DE2933176C2 - Verfahren und ultraschallvorrichtung zur kontinuierlichen homogenisierung oder emulgierung von fluessigkeiten. - Google Patents
Verfahren und ultraschallvorrichtung zur kontinuierlichen homogenisierung oder emulgierung von fluessigkeiten.Info
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Homo
genisierung oder Emulgierung einer Flüssigkeit, bei dem die
unbehandelte Flüssigkeit kontinuierlich über eine Zuführleitung
in eine Ultraschallkammer gefördert wird, bei dem die Flüssig
keit in der Ultraschallkammer an einer oder mehreren Ultra
schallgenerator-Oberflächen vorbeigeführt wird und dabei einer
kinematischen, mechanischen Behandlung unterzogen wird, und
beim dem die behandelte Flüssigkeit kontinuierlich aus der
Ultraschallkammer gefördert wird.
Die Erfindung betrifft auch eine Ultraschallvorrichtung zur Durchfüh
rung eines derartigen Verfahrens mit einer Ultraschallkammer,
die eine Zuführleitung zum Zuführen der unbehandelten Flüssig
keit und einen Auslaß zum Wegfördern der behandelten Flüssig
keit aufweist, mit mindestens einer Ultraschallgenerator-Ober
fläche in der Ultraschallkammer und mit mindestens einer mecha
nischen Rühreinrichtung wie einem Propeller, einer Schraube
oder Lamelle in der Ultraschallkammer.
Die schwedische Patentschrift 2 25 122 beschreibt eine Vor
richtung der eingangs genannten Art, bei der die einflies
sende Flüssigkeit in Teilströme aufgeteilt wird. Diese Teil
ströme werden veranlaßt, eine große Anzahl kleiner Löcher
zu passieren, und werden in Richtung auf einen Bearbeitungs
schlitz beschleunigt, wo die Bearbeitung durch Schneiden,
Quetschen und Feinmahlen durchgeführt wird, wobei die
kleinen Teilchen anschließend zwangsweise durch eine große
Zahl von Schallbehandlungskammern durchgeführt werden, in
denen die Teilchen zusätzlich zu der Schallbehandlung in
dem aufwärtsführenden Strom auch Schallvibrationen in der
Querrichtung unterworfen werden. Eine solche Vorrichtung
ist relativ kompliziert, erfordert viel Energie und ist
wegen der kleinen Löcher schwierig zu reinigen, was einen
wesentlichen Nachteil darstellt, insbesondere dann, wenn
die Vorrichtung zur Homogenisierung von Milch oder zur
Behandlung von anderen Nahrungsmitteln verwendet werden
soll.
Die GB-PS 14 37 286 beschreibt eine Vorrichtung weit ein
facherer Bauweise. Bei dieser Vorrichtung wird die Flüssig
keit, z. B. zu homogenisierende Milch, einfach durch ein
T-Rohr an der Oberfläche eines Ultraschallgenerators vor
beigepumpt. Diese Vorrichtung ist zugegebenermaßen leicht
zu reinigen, aber selbst bei Verwendung von viel Energie
zum Herstellen von Ultraschall und einer geringen Menge
an durchgehender Flüssigkeit gewährleistet sie kein Produkt
von ausreichend guter Qualität, d. h., mit praktisch voll
kommener Auflösung und gleichförmiger Dispersion der
Bestandteile in der homogenisierten oder emulgierten Flüs
sigkeitsmischung. Eine wirksame Ultraschallbehandlung ge
schieht nur in der Grenzschicht der an der Oberfläche des
Ultraschallgenerators vorbeigelangenden Flüssigkeit. Bei
einem etwas größeren Abstand von dieser Grenzfläche gibt
es keine bemerkbare Emulgierung, und der Ultraschall be
sitzt selbst keine mischende oder knetende Wirkung und
verstärkt daher nicht das Feinzerkleinern von z. B. Wassertropfen in
Brennstofföl. Da die an der Ultraschallgenerator-Oberfläche
mit einem etwas größeren Abstand vorbeigepumpten Flüssig
keitsmengen nicht die Möglichkeit besitzen, zurückgeleitet
zu werden und die Oberfläche berühren zu können, erlaubt
diese bekannte Vorrichtung nur eine nicht ausreichende
Homogenisierung oder Emulgierung und eine Vermischung,
die nicht ausreicht, eine gleichförmige Dispersion der
Bestandteile in der Flüssigkeit zu gewährleisten, selbst
nicht bei einem relativ hohen Energieverbrauch und unter
der Verwendung nur einer geringen Menge von Flüssigkeit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der
eingangs genannten Art zu schaffen, mit dessen Hilfe wirksam
eine große Flüssigkeitsmenge pro Zeiteinheit bei geringem Ener
gieverbrauch behandelt werden kann und das die Verwendung einer
relativ kleinen, einfach und billig zu bauenden und leicht zu
reinigenden Vorrichtung ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs
genannten Art vorgesehen, daß mindestens eine Zufuhrleitung
vorhanden ist, daß in der Ultraschallkammer eine Umlaufströmung
erzeugt wird, daß die unbehandelte Flüssigkeit während der
kontinuierlichen Beimischung zu der Umlaufströmung als dünne
Fließschicht über die Ultraschallgenerator-Oberflächen geführt
wird, und daß der Austritt der behandelten Flüssigkeit aus der
Ultraschallkammer unmittelbar nach dem Passieren einer Ultra
schallgenerator-Oberfläche erfolgt.
Die Erfindung verwendet den Umstand, daß die Ultraschall-
Homogenisierung spontan an den eigentlichen Oberflächen
des Ultraschallgenerators vorkommt, da diese Oberflächen
die höchste Ultraschallintensität besitzen, wodurch ein
heftiges Umrühren der Flüssigkeit in der Ultraschallkammer
einen beachtlichen Flüssigkeitswechsel auf den Oberflächen
des Ultraschallgenerators erzeugt und dadurch ein beacht
liches Ansteigen in der Homogenisierungsgeschwindigkeit
bei einer gegebenen verfügbaren Ultraschallenergie.
Das Mischen der behandelten Flüssigkeitsströme mit der
übrigen Flüssigkeit erzeugt nicht nur eine sehr gleichmäßige
Dispersion der Bestandteile in der Flüssigkeit, sondern
bringt weiterhin ein wirksames Feinzerkleinern der einzelnen
Tropfen und verstärkt dadurch den Homogenisierungs- oder
Emulgierungsprozeß auch in den Teilen der Flüssigkeit,
die von der Oberfläche des Ultraschallgenerators einen
größeren Abstand aufweisen. Unter Verwendung von relativ
wenig Energie kann ein heftiges Umrühren und dadurch eine
schnelle Behandlung der Flüssigkeit erreicht werden, so
daß eine große Menge von durchgehender Flüssigkeit pro Zeit
einheit wirksam in einer relativ kleinen Ultraschallkammer
behandelt werden kann. Dadurch, daß der Flüssig
keitsstrom an einer der Ultraschallgenerator-Oberflächen
vorbeigeht, unmittelbar bevor er die Ultraschallkammer ver
läßt, wird sichergestellt, daß die die Kammer verlassende
Flüssigkeit immer vollständig homogenisiert ist, und daß
die kontinuierlich in die Ultraschallkammer eintretende
nicht homogenisierte Flüssigkeit nicht wieder aus der Kam
mer herausgesaugt wird, bevor sie homogenisiert worden ist.
Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschallvor
richtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die klein,
einfach und billig herzustellen und leicht zu reinigen ist und
mit deren Hilfe es möglich ist, wirksam eine große Flüssig
keitsmenge pro Zeiteinheit bei geringem Energieverbrauch zu
behandeln.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einer Ultraschallvor
richtung der eingangs genannten Art vorgesehen, daß mindestens
eine Zuführleitung vorhanden ist, daß die Ultraschallgenerator-
Oberfläche(n) in der Wandung der Ultraschallkammer angeordnet ist (sind),
daß die Rühreinrichtung derart angeordnet ist, daß sie eine an
der (den) Ultraschallgenerator-Oberfläche(n) entlang verlaufende Umlauf
strömung erzeugt, daß die Zuführleitung(en) derart angeordnet ist (sind),
daß die Zuführung der unbehandelten Flüssigkeit am Rand der
Umlaufströmung erfolgt, und daß der Auslaß in der Wandung der
Ultraschallkammer in Fließrichtung unmittelbar nach einer Ul
traschallgenerator-Oberfläche angeordnet ist.
Mit Hilfe der Rühreinrichtung ist es möglich, ein heftiges
Umrühren oder Kneten und einen gesteuerten Fluß von Flüssig
keitsschichten längs der Ultraschallgenerator-Oberflächen
zu erzeugen, und zwar bei einem relativ geringen Energie
verbrauch. Als Ergebnis kann eine wirksame Homogenisierung
oder Emulgierung einer großen Menge von Flüssigkeit pro Zeit
einheit in einer Ultraschallkammer mit kleinem Volumen er
reicht werden. Tests haben bewiesen, daß eine Brennstoff
ölmenge von etwa 500 l/h in einer Ultraschallkammer mit
einem Volumen von 1/3 l bei einem Energieverbrauch von etwa
120 bis 150 W zur Erzeugung des Ultraschalles und etwa
100 bis 150 W zur Betätigung der Rühreinrichtung emulgiert
werden kann.
Ein weiteres Merkmal einer Ausführungsform der erfindungs
gemäßen Ultraschallvorrichtung liegt darin, daß die Ultra
schallkammer rotationssymmetrisch bezüglich einer Mittel
achse ist, und daß ein beliebiges Schnittbild, das durch
Schneiden der Ultraschallkammer in einer die Mittelachse
enthaltenen Ebene gebildet wird, konvex ist, d. h., daß
das Schnittbild niemals einen Krümmungsmittelpunkt auf
weist, der außerhalb der Ultraschallkammer liegt.
Die Form der Ultraschallkammer führt in erster Linie dazu, daß
das Umrühren in der Kammer bei möglichst geringem Energie
verbrauch möglichst wirksam wird und dabei
alle Flüssigkeitsteile die Ultraschallgenerator-Ober
flächen berühren. Dadurch, daß die Kammer eine kreisför
mige und konvexe Form aufweist, wird der Vorteil erzielt,
daß kein Flüssigkeitsabschnitt während des Umrührens in
nerhalb der Ultraschallkammer still stehen kann.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung
ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung.
Hierbei zeigt
Fig. 1 einen senkrechten Querschnitt durch eine
Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung;
Fig. 2 einen Schnitt längs Linie A-A in Fig. 1;
Fig. 3-7 weitere Ausführungsformen der erfin
dungsgemäßen Vorrichtung.
Die Ultraschallkammer 1 ist halbkugelförmig, und die Ultra
schallgeneratoren 4 sind in der ebenen Oberfläche 9 ange
ordnet, wodurch die Ultraschallgenerator-Oberfläche 6 in
Kontakt mit der Flüssigkeit innerhalb der Ultraschallkammer 1
steht. Die Innenseite der Ultraschallkammer 1 ist rotations
symmetrisch um die Mittelachse 7. Jeder Schnitt der Ultra
schallkammer, dessen Ebene die Mittelachse 7 enthält, bildet
eine konvexe Figur, d. h. eine Figur, die sich niemals nach
außen von der Mittelachse 7 weg krümmt. Die in der Ultra
schallkammer 1 mit Ultraschall zu behandelnde Flüssigkeit
wird durch eine Zuführleitung 2 eingeführt, deren Mittel
achse in Verlängerung der Mittelachse 7 verläuft. Der Pro
peller 5, der ebenfalls mit der Mittelachse 7 koaxial
angeordnet ist, läßt die Flüssigkeit nach unten in Rich
tung auf die Ultraschallgenerator-Oberfläche 6 und auf
wärts längs der Seiten der Ultraschallkammer 1 zirkulieren,
wie in Fig. 1 durch den Pfeil 8 angezeigt. Das heftige Um
rühren und Kneten der Flüssigkeit in der Ultraschallkammer 1
gewährleistet einen beachtlichen Flüssigkeitswechsel auf
der Ultraschallgenerator-Oberfläche 6, was eine Vorbedingung
für eine hohe Homogenisierungsgeschwindigkeit darstellt.
Die homogenisierte Flüssigkeit wird durch einen Auslaß 3
weggeführt, wobei der Querschnitt der Öffnung des Auslasses 3
in der Ultraschallkammer in der gleichen Höhe liegt, wie
die Oberflächen des Ultraschallgenerators, und wobei der
Auslaß in Flußrichtung gesehen hinter einer der Ultraschall
generator-Oberflächen angeordnet ist.
Im allgemeinen können die Ultraschallgeneratoren irgendwo
an der Ultraschallkammer angebracht sein, da ihre Stelle
keinen wesentlichen Einfluß auf die Homogenisierungsge
schwindigkeit besitzt. Die zu homogenisierende Flüssigkeit
muß nicht notwendigerweise in den mittleren Abschnitt der
Ultraschallkammer eingeführt werden, sondern kann gleich
gut an verschiedenen Stellen der Kammer eingeführt werden,
vorausgesetzt, daß keine unmittelbare Vermischung mit
der aus der Kammer austretenden Flüssigkeit vorkommen kann.
Die Vorrichtung zum Homogenisieren von Flüssigkeit kann
ebenso mehrere Ultraschallkammern aufweisen, die parallel
oder in Reihe geschaltet sind.
Die Ultraschallkammer kann ebenso eine oder mehrere mechani
sche Rühreinrichtungen aufweisen.
Fig. 6 ist ein senkrechter Querschnitt durch eine weitere
Ausführungsform, wobei die gleichen Bezugszeichen wie bei
der obengenannten Ausführungsform zur Bezeichnung ent
sprechender Teile verwendet werden. In der dargestellten
Ultraschallkammer 1 mit Torus-Form wird ein heftiges Um
rühren in einfacher Weise durch den Propeller 5 bei einem
minimalen Energieverbrauch und mit einer maximalen Flüssig
keitsänderung über den Oberflächen 6 des Ultraschallgene
rators erreicht.
Fig. 7 ist ein horizontal verlaufender Schnitt durch eine
weitere Ausführungsform, bei der Zuführleitungen 2 in der
Nähe der Mittelachse vorgesehen sind, während die Auslaß
öffnungen 3 zum Entladen der Flüssigkeit in der Nähe des
Umfangs angeordnet sind. Die Ultraschallgenerator-Ober
flächen 6 sind in radialer Richtung innerhalb der Auslässe 3
angeordnet.
Claims (3)
1. Verfahren zur kontinuierlichen Homogenisierung oder
Emulgierung einer Flüssigkeit, bei dem die unbehandelte
Flüssigkeit kontinuierlich über eine Zuführleitung in
eine Ultraschallkammer gefördert wird, bei dem die
Flüssigkeit in der Ultraschallkammer an einer oder
mehreren Ultraschallgenerator-Oberflächen vorbeigeführt
wird und dabei einer kinematischen, mechanischen Behand
lung unterzogen wird, und bei dem die behandelte
Flüssigkeit kontinuierlich aus der Ultraschallkammer
gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens
eine Zuführleitung (2) vorhanden ist, daß in der Ultra
schallkammer (1) eine Umlaufströmung erzeugt wird, daß
die unbehandelte Flüssigkeit während der kontinuier
lichen Beimischung zu der Umlaufströmung als dünne
Fließschicht über die Ultraschallgenerator-Oberfläche(n)
(6) geführt wird, und daß der Austritt der behandelten
Flüssigkeit aus der Ultraschallkammer (1) unmittelbar
nach dem Passieren einer Ultraschallgenerator-Oberfläche
(6) erfolgt.
2. Ultraschallvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
nach Anspruch 1, mit einer Ultraschallkammer, die eine
Zuführleitung zum Zuführen der unbehandelten Flüssigkeit
und einen Auslaß zum Wegfördern der behandelten Flüssig
keit aufweist, mit mindestens einer Ultraschallgenera
tor-Oberfläche in der Ultraschallkammer, und mit minde
stens einer mechanischen Rühreinrichtung wie einem Pro
peller, einer Schraube oder Lamelle in der Ultraschall
kammer, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine
Zuführleitung (2) vorhanden ist, daß die Ultraschall
generator-Oberfläche(n) (6) in der Wandung der Ultra
schallkammer (1) angeordnet ist (sind), daß die Rührein
richtung (5) derart angeordnet ist, daß sie eine an der
(den) Ultraschallgenerator-Oberfläche(n) (6) entlang
verlaufende Umlaufströmung erzeugt, daß die Zuführlei
tung(en) (2 ) derart angeordnet ist (sind), daß die Zu
führung der unbehandelten Flüssigkeit am Rand der Um
laufströmung erfolgt, und daß der Auslaß (3) in der
Wandung der Ultraschallkammer (1) in Fließrichtung un
mittelbar nach einer Ultraschallgenerator-Oberfläche (6)
angeordnet ist.
3. Ultraschallvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Ultraschallkammer (1) rotations
symmetrisch bezüglich einer Mittelachse (7) ist und daß
ein beliebiges Schnittbild, das durch Schneiden der
Ultraschallkammer (1) in einer die Mittelachse (7)
enthaltenden Ebene gebildet wird, konvex ist, d. h. daß
das Schnittbild niemals einen Krümmungsmittelpunkt auf
weist, der außerhalb der Ultraschallkammer (1) liegt.
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