Einrichtung zur Homogenisierung von Dispersionen, insbesondere Milch.
VIilch, die zur menschlichen Ernährung bestimmt ist, wird auf versehiedene Weise behandelt, je nach dem gewünschten Endpro- dukt. Das eine Mal wird sie nur einer Reinigung unterzogen, ein anderes Mal wird sie in Rahm und Magermilch getrennt. Diese Trennung wird bereits dureh einfaches Abstehenlassen, das heisst Schwerkraftseparierung erreicht. Um die Wirkung des Prozesses zu erhohen, werden im allgemeinen Separatoren verwendet, bei denen das wirkende Zentrifugalfeld um ein Vielfaches stärker ist als die Schwerkraft.
Ferner ist es zuweilen erwünscht, die Zusammensetzung von Milch eines bestimmten Fettgehaltes konstant zu halten, so dal3 sich die Alilch selbst bei längerem Stehenlassen nicht in ihre versehiedenen Komponen- ten teilt. Dieses Ziel kann durch Homogenisierung, das heisst Feinverteilung des Fettes in der Milchflüssigkeit erreicht werden. Die genannten Forderungen können auch in bezug auf eine ganze Reihe anderer Produkte aufge- stellt werden, die im emulgierten Zustand vorkommen oder als Emulsion bearbeitet oder verbraucht werden. Den hierzu gewöhnlieh verwendeten VIaschinen ist gemeinsam, dass sie entweder für den einen oder für den andern Zweck konstruiert sind.
Zum Beispiel werden in einem Separator zwei Flüssigkeiten, Fett und Wasser, voneinander geschieden ; in einer Homogenisiermaschine werden sie dagegen innig miteinander vermischt.
Bei der erfindungsgemässen Einrichtung zur Homogenisierung von Dispersionen, insbesondere Milch, sind Mittel vorgesehen, welche bewirken, dass das in einem rotierenden Behälter eines Separators mit eingebauter Eomogenisierungsvorriehtung entstehende Zentrifugalkraftfeld sowohl zum Abscheiden einer Flüssigkeitskomponente als ranch zur Homogenisierung einer Flüssigkeitskompo- nente ausgenützt werden kann. Hierdurch wird nicht nur ein geringerer Materialaufwand als bei getrennter Ausführung der Apparate, sondern auch ein betriebsökonomiseher Vorteil erreicht. Wenn man z.
B. homogenisierten Rahm herzustellen wünscht, so wird Vollmilch in den Separator und der aussepa rierte Rahm zur eingebauten : Homogenisier- vorrichtung geleitet, wodurch man das gewünschte Endprodukt durch eine einzige Ar beitsoperation erhält. Wünscht man dagegen homogenisierte Vollmilch herzustellen, so bra. ucht man nur den auf diese Weise homogenisierten Rahm wieder mit der Magermilch zu vermischen. Werden besonders hohe Ansprüche an die Stabilität des homogenisierten Produktes gestellt, so kann der homogenisierte Rahm der Vollmilch vor dem Separator wieder zugeleitet und mit der Milch gemischt werden.
Die in der in den Separator eingeleiteten Mischung enthaltenen, eine bestimmte Grosse übersteigenden Fettkiigelchen, gleichgültig, ob sie von der noch nicht behandelten Vollmilch oder von dem noch nicht genügend homogeni sierten Rahm herrühren, werden aussepariert.
Dies ermöglieht es, durch Regulierimg der Reinentrahmung des Separators auf einfache Art ein Endprodukt zu erhalten, das Quali tätsansprüche erfüllt, ohne dass man irgendwelche Änderungen an der empfindlicheren und viel schwerer einzustellenden Homogeni siervon'ichtung vorzunehmen braucht.
Ausser diesen betriebswirtschaftlichen Vorteilen, die selbst einer kleineren Molkerei mit geringer maschineller Ausrüstung die Herstellung von Endprodukten versehiedener Qualität ermöglichen, hat eine solche Kombination den Vorteil, dass keine besondere Druckquelle für die Homogenisierung notig ist. Bekanntlieh sind es gerade diese Druekquellen bei den Homogenisiervorrichtungen, die in der Praxis vor allem Schwierigkeiten bereiten. Bei hohen An sprüchen in bezug auf das homogenisierte Produkt sind auch bei den bestarbeitenden Homo genisiervorrichtungen Drücke in der Grossen- ordnung von 100 kg/cm2 notwendig.
Solche Drüeke lassen sich eigentlich nur mit Kolbenpumpen erreichen, bei denen jedoeh die Einund Auslassventile verhältnismässig schwer reinzuhalten sind. Diese Pumpen haben ausserdem einen komplizierten Bau und sind teuer in der Ansehaffung. Falls man, um die Homo genisiervorriehtung zu vereinfachen, an Stelle der Kolbenpumpen Zentrifugal-, Zahnradoder Schraubenpumpen als Druckquelle zu verwenden wünscht, muss man den Nachteil eines tieferen, 10 bis 15 kg/em im allgemeinen nicht iibersteigenden Druckes in Kauf nehmen. Ein solcher Druck genügt indessen nieht, um ein gut homogenisiertes Produkt herzu- stellen.
Bei der Einrichtung gemäss der Erfindung kann der in der Separatortrommel auftretende Druek von ungefähr 40 bis 60 kgem gleichzeitig für die Homogenisie- rung nutzbar gemacht werden, so dass keine besondere Pumpe erforderlich ist. F r den an lmd für sieh selten vorkommenden Fall, dass ein Druek von etwa 50 kg nicht aus- reieht, verfügt man noch über die Möglich- keit, den Separator zur Ausseparierung aller nicht genügend feinverteilten Partikel zu ver- wenden, die zum Homogenisierorgan geleitet werden. Auf diese Weise kann man ein End- produkt von praktisch jeder gewünschten Qualitäterhalten.
Da, wie bekannt, homogenisierte Milch reichlich Sehlamm absetzt, ist der Tellersatz der Trommel zweckmässig in zwei Teile geteilt, von denen der am Flüssigkeitseinlauf liegende Teil mit einem sog. Konzentratortellersatz zur Entrahmung und der andere mit einem Klari fikatortellersatz zur Reinigung versehen ist.
Die Abteilungen sind voneinander zweck mässig dureh eine Zwischenwand geschieden, die als Oberteller f r die Entrahmungsabteilung dient und so ausgeführt ist, dass sie den Rahm zwingt,zuderHomogenisiervor- richtung zu strömen. Auf der andern Seite dient die Zwisehenwand als Unterteller des Klarifikatortellersatzes. Die Magermilch kann an dieser Zwischenwand vorbeiströmen und von au¯en in den obern Tellersatz eintreten und schliesslich durch die normale Ablaufleitung den Separator verlassen. Der ausseparierte Schlamm setzt sieh aussen an der Trommelwand ab.
Die beigeheftete Zeichnung zeigt eine beispielsweise Ausf hrungsform der Erfindung im Axialsehnitt. Die dargestellte Einrichtung besitzt eine Zentrifugentrommel mit einer darin eingebauten Homogenisiervorrichtung.
Die Zulaufleitung 21 der Zentrifuge ist dicht an die hohle Trommelspindel 22 angeschlossen. Letztere lührt durch die Nabe 23 des Trommelbodens 29 in einen Einsatz 24 mit konischen Tellern. Die aus der Spindel 22 ausstromende Flüssigkeit wird im Tellersatz 24 in eine schwerere und eine leichtere Komponente aufgeteilt-. Die leichtere Komponente str¯mt einwärts in einen Raum 25, der durch die KanÏle 26 und 27 mit einer aussen im Trommelboden 29 angeordneten Homogenisiervorrichtung 28 verbunden ist. Der Kanal 27 ist als Nute zwischen dem Boden 29 und einem Unterteller 30 ausgebildet.
Der Ablauf 31 der Homogenisiervorrichtung liegt ausserhalb der Trommel und führt in einen Sammelraum 32 der Zentrifuge. Dieser Raum ist durch einen am Ende mit einer Drossel 34 versehenen Kanal 33 an die Zulaufleitung 21 angeschlossen. Infolge der erhöhten Geschivindigkeit an der Drossel ist der Flüssigkeitsdruck an dieser Stelle entsprechend niedriger, so dass die Flüssigkeit aus dem Raum 32 abgesaugt und der Druck im Raume 32 erniedrigt wird.
Die im Tellersatz 24 abgeschiedene schwerere Komponente strömt in den Schlammraum 36 aus und von diesem in einen Tellersatz 37 ein, der über dem Tellersatz 24 angeordnet und von diesem durch einen Konus 38 getrennt ist. Im Tellersatz 37 werden übrigge- bliebene schwerere Verunreinigungen aussepariert. Die gereinigte Flüssigkeit strömt ein wärts nach einem Hohlraum 39 in der Trommelwelle und wird von da durch einen Ablauf 40 in der Trommelwelle und eine an diese dicht angeschlossene feste Ablaufleitung 41 abgeleitet. Die Welle der Zentrifugentrommel ist oben mittels einer Packung 35 abgedichtet, die die atmosphärische Luft am Zutritt zum Mantelraum der Zentrifuge und damit zum Raume 32 verhindert.
Die beschriebene Anordnung funktioniert folgendermassen :
Es wird angenommen, dass die zu behandelnde Flüssigkeit Vollmilch ist. Diese wird durch die Einlaufleitung 21 und die Trommelspindel 22 in den untern Tellersatz 24 eingeleitet, wo Fettkügelchen von für Vollmilch normaler Grosse abgeschieden und von dort mit einem Teil der Milehflüssigkeit als Rahm nach dem innen angeordneten Raum 25 abgehen, um von hier zur Homogenisier- vorrichtung 28 zu fliessen, wo sie in wesent- lich kleinere Kügelehen zerteilt werden. Der im äussern Teil der Trommel während des Betriebes herrsehende Oberdruek drüekt die im Separierraum der Trommel abgeschiedene leichtere Komponente durch die Homogenisier- vorrichtung.
Für diese ist der Ablauf ausserhalb der Trommel in einem Mantelraum der Zentrifuge angeordnet. Man erhält auf diese Weise homogenisierten Rahm, der in den Raum 32 hinausgeschleudert wird. Dieser Rahm kann, wie er ist, aus dem Raum 32 durch einen in der Zeichnung nicht darge- stellten Ablauf abgeführt werden. Bei Herstellung homogenisierter Vollmilch wird er durch den Kanal 33 zur Leitung 21 zurüekgeleitet und dort dem Milchstrom beigemengt.
Von der Vorrichtung 28 kommende, eine gewisse Grosse übersteigende Fettpartikeln werden aufs neue im Tellersatz aussepariert und zur Vorrichtung 28 zwecks weiterer Zerteilung zurückgeleitet. Die) Fettpartikeln, die klein genug sind, strömen mit der Milchflüssigkeit in den Raum 36 und weiter durch den Tellersatz 37 zur Ablaufleitung 41. Das Kraftfeld im Tellersatz 24 hindert alle Fettpartikeln über einer gewissen Grösse, dem Milehstrom durch den Raum 36 nach dem Ablauf 41 zu folgen. Dies garantiert ein homogenisiertes Produkt mit der gewünschten Feinheit der Fettpartikeln.
Die Homogenisiervorrichtung 28 kann entweder von der Hochdrucks,-Homogenisierma- sehine her bekannte Teller von Konusform, eventuell mit Absätzen, haben, oder sie kann vorteilhaft eine Düse besitzen, in welcher der Flüssigkeit eine hohe Geschwindigkeit erteilt wird. In einem anschliessenden Wirbelraum soll diese Geschwindigkeit so vollständig wie möglich in Wirbel umgewandelt werden. Um die Wirkung der Vorrichtung, das ist die Homogenisierung mit höehstmöglieher Turbulenz unter Vermeidung von Reibung an den die Flüssigkeit umgebenden Wänden, noch weiter zu steigern, kann die Flüssigkeit in einem vor der Düse liegenden Zyklon in Rotation versetzt werden.
Hierbei ist zur Vermei- dung einer ¯nderung der Rotationsrichtung die Rotationsachse des erzeugten Flüssigkeits- wirbels vorteilhaft parallel zur Rotationsachse des Separators. Um die Wirkung noch weiter zu erhöhen, kann der Wirbelraum mit besonderen Einsätzen versehen sein, die stromtech nisch besonders ungünstig geformt und z. B. mit scharfen Spitzen und Kanten versehen sind. Dadurch, dans sic eine grosse Anzahl neuer Wirbel bildet, wird die Turbulenz er höht.
Die zu homogenisierende Flüssigkeit kann dabei entweder einer einzigen oder mehreren parallel arbeitenden Homogenisiervorriehtun- gen zugeleitet werden. Letzteres ermöglicht, die Trommel des Separators besser auszu balancieren und die Beanspruchungen des Antriebsmeehanismus zu verringern. Beim Aus- strömen der Flüssigkeit aus der Homogenisier- vorrichtung in den Aufnahmeraum und in die Zulaufleitung hat sie eine Ausstromge schwindigkeit, die abhängig ist von ihrem radialen Abstand von der Rotationsachse und der Gesehwindigkeit der Trommel.
Je nachdem, ob man lediglich den Kraftverbrauch des Separators niedrig halten oder aber eine mehr oder weniger starke Naehhomo- genisierung erreiehen will, wird der Flüssig- keitsstrom von der Homogenisiervorrichtung, in der Rotationsrichtung gesehen, entweder schräg r ckwÏrts oder gegen die WÏnde bzw. den Boden des Sammelraumes gerichtet zwecksUmsetzungderGeschwindigkeit in Turbulenz, oder es werden in diesem Sammelraum besondere Stossbleche angeordnet, gegen die die Flüssigkeit prallt und welche den Sammelraum in kleine WirbelrÏume unterteilen. Sehaumbildung ist im allgemeinen der Haltbarkeit der fertigen Emulsion abträglieh.
Sie kann durch entsprechende Massnahmen gemindert bzw. ganz verhindert werden. Bei Flüssigkeiten, die die Eigenschaft besitzen, Luft zu losen, genügt es schon, wenn der Separatormantelraum gänzlich geschlossen ist, so dass während des Betriebes keine neue Luft eindringen kann. Man erhält dann nach anfÏnglicher kurzdauernder Schaumbildung bald ganz schaumfreie Flüssigkeit. Gibt die Fl ssigkeit selber Luft ab, so kann der Separatormantelraum unter Unterdruek gesetzt werden.
Die Einrichtung kann auch zur Behandlung anderer Dispersionen verwendet werden. Zum Beispiel lässt sie sieh bei der Raffinierung von Pflanzenölen mittels alkalischer Lösungen und von Mineralprodukten mit Schwefelsäure oder andern unorganischen Reaktionsmitteln verwenden. Letztere müssen zwecks schneller und vollständiger Reaktion sowie eines Mini malverbrauehes von Reaktionsmitteln äusserst fein eingemischt werden und die Ausseparie- rung muss schon nach wenigen Sekunden erfolgen, wenn die Mischung intensiv genug gewesen ist.
Ferner kann die Vorrichtung mit Vorteil bei allen Homogenisierungen verwendet werden, bei denen an die Haltbarkeit des Endproduktes ausserordentliche Ansprüche gestellt werden.
Device for homogenizing dispersions, in particular milk.
VIilk intended for human consumption is treated in different ways, depending on the desired end product. One time it is only subjected to a purification, another time it is separated into cream and skimmed milk. This separation is achieved by simply letting it stand, i.e. gravity separation. In order to increase the effectiveness of the process, separators are generally used in which the centrifugal field acting is many times stronger than the force of gravity.
Furthermore, it is sometimes desirable to keep the composition of milk with a certain fat content constant so that the milk does not divide into its various components even if left to stand for a long time. This goal can be achieved through homogenization, i.e. fine distribution of the fat in the milk liquid. The requirements mentioned can also be made in relation to a whole range of other products that occur in the emulsified state or that are processed or consumed as an emulsion. The common feature of the VI machines used for this purpose is that they are designed for either one or the other purpose.
For example, in a separator two liquids, fat and water, are separated from each other; In contrast, they are intimately mixed with one another in a homogenizing machine.
In the device according to the invention for homogenizing dispersions, in particular milk, means are provided which ensure that the centrifugal force field arising in a rotating container of a separator with built-in homogenizing device can be used both for separating a liquid component and for homogenizing a liquid component. This not only results in a lower cost of materials than if the devices were designed separately, but also an economic advantage. If you z.
If, for example, you wish to produce homogenized cream, whole milk is fed into the separator and the separated cream is fed to the built-in homogenizing device, whereby the desired end product is obtained in a single work operation. If, on the other hand, you wish to produce homogenized whole milk, bra. it is only necessary to mix the cream homogenized in this way with the skimmed milk. If particularly high demands are placed on the stability of the homogenized product, the homogenized cream can be fed back into the whole milk before the separator and mixed with the milk.
The fat globules contained in the mixture introduced into the separator and exceeding a certain size, regardless of whether they originate from the untreated whole milk or from the cream that has not yet been sufficiently homogenized, are separated out.
This makes it possible, by regulating the pure skimming of the separator, to obtain an end product in a simple manner that meets quality requirements without having to make any changes to the more sensitive and much more difficult to adjust homogenizing device.
In addition to these economic advantages, which enable even a smaller dairy with little mechanical equipment to manufacture end products of different quality, such a combination has the advantage that no special pressure source is required for homogenization. It is well known that it is precisely these sources of pressure in the homogenizing devices that cause difficulties in practice. If the demands on the homogenized product are high, pressures of the order of 100 kg / cm2 are necessary, even with the best-working homogenizing devices.
Such pressures can actually only be achieved with piston pumps in which the inlet and outlet valves are relatively difficult to keep clean. These pumps are also complicated in construction and expensive to purchase. If, in order to simplify the homogenization device, one wishes to use centrifugal, gear or screw pumps as the pressure source instead of the piston pumps, one has to accept the disadvantage of a lower pressure, which generally does not exceed 10 to 15 kg / em. However, such a pressure is not sufficient to produce a well homogenized product.
With the device according to the invention, the pressure of approximately 40 to 60 kg occurring in the separator drum can be used simultaneously for the homogenization, so that no special pump is required. In the rare case that a pressure of around 50 kg is not sufficient, the separator can still be used to separate out all insufficiently finely divided particles that are directed to the homogenizing unit will. In this way one can obtain an end product of practically any desired quality.
Since, as is known, homogenized milk settles abundant milk lamb, the set of plates of the drum is expediently divided into two parts, of which the part located at the liquid inlet is provided with a so-called. Concentrator set for skimming and the other with a clear set for cleaning.
The departments are expediently separated from one another by a partition that serves as a top plate for the skimming department and is designed in such a way that it forces the cream to flow to the homogenizing device. On the other hand, the partition serves as a saucer for the set of clarifier plates. The skimmed milk can flow past this partition and enter the upper set of plates from outside and finally leave the separator through the normal drainage line. The separated sludge is deposited on the outside of the drum wall.
The attached drawing shows an example embodiment of the invention in axial section. The device shown has a centrifuge drum with a homogenizing device built into it.
The feed line 21 of the centrifuge is tightly connected to the hollow drum spindle 22. The latter leads through the hub 23 of the drum base 29 into an insert 24 with conical plates. The liquid flowing out of the spindle 22 is divided in the plate set 24 into a heavier and a lighter component. The lighter component flows inward into a space 25 which is connected by the channels 26 and 27 to a homogenizing device 28 arranged outside in the drum base 29. The channel 27 is designed as a groove between the bottom 29 and a lower plate 30.
The outlet 31 of the homogenizing device lies outside the drum and leads into a collecting space 32 of the centrifuge. This space is connected to the feed line 21 by a channel 33 provided at the end with a throttle 34. As a result of the increased speed at the throttle, the liquid pressure is correspondingly lower at this point, so that the liquid is sucked out of the space 32 and the pressure in the space 32 is reduced.
The heavier component separated in the set of plates 24 flows out of the sludge chamber 36 and from this into a set of plates 37 which is arranged above the set of plates 24 and separated from it by a cone 38. In the set of plates 37, remaining heavier contaminants are separated out. The cleaned liquid flows downwards to a cavity 39 in the drum shaft and is discharged from there through a drain 40 in the drum shaft and a fixed drain line 41 tightly connected to this. The shaft of the centrifuge drum is sealed at the top by means of a packing 35, which prevents atmospheric air from entering the shell space of the centrifuge and thus space 32.
The arrangement described works as follows:
It is believed that the liquid to be treated is whole milk. This is introduced through the inlet line 21 and the drum spindle 22 into the lower set of plates 24, where fat globules of normal size for whole milk are separated and from there exit with part of the milk liquid as cream to the interior space 25, from here to the homogenizing device 28 to flow, where they are divided into much smaller spheres. The overpressure prevailing in the outer part of the drum during operation pushes the lighter component separated in the drum's separating space through the homogenizing device.
For this, the drain is arranged outside the drum in a shell space of the centrifuge. In this way, homogenized cream is obtained, which is thrown out into space 32. This cream can, as it is, be discharged from space 32 by a process not shown in the drawing. When homogenized whole milk is produced, it is passed back through the channel 33 to the line 21, where it is added to the milk flow.
Fat particles coming from the device 28 and exceeding a certain size are again separated out in the set of plates and returned to the device 28 for the purpose of further division. The fat particles that are small enough flow with the milk liquid into the space 36 and on through the plate set 37 to the drainage line 41.The force field in the plate set 24 prevents all fat particles above a certain size, the milk flow through the space 36 after the drainage 41 to follow. This guarantees a homogenized product with the desired fineness of the fat particles.
The homogenizing device 28 can either have plates of conical shape known from the high-pressure homogenizing machine, possibly with shoulders, or it can advantageously have a nozzle in which the liquid is given a high speed. In a subsequent vortex room, this speed should be converted as completely as possible into vortices. In order to increase the effect of the device, that is, the homogenization with the highest possible turbulence while avoiding friction on the walls surrounding the liquid, the liquid can be set in rotation in a cyclone in front of the nozzle.
Here, in order to avoid a change in the direction of rotation, the axis of rotation of the fluid vortex generated is advantageously parallel to the axis of rotation of the separator. In order to increase the effect even further, the vortex space can be provided with special inserts, the Stromtech nically shaped particularly unfavorable and z. B. are provided with sharp points and edges. Because a large number of new eddies are formed, the turbulence is increased.
The liquid to be homogenized can either be fed to a single or to several homogenizing devices working in parallel. The latter enables the drum of the separator to be better balanced and to reduce the stresses on the drive mechanism. When the liquid flows out of the homogenizing device into the receiving space and into the feed line, it has an outflow speed that is dependent on its radial distance from the axis of rotation and the speed of the drum.
Depending on whether you just want to keep the power consumption of the separator low or to achieve a more or less strong close-up homogenization, the liquid flow from the homogenization device, viewed in the direction of rotation, is either turned back at an angle or against the walls or the The bottom of the collecting space is directed in order to convert the speed into turbulence, or special baffles are arranged in this collecting space, against which the liquid collides and which divide the collecting space into small vortex spaces. Foam formation is generally detrimental to the durability of the finished emulsion.
It can be reduced or even prevented entirely by taking appropriate measures. In the case of liquids that have the property of loosening air, it is sufficient if the separator jacket space is completely closed so that no new air can penetrate during operation. After initial, brief foaming, a completely foam-free liquid is then obtained. If the liquid itself releases air, the separator jacket space can be placed under negative pressure.
The device can also be used to treat other dispersions. For example, it can be used to refine vegetable oils with alkaline solutions and mineral products with sulfuric acid or other inorganic reactants. The latter must be mixed in extremely finely for the purpose of a faster and more complete reaction as well as a minimal consumption of reactants and the separation must take place after a few seconds when the mixture has been intense enough.
Furthermore, the device can be used with advantage in all homogenizations in which extraordinary demands are made on the durability of the end product.