmittelprodukt kann durch eine Vielfalt von Verarbeitungstechniken derartigen Pulsen sehr hoher Spannung und kurzer Dauer ausgesetzt werden. Bei einem derartigen Bearbeitungsverfahren wird das flüssige Lebensmittel in eine Behandlungszone zwischen zwei Elektroden eingeführt, die eine Konfiguration aufweisen, die geeignet ist, ein im wesentlichen gleichförmiges elektrisches Feld dazwischen ohne dielektrisches Kriechen oder einen anderen Durchschlag zu erzeugen. Elektrische Pulse sehr hoher Spannung können an den Elektroden angelegt werden, um das flüssige Lebensmittel einer Mehrpulsbehandlung auszusetzen, und zwar durch eine Pulsfeldeinrichtung, wie etwa konzentrierte Übertragungsleitungsschaltungen, Blumlein-Übertragungsschaltungen und/oder kapazitive Entladungsschaltungen. Es können ferner Feldumkehrtechniken durch kapazitive Entladungssysteme und Pulsformungsnetzwerke verwendet werden, um das effektive Potential über die Zelle zu vergrößern. Indem ein kurzer Puls von beispielsweise 20.000 Kilovolt pro Zentimeter über eine Behandlungszelle für eine kurze Zeitperiode (beispielsweise 2 Mikrosekunden) einer Polarität angelegt wird, dem eine abrupte Umkehr des angelegten Potentials innerhalb einer kurzen Zeitperiode (beispielsweise 2 Mikrosekunden) folgt, kann somit über die Zelle ein sich an 40 Kilovolt pro Zentimeter annäherndes effektives Feld entwickelt werden. Falls das flüssige Lebensmittel kontinuierlich in die Behandlungszone, an der Pulse sehr hoher Spannung periodisch angelegt werden, zugeführt wird und das flüssige Lebensmittel gleichzeitig aus der Behandlungszone abgezogen wird, sollte die Durchgangsrate des flüssigen Lebensmittels durch die Behandlungszone mit der Pulsbehandlungsrate koordiniert sein, so daß das gesamte pumpbare Lebensmittel wenigstens einem Puls in der Behandlungszone ausgesetzt wird. Das flüssige Lebensmittel kann Behandlungen in einer Mehrzahl von aufeinanderfolgenden derartigen Behandlungszonen ausgesetzt werden, wie hiernach in näheren Einzelheiten beschrieben wird.
In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Einrichtung zur gepulsten Feldbehandlung zur Haltbarmachung von pumpbaren Lebensmitteln bereitgestellt, die eine elektrische Feldbehandlungskammer umfaßt, umfassend ein erstes Elektrodenmittel zum Herstellen eines elektrischen Kontakts mit benachbart dem ersten Elektrodenmittel in der Kammer angeordnetem flüssigen Lebensmittel, ein zweites Elektrodenmittel, das von dem ersten Elektrodenmittel im Abstand angeordnet ist, um einen elektrischen Kontakt mit in der Kammer zwischen dem ersten Elektrodenmittel und dem zweiten Elektrodenmittel angeordnetem flüssigen Lebensmittel herzustellen, ein festes dielektrisches Trennmittel umfassend einen dielektrischen, nicht leitfähigen Abstandshalter, der das erste Elektrodenmittel und das zweite Elektrodenmittel außerhalb der Kammer trennt und eine minimale Oberflächenpfadlänge zwischen dem ersten Elektrodenmittel und dem zweiten Elektrodenmittel von wenigstens dem Doppelten und bevorzugt wenigstens dem Dreifachen des minimalen Abstands zwischen dem ersten Elektrodenmittel und dem zweiten Elektrodenmittel in der Kammer aufweist. Die Elektroden werden ferner wünschenswerterweise derart konstruiert sein, daß die elektrische Feldstärke an den Rändern der Elektrode (nach Anlegen eines gepulsten elektrischen Potentials) nicht das Ein- bis Fünffache des mittleren elektrischen Feldes über die Oberfläche der Elektrode übersteigt. Dies kann bewerkstelligt werden durch eine richtige Elektrodenauslegung, die hiernach diskutiert werden wird, wie etwa durch Runden der Elektrodenränder, um ungewünschte Feldverstärkungen an scharfen Rändern mit kleinem Krümmungsradius zu verhindern. Die Einrichtung umfaßt ferner ein Einlaßleitungsmittel zum Einführen eines in der elektrischen Feldbehandlungskammer zu behandeln pumpbaren Lebensmittels, ein Auslaßleitungsmittel zum Abgeben des Lebensmittelprodukts, das durch die Behandlungskammer hindurchgegangen ist, ein Mittel zum Anlegen von elektrischen Pulsen hoher Spannung an dem ersten und dem zweiten Elektrodenmittel mit einer Rate von wenigstens 0,01 Pulsen pro Sekunde und bevorzugt wenigstens zwei Pulsen pro Sekunde, um ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden durch ein dazwischen angeordnetes pumpbares Lebensmittel von wenigstens 25.000 Volt pro Zentimeter und stärker bevorzugt von wenigstens 35.000 Volt pro Zentimeter vorzusehen. Die Einrichtung enthält ferner Mittel zum Pumpen eines Lebensmittels durch das Einlaßleitungsmittel mit einer Rate derart, daß das gesamte fließfähige Lebensmittel wenigstens einem Puls beim Durchgang durch die Hochspannungsbehandlungszone ausgesetzt wird, bevor es durch das Auslaßleitungsmittel aus der Kammer geleitet wird. Diese Einrichtung kann ferner ein Mittel zum Erwärmen des Lebensmittels auf eine vorbestimmte Temperatur von wenigstens 45ºC und stärker bevorzugt von wenigstens 55ºC vor dem Einführen in die Behandlungszone umfassen, und sie kann ferner ein Mittel zum Kühlen des fließfähigen Lebensmittels, das durch eine oder mehrere Behandlungszone hindurchgegangen ist, auf eine Kühltemperatur im Bereich von 0 bis 10ºC umfassen.
Falls es gewünscht ist, können das erste und das zweite Elektrodenmittel derart konstruiert sein, daß eine direkte Elektrolyse des fließfähigen Lebensmittels nach Anlegen eines gepulsten elektrischen Felds daran verhindert wird. Diesbezüglich können derartige Elektroden eine elektrisch leitfähige Elektrolyseelektrode, eine Ionendurchlässige Membran und einen Zwischenelektrolyten umfassen, derart, daß eine ionische elektrische Verbindung mit dem fließfähigen Lebensmittel vielmehr durch die ionendurchlässige Membran als durch direkten Kontakt mit der elektronisch leitfähigen Elektrode hergestellt wird, wie im US-Patent Nr. 4,695,472 beschrieben.
Wie angegeben, werden in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Verfahren und Einrichtungen bereitgestellt zum Verarbeiten, mit gepulsten elektrischen Feldern, von pumpbaren Flüssigkeiten, einschließlich dicken und viskosen Fluiden, Lösungen, Aufschlämmungen und/oder Mischungen von Flüssigkeiten von aus Festteilchen bestehenden Stoffen. Die Zuverlässigkeit, Effizienz, der Bereich und die Einfachheit der Elektrofeldverarbeitung werden verstärkt und ausgedehnt durch spezielle elektrische Ausrüstungs- und Konstruktionsprinzipien, die es ermöglichen, elektrische Felder sehr hoher Stärke größer als etwa 25 kV/cm anzulegen, mit kurzen Pulsdauern, um die zum Erreichen eines gewünschten Haltbarmachungsgrads erforderliche oder wünschenswerte Anzahl von Behandlungspulsen zu reduzieren. Derartige Verfahren und Einrichtungen können eine verbesserte Wirtschaftlichkeit der Verarbeitung, eine größere Flexibilität bei der Auslegung und Konstruktion der Ausrüstung, die Verwendung von Einpulsverarbeitung, eine Ausdehnung des Bereiches von Organismen und Strukturen, die der elektrischen Feldbearbeitung zugänglich sind, und eine Vergrößerung der Effizienz des Prozesses aufgrund der Verminderung der benötigten Energie bereitstellen.
In Einrichtungen, wie diejenige, die in Fig. 6 des oben identifizierten US- Patents Nr. 4,695,472 beschrieben ist, war das maximale elektrische Feld, das auf getestete Flüssigkeiten angewendet werden könnte, tendentiell auf etwa 20 kV/cm beschränkt durch das Einsetzen eines elektrischen Durchschlags in der Testkammer bei stärkeren elektrischen Feldern für Pulsdauern von etwa 20 us oder länger. Bei hohen Feldstärken verschlechtert sich die Gleichförmigkeit des elektrischen Feldes und der Stromdichte durch das fließfähige Lebensmittel als eine Funktion der Zeit, mit einer Tendenz, Überschläge oder Stromfilamente zu erzeugen. Zusätzlich wurde allerdings bestimmt, daß derartige Durchschläge an der Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit und dem dielektrischen Isolator auftraten, der die beiden Hochspannungselektroden trennt.
In Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden Verarbeitungsverfahren und Einrichtungen mit großen elektrischen Feldern bereitgestellt, die eine Behandlungskammer oder Zone verwenden, die für eine gleichmäßige Feldentwicklung sorgen und die die Dielektrika/Flüssigkeit-Grenzfläche von dem Bereich hohen elektrischen Felds trennt, so daß viel größere elektrische Felder als 20 kV/cm auf Fluide angewendet werden können. In Übereinstimmung mit derartigen Verfahren und Einrichtungen wird die Pulsdauer gesteuert/geregelt, um einen elektrischen Durchschlag des Lebensmittelprodukts zu verhindern. Auf diese Art und Weise können sehr hohe elektrische Felder, wie etwa gepulste Felder im Bereich von 25 bis 100 kV/cm oder mehr, erfolgreich auf Flüssigkeiten und pumpbare Lebensmittel angewendet werden. Da das mikrobiologische Unschädlichmachen stark von der elektrischen Feldstärke abhängt, liefern derartige Verhandlungsverfahren und Einrichtungen signifikante Verbesserungen in den mikrobiologischen Auswirkungen und können den Bereich von Organismen und Strukturen ausdehnen, die durch die Verarbeitung betroffen sind, und können andernfalls die Effektivität und Wirkungen der Behandlung vergrößern.
Es ist wichtig, daß die Behandlungszone dafür ausgelegt ist, ein hohes, räumlich relativ gleichmäßiges elektrisches Feld in der Behandlungszone zu liefern, während das Vermögen oder die Bedingungen für einen elektrischen Durchschlag minimiert werden. Um dies zu erreichen, ist in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung der Elektroden angemessener elektrischer Polarität trennende Isolator aus dem Hochfeldbereich verlegt, um einen durch elektrisches Kriechen oder einen elektrischen Überschlag längs der Isolatoroberfläche erzeugten Durchschlag zu vermeiden. Es ist ferner wichtig, daß die Elektrodenoberflächen dafür ausgelegt sind, Feldverstärkungen zu vermeiden, da eine derartige Feldverstärkung lokal das elektrische Feld vergrößert und einen elektrischen Durchschlag zum Ergebnis haben kann. In Übereinstimmung mit den Dauerflußbehandlungsaspekten der verschiedenen Ausführungsformen können die Behandlungselektroden und die dazwischen definierte Behandlungszone um eine zentrale Rotationsachse rotationssymmetrisch sein, wie in näheren Einzelheiten beschrieben werden wird. Es ist weiterhin wichtig, daß als die gesamte Flüssigkeit oder das gesamte andere pumpbare Lebensmittelprodukt eine angemessene Behandlung empfängt, und daß nicht zugelassen wird, daß ein Teil der Flüssigkeit oder des pumpbaren Lebensmittels weniger als die volle Behandlung empfängt, die zum Erhalten der gewünschten mikrobiologischen Ergebnisse notwendig ist. Durch Koordination der Pulswiederholungsrate mit der Auslegung der Dauerflußbehandlungskammer können derartige Behandlungsverhältnisse gewährleistet werden.
Wie angedeutet, werden in Übereinstimmung mit den verschiedenen Ausführungsformen Behandlungskammern bereitgestellt, die dafür ausgelegt sind, das Potential für einen elektrischen Durchschlag längs der die beiden Elektroden trennenden Isolatoroberfläche zu minimieren. Das Potential für einen elektrischen Durchschlag am Isolator kann minimiert werden durch (1) Verlegen des Isolators aus dem Bereich hohen elektrischen Felds, (2) Verlegen des "Tripelpunkts" (d. h. der Grenze zwischen der Elektrode, dem Isolator und dem flüssigen oder dem pumpbaren Lebensmittel) aus dem Hochfeldbereich, (3) Vergrößern der Länge des Isolators, (4) Anordnen des Isolators mit einem Winkel zum elektrischen Feld und/oder (5) Reduktion der elektrischen Feldverstärkung durch eine angemessene Auslegung der Gestalt der Elektroden. Diese Konstruktionsprinzipien tragen wesentlich dazu bei, bei hohen elektrischen Feldstärken erfolgreich zu behandeln.
Eine Chargenbehandlungskammer 400, die Konstruktionsprinzipien für ein gleichmäßiges hohes Feld inkorporiert und in der die Elektroden in einer Parallelplattengeometrie orientiert sind, ist im Querschnitt in Fig. 4 gezeigt. Die Kammer 400 weist parallele kreisförmige Elektrodenplatten 402, 404 auf, die eine Behandlungszone für ein stationäres Lebensmittelprodukt definieren. Obwohl Lebensmittelprodukte unter Chargen-Bedingungen behandelt werden können, ist es zum Behandeln flüssiger oder anderer pumpbarer Lebensmittel in einer kommerziell effektiven Art und Weise wünschenswert, Produkte durch eine Behandlungszone fließen zu lassen, wo ein gepulstes hohes elektrisches Feld angelegt wird.
Allerdings sind Kammern für die Behandlung mit hohem gepulsten elektrischen Feld zur Mengenverarbeitung wünschenswert, die dafür ausgelegt sind, eine Verarbeitung mit hohen elektrischen Feldstärken von fließenden pumpbaren Lebensmitteln zu ermöglichen. In derartigen Systemen fließt jedes Teil des Produkts durch eine Behandlungszone, die durch koaxial ausgerichtete Elektroden begrenzt ist, an denen ein starkes elektrisches Feld angelegt ist. In der Kammerkonstruktion mit koaxialer Geometrie, in der eine innere zylindrische Elektrode von einer äußeren ringförmigen zylindrischen Elektrode umgeben wird, wobei das behandelte Volumen dazwischen begrenzt ist oder dazwischen fließt, kann eine Streuung der Kraftlinien des Feldes oder ein Verlust der effektiven Feldstärke an jedem Ende der zylindrischen Behandlungskammer ein schwerwiegender Nachteil sein. Sofern nicht die Länge des behandelten Volumens sehr lang im Vergleich zu dessen Durchmesser ist, wird diese Anordnung einen niedrigen Wirkungsgrad zum Ergebnis haben. Falls andererseits die Behandlungskammer im Vergleich zu ihrem Durchmesser sehr lang ist, wird sie einen sehr niedrigen elektrischen Widerstand für pumpbare Lebensmittel selbst angemessen niedriger Leitfähig keit aufweisen, was Schwierigkeiten bei der Konstruktion des elektrischen Pulsers hervorruft. Allerdings können durch Verwendung angemessener Konstruktionstechniken koaxiale Behandlungszellenkonstruktionen mit hoher Leistung bereitgestellt werden.
Diesbezüglich sind die Behandlungszellen für ein gepulstes Feld, die in den Fig. 2 und 3 veranschaulicht sind, koaxiale Behandlungskammern, die für Hochspannungspulsbehandlung wirksam sind. In diesen Modifikationen ist ein Ende der koaxialen Anordnung geschlossen mit Ausnahme des Einschlusses eines Einlaß- oder Auslaßanschlusses. Eine Streuung der Kraftlinien des Feldes wird durch die Konstruktion reduziert und kann durch die richtige Materialwahl weiter reduziert werden. Ferner inkorporiert die Konstruktion Merkmaie, die dazu verwendet werden können, die Fluid- und Teilchenflußmuster zu steuern, um Turbulenzen und ein Mischen zwischen behandelten und unbehandelten Produktbereichen zu reduzieren.
Die hierin beschriebenen Konstruktionsprinzipien für die Behandlung mit hohem elektrischen Feld von pumpbaren Lebensmitteln können in anderen geometrischen Anordnungen inkorporiert werden/die radiale Scheibengeometrien, sphärische Geometrien, konzentrische Zylinder mit elliptischen oder anderen nicht-kreisförmigen Querschnitten einschließen, aber nicht darauf beschränkt sind. Derartige Hochfeldpuls-Behandlungszellen können die oben aufgelisteten elektrischen Konstruktionsprinzipien verwenden, um das Potential für einen elektrischen Durchschlag zu minimieren, können geeignete Konturen im Flußkanal dazu verwenden, Fluid- und Teilchenflußmuster zu steuern, um die Behandlung zu optimieren, können eine angemessene Geometrie verwenden, um zu gewährleisten, daß alle Teile des pumpbaren Lebensmittels durch die Elektrofeldbehandlungszone hindurchgehen müssen, bevor sie die Behandlungskammer verlassen, und können Elektroden verwenden, die dafür ausgelegt sind, den Effizienzverlust aufgrund einer Streuung der Kraftlinien des elektrischen Feldes in Bereichen nahe den Enden der Behandlungszone zu minimieren.
Die Steuerung/Regelung der Pulsdauer ist ein wichtiger Aspekt von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Die Verwendung starker elektrischer Felder mit kurzer Pulsdauer, die durch die Verwendung von Hochfeldbehandlungskammern, wie hierin beschrieben, vorgesehen werden mag, kann dazu eingesetzt werden, eine vergrößerte Effizienz der Behandlung von pumpbaren Lebensmitteln herbeizuführen. Diesbezüglich beträgt die elektrische Energie, die in jedem Puls verbraucht wird:
W = E²/p τV,
wobei W die elektrische Feldenergie in Joule, E das elektrische Feld in Volt pro Zentimeter, p der spezifische elektrische Widerstand in Ohm Zentimeter, τ die Pulsdauer in Sekunden und V das behandelte Volumen in Kubikzentimetern ist. Da das mikrobiologische Unschädlichmachen eine sehr starke Funktion des elektrischen Feldes und eine viel schwächere Funktion der Pulsdauer ist, ist es in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung möglich, das elektrische Feld E zu vergrößern und die Pulsdauer t zu verkleinern, so daß das Produkt E²τ verkleinert wird und der Energieverbrauch deshalb vermindert wird, das mikrobiologische Unschädlichmachen hingegen beträchtlich verstärkt wird.
Des weiteren können durch die Verwendung von kurzen Pulsen und einem hohen elektrischen Feld elektrochemische Effekte minimiert werden. Die elektrochemischen Effekte (beispielsweise Elektrolyse) hängen von der übertragenen elektrischen Ladung ab. Die übertragene elektrische Ladung pro Einheitsfläche ist gegeben durch:
Q = τW/p,
wobei w die elektrische Eingangsenergie pro Einheitsvolumen ist. Eine Verminderung der Pulsdauer reduziert somit selbst bei konstanter elektrischer Eingangsenergie die elektrische Ladungsübertragung und elektrochemische Effekte.
Es ist wünschenswert, daß die Pulsdauer im Bereich von 0,01 us bis 10 us bei gepulsten Feldstärken über 30 kV/cm liegen wird. Es kann erwartet werden, daß die Verwendung von Behandlungszonen-Elektrofeldpulsen oberhalb 25 kV/cm oder mehr, bevorzugt oberhalb etwa 35 kV/cm, sowie eines oder mehrerer Pulse mit Pulsdauern von 10 Nanosekunden bis 20 Mikrosekunden und bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 10 Mikrosekunden Dauer signifikante Zunahmen in der Effektivität des Prozesses, Verbesserungen der Effizienz und Wirtschaftlichkeit des Prozesses und eine Verminderung elektrolytischer Effekte zum Ergebnis hat.
In Übereinstimmung mit den vorliegenden Verfahren ist eine langer- Kriechpfad-Elektrode-Behandlungszone, die eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode aufweist, die dazwischen eine Behandlungszone mit im wesentlichen gleichmäßigem elektrischen Feld definieren, sowie einen nicht leitfähigen dielektrischen Isolator, der die erste Elektrode von der zweiten Elektrode außerhalb der Behandlungszone trennt, und zwar durch eine Oberflächenstreckenentfernung von wenigstens dem Doppelten des minimalen Abstands zwischen der ersten und der zweiten Elektrode in der Behandlungszone. In Übereinstimmung mit derartigen Verfahren wird ferner das gesamte pumpbare Lebensmittel in die langer-Kriechpfad-Elektrode-Behandlungszone eingeführt und wenigstens einem Puls mit hohem elektrischen Feld ausgesetzt, der eine minimale Feldstärke von wenigstens 25.000 Volt pro Zentimeter und bevorzugt von wenigstens 35.000 Volt pro Zentimeter aufweist und eine Dauer von 0,1 Mikrosekunde bis 25 Mikrosekunden aufweist, um ein pumpbares Lebensmittel vorzusehen, das durch ein hohes elektrisches Feld belastet wird. Das pumpbare Lebensmittel sollte in vielen Lebensmittel- Haltbarmachungssystemen vollständig wenigstens einem elektrischen Hochfeldpuls und wünschenswerterweise wenigstens zwei Pulsen ausgesetzt werden. Das Behandlungsintervall zwischen Pulsen sollte wünschenswerterweise weniger als eine Minute und bevorzugt weniger als eine Sekunde betragen. Mit der "Dauer" eines elektrischen Feldpulses ist die Zeitdauer gemeint, in der das elektrische Feld die minimale Feldstärke überschreitet. Wie angegeben, sollte das fließfähige, elektrisch belastete Lebensmittel vollständig wenigstens einer Mehrpulsbehandlung ausgesetzt werden.
Es ist ferner wünschenswert, daß das pumpbare Lebensmittel gemeinsam mit den Hochspannungselektrofeldpulsen Pulsen hoher elektrischer Stromdichte gleichmäßig durch das Lebensmittel in der Behandlungszone ausgesetzt wird, die eine Dauer von wenigstens 0,01 Mikrosekunde und bevorzugt eine Dauer im Bereich von 0,1 Mikrosekunde bis 25 Mikrosekunden aufweisen. Typischerweise sollte für pumpbare fließfähige Lebensmittelprodukte, die einen spezifischen elektrischen Widerstand im Bereich von 1 bis 1000 Ohm-cm aufweisen, die Spitzenstromdichte der Strompulse wenigstens 5 Ampere pro Quadratzentimeter und stärker bevorzugt von wenigstens 15 Ampere pro Quadratzentimeter durch das Lebensmittelprodukt in seiner Hochspannungselektrodenbehandlungszone mit langem Kriechpfad betragen.
Das elektrisch belastete pumpbare fließfähige Lebensmittel sollte unter im wesentlichen sterilen Bedingungen gehalten werden, und es kann verpackt werden, um ein verpacktes Lebensmittelprodukt bereitzustellen, das eine verlängerte Lagerdauer aufweist. Wünschenswerterweise kann das elektrisch belastete fließfähige Lebensmittel unter aseptischen Bedingungen gehalten und verpackt werden, nachdem es der gepulsten Elektrofeldbehandlung ausgesetzt wurde.
Um starke elektrische Felder in der Behandlungskammer aufrechtzuerhalten, ist es ferner wichtig, daß das pumpbare Lebensmittel leerraumfrei ist. Ferner ist es wünschenswert, daß das Vermögen des Lebensmittelprodukts, unter Elektrofeldbehandlungsbedingungen Glasbläschen zu entwickeln, minimiert wird. Dementsprechend sollten elektrische Hochfeldbehandlungsverfahren am besten die Kontrolle der im pumpbaren Lebensmittel absorbierten Gase einschließen. Die Wirkung von absorbiertem Gas im pumpbaren Lebensmittel liegt in der Verursachung von elektrischen Durchschlägen im pumpbaren Lebensmittel. Dies kann vermieden werden durch Entgasen des pumpbaren Lebensmittels mittels einer Vakuumpumpe und einer Entgasungsanordnung oder mittels eines anderen Verfahrens zum Entfernen von suspendiertem, gelöstem oder eingeschlossenem Gas aus dem pumpbaren Lebensmittel. Ein anderer Ansatz, der hilft, das Potential für einen elektrischen Durchschlag im pumpbaren Lebensmittel zu minimieren, liegt darin, die Behandlung mit unter Druck stehendem pumpbaren Lebensmittel durchzuführen. Die Anwendung eines Überdrucks auf das pumpbare Lebensmittel reduziert die Bildung von Gasbläschen im pumpbaren Lebensmittel, die zu einem elektrischen Durchschlag führen können, wenn starke elektrische Felder angelegt werden, und vermindert im allgemeinen die Wahrscheinlichkeit eines elektrischen Durchschlags. Die Verwendung eines Überdrucks ermöglicht ferner einen Betrieb bei Temperaturen oberhalb des atmosphärischen Siedepunkts. In der Behandlungskammer können Drücke bis zu 6,9 MPa (1000 psi) oder mehr verwendet werden.
In Übereinstimmung mit verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Temperatur, bei der das fließfähige Lebensmittel behandelt wird, derart gesteuert/geregelt werden, daß die Lagerdauer des behandelten Produkts beträchtlich vergrößert wird. Diesbezüglich kann das Lebensmittelprodukt vollständig wenigstens einem derartigen Hochspannungspuls mit gleichmäßigem elektrischen Feld bei einer Temperatur von wenigstens 45ºC und stärker bevorzugt von wenigstens 55ºC ausgesetzt werden, wie im US-Patent Nr. 4,695,472 beschrieben ist. Durch Aussetzen des fließfähigen Lebensmittelprodukts der gepulsten Elektrofeldbehandlung bei Pasteurisierungstemperaturen, wie etwa im Bereich von 63 bis 75ºC, können beträchtlich verbesserte Lagerdauerverlängerungen erreicht werden gegenüber jenen, die durch Pasteurisierung alleine erhalten werden, ohne die nachteiligen Effekte auf das fließfähige Lebensmittelprodukt, die aus einer UHT-Behandlung bei hoher Temperatur resultieren. Bei derartigen erhöhten Temperaturen selbst unterhalb Pasteurisierungstemperaturen (beispielsweise 45-63ºC) kann allerdings eine wesentliche synergistische Verbesserung bei der Lebensmittelhaltbarmachung und Lagerdauerverlängerung geliefert werden. Durch sofortiges Kühlen des elektrofeldbehandelten flüssigen Lebensmittels auf eine Kühltemperatur von weniger als 10ºC und bevorzugt im Bereich von 0ºC bis 9ºC kann des weiteren eine weitere wesentliche Verbesserung der Lagerdauer erreicht werden, und der Prozeß kann effektiver gemacht werden. Wie im oben identifizierten US-Patent 4,695,472 beschrieben, sollte das Lebensmittelprodukt wünschenswerterweise innerhalb von 30 Minuten und bevorzugt innerhalb von 3 Minuten der Elektrofeldbehandlung auf Kühltemperatur gekühlt werden. Das fließfähige, hochspannungselektrofeldbehandelte Lebensmittel kann mittels Dauerflußwärmeaustauscheinheiten vor dem Verpacken oder der Volumenlagerung schnell gekühlt werden. Es wird geglaubt, daß auf diese Art und Weise elektrisch behandelte Organismen, die eine Zellwandschädigung aufweisen, auf einen inaktiven Zustand gekühlt werden können, bevor eine Zellwandreparatur erreicht werden kann, wodurch die Produktlagerdauer vergrößert wird.
Die Elektrofeldbehandlung sollte am besten mit Pulsen durchgeführt werden, die eine elektrische Feldstärke im Bereich von wenigstens 25 kV/cm und bevorzugt in einem Bereich von 35 bis 120 kV/cm aufweisen. In Abhängigkeit von der Anwendung, d. h. dem selektiven Unschädlichmachen eines bestimmten Organismus gegenüber dem Breitband-Unschädlichmachen von gemischten Bakterienpopulationen, sollte die Pulsdauer am besten im Bereich von 0,1 bis 25 us liegen, wobei die am stärksten bevorzugten Werte zwischen 5 und 10 us liegen. Die Veränderung der Pulsdauer kann dazu verwendet werden, die Erwärmung innerhalb des behandelten flüssigen Lebensmittelprodukts zu steuern. Beispielsweise können lange Pulslängen dazu verwendet werden, die Temperatur der Probe auf mit den elektrischen Effekten synergistische Temperaturen zu heben; es können dann mehrere kurze Rechteckwellenpulse schnell zugeführt werden, um die Behandlung zu beenden.
Aufeinanderfolgende elektrische Feldpulse (und gleichzeitig Elektrostrompulse) können die gleiche Polarität aufweisen oder sie können sequentiell wechselnde Polarität aufweisen. Es wird ferner vermerkt, daß die Elektrofeldpulse bevorzugt zwischen Elektroden etabliert werden können, die positive bzw. negative Polarität bezüglich einem Massepotential aufweisen, oder zwischen Elektroden, von denen eine im allgemeinen auf Massepotential gehalten wird und die andere auf entweder positivem oder negativem Potential bezüglich Massepotential gepulst wird. Es können allerdings auch Hochspannungselektropulse zwischen Elektroden geliefert werden, von denen beide entweder auf positivem oder negativem Potential bezüglich Massepotential liegen.
Vor oder während der Elektrofeldbehandlung angewendete Wärme kann dazu verwendet werden, mikrobiologische Unschädlichkeitsmachungsraten in dem fließfähigen Lebensmittel zu erzeugen, die größer sind als jene, die durch Elektrofeld- oder Wärmebehandlung alleine erreichbar sind. Es wird geglaubt, daß die Erhöhung der Wärme während der Behandlung auf eine Temperatur, die für die angewendete Zeit für Mikroorganismen belastend, aber nicht notwendigerweise tödlich ist, den während der Behandlung erhaltenen Membranenschaden steigert. Dies mag auftreten aufgrund einer Zunahme der Membranenfluidität oder Porosität, die einen größeren Schaden pro Behandlungsdosis erzeugen, einer Abnahme - aufgrund störender Effekte einer derartigen belastenden Temperaturerhöhung auf den zellularen Metabolismus - in dem Vermögen des geschädigten Mikroorganismus, eine Reparatur während und nach der Behandlung durchzuführen, und/oder einer Zunahme von zur Schädigung der Membrane durch das elektrische Feld sekundären osmotischen Effekten. Es wird geglaubt, daß durch schnelles Kühlen des elektrisch behandelten fließfähigen Lebensmittels auf eine Kühltemperatur die normalen zellulären Mechanismen zum Reparieren oder zur Verringerung der elektrofeldinduzierten Zellmembranendurchlässigkeit verlangsamt werden, wodurch die Verwundbarkeit der Zelle vergrößert und das Reproduktionsvermögen der verbleibenden Bakterien oder Sporen, die die Elektrofeldbehandlung überleben, verringert werden.
Wenn Mikroorganismen hohen elektrischen Feldern unter angemessenen Bedingungen ausgesetzt werden, wird eine Zelldurchlässigkeit etabliert, und es kann ein transzellularer Ionen- und Osmosefluß auftreten. Dieser Fluß kann unterbrochen werden, da die biologischen Membranen außerordentlich elastisch sind und die induzierten Transmembraneporen für ein Überleben der Zelle rechtzeitig wieder geschlossen werden. Eine durchlässige Zelle, die durch die Elektrofeldbehandlung nicht zerstört wird, muß ihre Membrane wieder verschließen, einen aktiven Transport wieder etablieren und ihren internen Ionen- und Fluidinhalt wieder einstellen, wenn sie überleben soll.
In Nährmedien, wie etwa Milch, natürlichen Fruchtsäften und natürlichen Flüssigeiprodukten können Zellen, die zur Zeit der Behandlung aktiv wachsen, unter angemessenen Bedingungen sich wieder regenerieren. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird allerdings durch Temperatur- Steuerung/Regelung eine effektive Behandlung in Nährmedien durchgeführt. Eine Inkubation bei Kühltemperaturen nach der Behandlung kann das metabolische Niveau von elektrisch behandelten Mikroorganismen reduzieren und vermindert folglich tendentiell die Regeneration und Reparatur. In ähnlicher Weise kann eine Erhöhung der Temperatur der Probe während der Behand lung dazu verwendet werden, das Unschädlichkeitsmachungsniveau zu vergrößern; die Wärme betrifft den zellularen Metabolismus in einer zum Kühlen ähnlichen Art und Weise bei Temperaturen, die größer als die Wachstumstemperatur der Bakterien ist, selbst wenn die erhöhte Temperatur niedriger sein kann als jene, die durch unmittelbares Aussetzen unschädlich macht.
Selbst wenn die Behandlungstemperatur nicht hoch genug ist, eine signifikante Lagerzeitverlängerung von sich aus zu erzeugen, können erhöhte Temperaturen, die die behandelten Baktierien belasten, das Unschädlichmachen und die Lagerzeitverlängerung, die durch die Behandlung geliefert wird, stark vergrößern. Darüber hinaus betreffen ferner Nachbehandlungsinkubationsbedingungen beträchtlich die Lagerzeitverlängerung. Elektrisch behandelte flüssige Lebensmittelprodukte, die nach der Behandlung bei Raumtemperatur eine Inkubation erfahren, können sofort eine Regeneration anfangen, während Proben, die bei Kühltemperaturen (4-9ºC) eine Inkubation erfahren, typischerweise daran gehindert werden. Es wird geglaubt, daß diese Beobachtungen sich auf den Grad der Reparatur beziehen, die während und nach der Probenbehandlung auftritt.
Nachdem im allgemeinen verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, wird die Behandlung von pumpbaren Lebensmittelprodukten mit einer gleichmäßigen elektrischen Feld in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung spezieller mit Bezug auf ein Verarbeitungssystem beschrieben, das schematisch in Fig. 1 veranschaulicht ist. Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt das Lebensmittelverarbeitungssystem mit sehr hohem elektrischen Feld ein Speicherreservoir 100 für das zu behandelnde pumpbare Lebensmittelprodukt, welches bei der veranschaulichten Ausführungsform ein fließfähiges Lebensmittelprodukt, wie etwa eine Suppe, ein Getränk, ein flüssiges Milchprodukt oder ein flüssiges Eiprodukt ist. Die Einrichtung enthält ferner eine optionale In-Line-Heizeinheit 100, eine Entgasungseinrichtung 104, die ein ihr zugeord netes geeignetes Vakuumsystem 106 aufweist, und eine Zelle 108 für eine gleichmäßige Elektrofeldbehandlung mit langem Pfad, die eine koaxiale Konstruktion für eine sehr hohe Feldstabilität aufweist, wie hiernach in näheren Einzelheiten beschrieben wird, und in der die Elektrofeldbehandlung des flüssigen Lebensmittels durchgeführt wird. Der Behandlungszelle ist ein Zellmonitor 110 zugeordnet, der eine angemessene Sensorinstrumentierung aufweist, um die Temperatur- und Spannungsbedingungen innerhalb der Zelle zu überwachen. Die Hochspannungspulse zur Zelle werden durch einen Hochspannungspulser 112 geliefert, der eine richtig an die Behandlungszelle impedanzangepaßte, konzentrierte Hochspannungsübertragungsleitungsschaltung, eine richtig an die Behandlungszelle 108 impedanzangepaßte Blumlein-Übertragungsleitungsschaltung, eine kapazitive Entladungsschaltung, wie etwa eine Entladungsschaltung des in Fig. 4 gezeigten Typs, oder eine andere geeignete Hochspannungsentladungseinrichtung zum Liefern von Hochspannungspulsen über 35.000 Volt und mit einer Dauer im Bereich von 0,5 bis 10 Mikrosekunden sein kann. Die Temperatur- und Spannungsinformation vom Zellmonitor 110 wird als ein Dateneingabestrom zum Systemsteuer- und Analysemikroprozessor 114 geliefert, der den Betrieb des Hochspannungspulsers 112 steuert. Der Systemsteuer- und Analysemikroprozessor 114 ist mit einer Produktionslinie-Schnittstelle 116 versehen, die dazu geeignet ist, eine Schnittstelle zu einer automatischen Produktionslinieneinrichtung bereitzustellen, die Computersteuersysteme aufweist. Das veranschaulichte elektrische Feldbehandlungssystem kann ferner eine optionale Kühleinrichtung 120 zum Kühlen des behandelten Prozeßstroms vom Wärmeaustauscher 118 umfassen, um einer aseptischen Verpackeinrichtung 112 einen gekühlten, elektrofeldbehandelten Lebensmittelstrom zu liefern. Die Verpackungseinrichtung 122 verpackt den behandelten Prozeßstrom entweder in einzeln sterilisierte Verbraucherpackungen 124 oder in sterilisierte Volumentransportbehälter, die bis zur Lieferung zum Verbraucher in der gekühlten Speichereinrichtung 126 gelagert werden. Im Betrieb wird das zu behandelnde flüssige Lebensmittelprodukt, welches in der veranschaulichten Ausführungsform fließfähige Milch, ein natürlicher Fruchtsaft, wie etwa Orangensaft, oder ein flüssiges natürliches Eiprodukt sein kann, von dem Speicherreservoir 100 zur Wärmeaustauscheinheit 118 gepumpt, so daß die Wärmeenergie innerhalb des Behandlungssystems bewahrt wird. Diesbezüglich wird das behandelte flüssige Lebensmittelprodukt, das durch die Zelle 108 hindurchgegangen ist, mittels des Wärmeaustauschers 118 in eine Wärmeaustauschbeziehung mit dem flüssigen Lebensmittelprodukt geleitet, das in die Behandlungszelle 108 einzuführen ist. Nach Austritt aus der Wärmeaustauschereinheit 18 kann das zu behandelnde fließfähige Lebensmittelprodukt durch eine Heizeinheit 100 auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt werden. Das Ausmaß einer derartigen Erwärmung, sofern vorgesehen, ist durch die gewünschte Behandlungstemperatur innerhalb der Elektropuls- Behandlungszelle 108 bestimmt. Da die elektrische Zellbehandlung ebenfalls die Temperatur des flüssigen Lebensmittelprodukts vergrößern kann, kann der durch die Heizeinheit 102 gelieferte Erwärmungsgrad bis zu einem gewissen Grad von dem Wirkungsgrad der Wärmeaustauscheinheit 118 abhängen. Typischerweise mag die Temperatur des aus der Heizeinheit 102 austretenden pumpbaren Produkts wenigstens 40ºC und in einigen Fällen wenigstens 50ºC oder mehr betragen.
Der erwärmte Lebensmittelproduktstrom von der Heizeinheit 102 wird zur Entgasungseinheit 104 geleitet. In der Einheit 104 kann die Flüssigkeit Vakuumbedingungen von wenigstens 67 kPa (20 Zoll Quecksilber) ausgesetzt werden, um gelöste Gase und/oder Produktbläschen zu entfernen, die die Entwicklung eines im wesentlichen gleichmäßigen elektrischen Feldes in der Behandlungszelle 108 nachteilig beeinträchtigen könnten. Es wird vermerkt, daß auch pumpbare Lebensmittelprodukte, wie etwa Bier, Softdrinks und Schaumweine, die gelöste Gase enthalten, behandelt werden können, diese aber durch die Vakuumentgasung nachteilig beeinträchtigt würden. Derartige Produkte können bei erhöhten Drücken, wie etwa Überatmosphärendrücken, in der Behandlungszelle von wenigstens 0,344 MPa (50 psia), wie etwa ein Druck im Bereich von 0,69 MPa bis 13,8 MPa (100 bis 2000 psia), behandelt werden, bei denen das Gas in Lösung bleibt, ohne Bildung von die Gleichmäßigkeit des Hochspannungselektrobehandlungsfeldes verzerrenden Bläschen. Andere Lebensmittel können ebenfalls bei Überatmosphärendrücken, mit oder ohne vorausgehender Vakuumentgasung, behandelt werden.
Das entgaste flüssige Lebensmittelprodukt wird kontinuierlich durch die Behandlungszelle 108 für hochstabile Elektropulsbehandlung mit langem Oberflächenpfad hindurchgegeben, in der es wenigstens einem und bevorzugt wenigstens zwei Hochspannungselektropulsen bei einer Feldstärke von wenigstens 35.000 Volt pro Zentimeter und einer Dauer im Bereich von 2 bis 10 Mikrosekunden ausgesetzt wird. Bei der veranschaulichten Ausführungsform wird wenigstens einer der Pulse bei einer Temperatur im Bereich von etwa 50ºC bis etwa 70ºC durchgeführt. Das behandelte flüssige Lebensmittelprodukt wird zur Wärmeaustauscheinheit 118 zurückgeleitet, wo es durch das hineinkommende flüssige Lebensmittelprodukt gekühlt wird, und es wird nachfolgend zu einer Kühleinheit 120 geleitet, wo es innerhalb von etwa einer Sekunde seit seiner gepulsten Elektrofeldbehandlung auf eine Temperatur von weniger als 10ºC und bevorzugt weniger als 5ºC des Lebensmittels gekühlt wird. Während bei der veranschaulichten Ausführungsform die Kühleinheit dazu verwendet werden, das Produkt auf eine Energieeffiziente Art und Weise im wesentlichen sofort zu kühlen, ist zu vermerken, daß das Produkt auch gekühlt werden kann, nachdem es verpackt wurde. Der gekühlte, elektrisch behandelte flüssige Lebensmittelproduktstrom wird nachfolgend als ein Eingangsstrom zu einer aseptischen Verpackungseinrichtung 122 eingeführt, die das Produkt unter sterilen Bedingungen in sterilisierte Behälter 124 packt. Die verpackten Produktbehälter 124 werden bis zu einer Verteilung an den Verbraucher durch eine angemessene Kühlspeichereinrichtung 126 unter Kühlbedingungen gehalten. Diese Speichereinrichtung kann Kühlspeichereinheiten an der Verpackungsanlage, Kühltransporteinheiten im Verteilungssystem und Kühlspeichereinheiten am Verteilungslager, Lebens mittelgeschäft oder einem anderen Verbraucherverteilungszentrum umfassen. Aufgrund der verlängerten Lagerdauereigenschaften, die durch die Elektropulsbehandlung geliefert werden, kann eine derartige gekühlte Lagerung über eine verlängerte Zeitdauer durchgeführt werden, während die Frischheit und Haltbarkeitsqualitäten des behandelten Lebensmittelprodukts beibehalten werden.
In Fig. 2 ist eine Ausführungsform 200 einer Dauerfluß-Elektropulsbehandlungszelle mit langem dielektrischen Pfad veranschaulicht, die als eine Behandlungszelle 108 in der Einrichtung der Fig. 1 verwendet werden kann.
Die Zelle 200 ist in einer modifizierten koaxialen Geometrie konstruiert, um einen langen Kriechpfad auf der Isolatoroberfläche vorzusehen und eine vollständige Behandlung des Lebensmittelprodukts zu gewährleisten, während es durch den Elektrodenbereich fließt. Wie in Fig. 2 veranschaulicht, die im wesentlichen maßstabsgetreu ist, umfaßt die Zelle 200 eine äußere Metallelektrode 202, die ein äußeres Gehäuse für die Zelle bildet und die Einlaßöffnungen 204 zum Einführen des pumpbaren Lebensmittelprodukts in die Zelle 200 für die Behandlung aufweist, sowie eine Auslaßöffnung 206 aufweist, um das behandelte Lebensmittelprodukt aus der Zelle zu entfernen. Die äußere Elektrode 202 kann aus einem geeigneten inerten, lebensmittelreinem Sanitärmetall, wie etwa Edelstahl, oder einem nicht-metallischen inerten Leiter, wie etwa poliertem pyrolytischem Kohlenstoff oder Graphit hoher Festigkeit, hergestellt sein, und wird im allgemeinen auf Massepotential gehalten. Die Zelle 200 enthält ferner eine innere Hochspannungselektrode 208, die in gleicher Weise aus einem derartigen inerten metallischen oder nicht-metallischen Leiter, hergestellt sein kann und einen zentralen Körper größten Durchmessers aufweist, der mit der äußeren Elektrode 202 einen Produktbehandlungsbereich 210 bildet. Die innere Hochspannungselektrode 208 weist kegelige/abgeschrägte Oberflächen 212, 214 an ihrem proximalen bzw. distalen Ende auf. Diese kegeligen/abgeschrägten Oberflächen, die an jedem Ende der Hochspannungselektrode angeordnet sind, leiten den Flüssigkeitsfluß mit minimalen Unterbrechungen, vermindern Wirbelbildung oder Produktflußstauung, vermindern eine Konvektionsmischung oder eine andere Mischung und steuern das elektrische Feld, um einen Durchschlag zu verhindern. Die Elektrode 208 wird durch eine metallische Verbindungsstange 116 gehalten und ist durch diese mit einem Hochspannungspulser elektrisch verbunden. Die Verbindungsstange 116 ist vollständig von einem Isolator 218 umgeben, der aus Keramik oder Kunststoff (beispielsweise eine Polyethylen- oder Polypropylenkonstruktion) gebildet sein kann. Eine Hochspannungsdurchführung 220 am äußeren Ende des Isolators 218 verhindert einen Durchschlag der die Elektroden umgebenden Luft und wird dazu verwendet, die Hochspannung in die Zelle einzuleiten. Eine isolierende (Kunststoff, Keramik-, usw.) Kappe 222 am Ende der Hochspannungselektrode 208 ist ebenfalls dafür ausgelegt, den Fluß zu steuern und Ströme vom Ende der Elektrode zu blockieren. Ein Strom am Ende der Elektrode vermindert den Wirkungsgrad der Elektrode durch Streuung der Kraftlinien oder Nivellieren zu einem Bereich geringerer Feldstärke und erzeugt nicht das effektivste Unschädlichmachen von Bakterien.
Die metallischen oder Kohlenstoffelektroden 202, 208 können Elektroden in direktem Kontakt mit dem fließfähigen, zu behandelnden Lebensmittelprodukt bilden, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Die Elektroden 202, 208 können aber auch von der Ionenleiterkonstruktion sein, wie im US-Patent Nr. 4,695,472 beschrieben.
Die Dicke der Zellbehandlungszone 210 längs der Richtung des elektrischen Feldes kann wünschenswerterweise wenigstens 0,1 cm betragen und wird bevorzugt im Bereich von 0,5 cm bis 3 cm liegen. Der Radius der äußeren Wand der Elektrode 208 kann wünschenswerterweise wenigstens 3 cm betragen und wird für ein großvolumiges Behandlungssystem bevorzugt wenigstens 10 cm betragen. Die Behandlungseinheit 200 ist von rotations symmetrischer Gestalt um ihre Längsachse, und kann in einem parallelen Feld oder einem Reihenfeld einer Mehrzahl derartiger Zellen verwendet werden, um die Behandlungseinrichtung 108 zu bilden.
Im Betrieb wird das zu behandelnde fließfähige Lebensmittelprodukt, wie etwa flüssige Milch oder natürlicher flüssiger Fruchtsaft, durch die Einlaßanschlüsse 204 eingeführt, während Hochspannungselektropulse, die eine Feldstärke in der Behandlungszone von wenigstens 35.000 (beispielsweise 35.000 bis 45.000) Volt pro Zentimeter für eine Dauer von weniger als 10 Mikrosekunden (beispielsweise von 2 bis 5 Mikrosekunden) liefern, wiederholt durch die Durchführung 220 an der Metallelektrode 208 angelegt werden mit einer Rate, die mit der Flußrate des Lebensmittelprodukts durch die Zone 210 koordiniert ist, so daß das Lebensmittelprodukt vollständig wenigstens einem Puls hoher Intensität in der Zone 210 ausgesetzt wird und für verschiedene Lebensmittelprodukte bevorzugt eine Mehrzahl von wenigstens zwei Pulsen während der Durchgangszeit der sich am schnellsten durch die Zone 210 bewegenden Komponente des eingeführten Lebensmittelprodukts angelegt wird. Diesbezüglich zeigt ein Pfeil 224 eine maximale Bewegungsentfernung des Lebensmittelprodukts in der Zone 210 zwischen Pulsen an. Das Lebensmittelprodukt weist eine Temperatur von wenigstens 55ºC (beispielsweise 60-75ºC) in der Behandlungszone 210 auf. Auf diese Art und Weise wird das gesamte Lebensmittelprodukt wenigstens einem Hochfeldpuls bei erhöhter Temperatur ausgesetzt. Es wird auch gewürdigt werden, daß der Fluß durch die Zelle umgekehrt werden könnte.
Nach Austritt aus der Behandlungszone 202 wird die behandelte Flüssigkeit von der Zone durch eine Leitung 218 geleitet, die die Einlaßleitung zu einer weiteren Behandlungseinheit 200 bilden kann. Die Länge der Flüssigkeit in der Behandlungsleitung 218 kann im Vergleich zu der Dicke der Behandlungszelle relativ lang sein, um die elektrische Leitfähigkeit zwischen den Zellen zu begrenzen. Das behandelte Lebensmittelprodukt wird, innerhalb von drei Minuten auf eine Temperatur von weniger als 9ºC gekühlt und aseptisch verpackt. Es weist ausgezeichnete Lagerfähigkeit und Haltbarkeitsqualitäten auf.
Man wird würdigen, daß im Falle der Abwesenheit von Kühlen zwischen den Zellen 200 angesichts der Erwärmung des behandelten flüssigen Lebensmittelprodukts nachfolgende Zellen bei einer höheren Temperatur arbeiten können. Da die Leitfähigkeit des Lebensmittelprodukts tendenziell mit zunehmender Temperatur zunimmt, können in nachfolgenden Zellen für ein gegebenes Pulspotential höhere Ströme geliefert werden, die die Lagerfähigkeit des behandelten Produkts vorteilhaft verlängern können. Es kann, falls eine Mehrfachbehandlung gewünscht ist, eine Mehrzahl von wenigstens zwei Behandlungszelleneinheiten 200 und bevorzugt von etwa 3 bis etwa 10 derartiger Einheiten verwendet werden, um eine Elektropulsbehandlungseinheit, wie die Behandlungseinheit 108 der Fig. 1, zu bilden.
Es mag wünschenswert sein, in der Behandlungseinheit das aus einer Zelleinheit stammende flüssige Lebensmittelprodukte vor dem Einführen in eine nachfolgende Zelleinheit zu entgasen. Dementsprechend kann beispielsweise eine Vakuumentgasungseinrichtung an der Auslaßleitung 206 vorgesehen sein, um den Ausgangsstrom zu entgasen zum Erzeugen eines entgasten, behandelten Stroms zum Einführen in die nachfolgende Zelle.
Eine andere Ausführungsform 300 einer Dauerflußbehandlungszelle zur Behandlung von pumpbaren Lebensmitteln mit elektrischen Feldern ist in Fig. 3 gezeigt. Die Zellkonstruktion ist eine modifizierte koaxiale Behandlungsanordnung mit einem langen Kriechpfad auf der Isolatoroberfläche, die die beiden Hochspannungselektroden trennt. Diesbezüglich ist die Zelle 300 ähnlich der Zelle 200 dahingehend, daß sie eine äußere Metallelektrode 302 aufweist, die Einlaßanschlüsse 304 und einen Auslaßanschluß 306 aufweist. Eine innere Hochspannungselektrode 308 bildet mit der inneren Oberfläche der Elektrode 302 eine Produktbehandlungszone 310 und weist eine Oberfläche 312 auf, die am Ende der Behandlungszone von der Elektrode 302 sich weg krümmt, um die Feldstärke am Rand der Zone zu reduzieren. Ein dielektrisches Trennelement 318, das einen langen Oberflächenpfad aufweist, bedeckt eine metallische Elektrodenverbindungsstange 316, um ein Oberflächendurchschlagkriechen zu verhindern. Es ist eine gekrümmte Durchführung 320 vorgesehen zum Anlegen von Hochspannungspulsen an der Zelle 300.
Nachdem allgemein Verfahren, Einrichtungen und Verarbeitungssysteme beschrieben wurden, werden nun verschiedene Aspekte der gepulsten Hochspannungselektrofeldbehandlung von speziellen flüssigen Lebensmittelprodukten unter Verwendung einer Einrichtung für eine gepulste Elektrofeldbehandlung im Labormaßstab der Fig. 4 beschrieben. In Fig. 4 ist eine statische Testzelle 400 für eine gepulste Elektrofeldbehandlung gezeigt, die im wesentlichen im Maßstab dargestellt ist und zwei im wesentlichen parallele Edelstahlelektroden 402, 404 aufweist, die mit einem rotationssymmetrischen Polyethylen-Trennelement 406 eine Testkammerzone 408 bilden. Die Zelle 400 ist um ihre zentrale Rotationsachse rotationssymmetrisch, wobei die Elektroden 402, 404 und das dielektrische Trennelement 406 in einem Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse kreisförmig sind.
Ein zu behandelndes flüssiges Lebensmittel kann durch ein kleines Loch in der Elektrode 402 eingeführt werden, um die Kammer 408 vollständig zu füllen. An der Zelle können Elektropulse angelegt werden mittels des in Fig. 6 gezeigten kapazitiven Pulsers 600, der eine herkömmliche Hochspannungsenergieversorgung 602 zusammen mit einem Pulsformungsnetzwerk 604 umfaßt, welches durch die Impedanzlast der Flüssigkeit in der Zelle 400 (in Fig. 6 als ZProbe gezeigt) Pulse zu den jeweiligen Elektroden der Zelle 400 richtet.
Um die Elektrofeld-Durchschlagniveaus für verschiedene leitfähige Flüssigkeiten zu bestimmen und derartige Flüssigkeiten zu behandeln, wurden der Labor-Tischgerät-Pulser 600 und die Testzelle 400, wie in den Fig. 4 und 6 gezeigt, verwendet, umfassend ein 2 Ω, 22 us-Pulsformungsnetzwerk (PFN) und eine Hochfeldtestkammer. Diese Einrichtung wurde verwendet, um Salzlösungen, Apfelsaft, Milch, gefilterter und ungefilterter Orangensaft und deionisiertes Wasser zu testen, um die Kombinationen von elektrischen Feldstärken und Pulsdauer zu bestimmen, bei denen ein elektrischer Durchschlag dieser Flüssigkeiten auftritt.
Die Einrichtung war dafür ausgelegt, eine variable Pulsbreite von 2 bis 20 us aufzuweisen mit einer im wesentlichen flachen Spitze an jeder Pulsbreite.
Ein typischer spezifischer Auslegungslast-Widerstand für die behandelten Flüssigkeiten lag im Bereich von 100 bis 1.000 Ω-cm, was eine 1 bis 10 Ω- Last, Z Probe, in der Testzelle 400 zum Ergebnis hatte. Die Einrichtung arbeitete in Luft und war dafür ausgelegt, 50 kV an eine 10 Ω-Last zu liefern.
Wie in Fig. 6 gezeigt, verwendet die Einrichtung ein Niederimpedanz- Pulsformungsnetzwerk 602, das dafür gewählt ist, eine Impedanz von weniger als 2 Ω aufzuweisen, um den Hauptteil der Ladungsspannung an der Last zu erhalten.
Anstelle eines Entfernens von Stufen des Pulsformungsnetzwerks zum Variieren der Pulsbreite, verwendet die Schaltung 602 eine Ableitungsumschaltschaltung 606 zum Beenden des Pulses am gewünschten Zeitpunkt, um einen Puls zu liefern, der für jede Pulsbreite die gleiche Form (Rechteckform) aufweist.
Die bevorzugte maximale Pulsbreite beträgt etwa 10 Mikrosekunden für die veranschaulichte Einrichtung 400; es wurde allerdings ein 20 us-Pulsfor mungsnetzwerk gewählt, um den Flachheitsgrad des Ausgangspulses weiter zu verbessern, um sehr ähnliche Ausgangspulse für alle Pulsbreiten zu erhalten zwecks bedeutungsvoller Vergleiche aus den experimentellen Daten.
Für ein Pulsformungsnetzwerk mit fünf identischen 2 Ω-Stufen und einer Zweiweg-Durchgangszeit von 20 us.
Die für das Pulsformungsnetzwerk 600 gewählten Komponentenwerte betrugen 1,2 uF Kapazitäten C und eine Stufeninduktivität L von 4,8 uH. Dies gab eine Pulsbreite von 22 us.
Die Pulsformungsnetzwerkkomponenten bestehen aus Kapazitäten, Induktivitäten, Buswerk, Schaltern, Triggergeneratoren und einer Hochspannungsenergieversorgung mit interner Dämpfschaltung. Die Kapazitäten C waren Kondensatoren der Maxwell SS-Serie, Modell 31427; es handelt sich um Kondensatoren mit niedriger Induktivität und relativ niedrigem Verlust. Die Induktivitäten L bestanden aus 7,6 cm (3 Zoll) langen Spulen mit 20,3 cm (8 Zoll) Durchmesser und drei Windungen. Jede Spule verwendete RG-218 als isolierten Draht, wobei das äußere Schirmgeflecht entfernt war. Dies reduziert die Gefahr eines elektrischen Schocks von den Spulen, die auf hoher Spannung liegen, wenn das Pulsformungsnetzwerk geladen ist. Das Buswerk war aus 0,32 cm (1/8 Zoll) dicker Aluminiumplatte und Winkeln hergestellt. Das Buswerk war an Hochfeldpunkten mit einer Schicht aus einem Material mit hoher Dielektrizitätskonstante und dann einer Schicht aus Halbleitermaterial umwickelt, die jeweils von Sigma Form hergestellt sind. Diese Materialien nivellieren das elektrische Feld an den Hochbelastungspunkten. Als Pulsformungsnetzwerkausgabe und Ableiterschalter 608, 606 wurden Funkenstrecken des Typs Maxwell Modell 40359 verwendet. Diese Schalter sind geeignet für 5 Coulomb bei 50 bis 150 kV, 350 kA maximal, und weisen eine Induktivität von 100 nH auf. Der Schalter weist eine Mittelebene-Geometrie mit Strahlungstriggern mit geringem Jitter auf. Dieser Schalter ist geeignet, die großen Coulomb-Übertragungen des abgeleiteten oder kurzgeschlossenen Pulsformungsnetzwerks zu handhaben und kann zuverlässig bei 50 kV in Luft arbeiten. Um allerdings den Betriebsspannungsbereich auf 20 bis 80 kV zu reduzieren, wurden Elektrodenabstandselemente eingesetzt, um den Mittelebene-zu-Elektrode-Abstand auf 0,64 cm (0,25 Zoll) zu reduzieren. Die Abstandshalter waren Teile eines anderen Schalters mit niedrigerer Betriebsspannung und dem gleichen Gehäuse.
Diese Schalter können durch einen 50 kV Triggergenerator, wie dem Triggergenerator des Typs Maxwell Model 40168, getriggert werden. Es wurden zwei derartige Triggergeneratoren verwendet, und zwar ein 40107 und ein modifizierter 40230. Der 40107 ist der Vorgänger des 40168 und ist im wesentlichen identisch zum 40168 mit der Ausnahme, daß er eine gesonderte Gassteuereinheit erfordert, während der 40168 eine eingebaute aufweist. Der 40230 ist identisch zum 40168 mit der Ausnahme, daß er anstelle einer 40 kV-Ausgabe eine 100 kV-Ausgabe aufweist.
Es wurde eine herkömmliche 100 kV-Energieversorgung 602 dazu verwendet, das Pulsformungsnetzwerk 604 zu laden.
Die Fluid-Durchschlag-Testkammer 400 (Fig. 4) war derart ausgelegt, daß die Isolatoren nicht im Bereich des hohen elektrischen Felds angeordnet sind. Somit wird nur die Flüssigkeit unter Test der hohen elektrischen Feldbelastung ausgesetzt. Wie in Fig. 4 gezeigt, sind die parallelen Elektroden 402, 404 und die äußeren Gehäuse aus Edelstahl hergestellt. Der Isolator 406 ist ein Polyethylen hoher Dichte. Die Testkammer ist mit O-Ringen abgedichtet (Fig. 5). Die Kammer wies vier 1/4-NPT-Löcher zum Füllen und Ablassen und zwei Polycarbonat-Sichtöffnungen (nicht gezeigt) auf.
Die parallelen Elektroden 402, 404 weisen einen Abstand von 0,5 oder 1,0 cm auf. Jede Elektrode weist einen Radius am Rand auf, um die Feldver stärkung zu minimieren. Die Anodenfläche beträgt 100 cm². Ein Diagramm des elektrischen Feldes der Testzelle ist maßstabsgemäß in Fig. 5 gezeigt, wobei die Skala der Achsen in Zoll vorliegt. Die Elektroden sind zum Konditionieren vor dem Testen kügelchengestrahlt. Kügelchenstrahlen der Elektroden minimiert die statistische Streuung der Durchschlagdaten, indem über die Elektrodenoberfläche gleichmäßig kleine Feldverstärkungen erzeugt werden. Mit der Zelle. 400 und dem Pulsnetzwerk 600 wurde ferner eine (nicht gezeigte) Diagnoseeinrichtung verwendet.
Die Diagnoseeinrichtung besteht aus einem 100 kV-Gleichstrom-Hochspannungsmonitor, einer Last- oder Ausgangsspannungssonde und einem Laststrommonitor. Die 100 kV-Gleichstrom-Hochspannungssonde ist eine Maxwell-1000 : 1-Widerstandssonde, deren Gesamtwiderstand 1 GΩ beträgt. Der Monitor verwendet ein Fluke-Digitalvoltmeter, um die Spannungsablesung anzuzeigen, wobei 1 V auf dem Meßgerät 1000 Volt am Hochspannungsende der Sonde entspricht. Die Ausgangsspannung wurde mit einem 2,6 kΩ Widerstandspannungsteiler überwacht, der ebenfalls von Maxwell hergestellt ist. Zum Überwachen des Laststroms wurde eine Rogowski-Spule verwendet. Die Spule war auf RG-214 Koaxialkabel gewickelt.
Zum Integrieren des Signals wurde ein passiver Integrator verwendet, und das Ergebnis wurde auf einem Oszilloskop angezeigt.
Anfängliche Tests mit dem Pulsformungsnetzwerk 602 wurden in einer Kurzschlußlast und ferner in eine 20 Ω-Last durchgeführt. Diese Tests lieferten Information, um das Leistungsvermögen des Pulsformungsnetzwerks zu verifizieren.
Fig. 7 zeigt den Strom mit in einen Kurzschluß arbeitendem Pulsformungsnetzwerk. Fig. 8 zeigt das in eine 20 Ω-Last arbeitende Pulsformungsnetzwerk. Fig. 9 zeigt die Anstiegszeit bei einer 20 Ω-Last.
Es wurden Durchschlagstudien an Salzlösungen, Apfelsaft, Milch, gefiltertem und ungefiltertem Orangensaft und deionisiertem Wasser durchgeführt. Jede Flüssigkeit wurde mit einem 20 us-Rechteckpuls bei der maximalen Spannung, die das Netzwerk 600 auf die Probe anlegen konnte, durchgeführt. Die maximale Spannung, die an der Probe unter den Tests angelegt werden kann, ist gegeben durch die Gleichung:
wobei VC = die Pulsformungsformungsnetzwerk-Ladespannung
VL = die Lastspannung
Zo = die Pulsformungsnetzwerkimpedanz
ZL = die Lastimpedanz.
Aufgrund des niedrigen spezifischen Widerstands der Proben war es nicht möglich, den Durchschlagpegel der Proben während der 20 Mikrosekunden- Pulsdauer zu erreichen. Die folgende Tabelle faßt die gemessene maximale Elektrofeldstärke zusammen, die an jeder Probe angelegt werden konnte.

Zusammenfassung der Elektrische-Feldstärke-Tests

Fluid Mittleres elektrisches Feld (kV/cm)

1 kΩ-cm Salzlösung 86
300 Ω-cm Salzlösung 52
Apfelsaft 42
Milch 24
Orangensaft 22
gefilterter Orangensaft 28
deionisiertes Wasser 102 bei 8 us

Salzlösungen

Es wurden zwei Salzlösungen, 1 kΩ-cm und 300 Ω-cm, getestet mit einem 20 us-Puls bis zu einer maximalen elektrischen Feldstärke von 86 kV/cm bzw. 52 kV/cm. Der Elektrodenlückenabstand betrug 0,5 cm, das Pulsformungsnetzwerk wurde auf die maximale Spannung von 51 kV geladen und keine Probe erlitt während des 20 us-Pulses einen Durchschlag.
Die angelegte Spannungswellenform der 1 kΩ-cm Salzlösung ist in Fig. 10 gezeigt. Wenn das Pulsformungsnetzwerk auf 51 kV geladen und bei 20 us abgeleitet wurde, betrug das auf die Probe angewendete mittlere elektrische Feld 86 kV/cm und die Probe schlug nicht durch.
Wenn das Pulsformungsnetzwerk nicht abgeleitet worden wäre, würde die Probe im Schwanz der fehlangepaßten Wellenform des Pulsformungsnetzwerks durchschlagen.
Die angewendete Spannungswellenform der 300 Ω-cm-Lösung ist in Fig. 11 gezeigt. Aufgrund des niedrigen spezifischen Widerstands der Lösung und der nachfolgenden Spannungsteilung zwischen dem Pulsformungsnetzwerk und der Last konnte das Pulsformungsnetzwerk selbst bei der maximalen Ladespannung von 51 kV nicht abgeleitet werden. Dies konnte überwunden werden, indem einfach die Position der Ausgangs- und Ableiterschalter neu angeordnet wurde; da allerdings die Probe in diesem, dem schlechtesten Fall entsprechenden Test nicht durchschlug, war dies nicht notwendig. Die auf die Probe angewendete mittlere elektrische Feldstärke betrug 52 kV/cm.

Apfelsaft

Die mittlere elektrische Feldstärke betrug 42 kV/cm bei einer Ladungsspannung von 51 kV und die Probe schlug nicht durch. Die angelegte Spannungswellenform ist in Fig. 12 gezeigt.

Milch

Die bei 51 kV Ladungsspannung am Pulsformungsnetzwerk an der Probe angelegte mittlere elektrische Feldstärke betrug 24 kV/cm. Während des 20 us-Pulses schlug die Milch nicht durch, wie in Fig. 13 gezeigt ist.

Orangensaft

Es wurde frisch gepreßter, ungefilterter Orangensaft bis zu einer maximalen elektrischen Feldstärke von 22 kV/cm getestet. Die Probe schlug während des 20 us-Rechteckpulses nicht durch; sie schlug allerdings während des Abschnitts der Wellenform mit umgekehrter Spannung durch. Die Teilchen im Saft wiesen eine Größe in der Größenordnung des Lückenabstands auf. Die angelegte Spannungswellenform ist in Fig. 14 gezeigt.
Der Orangensaft wurde unter Verwendung eines typischerweise in der Küche gefundenen Drahtnetzsiebs gefiltert. Dies entfernte die großen Teilchen; es ließ es allerdings zu, daß einige sichtbare Teilchen durchgingen. Die angelegte Spannungswellenform des gefilterten Orangensafts ist in Fig. 15 gezeigt. Die mittlere Feldstärke betrug 28 kV/cm. Die Probe widerstand dem anfänglichen 20 us-Rechteckpuls, schlug aber während der Spannungsumkehr durch.

Deionisiertes Wasser

Da deionisiertes Wasser in der Gepulsten-Energie-Gemeinschaft extensiv getestet wurde, wurde es als ein Bezugspunkt für diese Tests getestet. Das getestete Wasser war in Flaschen abgefülltes Wasser, das einen spezifischen Widerstand von 145 kΩ-cm aufwies. Das deionisierte Wasser wurde bis zu 102 kV/cm entsprechend einer Pulsformungsnetzwerkladungsspannung von 51 kV getestet. Das Wasser wurde bis zu einer maximalen Pulsbreite von 8 us getestet. Die Testwellenform ist in Fig. 16 gezeigt.

Übersicht

Es wurde ein fünfstufiges, luftisoliertes Pulsformungsnetzwerk mit 2 Ω, 22 us, 50 kV entworfen, konstruiert und getestet. Das Pulsformungsnetzwerk liefert Pulse mit variabler Pulsbreite, indem ein Ableiter verwendet wird, anstelle daß Pulsformungsnetzwerkstufen entfernt werden. Das Pulsformungsnetzwerk wurde bis zum 50 kV Ladungsspannung getestet, und es wurde gefunden, daß es zuverlässig einen Rechteckspuls (d. h. flache Spitze) bei jeder Pulsbreite bis zu 22 us erzeugt.
Das Pulsformungsnetzwerk wurde dazu verwendet, anfängliche Durchschlagfestigkeitsdaten verschiedener Lösung mit niedrigem spezifischem Widerstand zu erhalten. Die getesteten Lösungen umfassen Salzlösung, Milch, Apfelsaft, Orangensaft und deionisiertes Wasser. Aufgrund des unterschiedlichen spezifischen Widerstands der Lösungen wurden diese nicht bis zur gleichen elektrischen Feldstärke getestet. Mit dem 2 Ω-Pulsformungsnetzwerk konnte nicht der Spannungs-Durchschlag jeder Lösung erreicht werden. Dies kann überwunden werden durch Neukonfiguration des Pulsformungsnetzwerks derart, daß es eine niedrigere Impedanz und eine kürzere Pulsbreite aufweist, oder indem das Pulsformungsnetzwerk als eine Kondensatorbank verwendet wird und die Bank zum gewünschten Zeitpunkt abgeleitet wird.
Die in diesen Tests erhaltenen Ergebnisse zeigen, daß sehr viel höhere elektrische Felder auf leitfähige Flüssigkeit und Lebensmittel angewendet werden können, als vorangehend verwendet wurden. Da geglaubt wird, daß die mikrobiologischen Effekte und die begleitenden Lebensmittelhaltbarmachungseffekte eine sehr starke Funktion des auf die flüssigen Medien angewendeten elektrischen Feldes sind, zeigen die Ergebnisse an, daß diese Effekte signifikant verstärkt werden können, indem Pulse hoher elektrischer Feldstärke oberhalb der zuvor verwendeten Werte verwendet werden.
Aus der vorangehenden Beschreibung wird gewürdigt werden, daß Systeme dafür ausgelegt werden können, pumpbare Lebensmittelprodukte auf einer kontinuierlichen Basis zu behandeln. Eine Auslegung derartiger Systeme mit gepulstem Hochspannungselektrofeld können einige Grundbeziehungen verwenden, um Leistungsanforderungen, Pulserspezifikationen und Behandlungszellenkonstruktion zu bestimmen. Fig. 17 zeigt ein schematisches Diagramm der Nomenklatur eines gepulsten Elektrofeldsystems, die zum Beschreiben der verschiedenen Beziehungen verwendet wird. Wie gezeigt, fließt das Produkt zwischen den Elektroden der Zelle für das gepulste Elektrofeld mit einer Geschwindigkeit v&sub1;. Die Volumenflußrate durch die Zelle (cm³/s) ist dann gegeben durch:
V&sub1; = v&sub1; dw.
Falls das Produkt n mal behandelt werden muß, während es durch die Zelle hindurchgeht, muß die Pulserwiederholungsfrequenz sein:
f = V&sub1;n/Vc
wobei
Vc = dlw = Behandlungsvolumen.
Ein anderer für die Pulserauslegung erforderlicher Parameter ist der Zellenwiderstand, der gegeben ist durch:
Rc = ρd/wI,
wobei
ρ = spezifischer Widerstand des Produkts.
Das gepulste elektrische Feld in der Zelle beträgt:
Ep V&sub0;/d
wobei V&sub0; die Spannung an der Zelle ist. Der Strom beträgt:
Hieraus ergibt sich für die Spitzenleistung:
Falls eine Pulsbreite von τp, verwendet wird, wird die mittlere Leistung dann:
Der Temperaturanstieg ist gegeben durch:
wobei CP = die Wärmekapazität des behandelten pumpbaren Lebensmittelprodukts ist.
Beispielsweise wird für einen Pulser, der dafür ausgelegt ist, 10 Liter pro Stunde zu behandeln, auf Grundlage der hierin oben beschriebenen Impedanz- und Spannungsparameter, das Vorliegen eines Zellenvolumens von etwa 25 cm³ näherungsweise 9 Pulse der Hochspannungsbehandlung pro Volumen liefern, während dieses sich durch die Zelle bewegt.
Falls die Flußrate auf etwas weniger als 25 cm³/s (90 l/Stunde) vergrößert wird, wird der Pulser näherungsweise eine Behandlung pro Puls pro Zellenvolumen liefern.
Eine Behandlungszelle, die eine Zelle derart wie die in Fig. 2 oder 3 gezeigt sein kann, kann durch ein Pulsformungsnetzwerk getrieben werden, das durch eine herkömmliche Hochspannungsenergiequelle auf eine gewisse Anfangsspannung (beispielsweise 50 kV) geladen wird und für das gepulste elektrische Feld in die Zelle entladen wird. Ein schematisches elektrisches Diagramm einer Pulsformungsnetzwerkkonfiguration, die verwendet werden kann, ist in Fig. 18 gezeigt.
Die Pulsformungsnetzwerkimpedanz sollte an die Impedanz der Zelle für das gepulste Elektrofeld angepaßt werden, um für den maximalen Energietransfer zur Zelle zu sorgen. Das Pulsformungsnetzwerk ist 1,67 Ωs und weist eine 20 us-Pulsbreite auf. Die Zelle selbst wird eine von 1 bis 4 Ω reichende Impedanz haben, wie in Fig. 19 gezeigt ist, in Abhängigkeit von dem spezifischen Widerstand des verwendeten Lebensmittelprodukts, unter der Annahme, daß der spezifische Widerstand des Lebensmittelprodukts im Bereich von 100 bis 400 Ω-cm liegt. Für eine Zelle mit einem Elektrodenabstand von 0,5 cm und einem Zellvolumen von 25 cm³ wird das Pulsformungsnetzwerk ein elektrisches Spitzenfeld erzeugen, das von dem spezifischen Widerstand und der Ladespannung abhängt, wie in Fig. 20 gezeigt ist.
Die Dauer der durch das Pulsformungsnetzwerk erzeugten Pulse kann variiert werden, indem Abschnitte des Pulsformungsnetzwerks abgekoppelt werden. Der veranschaulichte Pulser ist geeignet, Felder so hoch wie 90 kV/cm mit einer angepaßten Last zu erzeugen. Höhere Pegel können mit Lebensmittelprodukten höheren spezifischen Widerstands erreicht werden. Fig. 21 zeigt die berechnete elektrische Feldwellenform mit einer 1,0 Ω- Last an der Zelle und 20 us Pulsbreite. Fig. 22 zeigt die berechnete Pulsform mit einem drei Abschnitte aufweisenden Pulsformungsnetzwerk und 1,6 Ω Last. Fig. 23 zeigt die berechnete Wellenform für ein Pulsformungsnetzwerk mit drei Abschnitten und 1,0 Ω Last.
Lebensmittelprodukte ändern den spezifischen Widerstand als eine Funktion der Temperatur. Beispielsweise fällt der spezifische Widerstand von Milch um einen Faktor von etwa 2 über einen Temperaturbereich von etwa 15 bis 60ºC ab. Die folgende Tabelle zeigt berechnete Temperaturanstiege für Produkte mit verschiedenen spezifischen Widerständen. Temperaturanstieg in einer Zelle zur gepulsten Elektrobehandlung *
unter der Annahme Cp = 1,0, t = 10 us und Ladungsspannung des Pulsformungsnetzwerks 50 kV.
Wenn somit ein typischer Puls auf homogenisierte Milch mit 2% Fett angewendet wird, die anfänglich bei Raumtemperatur ist, wird der spezifische Widerstand von etwa 200 auf 140 Ω-cm abfallen. Dies bedeutet, daß das elektrische Feld ebenfalls während des Pulses abfallen wird. Für diesen Fall würde der Abfall etwa 15% betragen.
Dementsprechend mag es wünschenswert sein, ein Pulsformungsnetzwerk zu konstruieren, das diesen Abfall in der Spannung während des Pulses korrigiert, um das Pulsformungsnetzwerk für ein bestimmtes Produkt zu optimieren.
Mit einem bei 1 Hz und 50 kV Ladungsspannung laufenden Pulser beträgt die mittlere Leistung 7,5 kW, und bei 80 kV beträgt die Leistung 19,2 kW.
Eine Zellkonstruktion für ein gepulstes elektrisches Feld, die für eine kontinuierliche Flußbehandlung geeignet ist, ist in Fig. 3 gezeigt, wie vorangehend beschrieben. Die dargestellte Zelle weist ein aktives Volumen von 24 cm³ und eine Elektrodenlücke von 0,5 cm auf. Für ein 100 Ω-cm-Produkt ist die Zellauslegungsimpedanz derart ausgelegt, daß sie näherungsweise 1 Ω beträgt.
Fig. 24 zeigt die Zelle der Fig. 3 in einer Konfiguration für ein Flußtesten. Es ist vorgesehen, daß das Produkt an der Unterseite in die Zelle eintritt und nach oben an den koaxialen Elektroden vorbeifließt. Der Fluß ist nach oben gerichtet, um ein thermisches Mischen zu minimieren, da die heiße Flüssigkeit stets auf der oberen Austrittsseite der Zelle sein wird. Diese Zellkonstruktion ist dafür bestimmt, für Flußraten bis zu 100 l/Stunde und möglicherweise höher nützlich zu sein.
Fig. 25 zeigt ein Equipotentialdiagramm, das hergestellt wurde, um die Gleichmäßigkeit des in der Zelle erzeugten elektrischen Felds zu bestimmen. Die Fig. 26 und 27 sind Diagramme des elektrischen Feldes längs der Oberfläche der Elektroden.
Dementsprechend wird gewürdigt werden, daß verbesserte Verfahren und Einrichtungen für die Haltbarmachung von fließfähigen Lebensmitteln, wie Milchprodukten, Fruchtsäften und flüssigen Eiprodukten, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt wurden.

Claims

1. Einrichtung für eine gepulste Elektrofeldbehandlung zum Haltbarmachen eines pumpbaren Lebensmittels, umfassend:

eine Elektrofeldbehandlungszelle (200, 300) mit einem ersten Elektrodenmittel (202, 302) zum Herstellen eines elektrischen Kontakts mit in der Behandlungszelle (200, 300) benachbart dem ersten Elektrodenmittel (202, 302) angeordnetem pumpbaren Lebensmittel und mit einem von dem ersten Elektrodenmittel (202, 302) im Abstand angeordneten zweiten Elektrodenmittel (208, 308) zum Herstellen eines elektrischen Kontakts mit in der Behandlungszelte (200, 300) zwischen dem ersten Elektrodenmittel (202, 302) und dem zweiten Elektrodenmittel (208, 308) angeordnetem pumpbaren Lebensmittel und mit einem festen dielektrischen Trennmittel (218, 318), das das erste (202, 302) und das zweite (208, 308) Elektrodenmittel trennt;

ein Einlaßleitungsmittel (204, 304) zum Einführen eines in der Elektrofeldbehandlungszelle (200, 300) zu behandelnden pumpbaren Lebensmittels und ein Auslaßleitungsmittel (206, 306) zum Abgeben eines Lebensmittelerzeugnisses, das durch die Behandlungszelle (200, 300) hindurchgegangen ist;

ein Mittel (112, 600) zum Anlegen von Hochspannungselektropulsen an dem ersten (202, 302) und dem zweiten (208, 308) Elektrodenmittel mit einer vorbestimmten Rate, um ein elektrisches Feld von wenigstens 20.000 Volt pro Zentimeter oder mehr zwischen den Elektrodenmitteln (202, 302, 208, 308) durch ein dazwischen in der Behandlungszelle (200, 300) angeordnetes pumpbares Lebensmittel vorzusehen; und

ein Mittel zum Pumpen eines pumpbaren Lebensmittels durch das Einlaßleitungsmittel (204, 304) mit einer Rate derart, daß das gesamte pumpbare Lebensmittel beim Durchgang durch die Behandlungszelle (200, 300) wenigstens einem Puls ausgesetzt wird, bevor es durch das Auslaßleitungsmittel (206, 306) aus der Behandlungszelle (200, 300) geleitet wird,

dadurch gekennzeichnet,

daß das dielektrische Trennmittel (218, 318) derart angeordnet ist, daß es das zweite Elektrodenmittel (208, 308) innerhalb und im Abstand von dem ersten Elektrodenmittel (202, 302) sichert, wobei die Behandlungszelle (200, 300) eine im wesentlichen gleichmäßige Elektrofeldbehandlungszone (210, 310) umfaßt, in der das erste (202, 302) und das zweite (208, 308) Elektrodenmittel in einem im wesentlichen gleichmäßigen Abstand voneinander angeordnet sind.

2. Einrichtung für eine gepulste Elektrofeldbehandlung nach Anspruch 1, bei der wenigstens eines des ersten Elektrodenmittels (202, 302) und des zweiten Elektrodenmittels (208, 308) einen elektrochemisch inerten Leiter umfaßt zum Herstellen eines elektrischen Kontaktes mit dem pumpbaren Lebensmittel.

3. Einrichtung für eine gepulste Elektrofeldbehandlung nach Anspruch 1, bei der wenigstens eines des ersten Elektrodenmittels (202, 302) und des zweiten Elektrodenmittels (208, 308) einen nichtmetallischen inerten Leiter umfaßt zum Herstellen eines elektrischen Kontaktes mit dem pumpbaren Lebensmittel.

4. Einrichtung für eine gepulste Elektrofeldbehandlung nach Anspruch 3, bei der der nichtmetallische inerte Leiter inerten Kohlenstoff umfaßt.

5. Einrichtung für eine gepulste Elektrofeldbehandlung nach Anspruch 3, bei der der nichtmetallische inerte Leiter Graphit umfaßt.

6. Einrichtung für eine gepulste Elektrofeldbehandlung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das erste Elektrodenmittel (202, 302) eine darin ausgebildete hohle längliche Öffnung aufweist und das dielektrische Trennmittel (218, 318) dazu angeordnet ist, das zweite Elektrodenmittel (208, 308) innerhalb und im Abstand von dem ersten Elektrodenmittel (202, 302) zu sichern.

7. Einrichtung für eine gepulste Elektrofeldbehandlung nach Anspruch 6, bei der die hohle längliche Öffnung derart ausgebildet ist, daß sie einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist.

8. Einrichtung für eine gepulste Elektrofeldbehandlung nach Anspruch 7, bei der das zweite Elektrodenmittel (208, 308) im allgemeinen länglich ist, einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist und innerhalb der Öffnung des ersten Elektrodenmittels (202, 302) derart koaxial angeordnet ist, daß eine längliche ringförmige Behandlungszone (210, 310) zwischen dem ersten (202, 302) und dem zweiten (208, 308) Elektrodenmittel definiert ist.

9. Einrichtung für eine gepulste Elektrofeldbehandlung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Oberfläche des zweiten Elektrodenmittels (208, 308) sich an einem Ende (212, 312) der Behandlungszone (210, 310) verjüngt oder von der gegenüberliegenden Oberfläche des ersten Elektrodenmittels (202, 302) weg krümmt, derart, daß der Abstand zwischen dem ersten (202, 302) und dem zweiten Elektrodenmittel (208, 308) an diesem Ende (212, 312) der Behandlungszone (210, 310) größer ist als der Abstand zwischen dem ersten (202, 302) und dem zweiten Elektrodenmittel (208, 308) in der Behandlungszone (210, 310), um hierdurch die elektrische Feldstärke zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenmittel (202, 302, 208, 308) an dem Ende (212, 312) zu verringern.

10. Einrichtung für eine gepulste Elektrofeldbehandlung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das Mittel (112, 600) zum Anlegen von Hochspannungselektropulsen ein Mittel (606, 608) zum Erzeugen derartiger Pulse mit einer Dauer im Bereich von 0,01 bis 10 Mikrosekunden pro Puls aufweist.

11. Einrichtung für eine gepulste Elektrofeldbehandlung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das Mittel (112, 600) zum Anlegen von Hochspannungselektropulsen ein Mittel zum Umkehren der Polarität der zwischen dem ersten (202, 302) und zweiten (208, 308) Elektrodenmittel angelegten Spannung umfaßt.

12. Einrichtung für eine gepulste Elektrofeldbehandlung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das Mittel (112, 600) zum Anlegen von Hochspannungselektropulsen geeignet ist, ein elektrisches Feld von wenigstens 25.000 Volt pro Zentimeter zwischen den Elektromitteln (202, 302, 208, 308) durch das in der Behandlungszone (210, 310) dazwischen angeordnete pumpbare Lebensmittel vorzusehen.

13. Einrichtung für eine gepulste Elektrofeldbehandlung nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend ein Mittel (102, 118) zum Erhitzen des pumpbaren Lebensmittels auf eine vorbestimmte Temperatur von wenigstens etwa 45ºC vor dem Einführen in die Elektrofeldbehandlungszelle (200, 300) und ein Mittel zum Kühlen (118, 120) des pumpbaren Lebensmittels, das durch eine oder mehrere Behandlungszonen (210, 310) hindurchgegangen ist, auf eine Kühltemperatur im Bereich von etwa 0ºC bis etwa 10ºC.

14. Einrichtung für eine gepulste Elektrofeldbehandlung nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend ein Mittel zum Unterdrucksetzen des pumpbaren Lebensmittels in der Elektrofeldbehandlungszelle (200, 300), um die Bildung von Gasbläschen darin zu verhindern.

15. Einrichtung für eine gepulste Elektrofeldbehandlung nach Anspruch 14, bei der das Mittel zum Unterdrucksetzen des pumpbaren Lebensmittels das pumpbare Lebensmittel bis zu einem Druck von 13,8 MPa unter Druck setzt.

16. Einrichtung für eine gepulste Elektrofeldbehandlung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das zweite Elektrodenmittel (208, 308) mit dem Mittel (112, 600) zum Anlegen von Hochspannungspulsen durch eine leitfähige Stange (216, 316) durch das dielektrische Trennmittel (218, 318) verbunden ist und die Oberfläche (212, 312) des zweiten Elektrodenmittels (208, 308) nahe dem Ende der Behandlungszone (210, 310) benachbart der leitfähigen Stange (216, 316) sich verjüngt oder sich von der gegenüberliegenden Oberfläche des ersten Elektrodenmittels (202, 302) weg krümmt, um einen Zusammenbruch des elektrischen Feldes zwischen dem ersten (202, 302) und dem zweiten (208, 308) Elektrodenmittel zu verhindern.

17. Einrichtung für eine gepulste Elektrofeldbehandlung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Oberfläche des zweiten Elektrodenmittels benachbart dem anderen Ende (214) der Behandlungszone (210) nahe dem Auslaßleitungsmittel sich von der gegenüberliegenden Oberfläche des ersten Elektrodenmittels (202) weg verjüngt, derart, daß der Abstand zwischen den Elektrodenmitteln (202, 208) an dem anderen Ende (214) größer als die Entfernung zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenmittel (202, 208) innerhalb der Behandlungszone (210) ist, um hierdurch die elektrische Feldstärke zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenmittel (202, 208) am anderen Ende (214) zu verringern.

18. Einrichtung für eine gepulste Elektrofeldbehandlung nach Anspruch 1, bei der die Grenze zwischen dem zweiten Elektrodenmittel (208, 308), dem dielektrischen Trennmittel (218, 318) und dem pumpbaren Lebensmittel von dem Bereich hohen elektrischen Feldes zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenmittel (202, 302, 208, 308) in der im wesentlichen gleichmäßigen Elektrofeldbehandlungszone (210, 310) verlegt ist.

19. Einrichtung für eine gepulste Elektrofeldbehandlung nach Anspruch 16, bei der die Grenze zwischen dem zweiten Elektrodenmittel (208, 308), dem dielektrischen Trennmittel (218, 318) und dem pumpbaren Lebensmittel aus dem Bereich hohen elektrischen Feldes zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenmittel (202, 302, 208, 308) in der im wesentlichen gleichmäßigen Elektrofeldbehandlungszone (210, 310) verlegt ist und an der sich verjüngenden oder gekrümmten Oberfläche des zweiten Elektrodenmittels (208, 308) nahe dem der leitfähigen Stange (216, 316) benachbarten Ende angeordnet ist, derart, daß der Abstand zwischen der Grenze und dem ersten Elektrodenmittel (202, 302) an der Grenze größer als die Entfernung zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenmittel (202, 302, 208, 308) in der Behandlungszone (210, 310) ist.

20. Einrichtung für eine gepulste Elektrofeldbehandlung nach Anspruch 1, bei der das dielektrische Trennmittel (218, 318) eine minimale Oberflächenpfadlänge längs des Pfades zwischen den Oberflächen innerhalb der Behandlungszelle (200, 300) des ersten (202, 302) und zweiten (208, 308) Elektrodenmittels von wenigstens dem Doppelten der Entfernung zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenmittel (202, 302, 208, 308) in der Behandlungszone (210, 310) aufweist.