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Homogenisierverfahren.
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Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Verfiahren und eine Vorrichtung
zur Herstellung von Emulsionen im allgemeinen, insbesondere aber zur Homogenisierung
von Milch.
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Bei den bisher bekannt gewordenen Einrichtungen zur Homogenisierung
von Milch wird d die Zerkleinerung der Fetttröpfchen in der Regel durch die mahlende
Wirkung dicht aufeinander geschliffener und rotierender Flächen erreicht, zwischen
welchen die Milch unter hohem Druck hindurchgepreßt wird.
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Derartige Maschinen benötigen viel Kraft, nutzen sich stark ab, sind
empfindlich hinsichtlich der genauen Einstellung und erfordern Pumpen für hohen
Druck, deren Instandhaltung Schwierigkeiten bereitet.
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Es sind zwar auch Maschinen bekannt geworden, in denen z B. Magermilch
und Rüssiges Fett in Gefäßen mit sehr hoher Rotaticnsgeschwindigkeit inmgst vermischt
und so zu einer Emulsion verwandelt werden; -eine weitgehende Zerkleinerung der
Fetteilchen, also gerade das, was der technische Sprachgebrauch unter Homogenisierung
der - Milch
versteht, wird dadurch a@er nicht erzielt.
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Man darf nicht vergessen, daß die Homogenisierung immer auch eine
Emulgierung in sich schließt, daß aber eine Emulsion noch lange keine Homogenisierung
ersetzt, sonst wäre es ja nicht notwendig, gewöhnliche Vollmilch, die doch unter
allen Umständen eine Emulsion darstellt, für bestimmte Zwecke noch zu homogenisieren.
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Der Hauptgrund für das Versagen der bisher bekannt gewordenen und
zuletzt erwähnten Maschinen mit Rücksicht auf wirkliche «Homogenisierung« - als
intensive Mischmaschinen leisten sie ganz Zufredenstellendes - ist darin zu erblicken,
daß die Ausflußgeschwindigkeiten viel zu kleine sind, und für die Anordnung richtig
wirkender Prallflächen nicht gesorgt wurde. Diese sie schinen besitzen viel zu große
Trommeln, und die dauernd mitgeschleuderte Milschmenge ist infolgedessen so groß,
daß bei einem der notwendigen hohen Ausflußgeschwindigkeit entsprechend kleinen
Gesamtquerschnitt der Ausflußöffnungen die in der Trommel mitrotierende Milch viel
zu lange der Schleuderwirkung ausgesetzt bleibt und sich dadurch in einen äußeren
Magermilchring und eine innere Fettzone schichtet, wodurch jede wirksame Homogenisierung
vereitelt wird.
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Bei dem vorliegenden neuen Verfahren, für dessen Ausführung beiliegende
Zeichnung eine geeignete Apparateanordnung beispielsweise zeigt, sind deshalb die
beiden Düsenrohre unter Fortfall der Trommel möglichst nahe an die Rotationsachse
l'zw. an das zentrale Zuflußrohr der Flüssigkeit herangebracht, und ihr lichter
Durchmesser ist so eng gehalten, als es mit Rücksicht auf den Reibungsverlust beim
Durchströmen der Flüssigkeit durch dieselben nur mög-lich ist.
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Dadurch wird das jeweils mitgeschleuderte Volumen der Flüssigkeit
so klein und wird so rasch durch die Düsenöffnung entleert. daß jede Schichtenbildung
unterbleint.
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An dem hier beschriebenen Prinzip wird natürlich nichts geändert,
wenn die Düsenrohre durch ebenso enge Bohrungen in einer rctierenden, massiven Scheibe
ersetzt werden.
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Bei dem neuen Verfahren wird die gewünschte Zerkleinerung der zu
homogenisierenden Substanzen, z. B. der Fetttröpfchen in der Vollmilch, oder die
mit Emulgierung verbundene Homogenisierung eines flüssigen Fettes in Magermilch
durch die zertrümmernde Wirkung erreicht, welche diese Sulstanzen erleiden, wenn
sie in Gestalt dünner Flüssigkeitsstrahlen beim Austritt aus miit hoher Tourenzahl
rotierenden Düsen infolge der Schleuderkraft mit sehr hoher Geschwindigkeit gegen
eine feste Prallwand von geeigneter Gestalt aufschlagen.
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Bei der Ausführung dieses Verfahrens hat sich gezeigt, daß die im
Homogenisiergefäß befindliche Luft zwar die -Emulgierung -unter gleichzeitiger Zerkleinerung,
Homogenisierung, innerhalb gewisser Grenzen -nicht hindert, ja sogar teilweise unterstützt,
daß sie al-er eine sehr weitgetriebene Zertrümmerung der Flüssigkeitsteilchen, d.
h. eine vollkommene Homogenisierung, nicht zuläßt.
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Nur ein möglichst unelastischer, harter Aufschlag bewirkt eine weitgehende
Zertrümmerung der aufgeschleuderten Fetteilchen.
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Durch die unvermeidliche Vermischung mit den zerstäubten Flüssigkeitsteilchen
vermindert nämlich die mitgerissene Luft die Energie und Härte des Aufschlages,
indem sie jedes Teilchen mit einem elastischen Luftpolster umgibt Dadurch entsteht
eine schaumige Masse, die erst nach und nach bei ruhigem Stehen die Luftbläschen
verliert und sich zu einer gut emulgierten, aber nur unvollkommen homogenisierten
Flüssigkeit absetzt.
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Die im Zerstäubungskessel befindliche und dorthin nachströmende Luft
setzt ferner der Rotation der Düsenarme einen großen Beider stand entgegen. Diese
wirken wie die Flügel eines Ventilators, saugen zentral Luft an und schleudern dieselbe
an der Peripherie wieder al, wodurch auch bei geschlossenem Deckel eine unerwünschte,
mit erheblichem Kraftverbrauch verbundene Luftzirkulation entsteht.
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Alle diese Nachteile werden vermieden, wenn man die abgedichtete
Zerstäubungskammer evakuiert und somit die Düsenarme im Vakuum rotieren läßt. die
Höhe des Vakuums muß mit der Art und vor allem mit der zur eventuellen Flüssigerhaltung
der zu homogenisierenden Substanzen notwendigen Temperatur in Einklang gebracht
werden.
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Das Verfahren kann sowohl für al)satzweisen wie für kontinuierlichen
Betrieb eingerichtet werden, ohne oder mit Vakuum in der Zerstäuhungskammer. In
letzterem Falle und l)ei kontinuierlichem BetrielJe muß sell) stverständlich auch
die Ablaufleitung und das Sammelgefäß für die homogenisierte ÄB Ich unter dem bleichen
Vakuum stehen.
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Zur Veranschaulichung der Größe der Kraft, mit der die Flüssigkeitsteilchen
gegen d1c Prellwand geschleudert und dort zertriimmert werden, sei hier nur erwähnt,
daß z. B. bei einem Kreisdurchmesser von 145 mm, auf welchem die Düsenöffnungen
rotieren und hei der leicht erzielbaren Tourenzahl von 12000 per Minute, die Geschwindigkeit
der aufprallenden Teilchen 125 in/sek, beträgt, und zwar bei geraden Düsenarmen,
während bei geeigneter Krümmung ihrer Enden und bei
gleichbleibender
Tourenzahl diese Geschwindigkeit auf 200 mlsek gesteigert werden kann. Die Abt.
1 und 2 zeigen beispielsweise eine Anordnung für absatzweisen Betrieb und ohne Evakuierung
des Zerstäubungskessels, und zwar stellt Abb. 1 einen Querschnitt durch die Vertikalachse,
Abb. 2 eine Draufsicht bei abgenommenem Deckel dar.
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Durch das zentrale Innenrohr 2 des zylindrischen Blechgefäßles I
geht frei eine Stahlwelle 3 hindurch, die mittels eines beliebigen Getriebes in
sehr rasche Rotation versetzt werden kann. Auf das obere Ende dieser-Welle ist ein
aus den beiden Teilen 4 und 5 bestehender Kopf aufgesetzt, der durch eine Mutter
6 fest mit der Welle verschraubt wird.
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Auf der zylindrischen Außenfläche des inneren, auf einem Ansatz der
Welle direkt aufsitzenden Teiles 4 ist ein Rohr g befesti, welches das Gefäßrohr
2 zentrisch umfaßt.
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Der obere Teil von 4 ist schwach konisch und auf diesen wird der Teil
5 mit seinem Innenkonus fest aufgesetzt und durch die Mutter 6 gesichert. Auf der
unteren, zylindrischen Innenfläche von 5 ist das Außenrohr 8 befestigt, so daß zwischen
den Rohren 8 und 9 ein ringförmiger Raum entsteht. Man ersieht aus der Zeichnung,
daß bei Drehung der Welle 3 der Kopf 4, 5 mit den beiden Rohren 8 und 9 ein gemeinschaftlich
rotierendes Ganzes bildet.
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Senkrecht zur Wellenachse sind auf demselben Durchmesser die beiden
Rohrarme 7, 7 fest in den Kopfteil 5 eingeschraubt, drehen sich also mit diesem
zusammen. Die beiden Rohre 7, 7 stehen, wie aus Abb. I ersichtlich ist, mit dem
ringförmigen Raum zwischen 8 und 9 in direkter Verbindung, während ihre freien Enden
düsenförmig ausgestaltet sind. Letzteren ganz nahe gegenüber befindet sich als Prellkörper
eine ringförmig in sich geschlossene Drahtspirale 10, welche in eine um das Blechgefäß
I herumlaufende, eckige Nut desselben, 1 1, eingesetzt ist und durch ihre eigene
Federung an die Gefäßwand gepreßt wird. Das Gefäß I wird durch einen Deckel 12 geschlossen.
Das Niveau der zu homogenisierenden Flüssigkeit im Gefäß I ist durch eine gestrichelte
Linie angedeutet.
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Werden nun Welle 3 und mit ihr die Teile 4 und 5 mit den daran befestigten
Rohren 8 und 9 und den Düsenrohren 7, 7 in Rotation versetzt, so wird bei steigender
Tourenzahl die Depression der Luft in den Düsenrohren imtner größer, bis endlich
die im Gefäß I bfefindliche Flüssigkeit hochgesaugt wird und durch den ringförmigen
Raum zwischen 8 und g aufsteigend in die Rohre 7, 7 eintritt, von wo sie infolge
der Zentrifugalkraft mit großer Geschwindigkeit aus den Düsenöffnungen gegen die
Windungen der Drahtspirale 10 geschleudert und daran zertrümmert wird.
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Bei steigender Tourenzahl der Welle macht sich aber eine Erscheinung
bemerkbar, welche das Funktion, ieren der ganzen Anordnung vollkommen in Frage stellen
würde und deshalb behoben werden muß. Es bildet sich nämlich rings um das schnell
rotierende Außenrohr 8 ein Luftkegel, dessen nach abwirts gerichtete Spitze sich
bei steigender Umdrehungsgeschwindigkeit immer mehr nach unten zieht, bis schließlich
die Luft in den Zwischenraum zwischen den beiden Rohren 8 und 9 eindringt und so
das weitere Ansaugen der Flüssigkeit und damit den ganzen Betrieb unterbricht. Diese
Bildung eines Luftkegels wird am besten verhindert durch Anordnung feststehender,
radial gerichteter und nicht sehr breiter Rippen 13 der Abb. 2, die sich vom Boden
des Gefäßes I bis zuin Flüssigkeitsspiegel erstrecken und ! möglichst nahe an das
rotierende Rohr 8 herantreten.