Verfahren und Vorrichtung zur Abtötung von Mikroorganismen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtötung von Mikroor¬ ganismen in einem gasförmigen und/oder flüssigen und/oder pastö- sen Medium, insbesondere Milch oder Milchprodukte. Soweit das Medium gasförmig ist, kann es Trockenmasse und/oder Feuchtigkeit enthalten. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für Milch und/ oder Milchprodukte geeignet. Es ist aber auch für alle anderen gasförmigen, flüssigen und/oder pastösen Medien geeignet, in denen sich Mikroorganismen befinden. Unter Mikroorganismen wer¬ den dabei Bakterien, Viren, Schimmelpilze, Sporen, Zellen und/ oder Hefen und/oder sonstige Mikroorganismen verstanden. Als Medien, in denen sich abzutötende Mikroorganismen befinden, kommen neben Milch und/oder Milchprodukten insbesondere folgende Medien in Betracht: Blut, Flüssige!, Marmelade, Fruchtsäfte, Bier, Wein. Das erfindungsgemäße Verfahren ist allerdings auch für Wasser geeignet.

Zur Abtötung von Mikroorganismen ("Keimen", insbesondere pathoge nen Keimen) in Medien sind bereits verschiedene Verfahren be¬ kannt. So kann beispielsweise Milch durch folgende Verfahren behandelt werden: Dauererhitzung, Kurzzeiterhitzung, Hocher¬ hitzung, Ultrahocherhitzung und Sterilisierung. Bei den beiden letztgenannten Verfahren soll eine vollständige Abtötung der

Mikroorganismen erreicht werden. Bei den übrigen Verfahren wird nur eine teilweise Abtötung der Mikroorganismen erreicht (also eine "Reduzierung" der Mikroorganismen).

Es wurde allerdings kürzlich entdeckt, daß auch bei der Ultra¬ hocherhitzung auf 135° C oder mehr gewisse Sporen nicht abge¬ tötet werden. Der Keim "Germanicus" ist nach derzeit vorliegen¬ den Erkenntnissen bis 145° C resistent.

Insbesondere im Labormaßstab wurden bereits Ultraschallbehand¬ lungen in nicht bewegten Medien (oftmals in destilliertem Was¬ ser, aber auch in Vollmilch) durchgeführt. Allerdings waren die Erfolge nicht durchschlagend, weil das Medium ruhte, die zeit¬ liche Ultraschallbehandlung viel zu lange (bis zu 30 min. ) und die eingesetzte Energie (bis zum 250 Watt) viel zu niedrig war. Bei einer derartigen Behandlung haben Mikroorganismen (MO) immer ausreichend Gelegenheit zur Anpassung; sie sind dann in der Lage, die Prozedur zu überstehen.

Aus der Literaturstelle "Stomatol DDR"(1975 August) 25 (8) 551-3 ist es bekannt, Geräte, Werkzeuge und Arbeitsprodukte in einer Reinigungslösung in Verbindung mit Ultraschall zu behandeln.

Aus J. APPL. Bacteriol. 71 (5) 1991, 445-451 ist eine Untersu¬ chung bekannt, die zum Ziel hatte, die Hitzeresistenz von Sporen durch eine kombinierte Anwendung von Ultraschall und Hitze zu reduzieren. Die Ultraschallbehandlung wurde mit einer Frequenz von 20 kHz und einer Leistung von 120 Watt bei 12° C über 30 min. durchgeführt. Das mit Ultraschall behandelte Medium wurde inhaltsstoffmäßig verwendet.

Aus SCR MED (BRNO) 63 (7) 1991, 437-442 sind Untersuchungen be¬ kannt, Ultraschallzerkleinerer mit einer Frequenz von 22 kHz und einer Oszillationsamplitude von 48 mm sowie mit einer Frequenz von 20 kHz und einer Oszillationsamplitude von 110 mm einzuset¬ zen. Die Ergebnisse zeigten, daß dabei keine exakte Sterilisa-

tion eintrat. Aus APPL ENVIRON Mikrobil. 57 (7) 1991, 2079-2084 ist es bekannt, eine sich ausbreitende Ultraschallenergie mit einer Frequenz von 26 kHz zu benutzen, um in einer wässrigen

Suspension mit verschiedenen Bakterienkulturen die keimtötende

* Wirkung von Ultraschall beurteilen zu können. Es zeigte sich, daß bei dieser Behandlung mit zunehmender Dauer der Behandlung und zunehmender Intensität signifikante Veränderungen eintreten Die Zeitdauer der Behandlung und die Intensitätsdauer führen je doch zu irreversiblen Veränderungen der sonstigen Inhaltsstoffe.

Aus J. of Applied Bacteriology (1989) 67 (6) 619-628 ist eine Behandlung mit Ultraschallwellen zur Reduzierung der Hitzeein¬ wirkung bei Sterilisationsmaßnahmen in Milch und anderen Lebens mitteln bekannt. Die Ultraschallbehandlung wurde vor der Hitze¬ behandlung mit einer Frequenz von 20 kHz und einer Leistung von 150 Watt für 15 min. bei 31 ° C durchgeführt; es wurde also die Ultraschallbehandlung (Beschallung) mit der Hitzebehandlung (31° C) kombiniert. Es zeigte sich, daß in destilliertem Wasser sig¬ nifikante Reduzierungen bei 70 bis 95° C eintraten. Allerdings konnte auch hierbei keine befriedigende Sterilisation erreicht werden.

Aus der DE-OS 24 38 067 ist ein Sterilisationsverfahren bekannt, bei dem ein zu sterilisierender Gegenstand in einer nicht-letale U gebund gebracht wird und unter Aufrechterhaltung dieser Umgebung einer Ultraschallvibration unterzogen wird.

Alle soeben erwähnten, zum Stand der Technik aufgeführten Verfah ren haben erhebliche Nachteile, da alle diese Verfahren in unbe¬ wegten Medien mit langer (1 min. bis 30 min.) Beschallungsdauer durchgeführt wurden und außerdem in keinem Fall eine für Halt-

* barkeitszwecke und Sterilisationszwecke befriedigende Keimabtö- tung erreicht worden ist. Im Falle einer signifikanten Verände-

* rung (J. of Applied Bacteriology (1989) 67 (6) 619-628) wurden sonstige Inhaltsstoffe irreversibel geschädigt.

Eine sinnvolle wirtschaftliche Anwendung, insbesondere ein kon¬ tinuierlicher Ablauf, sowie die Erhaltung bzw. Verbesserung der ernährungsphysiologischen und sensorischen Wertigkeit ist bei allen aufgezeigten Verfahren nicht möglich.

In vielen Fällen wird eine Ultraschallbehandlung zur Reinigung von Gegenständen verwendet, jedoch nicht zur Keimabtötung. In einem anderen Fall werden Gegenstände in nicht-letaler Umgebung in Vibration gebracht. Auch diesen Verfahren haften bezüglich einer zufriedenstellenden Keimabtötung erhebliche Nachteile an. Sie werden in nicht bewegten Medien, in Reinigungsflüssigkeiten bzw. in einer nicht-letalen Umgebung durchgeführt.

Aus der DE-OS 2438 067 ist ein Verfahren zur Ultraschall-Ste¬ rilisation bekannt, bei dem ein zu sterilisierender Gegenstand in eine nicht-letale Umgebung gebracht und unter Aufrechterhal¬ tung dieser Umgebung einer Ultraschall-Vibration unterzogen wird. Der durch die Vibration bewirkte Temperaturanstieg des Gegenstandes wird auf einen vorbestimmten Höchstwert begrenzt. Zur Begrenzung der Temperatur wird der Gegenstand intermittie¬ rend der Vibration ausgesetzt. Bei einem Temperaturanstieg, der durch Vibration bewirkt wird, ist jedoch eine bestimmte zeitli¬ che Dauer zum Erreichen der jeweiligen Temperatur er orderlich. Während dieser Zeit treten in einem labilen System wie beispiels¬ weise Milch jedoch Gleichgewichtsveränderungen unkontrollierba¬ rer Art ein. Diese unkontrollierbar ablaufenden Gleichgewichts- beziehungen, beispielsweise zwischen Eiweißmicellen und Submi- cellen oder bestimmten mit Eiweiß in Beziehung stehenden Salzen sind in der Lage, abzutötenden Mikroorganismen Schutz in Form einer Membranverdickung zu gewähren, so daß diese Mikroorganis¬ men nicht mehr durch Ultraschallwellen zerstört werden können. Ferner werden bei einer durch Ultraschallwellen bewirkten Tem¬ peraturerhöhung und der damit verbundenen Zeitdauer Enzyme akti¬ viert, die während eines langsamen Temperaturanstiegs Bindungen spalten, die sowohl technologisch im Sinne der obigen Ausführun¬ gen als auch sensorisch Nachteile bringen.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen und ein verbessertes Verfahren zur Abtötung von Mikroorganismen in einem gasförmigen, flüssigen und/oder pastösen Medium vorzuschl gen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Medium mit Ultraschall behandelt wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen be¬ schrieben.

Vorzugsweise wird das Medium für einen Zeitraum von höchstens 6 sec. mit Ultraschall behandelt. Die Frequenz des Ultraschalls beträgt vorzugsweise mindestens 18 kHz ferner vorzugsweise min¬ destens 20 kHz. Die Leistung des Ultraschalls beträgt vorzugs¬ weise mindestens 2.000 Watt. Vorzugsweise wird das Medium während der Ultraschallbehandlung bewegt.

Es hat sich gezeigt, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren die Mikroorganismen teilweise oder vollständig abgetötet werden können. Als weiterer vorteilhafter Effekt der Ultraschallbehand¬ lung ergibt sich eine Homogenisierung des Mediums. Während der Ultraschallbehandlung wird das Medium bewegt; dies kann dadurch erfolgen, daß das Medium fließt und/oder strömt. Die Ultraschall behandlung wird also in einem bewegten und/oder fließenden und/ oder strömenden Medium durchgeführt.

Nach den bisher bekannten Verfahren konnte der Gehalt an Mikro¬ organismen nur um zwei Zehnerpotenzen, also auf etwa 1 %, abge¬ senkt werden. In vielen Anwendungsfällen ist es jedoch erforder¬ lich, eine Absenkung des Gehalts an Mikroorganismen auf minde¬ stens vier Zehnerpotenzen zu erreichen, um den Qualitätsanforde¬ rungen gerecht zu werden. Bei einer Anwendung in der Milchwirt¬ schaft ist dies deshalb erforderlich,. da andernfalls die Milch zu schnell schlecht werden würde. Bei der erforderlichen Absen-

kung des Gehalts an Mikroorganismen geht es letztlich darum, eine ausreichende Lagerfähigkeit und Erhaltung der Qualität, insbesondere der Frische, der Produkte, insbesondere der Milch¬ produkte, zu erreichen.

Im Temperaturbereich zwischen 15° C und 58° C erfolgen bei Milch und Flüssige!, aber auch bei anderen zu behandelnden Medien, sensorische Veränderungen. Der Grund hierfür liegt darin, daß inaktive Enzyme in diesem Temperaturbereich aktiviert werden, die den Stoffwechsel beschleunigen (katalysieren) und auf diese Weise unerwünschte StoffWechselprodukte entstehen lassen. Nach einer besonders vorteilhaften Weiterbildung wird deshalb vorge¬ schlagen, daß die Ultraschallbehandlung bei einer Temperatur des Mediums von mindestens 58° C oder höchstens 15° C durchgeführt wird.

Eine vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß der erfindungsgemäß durchzuführenden Ultraschallbehandlung eine Ultraschallbehandlung eines bewegten oder unbewegten mikroorga- nismenhaltigen Mediums bei Temperaturen von 0 bis 50° C, vor¬ zugsweise 45° C, und einer Intensität von 1800 Watt oder mehr sowie einer Beschallungsdauer von 30 bis 60 sec. derart voraus¬ geht, daß die Wasseraktivität im Medium durch Oberflächenver- änderung der dispergierten, e ulgierten und gelösten Stoffe im zu behandelnden Medium geändert wird.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeich¬ net, daß die nach der soeben erläuterten vorteilhaften Weiterbil¬ dung durchgeführte Ultraschallbehandlung durch Impulsbeschallung und/oder durch Mehrfachbeschallung und/oder durch unterschied¬ lich gerichtete Beschallung bei Temperaturen von 0 bis 50° C, einer Beschallungsdauer von 30 bis 60 sec. und einer Intensität von 500 bis 2500 Watt zu einer Oberflächen- und/oder Membranände¬ rung der Mikroorganismen führt.

Vorzugsweise wird das Medium mit gerichtetem Ultraschall behan-

delt. Die Ultraschallwellen sind also gerichtet; es wird eine "gerichtete Ultraschallbehandlung" durchgeführt.

Die Ultraschallbehandlung wird vorzugsweise bei variierenden Temperaturen durchgeführt. Vorzugsweise beträgt die Temperatur des Mediums 0 bis 100° C.

Vorzugsweise wird die Behandlung mit Ultraschall bei erhöhter Temperatur durchgeführt. Es hat sich gezeigt, daß die Ultra¬ schallbehandlung zum Zwecke der Mikroorganismen- Abtötung in einem Temperaturbereich von 25 bis 50° C zwar funktioniert, abe wenig effektiv ist. In diesem Bereich entfalten nämlich die Mikroorganismen eine verhältnismäßig rege StoffWechseltätigkeit. Die Ultraschallbehandlung wird folglich vorzugsweise mit einer Temperatur durchgeführt, die mindestens 58° C beträgt. Ab dieser Temperatur läßt sich eine deutliche Verbesserung der Ergebnisse feststellen. Es ist bei bestimmten Bedingungen bereits möglich, die Mikroorganismen nicht nur zu reduzieren, also nicht nur eine teilweise Abtötung der Mikroorganismen herbeizuführen, sondern die Mikroorganismen abzutöten, also eine vollständige Abtötung der Mikroorganismen zu erreichen. Nach einer weiteren vorteil¬ haften Weiterbildung wird die Ultraschallbehandlung bei einer Temperatur von mindestens 60° C, vorzugsweise mindestens 65° C, vorzugsweise mindestens 70° C durchgeführt. Es hat sich gezeigt, daß ab 70° C die Mikroorganismen vollständig abgetötet werden können.

Es ist ferner vorteilhaft, die Behandlung mit Ultraschall bei erniedrigter Temperatur durchzuführen. Praktische Versuche haben ergeben, daß auch bei einer erniedrigten Temperatur die Mikroor¬ ganismen besonders effektiv abgetötet werden können. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Temperatur höchstens 15° C beträgt. Bei einer Temperatur von höchstens 10° C ist eine weitere Stei¬ gerung der Effektivität des Verfahrens möglich.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird die Tempe-

ratur des Mediums während der Behandlung mit Ultraschall auf einer konstanten Temperatur gehalten. Durch die Behandlung mit Ultraschall wird Energie in das Medium eingebracht, die norma¬ lerweise zu einer Temperatursteigerung in dem Medium führt. Um zu verhindern, daß dadurch die höchstzulässige Temperatur überschritten wird, wird das Medium derart gekühlt, daß seine Temperatur gleich bleibt. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, daß die optimale und höchstzulässige Temperatur während des Verfahrens beibehalten wird. Von besonderer Bedeutung ist dies für Flüssige!, das keinesfalls bestimmte Temperaturen über¬ schreiten darf.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeich¬ net, daß die Behandlung mit Ultraschall zunächst bei erhöhter Temperatur und anschließend bei erniedrigter Temperatur durch¬ geführt wird. Bei diesem zweistufigen Verfahren ist es nicht unbedingt erforderlich, daß bereits in der ersten Stufe, also bei erhöhter Temperatur, alle Keime abgetötet werden. Folglich muß die Temperatur der ersten Stufe nicht ganz so hoch gewählt werden, wodurch das Medium geschont wird. Hierdurch kann eine gewisse Steigerung der Naturbelassenheit erreicht werden. Es ist aber auch möglich, die erste, erhöhte Temperatur so hoch wie bei einer ausschließlichen Behandlung bei erhöhter Temperatur zu wählen. In diesem Fall wird die erreichbare Sicherheit verdop¬ pelt.

Es ist auch möglich, das umgekehrte Verfahren durchzuführen, die Behandlung mit Ultraschall also zunächst bei erniedrigter Tempe¬ ratur und anschließend bei erhöhter Temperatur durchzuführen. In beiden Fällen ist unter einer "erhöhten" Temperatur die oben beschriebene erhöhte Temperatur zu verstehen, ebenso eine "ernie¬ drigte" Temperatur.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeich¬ net, daß die Temperatur des Mediums, ausgehend von einer Tempera¬ tur von mindestens 58° C, während der Ultraschallbehandlung er-

höht wird. Dies hat sich als besonders wirkungsvoll erwiesen. Die Ultraschallquelle kann dabei als Energiequelle zur Tempera¬ turerhöhung benutzt werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung fällt die Lei¬ stung bzw. die Intensität der Ultraschallquelle mit zunehmender Temperatur ab. Die Leistung bzw. Intensität des auf das Medium wirkenden Ultraschalls ist also umso geringer, je höher die Temperatur ist.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeich net, daß die Temperatur des Mediums, ausgehend von einer Tempe¬ ratur von höchstens 15° C, während der Ultraschallbehandlung vermindert wird. Auch dies hat sich als besonders wirkungsvoll erwiesen.

Vorzugsweise steigt die Leistung bzw. die Intensität der Ultra¬ schallquelle mit abnehmender Temperatur des Mediums an. Die Leistung bzw. Intensität des auf das Medium wirkenden Ultra¬ schalls ist also umso höher, je geringer die Temperatur ist.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden die Temperaturveränderungen stufenweise durchgeführt. Nach einer Temperaturveränderung wird während einer bestimmten Haltezeit keine Temperaturveränderung durchgeführt. Während dieser Hal¬ tezeiten und/oder währnd der Temperaturveränderungszeiten ist e möglich, eine vollständige oder teilweise oder keine Ultraschal behandlung durchzuführen.

Vorzugsweise wird die Ultraschallbehandlung einmal oder mehrmal wiederholt. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß das Medium eine Vorrichtung durchströmt, in der in Strömungsrichtun mehrere Ultraschallquellen hintereinander angeodnet sind.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn vor der Wiederholung der Ultraschallbehandlung die Temperatur des Mediums auf den Aus-

gangswert gebracht wird.

Vorzugsweise wird die Behandlung mit Ultraschall während einer vorbestimmten Zeit durchgeführt. Praktische Versuche haben erge¬ ben, daß im Prinzip mit der Dauer der Ultraschallbehandlung die Anzahl der abgetöteten Mikroorganismen ansteigt. Vorzugsweise beträgt die Ultraschall-Behandlungszeit mindestens 10 sec. Bei einer Erhitzung auf 85° C ist es dann möglich, alle Mikroorga¬ nismen in Milch abzutöten. Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung beträgt die Zeitdauer der Behandlung mit Ultra¬ schall mindestens 30 sec.. Eine vollständige Abtötung der Mikro¬ organismen ist dann in Milch möglich, wenn die Temperatur höch¬ stens 10° C oder mindestens 70° C beträgt.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung beträgt die Zeitdauer der Ultraschallbehandlung mindestens 45 sec.. Dann kann in Milch eine vollständige Abtötung der Mikroorganismen erreicht werden, wenn die Temperatur mindestens 60° C beträgt.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeich¬ net, daß die Zeitdauer der Ultraschallbehandlung, also die Be¬ schallungszeit, 5 bis 30 sec. beträgt.

Es hat sich gezeigt, daß umso mehr Mikroorganismen abgetötet wer¬ den, je geringer die Viskosität des Mediums ist. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist deshalb dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung mit Ultraschall bei verringerter Viskosität des Mediums durchgeführt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei einem pH-Wert von 7, also in einem neutralen Medium, durchgeführt werden. Es ist allerdings vorteilhaft, wenn der pH-Wert von 7 verschieden ist, wenn das Medium also mehr oder weniger sauer oder basisch ist.

Vorzugsweise ist der pH-Wert des Mediums geringer als 7, ferner vorzugsweise geringer als 6,8. Dies ist besonders bei Milch von

Bedeutung, weil die Eiweißbindungen in der Milch aufgelöst werden, wenn der pH-Wert über 7 liegt.

Bei anderen Medien kann statt einer Verringerung des pH-Wertes auch eine Steigerung des pH-Wertes über 7 vorzugsweise über 7,1 vorgenommen werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird das Medium vor, während und/oder nach der Ultraschallbehandlung mit Mikro¬ wellen bestrahlt. Durch diese Mikrowellenbestrahlung kann die erforderliche Temperatur eingestellt werden. Es ist ferner mög¬ lich, stattdessen oder zusätzlich durch die Ultraschallbehand¬ lung die Effektivität der Mikroorganismen-Abtötung zu steigern.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden das Me¬ dium und damit die darin befindlichen Mikroorganismen, Zellen, Sporen und dergleichen einer variierenden Ultraschallintensität ausgesetzt. Die Ultraschallintensität kann ansteigend sein. Sie kann aber auch abfallend sein. Sie kann ferner zunächst anstei¬ gend und dann abfallend sein. Schließlich kann die Ultraschall¬ intensität auch zunächst abfallend und dann ansteigend sein.

Vorzugsweise wird die Intensität des auf das Medium wirkenden Ultraschalls während der Ultraschallbehandlung erhöht. Dies kan am einfachsten dadurch erreicht werden, daß das Medium in Rich¬ tung auf die Ultraschallquelle hin strömt. Ein bestimmtes Volumen bzw. Volumenelement des Mediums wird dann umso intensi¬ ver bestrahlt, je näher es der Ultraschallquelle gekommen ist. Wenn nicht mit einem strömenden Medium, also nicht kontinuier¬ lich, sondern mit einem ruhenden Medium gearbeitet wird, kann die Intensität des auf das Medium wirkenden Ultraschalls dadurc erhöht werden, daß die Leistung der Ultraschallquelle gesteiger wird.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeich¬ net, daß die unterschiedlichen Ultraschallintensitäten impuls-

artig durchgeführt und/oder kurzfristig unterbrochen werden. Vorzugsweise werden die impulsartig durchgeführten und/oder kurzfristig unterbrochenen unterschiedlichen Ultraschallinten¬ sitäten durch eine Mikrowellenbehandlung begleitet, deren Zeit¬ dauer vorzugsweise 3 sec, bevorzugt weniger als 3 sec. beträgt.

Vorteilhaft ist es, wenn die Bewegung des Mediums zur Ultra¬ schallquelle hin oder von der Ultraschallquelle weg oder quer zur Ultraschallquelle gerichtet ist. Die Bewegungsrichtung des Mediums kann auch aus einer Kombination der soeben beschriebenen Möglichkeiten bestehen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird die Intensi tät der Beschallung durch Abstände der Ultraschallquelle zum Me¬ dium, durch Berührung der Ultraschallquelle mit dem Medium und durch die Eintauchtiefe der Ultraschallquelle in das Medium re¬ guliert.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden mehrere Ultraschallquellen verwendet. Die Ultraschallquellen können hin¬ tereinander geschaltet oder parallel geschaltet sein.

Vorzugsweise besitzen die Ultraschallquellen eine spezielle An¬ ordnung zum Medium. Sie können senkrecht, quer oder schräg an¬ geordnet sein. Es ist auch möglich, eine abwechselnde Anordnung aus diesen Möglichkeiten vorzusehen.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeich¬ net, daß der Effekt der Ultraschallbehandlung durch die Wirkungs tiefe erzielt wird.

Die Ultraschallbehandlung kann mehrmals durchgeführt werden.

Ferner kann die Ultraschallbehandlung durch in der Leistung unterschiedliche Ultraschallquellen durchgeführt werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird in strömen den gasförmigen Medien der Trockenmasseanteil und/oder der Feuchtigkeitsanteil variiert.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeich net, daß in den zu behandelnden Medien während, vor oder nach einer Ultraschallbehandlung die Temperaturen, pH-Werte, Visko¬ sitäten, Trockenmassebestandteile, Feuchtigkeitsanteile, Flie߬ geschwindigkeiten, Strömungsgeschwindigkeiten und/oder die Be¬ wegungsintensität variiert werden.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeich net, daß grob- und/oder feindisperse Substanzen in den Beschal¬ lungsraum eingeleitet werden und/oder grob- und/oder feindisper se Substanzen im zu beschallenden Substrat zusätzlich entstehen und diese im Beschallungsraum zurückgehalten werden, so daß die Abtötung vorhandener Mikroorganismen und/oder Homogenisierungs¬ effekte beschleunigt werden.

Vorzugsweise beträgt die Dichte des Mediums mindestens 1,01

Die Aktivität des Mediums bzw. die Wassseraktivität beträgt vor zugsweise höchstens 0,995.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, also eine Vorrichtung zur Be¬ handlung eines gasförmigen, flüssigen und/ oder pastösen Medium mit Ultraschall. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem vorzugsweise zylindrischen Gefäß mit einem Zufluß und einem Abfluß und aus einer Ultraschallquelle (Sonotrode). Vor-

0 zugsweise ragt die Ultraschallquelle in das Gefäß und in das Medium hinein. Es ist aber auch möglich, die Ultraschallquelle in einem gewissen Abstand von dem Medium anzuordnen, also bei¬ spielsweise in einem gewissen Abstand über einem Flüssigkeits- spiegel.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der weiteren Unter¬ ansprüche.

Vorzugsweise ist der Zufluß im unteren Bereich des Gefäßes und der Abfluß im oberen Bereich des Gefäßes angeordnet. Die Ultra¬ schallquelle ist dann im oberen Bereich des Gefäßes vorgesehen.

Nach einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist der Zufluß im oberen Bereich des Gefäßes und der Abfluß im unteren Bereich des Gefäßes angeordnet. Die Ultraschallquelle ragt in das Gefäß hin¬ ein. Hierbei beträgt der Abstand zwischen der Ultraschallquelle und dem Abfluß vorzugsweise 60 bis 80 mm.

Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind mehrere, vor zugsweise zwei Ultraschallquellen vorgesehen, vorzugsweise auf verschiedenen Seiten des Gefäßes.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung besitzt die Ul¬ traschallquelle eine bestimmte Form, bevorzugt eine runde Form.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeich¬ net, daß die Ultraschallquelle in einen abgeschlossenen Raum eintaucht, in dem Drücke bis zu 10 bar, bevorzugt 6 bar, erzeugt werden können und/oder in dem Unterdrücke erzeugt werden können.

Vorzugsweise sind die Ultraschallquellen so gelagert, daß keine direkte Berührung mit Umgebungsmaterial gegeben ist.

In einer besonderen Ausgestaltung des Verfahrens und der Vor¬ richtung wird eine in sich variierende Ultraschallintensität mittels einer oder mehrere Ultraschallquellen in bestimmten An¬ ordnungen durchgeführt bzw. erreicht. Weiterhin hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, die Ultraschallbehandlung selbst im¬ pulsartig oder mit kurzfristigen Unterbrechungen durchzuführen. Diese Behandlung wird insbesondere durch entsprechende Abstände der Ultraschallquelle zum bewegten Medium bzw. durch Berührung

bzw. durch entsprechende Eintauchtiefen der Ultraschallquelle des bzw. in das bewegte Medium gefördert.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Vorrichtung von dem Medium durchströmt wird und da in der Vorrichtung mehrere Ultraschallquellen in Strömungsrich¬ tung hintereinander vorgesehen sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand de beigefügten Zeichnung im einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur Behandlung eines Mediums mit Ultraschall in eine schematischen Darstellung,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer derartigen Vor richtung und

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform einer derartigen Vor richtung.

Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung zur Behandlung eines Mediums mit Ultraschall besteht aus einem zylindrischen, aufrechtstehen¬ den Gefäß 1 mit einem Zufluß 2 und einem Abfluß 3. Der Zufluß 2 ist im unteren Bereich des Gefäßes 1 angeordnet, der Abfluß 3 i oberen Bereich des Gefäßes 1. Ferner ist im oberen Bereich des Gefäßes 1 eine Ultraschallquelle 4 vorgesehen, die in das Gefäß und in das darin befindliche Medium hineinragt. Um eine optimale Wirkung der Ultraschallquelle zu erreichen, muß diese eine gewis se Mindesteintauchtiefe haben. Praktische Versuche haben erge¬ ben, daß die optimale Eintauchtiefe bei 1 mm liegt. Das Gefäß 1 wird kontinuierlich durchströmt.

Die Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrich-

tung zur Behandlung eines flüssigen Mediums mit Ultraschall. Auch dort ist ein zylindrisches Gefäß 11 mit einem Zufluß 12 und einem Abfluß 13 vorhanden. Die Ultraschallquelle 14 ragt in das Gefäß 11 und in das darin befindliche Medium hinein. Der Zufluß

12 ist im oberen Bereich des Gefäßes 11 angeordnet, der Abfluß

13 führt unten aus dem Gefäß heraus. Das Gefäß 11 ist im unteren Bereich trichterförmig 15 ausgebildet. Der Abstand zwischen der Ultraschallquelle 14 und dem Eintrittsquerschnitt 16 des Abflus¬ ses 13 beträgt 60 bis 80 mm. Auch die Vorrichtung gemäß Fig. 2 wird kontinuierlich durchströmt.

Die Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vorrich¬ tung zur Behandlung eines Mediums mit Ultraschall. Das zylindri¬ sche Gefäß 21 besitzt einen Zufluß 22 und einen Abfluß 23. Es sind zwei Ultraschallquellen 24, 25 vorgesehen, die sich auf verschiedenen Seiten des Gefäßes 21 befinden und die auch einen horizontalen Abstand voneinander aufweisen. Auch die Vorrichtung gemäß Fig. 3 wird kontinuierlich durchströmt. Je nach Bedarf können auch mehr als zwei Ultraschallquellen vorgesehen werden.

Bei praktisch durchgeführten Versuchen wurde Rohmilch mit Ultra¬ schall behandelt. Es hat sich gezeigt, daß umsomehr Mikroorganis¬ men abgetötet werden, je größer der auf die Mikroorganismen wir¬ kende Streß ist. Hierbei hat sich herausgestellt, daß auf die Mikroorganismen folgende Streßfaktoren wirken: Temperatur, pH- Wert, mechanischer Streß durch Ultraschallbehandlung. Hinsicht¬ lich der Temperatur ist der auf die Mikroorganismen wirkende Streß im Temperaturbereich von 35 bis 50° C am geringsten. Über 50° C steigt der Streß an, ebenso unter 35° C. Hinsichtlich des pH-Wertes steigt der Streß ebenfalls mit der Abweichung vom neutralen pH-Wert 7 nach oben oder unten an. Hinsichtlich der mechanischen Beanspruchung durch Ultraschall steigt der Streß auf die Mikroorganismen mit der Intensität (Energie) des Ultra¬ schalls und der Zeitdauer der Ultraschallbehandlung an.

Bei praktischen Versuchenwurden unterschiedliche Zeit-Temperatur-

korrelationen untersucht. Ausgangsmaterial war jeweils 400 ml Rohmilch in einem Becherglas von 500 ml Inhalt. Die durchgeführ¬ ten Versuche und deren Ergebnisse werden nachstehend in Tabellen form wiedergegeben:

I. a) Rm beschallt bei 10"C, 30 sec. b) Rm beschallt bei lO'C, 45 sec.

II. ^' a) Rm beschallt bei 30 ^β C, 30 sec. b) Rm beschallt bei 30*C, 45 sec.

III. a) Rm beschallt bei 60°C, 30 sec. b) Rm beschallt bei 60 ^* C, 45 sec.

IV. a) Rm beschallt bei 70°C, 30 sec. b) Rm beschallt bei 70'C, 45 sec.

Auswertung: Bestimmung der Gesamtkeimzahl

c = 221.000 KbE/ml

c = 22.000 KbE/ml

c = 12.000 KBE/ml

* * * c = 10.000 KbE/ml

*

*

IVb -2

*

_Λ c = IO.OOO KbE/ml

* * *

Hierin bedeuten:

"Rm" = "Rohmilch" mit einer Ausgangs-Keimbelastung von einer Million Keimen pro Milliliter (ml)

"c" = Durchschnittswert

"*" = Der Keimanteil liegt unter 10 KbE, ist also nich mehr nachweisbar.

Die Angabe der Verdünnung in Werten von -2, -3 und -4 entspricht den Verdünnungsreihen nach mikrobiologischem Standard.

Bei einer Beschallung von Rohmilch für 30 Sekunden bei 10° C (Fall Ia) wurde bei einer Verdünnung von -2 und -4 (jeweils Doppelproben) keine koloniebildenden Einheiten festgestellt. Die festgestellten koloniebildenden Einheiten bei einer Verdünnung von -3 müssen auf einer Kontamination des Gefäßes beruhen.

Im Fall Ib wurde Rohmilch für 45 Sekunden bei 10° C beschallt. An sich müßten bei einer Verdünnung von -3 und -4 weniger koloniebildende Einheiten feststellbar sein als bei einer Verdünnung von -2. Hieraus folgt, daß auch die Feststellung der koloniebildenden Einheiten bei der Verdünnung von -3 und -4 auf einer Kontamination des Gefäßes beruhen müssen.

Bei der Beschallung von Rohmilch bei 30° C für 30 Sekunden (Fall Ha) und für 45 Sekunden (Fall Ilb) wurden bei einer Verdünnung von -2 keine koloniebildenden Einheiten festgestellt. Bei den größeren Verdünnungen von -3 und -4 wurden koloniebildende Einheiten festgestellt, jedoch unter starker Reduzierung des Ausgangs-Keimgehaltes (eine Million KbE).

Bei einer Temperatur von 60° C wurde ebenfalls eine sehr starke Keimreduzierung festgestellt, und zwar sowohl bei einer Beschallungsdauer von 30 Sekunden (Fall lila) als auch bei einer

Beschallungsdauer von 45 Sekunden (Fall Illb). Eine vollständig Abtötung wurde erreicht bei einer Verdünnung von -4 und (bei einer Probe) auch bei einer Verdünnung von -3 und einer Beschallungsdauer von 45 Sekunden.

Bei einer Temperatur von 70° C wurde eine vollständige Abtötung der Mikroorganismen erreicht, und zwar bei allen Verdünnungen und sowohl bei einer Beschallungsdauer von 30 Sekunden (Fall IVa) als auch bei einer Beschallung von 45 Sekunden (Fall IVb).

Die bisherigen Auswertungen deuten darauf hin, daß ein besserer Abtötungseffekt bei sehr hohen Temperaturen bzw. niedrigen Temperaturen eintritt. Hierbei scheinen aber Temperaturen um 65° C bis 70° C durchaus zu genügen. Ferner scheint es so zu sein, daß bereits verhältnismäßig kurze Beschallungszeiten von 30 Sekunden oder 45 Sekunden ausreichend sind.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger Beispiele erläu¬ tert:

Beispiel 1: In Milch wird die Dichte auf einen Wert über 1,01 g/cw gebracht. Die Wasseraktivität wird auf un¬ ter 0,995 abgesenkt. Der pH-Wert wird auf weniger als 6,8 oder mehr als 7,1 eingestellt. Die Tempe¬ ratur wird auf über 58° C eingestellt. Hierdurch ändert sich auch die Viskosität der Milch. Die so vorbereitete Milch wird einer Ultraschallbehand¬ lung mit einer Frequenz von mindestens 18 kHz un¬ terzogen. Die Temperatur der Milch wird, begin¬ nend bei 58° C, während des Beschallungsvorganges bis auf maximal 29° C erhöht. Die Beschallungsdau er beträgt 5 bis 30 sec.. Bei einer Beschallungs¬ dauer von 30 sec. werden nach 20 sec. etwa 74° C erreicht und nach weiteren 10 sec. 99° C. Die Ultraschallbehandlung wird also derart durchge¬ führt, daß die Milch nach 20 sec. eine Temperatur

von 74° C hat und nach weiteren 10 sec. eine Tem peratur von 99° C hat. Die Leistung der Ultra¬ schallquelle bzw. des Ultraschalls fällt mit die ser ansteigenden Temperatur ab. In der so behan¬ delten Milch sinkt die Anzahl der Mikroorganisme um vier Zehnerpotenzen.

Beispiel 2; Es wird wiederum Milch behandelt, die wie in Bei spiel 1 vorbereitet wird. Im Unterschied zu Bei¬ spiel 1 beträgt die Temperatur der Milch während der Ultraschallbehandlung allerdings höchstens 15° C. Zunächst wird die Temperatur der Milch au 15° C eingestellt. Dann beginnt die Ultraschall¬ behandlung. Während der Ultraschallbehandlung wird die Temperatur bis auf 0° C erniedrigt. Die Beschallungsdauer beträgt 15 bis 120 sec. Die Temperatur fällt je nach Beschallungsdauer linea ab. Die Leistung der Ultraschallquelle steigt mit abfallender Temperatur an.

Beispiel 3: Wie Beispiel 1 und 2; nach einer durchgeführten Ultraschallbehandlung wird diese Ultraschallbe¬ handlung einmal oder mehrmals in gleicher Weise wiederholt. Vor einer Wiederholung der Ultra¬ schallbehandlung wird die Temperatur der Milch auf den jeweiligen Ausgangspunkt gebracht. Im Beispiel 1 wird die Temperatur der Milch also vor der Wiederholung der Ultraschallbehandlung auf 58° C gebracht. Im Beispiel 2 wird die Temperatur der Milch vor der Wiederholung der Ultraschallbe¬ handlung auf 15° C gebracht. Die wiederholten Be¬ schallungsmaßnahmen können dadurch bewirkt wer¬ den, daß die Milch in einer Vorrichtung strömt und daß in dieser Vorrichtung mehrere Ultraschal1 quellen in Strömungsrichtung hintereinander ange¬ ordnet sind.

Beispiel 4: Die Milch wird in einer Vorrichtung behandelt, die von der Milch durchströmt wird. Der Strom der anströmenden Milch wird geteilt und mittels ne¬ beneinander geschalteter Ultraschallquellen be¬ handelt.

Beispiel 5: Wie Beispiel 1; während der Temperaturerhöhung, die während der Ultraschallbehandlung stattfin¬ det, werden Temperaturhaltezeiten vorgesehen, während der die Temperatur nicht erhöht wird. Dies geschieht innerhalb des Temperaturbereiches von 58° C bis 71° C. Die Temperaturhaltezeiten können ohne oder mit Beschallung vorgenommen wer¬ den.

Beispiel 6: Wie Beispiel 2; innerhalb des Temperaturbereiches von 15° C bis 6° C werden Temperaturhaltezeiten ohne oder mit Beschallung vorgenommen.

Beispiel 7: Wie Beispiel 1; die Temperaturveränderungen von 58° C bis 99° C werden stufenweise durchgeführt.

Beispiel 8: Wie Beispiel 2; die Temperaturveränderungen von 15° C bis 0° C werden stufenweise durchgeführt.