DE2933176C2 - Verfahren und ultraschallvorrichtung zur kontinuierlichen homogenisierung oder emulgierung von fluessigkeiten. - Google Patents

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.