DE10216947B4

DE10216947B4 - Verfahren zum Homogenisieren von Emulsionen

Info

Publication number: DE10216947B4
Application number: DE10216947A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Prof. Dr.-Ing. Ehrfeld; Andreas Dipl.-Ing. Fredenhagen
Original assignee: Ehrfeld Mikrotechnik BTS GmbH
Current assignee: Ehrfeld Mikrotechnik BTS GmbH
Priority date: 2002-04-17
Filing date: 2002-04-17
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2022-04-18
Also published as: EP1497020B1; AU2003233959A1; DE50307961D1; DE10216947A1; US20050233040A1; WO2003086601A1; EP1497020A1; ATE369907T1

Abstract

Verfahren zum Homogenisieren von Emulsionen durch einen mit Mikrostrukturen ausgerüsteten Homogenisator dadurch gekennzeichnet, dass die Emulsion in einem Strömungsfeld hohen Scherkräften unterworfen wird, die durch eine Vielzahl von in den Flüssigkeitsstrom platzierten Strömungshindernissen erzeugt werden.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und Vorrichtung zum Homogenisieren von Emulsionen, insbesondere von Milch, mit dem es gelingt, die Fetttröpfchen durch einen mit speziellen Mikrostrukturen ausgerüsteten Homogenisator bei einem wesentlich geringeren Betriebsdruck zu zerkleinern, als es bisher möglich gewesen ist, und ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung.
Homogenisieren ist für die Milchverarbeitung ein wesentlicher Prozessschritt. Um eine über Tage oder Wochen stabile Emulsion zu erhalten, müssen die in der Milch enthaltenen Fetttröpfchen klein und gleichmäßig verteilt sein. Zusätzlich wird durch diese Feinverteilung ein vollmundigerer Geschmack erreicht. Das Homogenisieren von Milch erfolgt heute ausschließlich mit Hochdruckhomogenisatoren. Dabei wird die Milch in einem seit über 100 Jahren bewährten Verfahren durch einen schmalen Spalt mit sehr hohem Druck gefördert und dadurch die Fettkügelchen auf Größen im Bereich von 0,3 bis 0,4 μm zerkleinert.
Der Energieaufwand, der zum Zerkleinern der Fetttröpfchen eingesetzt wird, ist um drei Größenordnungen höher als der theoretisch notwendige Energieaufwand zur Oberflächenvergrößerung der Fettphase. Geht man von einem einheitlichen Energieeintrag über das Volumen aus, so liegt der tatsächliche Energieeintrag immer noch um zwei Größenordnungen über dem theoretischen Minimum. Trotz ständiger Weiterverbesserung des Verfahrens bewirkt der überwiegende Teil der in die Milch eingetragenen Energie lediglich eine Erwärmung.
Eine Verbesserung des Wirkungsgrades würde zu einem ganz entscheidenden technischen Fortschritt führen. Neben der Absenkung des spezifischen Energieaufwandes könnte insbesondere auch eine wesentliche Vereinfachung der technischen Ausführung der Homogenisierungsanlage erreicht werden, was zu beträchtlichen Einsparungen bei den Herstellungs- und Wartungskosten führen würde.
Bisher wurde die Mikrotechnik bereits in vielen Bereichen der Industrie erfolgreich eingesetzt. Hierbei werden durch die kleinen Strukturabmessungen hohe Wärmeübertragungsraten, schnelle Mischungsvorgänge und sehr präzise Strömungsführungen erreicht. Im Bereich der Lebensmittelindustrie sind die besonderen Vorteile der Mikrotechnik zu Prozessverbesserungen, insbesondere zur Verbesserung von Fluidprozessen, bisher noch kaum genutzt worden.
DE 197 00 810 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein schonendes Verfahren zum Homogenisieren von fetthaltigen flüssigen Naturprodukten wie beispielsweise Milch.
DE 195 41 266 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Durchführung chemischer Reaktionen mittels eines Mikrostruktur-Lamellenmischers.
DE 199 27 556 A1 offenbart einen statischen Mikromischer sowie ein Verfahren zum Mischen zweier oder mehrerer Edukte.
DE 37 09 278 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Feinstrukturkörpern mit mehreren nahe beieinanderliegenden, kanalartigen Durchbrüchen.
Es stellte sich deshalb die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Homogenisieren von Emulsionen, insbesondere zum Homogenisieren von Milch zu entwickeln, durch die die technischen Vorteile des Einsatzes von Mikrostrukturen genutzt und die Fetttröpfchen in Emulsionen, insbesondere in Milch, gleichmäßig zerkleinert werden können und hierfür ein erheblich geringerer Betriebsdruck als bisher, vorzugsweise ein Betriebsdruck unter 50 bar, erforderlich ist.
Es wurde nun gefunden, dass diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Homogenisieren von Emulsionen durch einen mit Mikrostrukturen ausgerüsteten Homogenisator dadurch gekennzeichnet, dass die Emulsion in einem Strömungsfeld hohen Scherkräften unterworfen wird, die durch eine Vielzahl von in den Flüssigkeitsstrom platzierten Strömungshindernissen erzeugt werden, gelöst wird.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen dieses Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 2 bis 7.
Weitere Gegenstände der vorliegenden Erfindung sind eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Vorrichtung.
Die als Mikrostrukturen ausgebildeten, gegeneinander versetzten Strömungshindernisse haben vorzugsweise die Form von Rhomben, Dreiecken, Sicheln oder anderen scharfkantigen Strukturen.
Als Materialien können beispielsweise korrosionsbeständige Stähle, aber auch keramische Werkstoffe verwendet werden. Die Herstellung kann mit Standardfertigungsverfahren der Mikrotechnik wie z. B. LIGA-Technik, Tiefenätztechnik, Funkenerosion, Laserablation oder mechanischer Mikrobearbeitung erfolgen. Die Strukturen können form-, stoff- oder kraftschlüssig verbunden werden, beispielsweise durch Diffusionslöten, Diffusionsschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Kleben oder Verpressen. Eine weitere Methode, um kostengünstig Strukturen mit feinen Strömungshindernissen zu erzeugen, besteht darin, dünne Metalldrähte mit einer weiteren Metallschicht, z. B. einer Silberschicht galvanisch zu überziehen, danach parallel zu verpressen und auf einer Trägerplatte beispielsweise durch Verschweißen zu fixieren. Die äußere Metallschicht wird dann durch eine Ätzlösung wieder entfernt, so dass die gewünschte Struktur entsteht.
Die Reinigung der Bauteile hat, insbesondere in der Lebensmitteltechnik, eine wichtige Bedeutung. Für den erfindungsgemäßen Homogenisator können dazu chemische Reinigungsmittel eingesetzt werden. Eine weitere Möglichkeit bietet eine Bauausführung, die eine mechanische Reinigung vorsieht. Die mikrostrukturierte Platte wird dabei durch eine Platte mit Öffnungen in Form der Strömungshindernisse in den Strömungsraum gesteckt, so dass die Reinigung durch Absenken der Mikrostrukturen erfolgen kann.
1 zeigt eine Anordnung der erfindungsgemäß besonders bevorzugten rhombischen Mikrostrukturen, die zur Erhöhung der Scherkräfte gegeneinander versetzt sind.
2 zeigt die für die Erzeugung optimaler Scherkräfte wichtigen geometrischen Abmessungen (a), (b), (a), die entsprechend den Eigenschaften der zu homogenisierenden Emulsion und der zu erzielenden Fetttröpfchengröße variiert werden können. Weitere Variationsmöglichkeiten ergeben sich durch die Höhe der Mikrostrukturen und durch die Anzahl der hintereinander angeordneten Reihen der Mikrostrukturen.
3 zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäße Mikrostrukturen enthaltenden Homogenisators. Dabei sind in der Homogenisiereinheit eine oder mehrere mikrostrukturierte Platten übereinander geschichtet, in denen die rhombischen Aussparungen am Rand scharfkantige Erhebungen zeigen, die für die Ausbildung erheblicher Scherkräfte verantwortlich sind. Gleichzeitig wird dargestellt, wie die Emulsion den Plattenstapel anströmt und wie sie ihn nach erfolgter Homogenisierung wieder verlässt. Dabei wird die Rohemulsion, also z.B. die Milch, mittels einer Pumpe durch die Homogenisiereinheit gedrückt und kann anschließend weiter verarbeitet werden.
4 zeigt eine scharfkantige Mikrostruktur, die aus einer Schicht von Metalldrähten hergestellt worden ist, die mit einem zweiten Metall überzogen und nach paralleler Verpressung auf eine oder zwischen mehreren Trägerplatten fixiert sind. Anschließend ist dann das zweite Metall herausgelöst worden. Für dieses Verfahren werden vorteilhafter Weise Metalldrähte mit einem Durchmesser von weniger als 3 μm eingesetzt. Besonders zu empfehlen ist es, die Metalldrähte beim Herstellungsverfahren mit Silber zu überziehen.
Die zur Erzeugung gleichmäßig kleiner Fetttröpfchen in einer Emulsion erforderlichen Scherkräfte können auch durch anders gestaltete Mikrostrukturen erzeugt werden. Als besonders geeignet hat sich hierfür eine Lochplatte erwiesen, deren Löcher einen Durchmesser von weniger als 1 μm aufweisen. Dieser Lochdurchmesser ist besonders zur Homogenisierung von Milch geeignet, bei der die Fetttröpfchen vor der Emulsion einen Durchmesser von 3 bis 25 μm aufweisen und nach der Passage durch den Homogenisator nur noch eine einheitliche Tröpfchengröße von weniger als 1 μm aufweisen sollen. Ein vergleichbarer Effekt wird auch durch Mikrokanäle erreicht, deren engster Querschnitt kleiner als 1 μm ist.
Zur Herstellung der erfindungsgemäß zum Homogenisieren von Emulsionen einsetzbaren Lochplatte ist der Einsatz von Femtosekunden-Lasern besonders interessant, da bei der Bearbeitung von Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit und vergleichsweise geringer Schmelztemperatur (zum Beispiel bei Metallen) die beim Einsatz herkömmlicher Laserstrahlquellen im allgemeinen auftretenden Schmelzanhaftungen, die die erreichbare Präzision erheblich reduzieren können, nicht auftreten. Auch transparente Materialien wie organische Materialien lassen sich mit diesen Femtosekunden-Lasern sehr schädigungsarm bearbeiten.
Eine derartige Lochplatte wird vorzugsweise aus Metall oder aus Glas hergestellt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt es bei einem im Vergleich zum heutigem Standard von ca. 200 bar deutlich reduzierten Betriebsdruck unter 50 bar eine gleichmäßig homogenisierte Emulsion, insbesondere Milch mit einer Teilchengröße unter 1 μm zu erzeugen, die sich durch eine besonders hohe Haltbarkeit auszeichnet.

Claims

Verfahren zum Homogenisieren von Emulsionen durch einen mit Mikrostrukturen ausgerüsteten Homogenisator dadurch gekennzeichnet, dass die Emulsion in einem Strömungsfeld hohen Scherkräften unterworfen wird, die durch eine Vielzahl von in den Flüssigkeitsstrom platzierten Strömungshindernissen erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Scherkräfte in dem Homogenisator durch gegeneinander versetzte Strömungshindernisse in Form von Rhomben, Dreiecken, Sicheln oder anderen scharfkantigen Strukturen erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Scherkräfte durch eine Lochplatte erzeugt werden, deren Löcher einen Durchmesser von weniger als 1 μm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher der Lochplatte durch einen Femtosekunden-Laser erzeugt werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fetttröpfchen auf eine Größe von unter 1 μm reduziert werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsdruck unter 50 bar liegt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als zu homogenisierende Emulsion Milch eingesetzt wird.
Vorrichtung zum Homogenisieren von Milch nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine oder mehrere übereinander geschichtete, mikrostrukturierte, scharfkantige Platten enthält, die als Strömungshindernisse hohe Scherkräfte auf den Flüssigkeitsstrom ausüben und dadurch eine Zerkleinerung der Fetttröpfchen bewirken.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Lochplatte mit Mikrokanälen aufweist, deren engster Querschnitt kleiner als 1 μm ist.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der scharfkantigen Mikrostrukturen eine Schicht von Metalldrähten mit einem zweiten Metall überzogen und nach paralleler Verpressung auf einer oder zwischen mehreren Trägerplatten fixiert und dann das zweite Metall herausgelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalldrähte einen Durchmesser von weniger als 3 μm aufweisen.
Verfahren nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalldrähte beim Herstellungsverfahren mit Silber überzogen werden.