und insbesondere Sättigen einer Flüssigkeit mit einem Gas Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anreichern und insbesondere Sättigen einer Flüssigkeit mit einem Gas, wonach das betreffende Gas in die Flüssigkeit eingebracht wird. - Bei der Flüssigkeit handelt es sich im Allgemeinen um ein flüssiges Lebensmittelprodukt und hier besonders ein Getränk. Die Anreicherung und insbesondere Sättigung von Flüssigkeiten und hier vorzugsweise von Getränken mit Gasen ist seit langem bekannt und wird in diesem Zusammenhang in Verbindung mit dem Einbringen von Kohlendioxidgas (CO ₂ ) auch als Karbonisierung bezeichnet. Hierunter versteht man auf dem Getränkesektor im Allgemeinen das Versetzen von Getränken mit Kohlensäure, wie dies beispielhaft im gattungsbildenden Stand der Technik nach der DE 100 28 676 A1 erläutert wird.

Tatsächlich zeichnet sich beispielsweise das Wasser kohlensäurehaltiger Getränke durch eine markante Affinität für CO ₂ im Beispielfall aus und absorbiert das vorgenannte Gas in gewissem Maße. Dies geschieht immer dann, wenn die Oberfläche eines Wasserkörpers respektive ein Wasserteilvolumen in Kontakt mit einer relativ reinen Gasatmosphäre von CO ₂ im Beispielfall gebracht wird. In diesem Zusammenhang ist es ferner bekannt, dass der Grad der endgültigen Absorption von CO ₂ von der Temperatur der Flüssigkeit und des Gases und auch von dem Druck abhängt, unter welchem Gas und Wasser in Kontakt miteinander gebracht werden (vgl. DE 1 816 738).

Im Rahmen der bekannten Vorgehensweise wird das flüssige Füllgut bzw. die Flüssigkeit in einem zugehörigen Behälter durch Einleiten des CO ₂ -Gases unter Druck mit Kohlensäure versetzt bzw. karbonisiert (vgl. DE 100 28 676 A1 ). Dabei wird das zuvor beschriebene Karbonisieren des Füllguts in einem Behälter nach Abschluss einer Füllphase durchgeführt. Zu diesem Zweck wird das fragliche CO ₂ - Gas in das Füllgut unter Druck eingeleitet. Außerdem findet ein Vorspannen des Behälters mit dem CO ₂ -GaS unter Überdruck während einer Vorspannphase statt.

Nach dem Karbonisieren wird der Behälter in der Regel auf Atmosphärendruck entlastet, um ihn von einem Füllelement abziehen und verschließen zu können. Diese Entlastung ist erforderlich, weil die Zufuhr des CO ₂ -Gases im Beispielfall bzw. die Karbonisierung unter Druck stattfindet und während der Karbonisierung der Druck in einer zugehörigen Flasche in der Regel deutlich über einen Sättigungsdruck ansteigt. Dies ist erforderlich, damit das Füllgut die Kohlensäure möglichst schnell absorbiert.

Durch die beschriebene Vorgehensweise verbleibt jedoch ein Problem, dass unerwünschte aber häufig vorhandene Fremdgase (z.B. N2, 02) Mikrobläschen bilden. Diese Blasen führen bei der anschließenden Druckentlastung in der Füllmaschine oftmals zur Schaumbildung. Ohne auf eine Deutung festgelegt zu sein, scheint der Grund darin zu liegen, dass bei der Druckfüllung während der Entlastungsphase das CO ₂ in die vorerwähnten Bläschen diffundiert bzw. unterschiedliche Gasbläsen agglomerieren, welche daraufhin relativ schnell wachsen und häufig explosionsartig an die Oberfläche aufsteigen. Jedenfalls bildet sich je nach Getränkeinhaltsstoffen massiv Schaum in und an der Oberfläche der Flüssigkeit bzw. des Getränks, der zu einem teils starken und unerwünschten Überschäumen der frisch gefüllten Gebinde respektive Flaschen führt.

Diesem Schaumbildungsvorgang kann man meistens nur dadurch begegnen, dass der Füllvorgang und/oder die Entlastungszeit verlängert werden. Beide Maßnahmen führen im Ergebnis dazu, dass die Anzahl der Füllvorgänge pro Zeiteinheit verringert wird oder verringert werden muss. Solche Verlängerungen der Zykluszeiten sind aus heutiger Sicht nicht akzeptabel. Denn üblicherweise wird das Ziel verfolgt, die Anzahl der Füllvorgänge pro Zeiteinheit und damit die Abfüllleistung einer zugehörigen Füllmaschine zu steigern. Denn dadurch können letztendlich auch die Kosten reduziert werden. Hier setzt die Erfindung ein.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Ausführungsart so weiter zu entwickeln, dass eine insgesamt höhere Leistung beim Abfüllen beobachtet wird. Außerdem soll eine entsprechend geeignete Vorrichtung zur Verfügung gestellt werden.

Zur Lösung dieser technischen Problemstellung ist bei einem gattungsgemäßen Verfahren im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass in der mit dem Gas anzureichernden Flüssigkeit gezielt Druckschwankungen zur Steigerung der Anreicherungsgeschwindigkeit erzeugt werden, also der Vorgang der Gaslösung in der Flüssigkeit durch die Druckschwankungen eine Beschleunigung erfährt. Die vorerwähnten Druckschwankungen sind meistens periodischer Art und werden in der mit dem Gas anzureichernden Flüssigkeit regelmäßig mit Hilfe einer Einrichtung zur Erzeugung von Schallwellen hervorgerufen. Dabei entstehen Druckminima und Druckmaxima im Inneren der Flüssigkeit. Bei den Schallwellen handelt es sich üblicherweise um Ultraschallwellen, also Schallwellen einer Frequenz, die im nicht hörbaren Bereich (regelmäßig oberhalb von 20 kHz) angesiedelt sind.

Im Übrigen korrespondieren die Druckschwankungen regelmäßig zu Druckwellen, die von der fraglichen Einrichtung erzeugt werden. Bei diesen Druckwellen handelt es sich meistens um von der besagten Einrichtung erzeugte und ausgehende Longitudinalwellen, also Kompressionswellen innerhalb der Flüssigkeit, deren Dichte- und damit Druckschwankungen überwiegend in Ausbreitungsrichtung angeordnet sind bzw. sich in dieser Richtung fortpflanzen. Dabei wird man die Auslegung im Regelfall so treffen, dass die Druckschwankungen in einer Richtung innerhalb der Flüssigkeit erzeugt werden, die einen Winkel mit deren Strömungsrichtung einschließt. Im Allgemeinen werden die Richtung der Druckschwankungen und die Strömungsrichtung in etwa senkrecht zueinander ausgerichtet.

Das heißt, die Fortpflanzungsrichtung der mit Hilfe der Einrichtung erzeugten Schallwellen respektive Longitudinalwellen und die Strömungsrichtung der zu behandelnden bzw. mit dem Gas anzureichernden Flüssigkeit verlaufen überwiegend senkrecht zueinander. Dadurch wird eine besonders intensive Behandlung der Flüssigkeit erreicht, weil letztlich jedes an der fraglichen Einrichtung entlang bewegte Volumenelement der Flüssigkeit von den quer dazu erzeugten und fortschreitenden Druckwellen erfasst wird.

Bei diesem Vorgang kommt es im Regelfall dazu, dass sich in Bereichen von Druckminima sogenannte Hohlräume bzw. Gaskavitationen bilden. Diese sorgen dafür, dass das im Allgemeinen unter Überdruck in die Flüssigkeit eingebrachte Gas eine Feinverteilung erfährt. Das heißt, das anzureichernde und unter Überdruck in die Flüssigkeit eingebrachte Gas bildet zunächst Gasblasen bestimmter Größe. Durch die gezielt erzeugten Druckschwankungen werden nun diese Gasblasen im Bereich der Druckmaxima gleichsam zerschlagen bzw. aufgelöst und treten zu diesen Gasblasen im Bereich der Druckminima Hohlräume infolge von Gaskavitationen hinzu. Diese Hohlräume füllen sich mit dem solchermaßen gelösten oder ohnehin vorhandenen Gas ganz oder teilweise. Dadurch entsteht eine Vielzahl an Gasbläschen in etwa gleicher Größe. Jedenfalls steigt im Ergebnis die Anzahl der Gasbläschen infolge der eingebrachten Druckschwankungen stark an. Das Gleiche gilt für die Summe der gesamten Blasenoberflächen.

Als Folge hiervon wird das eingebrachte Gas in der Flüssigkeit deutlich schneller und intensiver mit der Flüssigkeit bzw. der Flüssigphase vermischt, als dies bisher im Stand der Technik beobachtet wird. Das heißt, das eingebrachte Gas wird durch die zusätzlich in der Flüssigkeit erzeugten Druckschwankungen besonders schnell und effizient in der Flüssigphase bzw. der Flüssigkeit gelöst. Dadurch steigt die Anreicherungsgeschwindigkeit.

Auf diese Weise wird eine besonders stabile Bindung beispielsweise der Kohlensäure in Getränken erreicht. Bekanntermaßen setzt diese Bindung der Kohlensäure an das Getränk bzw. die Karbonisierung voraus, dass ein intensiver Kontakt zwischen der Flüssigphase bzw. dessen Oberfläche und den einzelnen Gasbläschen erfolgt. Je mehr Gasbläschen vorhanden sind, umso intensiver ist dieser Kontakt und umso größer kann die markante Affinität kohlensäurehaltiger Getränke für CO ₂ im Beispielfall ausgenutzt werden und die gewünschte schnelle Absorption des CO ₂ erfolgen.

Dadurch wird im Vergleich zum Stand der Technik eine stabilere Bindung der Kohlensäure in Getränken erreicht und ein anschließender optionaler Füllvorgang verbessert. Denn die stabilere Bindung der Kohlensäure verringert eine etwaige Entgasungsneigung der Flüssigkeit während obligatorischer Entlastungsphasen im Zuge des Füllvorgangs. Tatsächlich ist ein solcher Füllvorgang eines kohlensäurehaltigen Getränks entsprechend den Erläuterungen in der DE 100 28 676 A1 üblicherweise mit wenigstens einem Entlastungsvorgang verbunden. Denn während der beschriebenen Karbonisierungsphase steigt der Druck beispielsweise in einem Getränkebehälter oder allgemein einem Behälter deutlich über den Sättigungsdruck an und muss anschließend entlastet werden, und zwar kurz bevor der fragliche Getränkebehälter oder die Flasche von dem Füllelement abgezogen wird. Durch die erreichte stabilere Bindung der Kohlensäure im Rahmen der Erfindung kommt es bei dem beschriebenen Entlastungsvorgang nur zu einer geringen Entgasungsneigung, also dazu, dass das zuvor eingebrachte CO ₂ im Beispielfall die Flüssigkeit wieder verlässt. Denn das CO ₂ ist durch die Behandlung mit den Druckschwankungen besonders fein verteilt in der Flüssigkeit gelöst und stabil an diese gebunden. Als Folge hiervon bildet sich während der angesprochenen Entlastungsphase wenig oder kaum Schaum und kann insbesondere die Leistung einer angeschlossenen Füllmaschine oder allgemein einer Füllvorrichtung deutlich gesteigert werden.

In diesem Zusammenhang hat es sich weiter als vorteilhaft erwiesen, wenn die Flüssigkeit vor dem beschriebenen Vorgang zum Anreichern und insbesondere Sättigen mit dem Gas eine vorgeschaltete Entgasung durchläuft. Bei dieser Vorgehensweise geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass ein solches entgastes Produkt besonders wirkungsvoll und effizient beispielsweise karbonisiert werden kann, und zwar unterstützt durch die erfindungsgemäß erzeugten Druckschwankungen in der Flüssigkeit. Tatsächlich setzt nämlich eine wirksame Karbonisierung im Beispielfall regelmäßig voraus, dass die Flüssigkeit bzw. Wasser in Kontakt mit einer relativ reinen Gasatmosphäre gebracht wird oder gebracht werden kann.

So ist es beispielsweise durch die DE 1 692 739 A bekannt, dass Wasser möglichst gut entlüftet sein muss, damit bei der anschließenden Karbonisierung besonders viel an CO ₂ bzw. Kohlensäure aufgenommen werden kann. Außerdem begünstigt diese Entlüftung, dass die aufgenommene Kohlensäure fest an die Flüssigkeit bzw. das Wasser im Beispielfall gebunden wird, so dass bei der Druckentlastung nach dem Abfüllen und beim Verbrauch eines Getränks keine grobblasige, mehr oder weniger rasche und spontane Entgasung erfolgt. Allenfalls wird ein feinblasiges, geringes Aufperlen beobachtet.

Jedenfalls ist eine solche enge Bindung des CO ₂ -Gases im Beispielfall an das Wasser nur möglich, wenn zuvor eine sehr weitgehende Entlüftung respektive Entgasung des Wassers erfolgt ist. In diesem Zusammenhang wird natürlich auch ein möglichst geringer Luftgehalt im Wasser und später auch im Getränk schon aus Haltbarkeitsgründen verfolgt.

Der beschriebene und dem erfindungsgemäßen Anreicherungs- bzw. Sättigungsvorgang vorgeschaltete Entgasungsprozess kann auf vielfältige Art und Weise durchgeführt werden. So ist beispielsweise eine Entgasung unter Vakuum oder auch dergestalt möglich, dass das Wasser im Beispielfall zum Sieden gebracht wird. Ganz besonders bevorzugt ist eine Fliehkraftentgasung und/oder Sprühentgasung. Bei der Fliehkraftentgasung wird die zu entgasende Flüssigkeit Fliehkräften ausgesetzt, die eine Trennung von Gasphase und Flüssigphase bewirken, wie dies grundsätzlich die DE 197 36 671 A1 beschreibt. Darüber hinaus ist prinzipiell eine Sprühentgasung entsprechend der DE 26 22 094 C3 möglich und denkbar. In diesem Zusammenhang hat es sich weiter als günstig erwiesen, wenn das beim Entgasen frei werdende Gas zumindest teilweise einer weiteren Nutzung zugeführt wird. Diese weitere Nutzung kann darin liegen, dass das fragliche Gas für eine anschließende Anreicherung der betreffenden Flüssigkeit oder einer anderen Flüssigkeit eingesetzt wird. Beispielsweise lässt sich die frei werdende Luft bzw. der Sauerstoff dazu nutzen, sogenanntes "Sauerstoffwasser" herzustellen, also Wasser, in welches Sauerstoff bis zur Sättigung oder darüber hinaus eingebracht wird.

Des Weiteren kann die solchermaßen behandelte Flüssigkeit vorteilhaft in Behälter abgefüllt werden. Bei diesen Behältern mag es sich um Getränkebehälter wie Flaschen, Dosen oder dergleichen handeln. Das heißt, an den beschriebenen Entgasungsprozess mit anschließendem Sättigungsvorgang der Flüssigkeit mit Gas schließt sich vorteilhaft ein Füllprozess an, wie er grundsätzlich in der DE 100 28 676 A1 beschrieben wird. In diesem Zusammenhang bezieht sich die Erfindung auch auf eine Vorrichtung zum Anreichern und insbesondere Sättigen einer Flüssigkeit, wie sie in den Ansprüchen 10 ff. beschrieben wird. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung eine Füllmaschine bzw. Füllvorrichtung, welche eine solche Vorrichtung beinhaltet. Im Ergebnis werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anreichern und insbesondere Sättigen einer Flüssigkeit und hier insbesondere eines flüssigen Lebensmittelprodukts, vorzugsweise eines Getränks, mit einem Gas beschrieben. Konkret geht es beispielsweise um das Einbringen von CO ₂ oder auch O ₂ in Getränke unter Überdruck. Solche Getränke weisen eine erhebliche Anzahl nicht gelöster Gase (z. B. Stickstoff oder Edelgase) als kleinste nicht sichtbare Mikrobläschen auf.

Bei einer Druckfüllung in einer Füllvorrichtung oder Füllmaschine und einem anschließenden Entlastungsvorgang diffundiert das zuvor eingebrachte O ₂ oder CO ₂ in diese Bläschen und lässt sie schnell wachsen sowie häufig explosionsweise an die Oberfläche aufsteigen. Dadurch bildet sich je nach Getränkeinhaltsstoffen massiv Schaum, der zu einem teils starken und unerwünschten Überschäumen der frisch gefüllten Gebinde respektive Behälter führt. Infolge der erfindungsgemäß vorgenommenen Behandlung der Flüssigkeit durch gezielt eingebrachte Druckschwankungen werden diese Mikroblasen in eine große Vielzahl noch kleinerer Gasbläschen zerteilt. Die Diffusion des eingebrachten Gases (O ₂ und/oder CO2 im Beispielfall) in diese Mikrobläschen während der Entlastungsphase verlangsamt sich hierdurch deutlich. Das Ergebnis ist erfindungsgemäß eine geringere Schaumbildung und eine Verkürzung der erforderlichen Entlastungszeit. Zugleich kann die Füllzeit verringert werden. Hieraus resultiert insgesamt eine kürzere Behandlungszeit und eine deutliche Erhöhung der Ausbringleistung einer hiermit arbeitenden Füllvorrichtung respektive Füllmaschine. Hierin sind die wesentlichen Vorteile zu sehen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine erfindungsgemäße Füllvorrichtung, welche mit einer Vorrichtung zum Anreichern und insbesondere Sättigen einer Flüssigkeit mit einem Gas ausgerüstet ist.

In der einzigen Figur erkennt man insgesamt drei Einzelvorrichtungen, die in der nachfolgend noch zu beschreibenden Art und Weise zusammenwirken. Zunächst einmal ist eine Vorrichtung 1 zum Anreichern und insbesondere Sättigen einer Flüssigkeit, im Beispielfall eines Getränks, mit einem Gas (CO ₂ ) dargestellt. Neben dieser Vorrichtung 1 zum Anreichern und insbesondere Sättigen der Flüssigkeit mit dem Gas ist zusätzlich noch eine Entgasungseinheit 2 realisiert, die der besagten Vorrichtung 1 vorgeschaltet ist. Die mit Hilfe der vorgeschalteten Entgasungseinheit 2 und der anschließenden Vorrichtung 1 zum Anreichern und insbesondere Sättigen der Flüssigkeit mit dem Gas behandelte Flüssigkeit wird anschließend mit Hilfe eines Füllelements 3 in einen Behälter G, vorliegend einen Getränkebehälter G, abgefüllt. Die Vorrichtung 1 , die Entgasungseinheit 2 und das Füllelement 3 formen zusammengenommen eine Füllvorrichtung 1 , 2, 3. Zunächst wird die Vorrichtung 1 zum Anreichern und insbesondere zum Sättigen der Flüssigkeit bzw. des Getränks mit dem Gas beschrieben. Diese Vorrichtung 1 ist mit einer Zufuhrleitung 4 für Gas, im Beispielfall CO ₂ , ausgerüstet, welche mit der zu behandelnden Flüssigkeit kommuniziert. Zu diesem Zweck ist die besagte Zufuhrleitung 4 für Gas an eine Flüssigkeitsleitung 5 angeschlossen. Zusätzlich verfügt die besagte Vorrichtung 1 noch über eine Einrichtung 6 zur Erzeugung von Druckschwankungen in der mit dem Gas anzureichernden Flüssigkeit. Die besagte Einrichtung 6 zur Erzeugung von Druckschwankungen ist vorliegend als Schallerzeuger 6, insbesondere Ultraschallerzeuger 6, ausgebildet. Darüber hinaus ist die Auslegung so getroffen, dass das Gas unter Überdruck mit Hilfe der Zufuhrleitung 4 in die Flüssigkeit eingebracht wird, und zwar bevor mit Hilfe der Einrichtung 6 Druckschwankungen in der Flüssigkeit erzeugt werden. Zu diesem Zweck ist die Zufuhrleitung 4 der Einrichtung 6 zur Erzeugung von Druckschwankungen vorgeschaltet.

Die Einrichtung 6 bzw. der Schallerzeuger 6 produziert in der zu behandelnden Flüssigkeit Schallwellen, die in der einzigen Figur angedeutet sind. Die Ausbreitungsrichtung bzw. Richtung R dieser Schallwellen bzw. Kompressionsoder Longitudinalwellen ist ausweislich der Figur winklig, insbesondere rechtwinklig zur Strömungsrichtung S der Flüssigkeit angeordnet. Die Strömungsrichtung S der Flüssigkeit wird anhand eines Pfeils in der Flüssigkeitsleitung 5 deutlich. Außerdem ist die Ausbreitungsrichtung R der Schallwellen ebenfalls durch einen Pfeil markiert. Auf diese Weise stellt die Erfindung sicher, dass sämtliche Flüssigkeitsteilvolumina durch den Bereich der Schallwellen hindurchgeführt werden bzw. hindurchtreten und so die einleitend bereits beschriebene Behandlung erfahren. Tatsächlich wird durch die erzeugten Druckschwankungen in der Flüssigkeit eine besonders feine Verteilung der über die Zufuhrleitung 4 eingebrachten Gasbläschen im Innern der Flüssigkeitsleitung 5 erreicht, wie dies einleitend bereits beschrieben wurde. Der zuvor im Detail beschriebenen Vorrichtung 1 zum Anreichern und insbesondere Sättigen der Flüssigkeit ist eine Entgasungseinheit 2 vorgeschaltet. In dieser Entgasungseinheit 2 wird die insgesamt zu behandelnde Flüssigkeit vor dem Anreicherungsvorgang entgast respektive entlüftet, wie dies in der allgemeinen Beschreibung erläutert wurde. Zu diesem Zweck greift die Erfindung auf eine Entgasungseinheit 2 zurück, die mit Hilfe einer Fliehkraftentgasung arbeitet. Tatsächlich wird die über eine Zuleitung 7 der Entgasungseinheit 2 zugeführte Flüssigkeit im Innern der Entgasungseinheit 2 Fliehkräften ausgesetzt, so dass eine Trennung zwischen Gasphase und Flüssigphase erfolgt. Zu diesem Zweck ist die Entgasungseinheit 2 als Zykloneinheit 2 ausgestaltet, in welcher die einströmende Flüssigkeit aufgrund ihrer Strömungsgeschwindigkeit einen wendeiförmigen Strömungsverlauf mit abnehmendem Radius und folglich steigenden Zentrifugalkräften beschreibt. Jedenfalls findet in der Entgasungseinheit 2 die bereits beschriebene Fliehkraftentgasung statt, so dass in der anschließenden Vorrichtung 1 zum Anreichern und insbesondere Sättigen der Flüssigkeit eine besonders wirkungsvolle und dauerhafte Anlagerung des eingebrachten Gases an den Flüssigkeitsmolekülen beobachtet wird.

Dabei kann das in der vorgeschalteten Entgasungseinheit 2 abgeschiedene Gas ganz oder teilweise in die Zufuhrleitung 4 eingespeist werden, wie die einzige Figur strichpunktiert andeutet. Zuvor ist es natürlich denkbar und liegt im Rahmen der Erfindung, das abgeschiedene Gas in einzelne Gasbestandteile zu separieren und beispielsweise nur Kohlendioxid (CO ₂ ) aus dem abgeschiedenen Gas in die Zufuhrleitung 4 einzuspeisen.

Nachdem die entgaste Flüssigkeit anschließend mit dem gewünschten Gas angereichert bzw. gesättigt worden ist, wird die solchermaßen behandelte Flüssigkeit dem bereits angesprochenen Füllelement 3 zugeführt, und zwar über die Flüssigkeitsleitung 5. Das Füllelement 3 mag herkömmlich aufgebaut sein und beispielsweise an einem nicht dargestellten Rotor angeordnet werden. Tatsächlich sind meistens mehrere Füllelemente 3 an einem solchen Rotor vorgesehen. Außerdem verfügt das Füllelement 3 über ein lediglich angedeutetes Flüssigkeitsventil 8, mit dessen Hilfe die Zufuhr der über die Flüssigkeitsleitung 5 an das Füllelement 3 abgegebenen Flüssigkeit gesteuert wird, um den an das Füllelement 3 angesetzten Getränkebehälter G zu befüllen. Bei dem Getränkebehälter G handelt es sich im Rahmen des Ausführungsbeispiels und nicht einschränkend um eine Flasche. Außerdem ist das Getränk im Beispielfall als Flüssigkeit ausgebildet und bei dem anzureichernden Gas handelt es sich um Kohlendioxid oder auch Sauerstoff.