DE2557668A1 - Short term ultrasonic homogenisation of liquid in stages - each emitter having two heads to vibrate two stages - Google Patents

Short term ultrasonic homogenisation of liquid in stages - each emitter having two heads to vibrate two stages

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Abstract

Several applications of energy to the sample are carried out. Each ultrasonic emitter supplies two energy-concentrating heads - typically of aluminium - and each head is in contact with a chamber contg. part of the liquid sample - A communicating duct conveys the sample from one chamber to the other, so that the number of ultrasonic treatment stages through which the sample passes is twice the number of ultrasonic emitters. Pref. the sample is pumped continuously from one chamber to the other. Method is esp. for treatment of milk. The ultrasonic emitter may be piezoelectric or magnetostrictive.

Description

"Vorrichtung zur Behandlung von Proben. insbesondere ilüssig-"Device for the treatment of samples.

keitsproben mit Ultraschall".tests with ultrasound ".

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Homogenisieren von Proben, die zum Homogenisieren der in der Probe als größere Einheiten vorhandene Bestandteile Ultraschall-Energie angewendet und dabei eine vollständig homogene Probe erzeugt.The invention relates to a device for homogenizing of samples used to homogenize those present in the sample as larger units Components applied ultrasonic energy while being completely homogeneous Sample generated.

Vorrichtungen dieser Art werden für im allgemeinen als Homogeniierapparate bezeichnet.Devices of this type are generally used as homogenizing apparatus designated.

Es ist bekannt, Ultraschall zur Behandlung von Proben anzuwenden, die in Bezug auf ihre Bestandteile nicht vollständig homogen sind, vielmehr diese Bestandteile in Form von Klumpen enthalten. So liegt in der Milch beispielsweise das Fett als Fettkügelchen und nicht als ein homogenes Gemisch vor.It is known to use ultrasound to treat specimens which are not completely homogeneous in terms of their constituents, rather these Contains ingredients in the form of lumps. So is in the milk, for example the fat appears as fat globules and not as a homogeneous mixture.

Mit der Vorrichtung nach der Erfindung soll gegenüber bekannten Vorrichtungen eine Verbesserung erzielt werden, und zwar ohne die Gesamtkosten für die Vorrichtung im gleichen Maße zu erhöhen, wie dies zur Erzielung gleich guter Resultate bei den bisher bekannten Vorrichtungen notwendig sein würde.With the device according to the invention compared to known devices an improvement can be achieved without the overall cost of the device to the same extent as to achieve equally good results with the previously known devices would be necessary.

Der Stand der Technik kennt zwei Arten von mit Ultraschall arbeitenden Homogenisierapparaten. Bei der einen dieser Arten ist die Verweildauer der Probe im Bereich des Ultraschallkopfes vergleichsweise lang, so daß der Ultraschall auf eine im Vergleich zum Ultraschallkopf relativ große Flüssigkeitsmenge einwirken kann. Der Energiebedarf je Zeiteinheit und Volumen ist in diesem Fall relativ klein und wird durch die langere Verweildauer kompensiert. - Bei der zweiten Art ist die Menge der zu behandelnden Flüssigkeit zu jedem Zeitpunkt zweckentsprechend klein; weiterhin ist auch die Verweildauer der Probe in der Behandlungszone besonders kurz. Dem steht aber gegenüber, daß innerhalb der Verweildauer die akustische Leistungsaufnahme relativ hoch ist.There are two types of ultrasound in the prior art Homogenizers. One of these types is the residence time of the sample in the area of the ultrasound head comparatively long, so that the ultrasound on a relatively large amount of liquid act in comparison to the ultrasound head can. The energy requirement per unit of time and volume is relatively small in this case and is compensated by the longer length of stay. - The second kind is that The amount of liquid to be treated at any point in time is appropriately small; Furthermore, the residence time of the sample in the treatment zone is particularly short. On the other hand, however, the acoustic power consumption is within the dwell time is relatively high.

Die Vorrichtung nach der Erfindung betrifft besonders die Verbesserung der Vorrichtungen der zuletzt erwähnten Art, bei denen die zu behandelnde Flüssigkeitsmenge zu jedem gegebenen Zeitpunkt klein ist, insbesondere dann, wenn man das Gewicht der vorerwähnten Flüssigkeitsmenge mit der Größe und der Abmessung des Ultraschallkopfes vergleicht. Auch die Verweildauer der Probe in der Vorrichtung ist dementsprechend sehr kurz. Aufgrund theoretischer und anderer Daten ist es bereits bekannt, daß eine weitere Verbesserung dann erzielt werden kann, wenn die gleiche Energiemenge auf die zu homogenisierende Probe in verschiedenen Teilgrößen einwirkt und nicht versucht wird, die gleiche Energiemenge an einem einzigen Ansatzpunkt aurf/die Probe zu übertragen.The device of the invention is particularly concerned with improvement the devices of the last-mentioned type, in which the amount of liquid to be treated at any given point in time is small, especially when you consider the weight the aforementioned amount of liquid with the size and dimensions of the ultrasound head compares. The dwell time of the sample in the device is also corresponding very short. Based on theoretical and other data, it is already known that a further improvement can then be achieved if the same amount of energy acts on the sample to be homogenized in different part sizes and not an attempt is made to use the same amount of energy at a single point of application aurf / the sample transferred to.

Bisher war man der Annahme, daß sich das Problem mit mehreren Bearbeitungsstufen lösen liesse, was notwendigerweise die Verwendung von mehreren Ultraschallgebern bedeutet.Previously it was assumed that the problem would arise with multiple processing steps solve what would necessarily be the use of multiple ultrasonic transducers means.

Grundlage vorliegender Erfindung ist die Beobachtung, daß die Schwingungen an den beiden Enden des gleichen Ultraschallgebers genutzt werden können. Dies aber bedeutet, daß die Probe in den Zonen der Schwingungsgeber-Endflächen behandelt werden kann und daß es weiterhin möglich ist, die Anzahl der Behandlungsstufen gegenüber der Anzahl der Ultraschallgeber zu verdoppeln.The basis of the present invention is the observation that the vibrations can be used at both ends of the same ultrasonic transducer. But this means that the sample is treated in the zones of the vibrator end faces can and that it is still possible, compared to the number of treatment stages to double the number of ultrasonic transducers.

Die Ausnutzung der beiden Endflächen eines Ultraschallgebers in Verbindung mit der Zuführung der Energie ist Uberraschender als dies auf den ersten Blick scheint. Der Fachmann weiß, daß zu einem Ultraschallgeber stets ein Behandlungskopf aus geeignetem Material, meistens aus Metall, gehört, durch den die von dem Ultraschallgeber erzeugte Energie auf den gewünschen Punkt geführt und dort konzentriert wird. Für die vom Ultraschallgeber aus zugeführte Energie ist das Schwingungsverhalten dieses Behandlungskopfes von größter Bedeutung, und der Q-Wert dieses Behandlungskopfes bestimmt nahezu eindeutig die Energiemenge, die dem gewünschten Bearbeitungschjekt dann zugeführt wird) wenn der Arbeitsvorgang innerhalb des Rahmens eines gegebenen Ultraschallgebers ablaufen sll, d.h. wenn zwei Ultraschallgber, die sanst gleiche charakteristische Werte aufweisen, miteinander verglichen werden, Die erzeugte Energie kann dabei als proportional dem Quadrat des mechanischen Q-Vertes angesehen werden.The use of the two end faces of an ultrasonic transducer in connection the supply of energy is more surprising than it seems at first glance. The person skilled in the art knows that there is always a suitable treatment head for an ultrasound transducer Material, mostly made of metal, belongs through which the generated by the ultrasonic transducer Energy is directed to the desired point and concentrated there. For the dated Ultrasonic transducer from supplied energy is the vibration behavior of this treatment head of the utmost importance, and the Q-value of this treatment head determines almost unambiguously the amount of energy that is then supplied to the desired machining project) if the operation takes place within the scope of a given ultrasound transducer sll, i.e. if two ultrasonic transducers that have the same characteristic values, can be compared with each other, the generated energy can be considered proportional the square of the mechanical Q-Vertes are viewed.

Bei der Herstellung eines Ultraschallkopfes werden die Gegebenheiten anhand des Q-Wertes berücksichtigt, der in jedem gegebenen Moment erzielt werden kann. Weil sich ein Ende des Ultraschallkopfes bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Flüssigkeit befindet, (d.h. in der zu bearbeitenden Probe), zeigt der Vergleich zweier Situationen - eine dieser Situationen mit nur einem Behandlungskopf, der sich in der Flüssigkeit befindet, und die andere dieser Situationen mit Behandlungsköpfen, die symmetrisch auf beiden Seiten des Ultraschallgebers angeordnet sind-, daß der Q-Xert des doppelseitigen Ultraschallgebers theoretisch nur halb so groß ist wie der Q-Wert des Doppelkopf-Ultraschallgebers. Aufgrund solcher theoretischer Uberlegungen wäre darauf zu schließen, daß bei der symmetrischen Ausfüurung der Leistungseingang P1 von einem jeden Ende aus nur ein Viertel der von einem einfachen Ultraschallgeber erzeugten Leistung sein würde. Die kombinierte Leistung der symmetrisch angeordneten Behandlungsköpfe, die Leistung 2 x P1, würde also nur halb so groß sein, wie die Leistung, die von einem einfachen Behandlungskopf auf das Objekt (die FlUssigkeit) übertragen würde.When making an ultrasound head, the realities based on the Q value achieved at any given moment can. Because one end of the ultrasound head in the device according to the invention is in a liquid (i.e. in the sample to be processed), the comparison shows two situations - one of those situations with only one treatment head that is in the liquid, and the other of these situations with treatment heads, which are arranged symmetrically on both sides of the ultrasonic transducer - that the Q-Xert of the double-sided ultrasonic transducer is theoretically only half as large as the Q value of the double head ultrasound transducer. Because of such theoretical considerations one would conclude that with the symmetrical execution the power input P1 from each end only a quarter of that from a simple ultrasonic transducer generated power would be. The combined power of the symmetrically arranged Treatment heads, the power 2 x P1, would be only half as large as that Power from a simple treatment head to the object (the liquid) would be transferred.

Diese theoretische Schlußfolgerung oder die entsprechenden gleichwertigen Erfahrungen der Ultraschalltechnik schließen für gewöhnlich die Wahl einer Ausführung aus, bei der ein zum Ultraschallgeber symmetrisches Doppelbehandlungssystem verwendet werden würde, und zwar wegen der Verringerung der Leistung auf die Hälfte, die natürlich die zu erzielende Gesamtwirkung zu stark reduzieren würde.This theoretical conclusion or its equivalent Experience in ultrasound technology usually includes a choice of design off at the one Double treatment system symmetrical to the ultrasonic transducer would be used because of the reduction in power by half, which of course would reduce the overall effect to be achieved too much.

Mit vorliegender Erfindung wurde nun gefunden, daß der Ansatz der Kavitation eine weitgehende Veränderung der Situation herbeiführt. Der belastende Effekt des Flüssigkeitsspaltes bleibt während der Halbperiode mit Vakuum in der Tat minimal und bewirkt, daß der Q-Wert des Schwingungsgebers deutlich größer wird, wenn die Kavitationsschwelle überschritten worden ist. Weil weiterhin im Vergleich mit dem Ultraschallkopf die Probe verhältnismäßig klein ist, kann der Vibrator oder Schwingungsgeber als ein freier Oszillator auch im Zustand der Belastung betrachtet werden.With the present invention it has now been found that the approach of Cavitation brings about a major change in the situation. The burdensome The effect of the liquid gap remains in the vacuum during the half-cycle Act minimal and causes the Q value of the vibrator to be significantly larger, when the cavitation threshold has been exceeded. Because continue to be compared with the ultrasound head the sample is relatively small, the vibrator or Vibration transmitter is regarded as a free oscillator even in the state of loading will.

Der Q-Wert fällt bei Verwendung der symmetrischen Ausführung nicht auf die Hälfte ab, sondern verringert sich nur um einen sehr kleinen Bruchteil. Auch die von einem jeden Ende abgeleitete Leistung fällt etwas ab, und zwar nur so wenig, daß die der Probe zugeführte Gesamtleistung größer ist, als jene, die von einem Ultraschallgeber mit Einzelkopf abgeleitet werden kann. Mit der Vorrichtung nach der Erfindung kann daher tatsächlich eine Leistungssteigerung erzielt werden. Erzielt wird auch der Vorteil einer Bearbeitung der Probe in zwei Stufen, was zur Folge hat, daß auch die Wirkung des Homogenisierapparates erhöht wird.The Q value does not fall when using the symmetrical version by half, but only decreases by a very small fraction. The performance derived from each end also drops somewhat, and only so little that the total power applied to the sample is greater than that which is can be derived from an ultrasonic transducer with a single head. With the device according to the invention, therefore, an increase in performance can actually be achieved. There is also the advantage of processing the sample in two stages, leading to The result is that the effect of the homogenizer is also increased.

Die Erfindung wird nachstehend nun anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert und zwar zeigt Fig. 1 die Behandlungskammer eines Ultraschallkopfes mit dem Zirkulationsteil für die Probe, wobei das Größenverhältnis des Ultraschallkopfes zu de Probe erkennbar ist, und Fig. 2 eine schematische Darstellung der Anordnung der symmetrischen Behandlungsköpfe auf beiden Seiten des Ultraschallgebers.The invention will now be illustrated below with reference to the drawing Embodiment explained in more detail, namely Fig. 1 shows the treatment chamber an ultrasound head with the circulation part for the sample, the size ratio of the ultrasound head to the sample can be seen, and FIG. 2 is a schematic representation the arrangement of the symmetrical treatment heads on both sides of the ultrasound transducer.

Die in Fig 1 dargestellte Probenbehandlungskamer 10, die durch den Ultraschailkopf 12 und durch das Stützelement 20 begrenzt ist, ist nicht Gegenstand der Erfindung; gleiche oder ähnliche Ausführungen sind bekannt. Begrenzt wird der Probenbehandlungsraum ferner durch die Packung 18, die als elastische Verbindung zwischen dem Behandlungskopf 12 und dem Stützelement 20 angeordnet ist und das Entweichen der durch die Verbindungsrohre 16 fließenden Probe aus der Probenbehandlungskammer 10 verhindert. Der eigentliche Ultraschallgeber 14 ist in Fig. 1 nicht dargestellt. Verwendet werden kann jeder geeignete Geber, der Ultraschall erzeugt, entweder eine piezoelektrische oder eine andere Ausführung.The sample treatment camera 10 shown in FIG Ultrasound head 12 and is limited by the support element 20 is not the subject the invention; identical or similar designs are known. That is limited The sample treatment space is also provided by the packing 18, which acts as an elastic connection is arranged between the treatment head 12 and the support element 20 and the escape of the sample flowing through the connecting pipes 16 from the sample treatment chamber 10 prevented. The actual ultrasonic transducer 14 is not shown in FIG. 1. Any suitable transducer that generates ultrasound can be used, either one piezoelectric or other design.

Die Darstellung nach Fig. 2 zeigt die mit der Erfindung beschriebene und zum Ultraschallgeber 14 symmetrische Anordnung.The illustration according to FIG. 2 shows that described with the invention and arrangement symmetrical to the ultrasonic transducer 14.

Die Ultraschallköpfe 12 bestehen für gewöhnlich aus einem geeigneten Metall, beispielsweise aus Aluminium, und konzentrieren die vom Ultraschallgeber erzeugte Schwingungsleistung in den Probenbehandlungskammern 10, die nach Fig. 2 ebenfalls auf beiden Seiten des Ultraschallgebers angeordnet sind.The ultrasound heads 12 usually consist of a suitable one Metal, for example aluminum, and concentrate those from the ultrasonic transducer Vibration power generated in the sample treatment chambers 10, which according to FIG. 2 are also arranged on both sides of the ultrasonic transducer.

Die zu behandelnde Probe wird von geeigneten Vorrichtungen, beispielsweise von nicht dargestellten Pumpen, zuerst in die Kammer 10 und dann durch die Rohrleitung 16 in die zweite Probenbehandlungskammer 10 gefördert. Die zu behandelnde flüssige Substanz, beispielsweise Milch, wird in den Kammern 10 homogenisiert, wobei. die anfänglich in der Probe in uneinheitlicher Größe vorhandenen Bestandteile, beispielsweise die Fettkügelchen in der Milch, durch Kavitationsbildung dispersiert und in der Größe reduziert und schließlich in der Substanz homogen verteilt werden.The sample to be treated is suitable devices, for example from pumps, not shown, first into the chamber 10 and then through the pipeline 16 conveyed into the second sample treatment chamber 10. The liquid to be treated Substance, for example milk, is homogenized in the chambers 10, wherein. the components initially present in the sample in non-uniform sizes, for example the fat globules in the milk, dispersed by cavitation and in the Reduced in size and finally distributed homogeneously in the substance.

L e e r s e i t eL e r s e i t e

Claims (4)

P a t e n t a n s p r ü c h e 1) Vorrichtung zur Behandlung einer Flüssigkeitsprobe, insbesondere zu deren Homogenisierung, bei der Ultraschallenergie auf einen kleinen Teil der Flüssigkeit, insbesondere auf eine durch die Vorrichtung strömende Probe, während einer Zeiteinheit gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiezuführung in bekannter Weise in mehreren Stufen erfolgt, wobei eine vorgegebene Energiemenge die Wirkung der Homogenisierung verbessert, daß Probenbehandlungskammern durch Zwischenschaltung von Vorrichtungen zur Bewegungskonzentration an den beiden schwingenden Enden des Ultraschallgebers vorgesehen sind, und daß die Vorrichtungen Bauelemente aufweisen, die den Teil der Flüssigkeit (Probe) von einer Behandlungskammer in die andere Behandlungskammer fördern, so daß die Anzahl der Behandlungsstufen doppelt so groß ist wie die Anzahl der Ultraschallgeber. P a t e n t a n s p r ü c h e 1) Device for treating a Liquid sample, in particular for its homogenization, in the case of ultrasonic energy on a small portion of the liquid, especially one through the device flowing sample, being directed during a unit of time, characterized in that, that the energy supply takes place in a known manner in several stages, one given amount of energy improves the homogenization effect that sample treatment chambers by interposing devices to concentrate movement on the two vibrating ends of the ultrasonic transducer are provided, and that the devices Have components that form part of the liquid (sample) from a treatment chamber promote in the other treatment chamber, so that the number of treatment stages is twice as large as the number of ultrasonic transducers. 2) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transport der Probenteile von einer Behandlungskammer in die andere Behandlungskammer kontinuierlich mit Hilfe einer Förderpumpe und Rohrleitungen erfolgt.2) Device according to claim 1, characterized in that the transport of the sample parts from one treatment chamber to the other treatment chamber continuously takes place with the help of a feed pump and pipelines. 3) Vorrichtung nach anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallgeber ein piezoelektrischer Kristall ist.3) Device according to claim 1 or 2, characterized in that the ultrasonic transducer is a piezoelectric crystal. 4) Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenrlzeichnet, daß der Ultraschallgeber magnetostriktiv ist.4) Device according to claim 1 or 2, characterized in that the ultrasonic transducer is magnetostrictive.
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