CZ298414B6 - Zpusob homogenizace - Google Patents

Abstract

Pri zpusobu homogenizace kapalné emulze pod tlakem je kapalina nucena procházet alespon dvema soustredne umístenými homogenizacními šterbinami (12, 13), pricemž kapalina je protlacována pouze mezi dvojicemi protilehle usporádaných homogenizacních šterbin, z nichž každá je tvorena vymezujícími plochými povrchy (10, 14; 11, 15). První cást homogenizace probíhá pusobením rychlého poklesu tlaku, nacež se pri výstupu z jedné z homogenizacních šterbin(12) s vysokou rychlostí kapalina v omezeném prostoru setkává s kapalinou z jedné nebo vetšího poctu dalších homogenizacních šterbin (13) a prochází tak druhou fází homogenizace.

Description

Způsob homogenizace

Oblast techniky

Předkládaný vynález se týká způsobu homogenizace emulze, kteráje pod tlakem a ve zkapalněné formě, při němž je kapalina nucena procházet alespoň dvěma soustředně umístěnými homogenizačními štěrbinami.

Dosavadní stav techniky

Homogenizace je průmyslový proces, který je již dlouho používán a jehož účelem je, v tukové emulzi jako je například mléko, rozdělit nebo rozbít největší tukové kapky na menši tukové kapky a stabilizovat tak tukovou emulzi. Pro mléko to například znamená, že se předejde srážení smetany a naprostá většina veškerého spotřebitelského mléka je dnes homogenizována.

Homogenizace se obvykle provádí mechanickým zpracováním, tak, že tuková emulze, která je pod vysokým přiváděcím tlakem, se vysokou rychlostí vhání skrze velmi úzkou štěrbinu, v níž se tukové kapky z tukové emulze rozbíjejí v důsledku turbulence (vířivosti), která nastává při vysokých rychlostech a prostřednictvím vytváření dutých bublin, které implodují v tekutině. Tento způsob probíhá během velice krátkého časového období a během této velmi krátké doby dochází k tomu, že rychlost tukové emulze při jejím průchodu vzrůstá zatímco tlak klesá, v důsledku čehož se tekutina dostává do varu.

Homogenizátor v podstatě sestává z čerpadla se širokým pístem, které poskytuje vysoký tlak, a z protitlakového zařízení, v němž dochází k vlastní homogenizaci. Protitlakové zařízení (zařízení se zpětným tlakem), ventil homogenizátoru, naproti tomu sestává z přetlakového, pružného kužele ventilu, dosedací plochy (lůžka) ventilu a z pláště ventilu, který obklopuje kužel ventilu a jeho dosedací plochu. Kužel ventilu a dosedací plocha ventilu jsou obvykle rotačně symetrické a jsou umístěny tak, že mezi těmito díly vzniká paprskovitá úžina, vytvářející homogenizační štěrbinu. Výška, šířka a délka štěrbiny stanovují objem, v němž dochází k homogenizování. Tento objem musí být k dosažení účinného homogenizování co možná nejmenší. Při působení zvýšeného tlaku na tekutinu, která má být homogenizována, je výška otvoru snížena, naopak větší průtok vyvolá zvětšení výšky otvoru.

Nyní je často žádoucí v tom okamžiku, kdy je snaha zvýšit objem toku, použít nižší tlak působící na kapalinu. Z toho vyplývá, že je potřebná delší homogenizační štěrbina. Z patentové literatury jsou známé různé způsoby prodloužení homogenizační štěrbiny. Švédská patentová přihláška SE 9701504-4 předkládá homogenizační ventil, v němž je množství homogenizačních štěrbin umístěno soustředně, což poskytuje zvětšenou délku homogenizační štěrbiny.

Obecněji je pouhé prodloužení homogenizační štěrbiny nedostačující k dosažení co nejúčinnější homogenizace, při níž se veškeré tukové globule, například v mléce, rozstříhají nebo rozštěpí na malé kapky tuku, takže se získá stálá emulze. Obecněji byl tento problém řešen prováděním homogenizace ve více krocích.

Patent US 5 482 369 předkládá další způsob jak dosáhnout účinné homogenizace. Podstatou tohoto způsobuje, že složky nebo fáze emulze, například voda a tuk, které jsou obě pod tlakem, jsou nuceny projít dvěma protilehlými tryskami tak, že se oba proudy ve vysoké rychlosti setkají.

Obě trysky jsou upevněny a mají velice malé otvory, kterými musejí obě tekutiny projít. Mléko, které už odpočátku sestává ze smíchané, nestálé tukové emulze, která může obsahovat přírodně se vyskytující částice, by v takovém homogenizátoru rychle ucpalo úzké otvory trysek a učinilo tak celý postup nepoužitelným.

- 1 CZ 298414 B6

Podstata vynálezu

Podstatu vynálezu tvoří způsob homogenizace kapalné emulze pod tlakem, při němž je kapalina nucena procházet alespoň dvěma soustředně umístěnými homogenizačními štěrbinami, při čemž kapalina, je protlačována pouze mezi dvojicemi protilehle uspořádaných homogenizačních štěrbin, z nichž každá je tvořena vymezujícími plochými povrchy, takže první část homogenizace probíhá působením rychlého poklesu tlaku, načež se při výstupu z jedné z homogenizačních štěrbin s vysokou rychlostí kapalina v omezeném prostoru setkává s kapalinou z jedné nebo většího počtu dalších homogenizačních štěrbin a prochází tak druhou fází homogenizace.

Podle jednoho z výhodných provedení jsou uvedené vymezující ploché povrchy vytvořeny na sedle ventilu a na kuželu ventilu.

Podle dalšího z výhodných provedení se kapalina do homogenizačních štěrbin přivádí středovým průtokovým kanálem a soustředným průtokovým kanálem, vytvořenými v sedle ventilu.

Podle ještě dalšího výhodného provedení kapalina z homogenizačních štěrbin odchází průtokovým kanálem, vytvořeným v kuželu ventilu.

Přehled obrázků na výkresech

Jedno z výhodných provedení předkládaného vynálezu bude nyní popsáno podrobněji, zvláště ve vztahu k přiloženým výkresům.

Obr. 1 ukazuje, zčásti na řezu, běžný homogenizační ventil.

Obr. 2 ukazuje, zčásti na řezu, část homogenizačního ventilu, v němž může být způsob podle předkládaného vynálezu uveden do praxe.

Obrázky znázorňují pouze ty podrobnosti a části, které jsou zásadní pro porozumění předkládanému vynálezu a umístění homogenizačního ventilu v celém homogenizátoru, které je odborníkovi dobře známé, bylo vynecháno.

Příklady provedení vynálezu

Homogenizační ventil 20 běžného typu je znázorněn na obr. 1; homogenizační ventil 20 v podstatě sestává z pláště 21 ventilu s přívodem 22 a výpustí 23 pro kapalinu, která má být homogenizována, a z pohyblivého kužele 1 a sedla 2.

Část homogenizačního ventilu 20 takového typu, na němž může být způsob podle předkládaného v nálezu uveden do praxe, je znázorněn na obrázku 2. Ve výhodném provedení je sedlo 2 rotačně symetrické a má středový průtokový kanál 4 pro kapalinu, jež má být homogenizována. Průtokový kanál 4 vytváří rozšíření přívodu 22 homogenizačního ventilu 20. Pokud se týká středové plochy je sedlo 2 sestrojeno tak, že je stejné na obou stranách středové plochy a je tedy v plášti 21 ventilu reversní, což znamená pro sedlo 2 dvojitou dobu životnosti.

Kromě středového průtokového kanálu 4 má sedlo 2 průtokový kanál 5 pro kapalinu, jež má být homogenizována. Po celé délce své rozlohy má průtokový kanál 5 množství úzkých spojovacích můstků 6, které drží pohromadě dvě soustředné části sedla 2.

-2 CZ 298414 B6

Kužel 1 ventilu, který je také rotačně symetrický, je udržován pod tlakem, normálně pomocí hydraulického nebo pneumatického pístu 24, ale v jednodušší verzi může být udržován pod tlakem pomocí stavěcího šroubu, působícího jako pružina. Kužel 1 ventiluje také pohyblivý, například prostřednictvím oleje ve válci.

V nižší části 7 ventilového kuželu 1 je průtokový kanál 3. Po celé délce své rozlohy má průtokový kanál 3 množství úzkých spojovacích můstků 9, které spojují dvě soustředné části 7 ventilového kuželu 1.

Na sedle 2 jsou alespoň dva úzké, ploché povrchy 10 a 11, z nichž každý vytváří jednu stranu homogenizační štěrbiny 12 a 13. Přídavné homogenizační štěrbiny v 12 a 13 se mohou rovněž vyskytovat párově a být soustředně umístěné, ale homogenizační ventil 20 s více než čtyřmi homogenizačními štěrbinami 12 a 13 by pravděpodobně bylo obtížné vyrobit.

Na ventilovém kuželu 1 jsou obdobně dva vymezující ploché povrchy 14, 15, z nichž každý vytváří druhou stranu homogenizačních štěrbin 12, 13. Povrchy 10, 11, 14, 15 jsou umístěny v souladu a v prostorově odděleném uspořádání jeden vůči druhému, což určuje výšku štěrbiny, která je normálně v rozmezí 50 až 200 pm. Výška štěrbiny se může měnit s měnícím se tlakem a tokem, přičemž se ventilový kužel 1 přiblíží nebo oddálí vzhledem k sedlu 2.

Vzdálenost mezi dvěma homogenizačními štěrbinami 12 a 13 je stejná jako šířka průtokového kanálu 3. Průtokový kanál 3 může mít mírné rozšíření 16 v sedle 2. Alternativně má ventilový kužel 1 zcela rovnou stranu, sestávající z povrchů 10 a 11 a jejich prodloužení. Povrchy 10, 14 a 11, 15 homogenizačních štěrbin 12 a 13 by měly být zcela přímé pro lepší usměrňování kapaliny homogenizačními štěrbinami 12 a 13.

Kapalina, obvykle mléko, které má být homogenizováno, je přiváděno do homogenizátoru a v něm je stlačována tlakem přibližně 10 až 25 MPa. Mléko má obvykle obsah tuku 0,5 až 3,5 procent a je udržováno při teplotě 55 až 80 °C.

Kapalina je vedena přívodem homogenizačního ventilu 20 a když dosáhne sedla 2 ventilu, je distribuována tak, že částečně prochází středovým průtokovým kanálem 4 a částečně kanálem 5. Poté kapalina prochází homogenizační štěrbinou 12, respektive homogenizační štěrbinou 13 a dochází k první homogenizaci. Při průchodu dochází k velmi rychlému poklesu tlaku, až na 0 MPa, ve stejném okamžiku, kdy roste rychlost kapaliny, výsledkem čehož je počátek varu v kapalině.

Když kapalina ze dvou homogenizačních štěrbin 12 v a 13 opouští štěrbiny 12 a 13, oba proudy se setkají ve velké rychlosti. To velkou měrou přispívá ke zlepšení homogenizování. Jakmile se oba toky spojí, rychlost se sníží a tlak se opět zvýší. Kapalina se přestane vařit a bublinky páry v kapalině implodují. Celý postup se odehrává prudce a během několika zlomků sekundy, přičemž vysoká rychlost a spojení dvou proudů do jednoho jiného vyvolává turbulenci a tvorby dutin (kavitace) a tukové kapky, nacházející se v kapalině, jsou rozbity nebo rozděleny na menší částice nebo kuličky.

Postup probíhá v omezeném prostoru, tj. mezi výpustěmi ze dvou homogenizačních štěrbin 12, 13 a částečně v průtokovém kanálu 3 a případně v jeho prodloužení 16. Poté již homogenizovaná kapalina vychází průtokovým kanálem 3 a odchází z homogenizačního ventilu jeho výpustí 23.

Vzhledem k tomu, že výška homogenizačních štěrbin 12, 13 se může měnit, je možné při mytí homogenizačního ventilu 20 zvětšit vzdálenost mezi kuželem 1 ventilu a sedlem 2 a získat tak snáze omývané povrchy. Vzhledem k tomu, že sedlo 2 a část 7 ventilového kuželu 1 mají hygienická těsnění vůči ventilovému plášti 21 a části 8 ventilového kuželu 1, získá se hygienický

-3 CZ 298414 B6 homogenizační ventil 20, vyhovující požadavkům potravinářského průmyslu a omývatelný za použití běžného vybavení.

Jak je zřejmé z předcházejícího popisu, provádí se způsob homogenizování, který spojuje běžnou homogenizaci s proti sobě obrácenými proudy, což značně zlepšuje postup homogenizace. V tomto postupu jsou to homogenizační štěrbiny, které vytvářejí opačně obrácené proudy a obtíže, vyplývající z ucpání trysek, jsou při homogenizaci mléka odstraněny.

Předkládaný vynález by neměl být považován za omezený předloženým popisem a výkresy, lze uvažovat o mnoha jeho modifikacích, aniž by docházelo k vybočení z rozsahu připojených nároků.

Claims (4)

1. Způsob homogenizace kapalné emulze pod tlakem, při němž je kapalina nucena procházet alespoň dvěma soustředně umístěnými homogenizačními štěrbinami (12, 13), v y z n a č u j í c í se t í m , že kapalina je protlačována pouze mezi dvojicemi protilehle uspořádaných homogenizačních štěrbin, z nichž každá je tvořena vymezujícími plochými povrchy (10, 14; 11, 15) takže první část homogenizace probíhá působením rychlého poklesu tlaku, načež se při výstupu z jedné z homogenizačních štěrbin (12) s vysokou rychlostí kapalina v omezeném prostoru setkává s kapalinou z jedné nebo většího počtu dalších homogenizačních štěrbin (13) a prochází tak druhou fází homogenizace.

2. Způsob podle nároku, 1,vyznačující se tím, že vymezující ploché povrchy jsou vytvořeny na sedle (2) ventilu a na kuželu (1) ventilu.

3. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že se kapalina do homogenizačních štěrbin (12, 13) přivádí středovým průtokovým kanálem (4) a soustředným průtokovým kanálem (5), vytvořenými v sedle (2) ventilu.

4. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že kapalina z homogenizačních štěrbin (12, 13) se odvádí průtokovým kanálem (3), vytvořeným v kuželu (1) ventilu.