-
Verfahren und Vorrichtung zum Homogenisieren Homogenisierung bedeutet
im wesentlichen Zerteilung der in einer Flüssigkeit dispergierten (verteilten) Partikel
oder Tropfen einer anderen Flüssigkeit in eine größere unzahl kleinerer Einheiten.
Eine solche Zerteilung hat die Wirkung, daß die Partikel oder Tropfen aus der Flüssigkeit,
in der sie verteilt sind, durch Schwerkraftabsetzen oder Zentrifugalseparierung
schwerer wieder ausgeschieden werden können. Der Begriff Homogenisierung schließt
ferner eine Mischwirkung ein, eine gleichmäßige Älischung der Flüssigkeit und der
Partikel oder Tropfen. Homogenisierte Produkte sind somit dadurch gekennzeichnet,
daß fein verteilte Partikel oder Tropfen gleichmäßig mit der Flüssigkeit vermischt
sind in der sie suspendiert oder emulgiert sind.
-
Die Homogenisierung wird in der Weise durchgeführt, daß die die suspendierten
oder emulgierten Stoffe enthaltende Flüssigkeit durch ein Homogenisierorgan gepreßt
wird. Dadurch werden die in der Flüssigkeit verteilten Stoffe zerstäubt, indem die
Partikel oder Tropfen in eine wesentlich größere Anzahl kleinerer Partikel oder
Tropfen zerteilt werden. die sich in der Flüssigkeit fein verteilen.
-
Bisher war es üblich, ein Homogenisierorgan in Form eines federbelasteten
Ventils mit Sitz zu verwenden, wohei die Flüssigkeit mit hohem Druck durch eine
dünne Spalte gepreßt wird, die sich während des -Ärl'eitsvorganges infolge des Flüssigkeitsdruckes
zwischen dem Ventilkörper und dem Sitz bildet, Dadurch werden die Partikel oder
Tropfen auseinandergerissen und somit in eine große Anzahl kleinerer Einheiten zerteilt.
Um auf diese Weise z. B. Milch homogenisieren zu können, benötigt man jedoch einen
sehr hohen Druck, beispielsweise 200 kg/cm2. Dieser hohe Druckerfordert
seinerseits
Spezialpumpen kostspieliger Ausführung, und der Energieveerbrauch ist im Vergleich
zum Homogenisierungsgrad sehr hoch.
-
Nach der Erfindung wird die zu homogenisierende Flüssigkeit durch
eine Anzahl aneinanderliegender Kugeln gepreßt. Zwischen ihnen bilden sich Kanäle
mit ständig wechselndem Durchströmquerschnitt. Man kann dies auch so ausdrücken,
daß die Flüssigkeit durch eine Öffnung, die von drei auf dem gleichen Niveau befindlichen
Kugeln gebildet wird, hindurchgepreßt wird, worauf sie in einen erweiterten Raum,
den Wirbelraum, eintritt, den die drei genannten Kugeln und eine vierte Kugel bilden,
die sich auf dem nächsten Niveau der Kugelansammlung befindet. In dieser Öffnung
erhält die Flüssigkeit eine Geschwindigkeit, die dem I>umpendruck entspricht.
Da die Kugeln als Maschinenelemente mit sehr hoher Genauigkeit und init außerordentlich
guten Flächen hergestellt und für den Zweck der Erfindung Kugellagerkugeln verwendet
werden können, ist der Reibungsverlust beim Durchgang der Flüssigkeit durch die
Öffnung gering, und die angewandte Energie steht zum größten Teil für die Umwandlung
in Turbulenzflüssigkeitsreibung in dem nächsten erweiterten Raum, dem Wirbelraum,
zur Verfügung. Ein aus Kugeln aufgebautes Homogenisierorgan hat folglich einen sehr
hohen Homogenisierwirkungsgrad.
-
Versuche haben erwiesen, daß ein bestimmter Homogenisierungsgrad bei
wesentlich niedrigerem Druck erreicht werden kann als bei dem bisher verwendeten
Homogenisierorgan. Um einen Feinverteilungsrad zu erreichen, der bei Verwendung
eines bekannten Homogenisierorgans der vorerwähnten Art einen Druck von 200 kg/cm2
erfordert hat, hahen sich jetzt etwa 15 kg/cm2 als genügend erwiesen, wenn man das
Produkt durch eine Sammlung von Kugeln geeigneter Größe preßt.
-
Bei einem Pumpendruck von 15 kg kann man somit normale Vollmilch,
die auf 600 C erwärmt worden ist, S so weit homogenisieren, daß der Durchschnittsdurchmesser
der Fettkügelchen auf unter I, 4 y heruntergebracht wird, wobei 99% der ganzen Fettmenge
der Milch eine Teilgröße von weniger als 2 u hat und die größten Fettpartikel etwa
2,5 6t groß sind. Eine solche Feinverteilung entspricht der Wirkung von normalen
Hochdruckhomogenisiermaschinen, die mit einem Druck von 100 bis 200 kg/cm2 arbeiten.
-
Die Kugeln können in verschiedener Weise angeordnet sein. Die Kugeln
können beispielsweise in einer zylindrischen Hülse eingeschlossen sein, deren beide
Enden mittels eines Gitters o. dgl. verschlossen sind, so daß die Lage der Kugeln
in der Hülse festliegt. Man kann auch einen kürzeren zvlindrischen Behälter oder
einen Behälter anderer Üorm verwenden. Die für den Erfindungszweck am listen geeignete
Lagerung der Kugeln, die untereinander genau die gleiche Größe haben sollen, ist
diejenige, welche das geringste Volumen einnimmt.
-
Die Kugeln berühren sich dann an so vielen Punkteil wie möglich, und
die Kanäle, die sich zwischen ihnen bilden, sind sämtlich gleich und haben im Vergleich
zum Kugeldurchmesser den geringstmöglichen Durchströmquerschnitt. Die Kugeln sind
dann tetraederförmig geordnet, d. h. ihre Mittelpunkte bilden ein oder mehrere ineinanderliegende
Tetraeder. Wie vorstehend erwähnt, sind mindestens vier Kugeln notwendig, und ilire
Mittelpunkte bilden ein Tetraeder. Wenn die Kugelansammlung durch weitere Kugeln
vergrößert wird, hildet sie, falls diese Bedingung eingehalten wird, ein immer größer
werdendes Tetraeder. Diese Ordnung der Kugeln wird am sichersten und einfachsten
erzielt, wenn der die Kugelansammlung enthaltende Behälter die Form eines Hohltetraeders
hat. Dieses braucht jedoch nicht vollständig zu sein, und tetraederförmige Teile
desselben können fehlen. 15 können beispielsweise ein oder mehrere oder alle Ecken
des Tetradeders weggeschnitten sein. Zweckmäßig ruiidet man die Innenkanten des
Tetraederhohkörers mit einem radius ab. der ungefähr dem Kugelradius entspricht:
liei scharfell Kanten ilildeil sich nämlich Kanäle mit weselltlicll größeren Durchströmquerschnitt
als zwischen den Kugeln.
-
In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstaiiles
dargestellt.
-
Ahli. t veranschaulicht deii einfachsten Fall, bei dem nur vier Kugeln
verwendet werden. Die Flüssigkeit strömt von obell durch die von drei auf einem
höheren Niveau liegenden Kugeln gebildete Öffnung in einen Raum. dcr Voll diesen
drei Kugeln 1 2 und 3 und einer vierteil. auf einem tieferen Niveau liegenden Kugel
4 gebildet wird. In dem Maße, wie die Kugelsammlung vergrößert wird, bilden sich
mehrere parallele Stromwege dieser Art. und die Ströme vereinigen sich und verzweigen
sich wieder für jede Kugelebene oder Kugelschicht.
-
Abb. 2 zeigt eine größere Ansammlung von Kugeln in einem tetraederförmigen
Behälter 5 mit abgerundeten Kanten 6. Die Kugeln 7 werden in ihrer vorgesehenen
Lage im Behälter durch ein Gitter 8 festgehalten. Als Strömungsrichtung wird in
diesem Fall die mit den Pfeilen angedeutete Richtung angenommen, d. h. voll unten
nach oben. Der Zulauf g befindet sich somit unten und der Ablauf oben.
-
Abb. 3 zeigt eineii mit konischem Boden 11 versehnen zylindrischen
Behälter 10, der eine Einlage voll Kugeln 12 enthält, die von einem Netz I3 gehalten
werden, das voll einem in die Hülse eingeschraubten Ring 14 auf die Oberfläche der
Kugeln ausgedrückt wird. Auch in diesem Fall wird angenommen, daß die Flüssigkeit
von unten nach oben strömt.
-
Nachdem jeweiligen Zweck der llomogenisierung hat man zwischen Zerteilungs-
und Mischwirkung zu unterscheiden. Falls es sich hauptsächlich darum handelt, die
Partikel oder Tropfen zu zerteilen, ist es am vorteilhaftesten, die gesamte zur
Verfügung stehende Druckenergie in einer ellizigen Stufe zu verbrauchen. In der
Praxis hat es sich jedoch erwiesen. daß es. besonders bei der iloniogeilisierung
von Milch, vorteilhaft ist, eine
gewisse Anzahl, und zwar mindestens
zwei Stufen zu verwenden; hierbei werden in der oder den letzten Stufen die fein
verteilten, dispergierten Partikel aus der ersten Stufe wirksam in die kontinuierliche
Phase eingemischt, wodurch die sonst bei der Homogenisierung sehr leicht entstehenden
Agglomerate von mit den Membranhäuten zusammenklebellden Partikeln vermieden werden.
-
Wie zu Abb. 1 erwähnt wurde, bilden sich in dem Maße, wie die Kugel
zahl vergrößert wird, mehrere parallele Strömungswege, welche sich in jeder Kugelebene
oder Kugelschicht vereinigen und wieder verzweigen. Dies führt zu einer äußerst
starken Mischwirkung, die je nach der Anzahl der durchströmten Kugelschichten gesteigert
wird. In solchen Homogenisierungsfällen, wo eine hohe Mischwirkung erzielt werden
soll, kann man daher zweckmäßig einen rohrförmigen Behälter verwenden, in dem die
Strömung in der Längsrichtung des Rohres erfolgt. Die Kugeln werden dann am lxsten
in einer zu der Längsrichtung des Rohres rechtwinkligen Schicht geordnet. Je größere
Rohrlänge und je mehr Schichten man wählt, um so größer wird die SIischwirkung.
-
PATENTANSPRUCIIF : : 1. Verfahren zum Homogenisieren von Milch und
anderen Dispersionen, dadurch gekennzeichnet, daß das Gut durch eine Sammlung aneinanderliegender
Kugeln gepreßt wird, wobei der Querschnitt der Kugelsammlung in der Strömungsrichtung
zunimmt und möglichst sämtliche Kugeln den gleichen Durchmesser haben.
-
2. Vorrichtung zur Ausführung des Verfah-