DE69932526T2

DE69932526T2 - Verfahren zur homogenisierung

Info

Publication number: DE69932526T2
Application number: DE69932526T
Authority: DE
Inventors: Fredrik Innings; Rolf Malmberg
Original assignee: Tetra Laval Holdings and Finance SA
Current assignee: Tetra Laval Holdings and Finance SA
Priority date: 1998-09-15
Filing date: 1999-09-13
Publication date: 2007-08-09
Anticipated expiration: 2019-09-14
Also published as: DE69932526D1; DK1121192T3; EP1121192A1; WO2000015327A1; CN1167495C; US6705755B1; AU6236699A; CZ298414B6; RU2239492C2; SE9803124D0; CZ2001949A3; SE513519C2; EP1121192B1; JP2002524241A; SE9803124L; BR9913764A; CN1317988A

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Homogenisierung einer druckbeaufschlagten Emulsion in flüssiger Form, bei dem die Flüssigkeit durch mindestens zwei konzentrisch angeordnete Homogenisierungsspalte geleitet wird.
STAND DER TECHNIK
Bei Homogenisierung handelt es sich um einen industriellen Prozess, der schon seit langem eingesetzt wird und der dazu dient, in einer Fettemulsion, wie zum Beispiel Milch, die größten Fettglobule in kleinere Fettglobule zu zerteilen oder zu spalten und dadurch die Fettemulsion zu stabilisieren. Für zum Beispiel Milch bedeutet dies, dass das Gerinnen des Rahms verhindert wird, und die größte Mehrheit aller Verbrauchermilch ist heute homogenisiert.
Normalerweise erfolgt Homogenisierung durch einen mechanischen Prozess, so dass die Fettemulsion, die einen hohen Zufuhrdruck aufweist, mit hoher Geschwindigkeit durch einen sehr schmalen Spalt gezwängt wird, wo die Fettglobule der Fettemulsion infolge der mit hoher Geschwindigkeit auftretenden Turbulenzen und durch Kavitationsblasen, die in der Flüssigkeit implodieren, aufgespalten werden. Der Prozess kann während eines sehr kurzen Zeitraums durchgeführt werden, und während dieses kurzen Zeitraums erhöht sich die Geschwindigkeit der Fettemulsion bei ihrem Durchströmen, während der Druck abfällt, was dazu führt, dass die Flüssigkeit zum Sieden kommt.
Ein Homogenisierapparat besteht im Wesentlichen aus einer großen Kolbenpumpe, die einen hohen Druck abgibt, und einer Gegendruckvorrichtung, wo die eigentliche Homogenisierung stattfindet. Die Gegendruckvorrichtung, das Homogenisierapparatventil besteht wiederum aus einem druckbeaufschlagten elastischen Ventilkegel, einem Ventilsitz und einem den Ventilkegel und den Ventilsitz umgebenden Ventilgehäuse. Der Ventilkegel und der Ventilsitz sind normalerweise rotationssymmetrisch und so angeordnet, dass zwischen diesen Teilen eine radiale Drosselung auftritt, die einen Homogenisierungsspalt bildet. Die Höhe, Breite und Länge des Spalts bestimmen das Volumen, bei dem die Homogenisierung stattfindet. Dieses Volumen muss so gering wie möglich sein, um eine effiziente Homogenisierung zu erhalten. Die Spalthöhe ist bei einem hohen Druck der zu homogenisierenden Flüssigkeit reduziert, wobei gleichzeitig ein größerer Fluss eine größere Spalthöhe mit sich bringt.
Heute ist es oftmals wünschenswert, die Flüssigkeit mit einem geringeren Druck zu beaufschlagen, während gleichzeitig das Flussvolumen vergrößert werden soll. Dies bedeutet, dass ein längerer Homogenisierungsspalt erforderlich ist. Aus der Patentliteratur sind verschiedene Verfahren zur Verlängerung des Homogenisierungsspalts bekannt. Die Schrift WO-A-98/47606 offenbart ein Homogenisierungsventil, bei dem mehrere Homogenisierungsspalte konzentrisch angeordnet sind, wodurch sich die Länge des Homogenisierungsspalts vergrößert.
Allgemein ist es nicht ausreichend, lediglich den Homogenisierungsspalt zu verlängern, um eine möglichst effiziente Homogenisierung zu erhalten, bei dem alle Fettglobule, zum Beispiel in Milch, zu solch kleinen Fettglobulen zerteilt oder aufgespalten werden, dass eine stabile Emulsion erhalten wird. Dieses Problem ist allgemein dadurch gelöst worden, dass der Homogenisierungsprozess in mehreren Stufen durchgeführt wird.
Die US-PS 5,482,369 offenbart ein weiteres Verfahren zum Erhalt einer effizienten Homogenisierung. Dieses Verfahren geht davon aus, dass die Bestandteile oder Phasen der Emulsion, zum Beispiel Wasser und Fett, die beide unter Druck stehen, durch zwei einander gegenüberliegende Düsen geleitet werden, so dass sich die beiden Strahle mit hoher Geschwindigkeit treffen. Die beiden Düsen sind festgelegt und weisen einen sehr schmalen Spalt auf, durch den die beiden Flüssigkeiten hindurchströmen müssen. Milch, die an sich schon aus einer gemischten, instabilen Fettemulsion besteht, die natürlich auftretende Teilchen enthalten kann, würde in einem solchen Homogenisierapparat die schmalen Spalte der Düsen schnell blockieren und den Prozess unbrauchbar machen.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Homogenisierungsspalt zu realisieren, der optimal ausgeführt und für gewünschten Fluss und Druck steuerbar ist, während gleichzeitig durch Verwendung der Geschwindigkeit, bei der die Flüssigkeit den Homogenisierungsspalt durchquert, eine effizientere und verbesserte Homogenisierung erreicht wird.
LÖSUNG
Diese und andere Aufgaben sind gemäß der vorliegenden Erfindung durch das Homogenisierungsverfahren nach Anspruch 1 gelöst worden.
Bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind weiterhin die in den abhängigen Unteransprüchen aufgeführten charakterisierenden Merkmale verliehen worden.
KURZE BESCHREIBUNG DER BEIGEFÜGTEN ZEICHNUNGEN
Im Folgenden wird unten eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung näher beschrieben, wobei insbesondere auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, darin zeigen:
1, teilweise im Schnitt, ein herkömmliches Homogenisierungsventil; und
2, teilweise im Schnitt, einen Teil des Homogenisierungsventils, bei dem das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung in die Praxis umgesetzt werden kann.
Die Zeichnungen zeigen nur jene Details und Teile, die für ein Verständnis der vorliegenden Erfindung wesentlich sind, und die Anordnung des Homogenisierungsventils in den fertiggestellten Homogenisierapparat, die dem Fachmann wohlbekannt ist, ist weggelassen worden.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Ein Homogenisierungsventil 20 herkömmlicher Art wird in 1 gezeigt; das Homogenisierungsventil 20 besteht im Wesentlichen aus einem Ventilgehäuse 21, mit einem Einlass 22 und einem Auslass 23 für die zu homogenisierende Flüssigkeit sowie einen beweglichen Ventilkegel 1 und einen festgelegten Ventilsitz 2.
In 2 wird ein Teil des Homogenisierungsventils 20 jener Art gezeigt, bei der das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung in die Praxis umgesetzt werden kann. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Ventilsitz 2 rotationssymmetrisch und weist einen mittleren Durchflusskanal 4 für die zu homogenisierende Flüssigkeit auf. Der Durchflusskanal 4 bildet eine Verlängerung des Einlasses 22 des Homogenisierungsventils 20. Von einer mittleren Ebene ist der Ventilsitz 2 so ausgeführt, dass er auf beiden Seiten der mittleren Ebene identisch ist und ist somit im Ventilgehäuse 21 umkehrbar, was bedeutet, dass die Betriebslebensdauer für den Ventilsitz 2 verdoppelt wird.
Neben dem mittleren Durchflusskanal 4 weist der Ventilsitz 2 einen Durchflusskanal 5 für die zu homogenisierende Flüssigkeit auf. Entlang dessen Erstreckung weist der Durchflusskanal 5 mehrere schmale Verbindungsbrücken 6 auf, die die beiden konzentrischen Teile des Ventilsitzes 2 zusammenhalten.
Der Ventilkegel 1, der auch rotationssymmetrisch ist, wird normalerweise durch einen hydraulischen oder pneumatischen Kolben 24 mit Druck beaufschlagt, kann aber bei einfacheren Versionen durch eine über eine Feder wirkende Madenschraube mit Druck beaufschlagt werden. Der Ventilkegel 1 ist auch zum Beispiel über das Öl im Zylinder beweglich, um die schnellen Strömungsschwankungen, die in der zu homogenisierenden Flüssigkeit auftreten, zu absorbieren. Diese Elastizität ist dazu erforderlich, die Strömungsschwankungen, die naturgemäß in Kolbenpumpen auftreten, zu bewältigen.
Der Ventilkegel 1 ist bei der bevorzugten Ausführungsform so ausgeführt, dass der zum Ventilsitz 2 weisende untere Bereich aus einem getrennten Teil 7 besteht, wobei dieses Teil 7 an einem mittleren Teil 8 des Ventilkegels 1 gesichert ist. Von einer mittleren Ebene aus ist das Teil 7 so ausgeführt, dass es auf beiden Seiten der mittleren Ebene identisch ist, und ist somit umkehrbar, was bedeutet, dass die Betriebslebensdauer für das Teil 7 des Ventilkegels 1 verdoppelt wird.
Im unteren Teil 7 des Ventilkegels 1 wird ein Durchflusskanal 3 bereitgestellt. Entlang seiner Erstreckung weist der Durchflusskanal 3 mehrere schmale Verbindungsbrücken 9 auf, die die beiden konzentrischen Teile 7 des Ventilkegels 1 zusammenhalten.
Am Ventilsitz 2 sind mindestens zwei schmale, planare Flächen 10 und 11 vorgesehen, die jeweils eine Seite eines Homogenisierungsspalts 12, 13 bilden. Es können auch zusätzliche Homogenisierungsspalte 12, 13 paarweise und konzentrisch angeordnet vorgesehen werden, aber ein Homogenisierungsventil 20 mit mehr als vier Homogenisierungsspalte 12, 13 wäre wahrscheinlich schwer herzustellen.
Am Ventilkegel 1 sind ebenfalls zwei schmale, planare Flächen 14, 15 vorgesehen, die jeweils die andere Seite der Homogenisierungsspalte 12 und 13 bilden. Die Flächen 10, 11, 14, 15 sind jeweils in Deckung und in beabstandeter Beziehung zueinander angeordnet, wobei diese die bestimmte Spalthöhe ist und normalerweise 50– 200 μm beträgt. Die Spalthöhe kann mit verschiedenem Druck und Strom geändert werden, indem der Ventilkegel 1 dichter an den Ventilsitz 2 und weiter davon weg bewegt wird.
Der Abstand zwischen den beiden Homogenisierungsspalten 12 und 13 ist der gleiche wie die Breite des Durchflusskanals 3. Der Durchflusskanal 3 kann eine kurze Verlängerung 16 aufweisen, die im Ventilsitz 2 vorgesehen ist. Als Alternative dazu weist der Ventilkegel 1 eine vollkommen gerade Seite auf, die aus den Flächen 10 und 11 und ihrer Verlängerung besteht. Die Flächen 10, 14 und 11, 15 der Homogenisierungsspalte 12 bzw. 13 sollten vollkommen gerade sein, um die Flüssigkeit besser durch die Homogenisierungsspalte 12 und 13 zu führen.
Die zu homogenisierende Flüssigkeit, normalerweise Milch, wird in den Homogenisierapparat geführt und dort mit einem Druck von ca. 10–25 Mpa beaufschlagt. Die Milch weist normalerweise einen Fettgehalt von 0,5–3,5 Prozent und eine Temperatur von 55–80°C auf.
Die Flüssigkeit wird durch den Einlass des Homogenisierungsventils 20 geführt, und wenn sie den Ventilsitz 2 erreicht, wird die Flüssigkeit verteilt, so dass sie teilweise durch den mittleren Durchflusskanal 4 und teilweise durch den Kanal 5 strömt. Danach strömt die Flüssigkeit durch jeden Homogenisierungsspalt 12 und 13, und es findet eine erste Homogenisierung statt. Beim Durchströmen wird ein sehr schneller Druckabfall bis auf 0 MPa erreicht, während sich gleichzeitig die Geschwindigkeit erhöht, was dazu führt, dass die Flüssigkeit zu sieden beginnt.
Wenn die Flüssigkeit aus den beiden Homogenisierungsspalten 12 und 13 die Spalte 12 und 13 verlässt, wird sie mit hoher Geschwindigkeit beaufschlagt. Dies trägt in großem Maße dazu bei, die Homogenisierung zu verbessern. Nachdem die beiden Ströme konvergiert sind, wird die Geschwindigkeit verringert und der Druck erhöht sich wieder. Die Flüssigkeit hört auf zu sieden und die Dampfblasen in der Flüssigkeit implodieren. Der gesamte Prozess findet während wenigen Bruchteilen einer Sekunde statt, und bei dem heftigen Prozess, bei dem die hohe Geschwindigkeit und das Konvergieren der beiden Ströme zu einem stattfindet, führt zu Turbulenzen und Kavitation, die in der Flüssigkeit vorhandenen Fettglobule werden zu kleineren Teilchen oder Globulen zerteilt oder aufgespalten.
Der Prozess findet in einem begrenzten Raum statt, das heißt zwischen den Auslässen aus den beiden Homogenisierungsspalten 12, 13 und teilweise im Durchflusskanal 3 sowie möglicherweise in seiner Verlängerung 16. Danach strömt die fertighomogenisierte Flüssigkeit durch den Durchflusskanal 3 heraus und verlässt das Homogenisierungsventil 20 durch seinen Auslass 23.
Da die Spalthöhe für die Homogenisierungsspalte 12, 13 variiert werden kann, ist es möglich, beim Waschen des Homogenisierungsventils 20 den Abstand zwischen dem Ventilkegel 1 und dem Ventilsitz 2 zu vergrößern und dadurch leicht zu waschende Flächen zu erhalten. Da der Ventilsitz 2 und der Teil 7 des Ventilkegels 1 hygienische Dichtungen am Ventilgehäuse 21 und am Teil 8 des Ventilkegels 1 aufweisen, wird ein hygienisches Homogenisierungsventil 20 erhalten, das die Erfordernisse der Nahrungsmittelindustrie erfüllt und das unter Verwendung herkömmlicher Einrichtungen gewaschen werden kann.
Wie aus der vorhergehenden Beschreibung hervorgeht, wird ein Homogenisierungsverfahren realisiert, das herkömmliche Homogenisierung mit Gegenströmen realisiert, wodurch der Homogenisierungsprozess wesentlich verbessert wird. Da die Homogenisierungsspalte die Gegenströme erzeugen, werden die bei festgelegten Düsen auftretenden Probleme hinsichtlich der Homogenisierung von Milch vermieden.
Die vorliegende Erfindung sollte nicht als auf das oben beschriebene und in den Zeichnungen gezeigte beschränkt angesehen werden, es sind viele Modifikationen möglich, ohne vom Schutzbereich der angehängten Ansprüche abzuweichen.

Claims

Verfahren zur Homogenisierung einer druckbeaufschlagten Emulsion in flüssiger Form, bei dem die Flüssigkeit durch mindestens zwei konzentrisch angeordnete Homogenisierungsspalte geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit nur zwischen Paaren einander gegenüberliegend ausgerichteter Homogenisierungsspalte gezwängt wird, wobei jeder des Paars von Homogenisierungsspalten zwei schmale, Planare Flächen (10, 14; 11, 15) umfasst, so dass die Flüssigkeit einem ersten Teil der Homogenisierung ausgesetzt wird, der durch einen schnellen Druckabfall erzeugt wird, und bei Herausströmen aus einem der Homogenisierungsspalte (12) mit hoher Geschwindigkeit und in einem begrenzten Raum auf die Flüssigkeit aus dem gegenüberliegend ausgerichteten Homogenisierungsspalt (13) trifft, wodurch die Flüssigkeit einem zweiten Teil der Homogenisierung ausgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass gerade Flächen an einem Ventilsitz (2) bzw. einem Ventilkegel (1) angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit durch einen mittleren Durchflusskanal (4) und einen konzentrischen Durchflusskanal (5), die im Ventilsitz (2) vorgesehen sind, in die Homogenisierungsspalte (12, 13) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit über einen im Ventilkegel (1) vorgesehenen Durchflusskanal (3) aus den Homogenisierungsspalten austritt.