EP0672449B1 - Verfahren und Vorrichtung zum Aufschlämmen, Emulgieren und/oder Mahlen - Google Patents

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EP0672449B1
EP0672449B1 EP95810119A EP95810119A EP0672449B1 EP 0672449 B1 EP0672449 B1 EP 0672449B1 EP 95810119 A EP95810119 A EP 95810119A EP 95810119 A EP95810119 A EP 95810119A EP 0672449 B1 EP0672449 B1 EP 0672449B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
grinding
stirring
rotation
rotation axes
location
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP95810119A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0672449A1 (de
Inventor
Roger Kalbermatten
Siegfried Buergi
Michael Rosenzweig
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ceres Heilmittel AG
Original Assignee
Ceres Heilmittel AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Ceres Heilmittel AG filed Critical Ceres Heilmittel AG
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Application granted granted Critical
Publication of EP0672449B1 publication Critical patent/EP0672449B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/60—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders with stirrers rotating about a horizontal or inclined axis
    • B01F27/70—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders with stirrers rotating about a horizontal or inclined axis with paddles, blades or arms
    • B01F27/701—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders with stirrers rotating about a horizontal or inclined axis with paddles, blades or arms comprising two or more shafts, e.g. in consecutive mixing chambers
    • B01F27/702—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders with stirrers rotating about a horizontal or inclined axis with paddles, blades or arms comprising two or more shafts, e.g. in consecutive mixing chambers with intermeshing paddles

Definitions

  • the invention is in the fields of grinding and mixing technology and relates to a method and a device according to the preambles of the corresponding, independent claims for slurrying, emulsifying and / or grinding highly sensitive vegetable or animal, solid and / or liquid materials.
  • slurries are used to denote a process in which from a mixture of solid parts and liquid while crushing the solid parts a macroscopically homogeneous slurry (porridge) is created.
  • Emulsification is a process in which is called Areas of immiscible liquids a macroscopically homogeneous emulsion will be produced.
  • the plant material is used alone with a high-speed Slicer, as used for mincing meat, fine crushed and the resulting chopped material for further processing, e.g. Fermentation or fermentation, mixed with the liquid.
  • Man can also plant parts with a hand blender in a container directly below Process the addition of a liquid to a porridge.
  • Another disadvantage is that high speeds, so high Tool speeds, the plant material locally heated and thereby the quality of the product may be affected.
  • Emulsions are also made by crushing the drops of the various immiscible liquids with high-speed, often sharp tools manufactured using local heating, especially during processing of highly viscous and highly sensitive liquids, e.g. Protein, can also become a problem.
  • a motor is also used powered mortar described in which in a rotating Grinding vessel (mortar bowl) a heavy grinding body (pestle) in the form of a There is a roller or a cone that rolls freely in the grinding vessel so that the material is crushed between the grinding vessel and the grinding media. With such a Mortar can be ground (ground) gently, but not slurried and be emulsified.
  • the object of the invention is to demonstrate a method and to provide an apparatus for performing the method with which Mixtures consisting of solid parts and liquid consisting of solid Parts and several immiscible liquids or consisting of immiscible Liquids in one step to be as homogeneous as possible Slurries or emulsions can be processed with which but also solid substances can be ground.
  • Method and device should be used particularly advantageously for highly sensitive materials.
  • the sensitive components should not be caused by local heating come to harm.
  • the fine structures are also to be processed in this way be as intensive an interaction as possible between the individual Parts of the materials to be processed becomes possible, so that for example completely dissolve soluble components in the liquid.
  • the device according to the invention should be particularly advantageously applicable for gentle processing of highly sensitive, vegetable and animal Materials.
  • the device according to the invention is intended further be designed such that they are largely independent of the container is in which the material to be machined is contained and that they are simply on different applications is customizable.
  • the inventive method are rhythmically changing Grinding / stirring process on the solid parts or drops to be crushed of the material to be processed rhythmically pressing forces, deformation forces and shear forces are exerted, the force action being interrupted rhythmically becomes of dwell times in the liquid.
  • the solid parts are crushed in a grinding manner, that is actually crushed, stretched and torn (not cut) while liquid, that adheres to the solid surfaces and / or in the solid parts has penetrated, is pressed with substances dissolved in it.
  • the squeezed liquid is replaced and are crushed and tearing newly created surfaces and / or new accessible areas of the interior of the solid parts interacting with liquid brought.
  • the device according to the invention is inspired by the natural process of chewing, as performed especially by cows ruminating becomes. Plants or parts of plants are between mating surfaces of the teeth that fit into one another pressed, ground and torn and mixed in the mouth with saliva. The plant material is not only macroscopically crushed but also microscopic structures are also opened up, so that for example Active ingredients and flavorings become accessible. It can be observed that the cow rhythmically performs this chewing process. You have to conclude that by switching between active chewing between teeth and relaxing movement in the mouth (e.g. through the tongue) is essential Contribution to the quality of the vegetable porridge is made. To this In the example of nature, a plant pulp of high quality becomes the next one Further processing (digestion) generated.
  • the device according to the invention has rotating "teeth” (in the sense of blunt chewing teeth, like a cow's chewing teeth mentioned above) whose "Buying areas” interact rhythmically with each other while doing the required Apply forces to the material to be mixed and shredded. Due to the rotation, the “teeth” simultaneously provide a feed of the material between the “teeth” and for a thorough mixing of the “Teeth” surrounding material. An interaction between "teeth” and Vascular wall is not provided.
  • the device according to the invention has at least two grinding / stirring bodies which rotate in opposite directions about two parallel axes and the surfaces of which form one or more self-contained grinding surfaces, which by the rotation movement in pairs with one another interact with the narrowing grinding point.
  • the grinding / stirring body are designed, arranged and driven in pairs in such a way that the grinding surfaces of an interacting pair of grinding surfaces for feeding of the material to be processed in the same direction to the corresponding grinding point move against it so that the two grinding surfaces move in front of the grinding point Generation of pressing forces move against each other that to generate Deformation forces the one of the grinding surfaces in the area of the grinding point is concave and the other is convex and that to generate the shear forces two grinding surfaces in relation to the grinding point in the same direction but move at different speeds.
  • Figure 1 shows a preferred embodiment of the device according to the invention.
  • the device has two grinding / stirring bodies A and B, which are shown in their corresponding mutual arrangement.
  • the two parallel axes of rotation X and Y with their directions of rotation are also shown. Since the mechanical design of the axes and their connection to a corresponding drive can be designed and implemented by a specialist without difficulty, these parts of the device are not shown.
  • the relative rotation of the two grinding / stirring bodies A and B as seen by the two axes X and Y and the two directions of rotation are shown, can also be understood as rotation of the grinding / stirring body B around the Rotation axis X with simultaneous rotation of the body B around the rotation axis Y and with stationary body A.
  • the rotation speeds around the axes X and Y are the same size regardless of the type of rotation to choose.
  • the two grinding / stirring bodies A and B each consist of a plurality, for example six, grinding / stirring elements A.1-6 and B.1-6 all the same To have shape.
  • the elements are disks with two parallel main surfaces H and H 'trained and have a two-fold axis of symmetry, the coincides with the axis of rotation (X or Y), i.e. each grinding / stirring element is with it after a rotation of 180 ° around the axis of rotation even congruent.
  • the elements A.1-6 and the elements B.1-6 are arranged helically on the axis of rotation X or Y, the both screws have the same pitch but opposite turns exhibit.
  • FIG 2 shows the two grinding / stirring bodies A and B of Figure 1 as a plan view parallel to the axes of rotation. From this illustration is the grinding point formed by the grinding surfaces MA and MB of the grinding / stirring elements A.1 and B.1 in the current rotational position MS visible. Each additional pair of grinding / stirring elements also forms a grinding point.
  • the width of the grinding point i.e. the distance between the two grinding surfaces MA and MB at the narrowest point, is given by the dimensions of the grinding / stirring elements and by the distance d between the axes of rotation X and Y. It can also depend on the position of rotation of the two elements . Given the grinding elements A.1 and B.1, the width of the grinding point can be varied by adjusting the distance d between the axes of rotation X and Y, means for such an adjustment being known per se and therefore not being shown.
  • the slurry, Emulsification or grinding process for certain applications be adjusted.
  • a grinding point width in each Case is larger than the diameter of granular parts of the processed Material it is possible that the crushing of such granular parts (e.g. Seeds) is prevented.
  • the Distance d during the slurry or emulsification process this to the changing size of the solid parts during the process be continuously adjusted. This makes it possible that even rough Grains, for example, at the beginning of the grinding process (with a relatively wide grinding point or grinding points) are only slightly involved in the grinding process so that the load on the grinder is not jammed coarse parts between the grinding tools or in the grinding process resulting grinding pockets to a standstill.
  • Figure 3 shows a pair A.1 / B.1 of the grinding / stirring elements of the grinding / stirring body according to Figures 1 and 2.
  • arrows also indicate which movements and eddies the stirring effect of the rotating grinding / stirring elements in the surrounding Material created.
  • the material to be processed is moved against and into the grinding point MS by the two grinding surfaces MA and MB moving from the same side (feed region E) against the grinding point. It can be seen that the movements generated in the material to be processed guarantee, on the one hand, a rhythmic alternation between passing through the grinding point MS (grinding phase) and recovery phase during a movement around the grinding / stirring elements and, on the other hand, are sufficient to ensure continuous homogenization even at relatively low rotational speeds of the material.
  • the speeds of the grinding surfaces in the grinding point depend on the speed of rotation of the grinding media and the distances from the axes of rotation of the grinding surface positions forming the grinding point. This Speeds are related to the sensitivity of the material being processed adapt. Experiments have shown that in particular the difference the grinding surface speeds at the grinding point an important processing parameter is. Speed differences in the order of 0.3 to 1 m / sec have very good results for highly sensitive materials surrender.
  • FIGS. 4a to 4k now show a pair of grinding / stirring elements A.1 and B.1, as already described in connection with FIGS. 1 to 3, in various rotational positions during a full rotation of the two elements to illustrate the grinding process. It can be seen from the figure that a wide variety of grinding situations arise during one rotation of the grinding elements, in other words that for components of the material to be processed not only does a rhythmic alternation between the grinding phase and the recovery phase take place, but also a rhythmic change of the beginning mentioned pressing, crushing, deformation and shearing processes.
  • the grinding surfaces (M, Fig. 1) askew to the main surfaces (H and H ', Fig 1) may be arranged. They are arrangements with more than two grinding / stirring elements conceivable, these in pairs with two parallel axes of rotation or arranged in groups of more than two bodies, the associated axes of rotation are parallel and equidistant and each body can interact with more than one other body.
  • the grinding / stirring body does not stop individual grinding / stirring elements exist, but are in one piece and for example not a "step screw” ( Figure 1) but a continuous one Represent screw, but the cross section on each axial position of the Form of a grinding / stirring element according to Figure 3. Obviously the production of such a screw body but significantly more complex.
  • the individual grinding / stirring elements spaced from each other on the axis of rotation and for example their main surfaces not or only partially perpendicular to the axis of rotation run.
  • the main surfaces may be crooked or curved achieve an increased stirring effect.
  • only the elements of a grinding / stirring body with spaced elements has crooked or curly major surfaces while the other body is designed as shown in Figures 1 and 2.
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment of a pair of grinding / stirring elements. It is a shape which not only has a two-fold axis of symmetry, like the embodiment according to FIGS. 1 to 5, but also two planes of symmetry S.1 and S.2. Considerations, as they were made in connection with FIGS. 4a to 4k, on such highly symmetrical grinding / stirring bodies or elements show that in the case of the mirror-symmetrical embodiment, the trough-shaped design of the feed area is less strong than in the case of an embodiment according to FIGS. 1 to 4, which slightly changes the grinding characteristics, especially their press aspect. In addition, in a mirror-symmetrical embodiment, the proportion of the grinding surfaces actively involved in the grinding process is reduced, which makes the grinding process somewhat less efficient.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Crushing And Grinding (AREA)
  • Disintegrating Or Milling (AREA)
  • Mixers Of The Rotary Stirring Type (AREA)

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiete der Mahl- und der Mischtechnik und betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung nach den Oberbegriffen der entsprechenden, unabhängigen Patentansprüche zum Aufschlämmen, Emulgieren und/oder Mahlen von hochempfindlichen pflanzlichen oder tierische, feste und/oder flüssige Materialien eignet.
Mit Aufschlämmen soll im folgenden ein Prozess bezeichnet werden, in dem aus einem Gemisch von festen Teilen und Flüssigkeit unter Zerkleinerung der festen Teile eine makroskopisch möglichst homogene Aufschlämmung (Brei) erstellt wird. Mit Emulgieren soll ein Prozess bezeichnet werden, in dem aus Bereichen unmischbarer Flüssigkeiten eine makroskopisch homogene Emulsion hergestellt wird.
Es gibt verschiedene Methoden, um inhomogene Gemische bestehend aus festen Teilen (z.B. Pflanzenteile, wie Blätter, Stengel oder Teile von Wurzeln) und einer Flüssigkeit (z.B. Wasser) derart zu vermengen und zu verreiben, dass eine relativ homogene und relativ stabile Aufschlämmung in Form eines Breis entsteht, der zu weiteren Verarbeitungszwecken verwendet werden kann.
Beispielsweise wird das Pflanzenmaterial allein mit einer hochtourigen Schneidmaschine, wie sie für das Zerhacken von Fleisch verwendet wird, fein zerkleinert und das so entstandene, zerhackte Material für die weitere Aufbereitung, z.B. Gärung oder Fermentation, mit der Flüssigkeit verrührt. Man kann auch Pflanzenteile mit einem Stabmixer in einem Behälter direkt unter Zusatz einer Flüssigkeit zu einem Brei verarbeiten.
Gerade bei der Verarbeitung von frischen Pflanzenteilen hat sich aber gezeigt, dass solche bekannte Methoden mit erheblichen Nachteilen belastet sind. Will man zum Beispiel Präparate aus frischen Pflanzen herstellen, so ist es nicht nur wichtig, die Pflanzen oder Pflanzenteile genügend fein zu zerkleinern, sondern es muss auch dafür gesorgt werden, dass beispielsweise die Wirk- und Aromastoffe freigesetzt werden. Durch das Zerhacken mit hochtourigen, scharfkantigen Messerrädern oder hochtourigen Mixern werden für die Freisetzung der gewünschten Stoffe die feinen Strukturen oft in nur ungenügender Weise aufgeschlossen, z.B. werden nur diejenigen Zellen aufgebrochen, die gerade an der Schnittkante liegen, während die anderen intakt bleiben und die Stoffe nicht freigeben.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass durch hohe Drehzahlen, also hohe Werkzeuggeschwindigkeiten, das Pflanzenmaterial örtlich erwärmt und dadurch die Qualität des Produktes beeinträchtigt werden kann.
Ebenso werden Emulsionen durch Zerkleinerung der Tropfen der verschiedenen, nicht mischbaren Flüssigkeiten mit schnellaufenden, oft scharfen Werkzeugen hergestellt, wobei die örtliche Erwärmung, insbesondere bei der Verarbeitung von hochviskosen und hochempfindlichen Flüssigkeiten, wie z.B. Eiweiss, ebenfalls zum Problem werden kann.
Die oben genannten Probleme treten weniger auf, wenn mit einem Mörser, bestehend aus Mörserschale und Pistill hochempfindliche Materialien von Hand und mit an das Material angepasster Kraft und Geschwindigkeit zerkleinert werden. Das Aufbereiten von Pflanzenmaterialien mit dem Mörser erfordert aber viel Zeit und eine enorme körperliche Leistung des Menschen. Zudem muss das Material für die Bearbeitung im Mörser vorzerkleinert sein.
In der europäischen Patentanmeldung Nr. A2 0 040 182 wird auch ein motorisch angetriebener Mörser beschrieben, in welchem in einem sich drehenden Mahlgefäss (Mörserschale) ein schwerer Mahlkörper (Pistill) in Form einer Walze oder eines Kegels liegt, der im Mahlgefäss frei abrollt, sodass das Material zwischen Mahlgefäss und Mahlkörper zerquetscht wird. Mit einem derartigen Mörser kann zwar schonend zerkleinert (gemahlen), nicht aber aufgeschlämmt und emulgiert werden.
In der Publikation AT-389242 ist eine Mahl vorrichtung beschrieben, in der in einem Durchlaufprozess Festkörper, insbesondere Mineralien und Sinterprodukte zerkleinert werden in einem Mahlspalt, der ähnlich wie bei einem Mörser aus einer konkaven und einer konvexen Mahlfläche gebildet wird, wobei die beiden Mahlflächen im Mahlspalt verschiedene Geschwindigkeiten haben. Durch diese Ausgestaltung des Mahlspaltes wird dieser verlängert und entstehen auf das Mahlgut wirkende Scherkräfte.
Es sind beispielsweise aus der Publikation EP-A2-0160570 auch Vorrichtungen zum Kneten von hochviskosen, nicht fliessenden Kunststoffmaterialien bekannt, die gegenläufig rotierende Paare von Rotoren aufweisen, wobei die Rotoren aus gegeneinander verdreht angeordneten, flachen Rotorelementen bestehen und die Mantelflächen dieser Rotoren alternierende konvexe und konkave Bereiche aufweisen. Durch diese Ausgestaltung der Mantelflächen werden Kammern gebildet, in denen Material gefangen und dann beidseitig aus spaltförmigen Öffnungen als dünne Schicht ausgepresst werden. Die ausgepressten Schichten werden mindestens einseitig gestaucht und wieder in Kammern aufgenommen, um wieder ausgepresst zu werden, wodurch sich ein kontinuierlicher Knetprozess ergibt. Das nicht fliessende Material wird mit hohen Kräften durch derartige Vorrichtungen forciert; zum Rühren sind derartige Vorrichtungen nicht geeignet.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren aufzuzeigen und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, mit denen Gemische bestehend aus festen Teilen und Flüssigkeit, bestehend aus festen Teilen und mehreren, unmischbaren Flüssigkeiten oder bestehend aus unmischbaren Flüssigkeiten in einem Arbeitsschritt zu möglichst homogenen Aufschlämmungen oder Emulsionen verarbeitet werden können, mit denen aber auch feste Stoffe gemahlen werden können. Verfahren und Vorrichtung sollen insbesondere vorteilhaft anwendbar sein für hochempfindliche Materialien. Dabei sollen die empfindlichen Bestandteile nicht durch örtliche Erwärmung zu Schaden kommen. Ferner sollen die Feinstrukturen derart bearbeitet werden, dass eine möglichst intensive Interaktion zwischen den einzelnen Teilen der zu bearbeitenden Materialien möglich wird, sodass beispielsweise lösliche Bestandteile möglichst vollständig in die Flüssigkeit übergehen. Die erfindungsgemässe Vorrichtung soll insbesondere vorteilhaft anwendbar sein für eine schonende Bearbeitung hochempfindlicher, pflanzlicher und tierischer Materialien. Sie soll auch anwendbar sein für faserige und zähe feste Teile und für hochviskose Flüssigkeiten. Die erfindungsgemässe Vorrichtung soll ferner derart ausgestaltet sein, dass sie weitgehend unabhängig vom Behälter ist, in dem das zu bearbeitende Material enthalten ist, und dass sie einfach an verschiedene Anwendungen anpassbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren und die Vorrichtung, wie sie in den Patentansprüchen definiert sind.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren werden in einem rhythmisch wechselnden Mahl/Rührvorgang auf die zu zerkleinernden festen Teile oder Tropfen des zu bearbeitenden Materials rhythmisch Presskräfte, Deformationskräfte und Scherkräfte ausgeübt, wobei die Krafteinwirkung rhythmisch unterbrochen wird von Verweilzeiten in der Flüssigkeit. Durch die Krafteinwirkung werden die Festkörperteile in mahlender Weise zerkleinert, das heisst eigentlich zerquetscht, zerdehnt und zerrissen (nicht zerschnitten), während Flüssigkeit, die an den Festkörperoberflächen haftet und/oder in die festen Teile eingedrungen ist, mit darin gelösten Stoffen ausgepresst wird. In den Verweilzeiten wird die ausgepresste Flüssigkeit ersetzt und werden durch das Quetschen und Zerreissen neu entstandene Oberflächen benetzt und/oder neu zugängliche Bereiche des Innern der festen Teile mit Flüssigkeit in Interaktion gebracht.
Für die Erstellung von Emulsionen ist das oben Erläuterte für Tropfen entsprechend anwendbar. Für einen reinen Mahlvorgang fällt die Interaktion mit der Flüssigkeit weg.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist inspiriert durch den natürlichen Prozess des Kauens, wie er insbesondere durch Kühe beim Wiederkäuen durchgeführt wird. Dabei werden Pflanzen oder Pflanzenteile zwischen den mit ineinander passenden Höckern und Mulden versehenen Kauflächen der Zähne gepresst, zermahlen und zerrissen und im Munde mit Speichel vermischt. Das Pflanzenmaterial wird dabei nicht nur makroskopisch zerkleinert sondern auch mikroskopische Strukturen werden aufgeschlossen, sodass beispielsweise Wirkstoffe und Aromastoffe zugänglich werden. Es ist dabei zu beobachten, dass die Kuh diesen Kauvorgang rhythmisch ausführt. Man muss daraus folgern, dass durch den Wechsel zwischen aktivem Kauen zwischen den Zähnen und dem entspannenden Bewegen im Maul (z.B. durch die Zunge) ein wesentlicher Beitrag zur Qualität des Pflanzenbreis geleistet wird. Auf diese Weise wird im Beispiel der Natur ein Pflanzenbrei hoher Qualität zur nachfolgenden Weiterverarbeitung (Verdauung) erzeugt.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung besitzt rotierende "Zähne" (im Sinne von stumpfen Kauzähnen, wie die oben erwähnten Kauzähne einer Kuh), deren "Kauflächen" rhythmisch miteinander in Interaktion treten und dabei die geforderten Kräfte auf das zu mischende und zu zerkleinernde Material ausüben. Durch die Rotation sorgen die "Zähne" gleichzeitig für eine Zuführung des Materials zwischen die "Zähne" und für eine Durchmischung des die "Zähne" umgebenden Materials. Eine Interaktion zwischen "Zähnen" und Gefässwand ist nicht vorgesehen.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung weist mindestens zwei Mahl/Rührkörper auf, die um zwei parallele Achsen in gegenläufigem Drehsinn rotieren und deren Oberflächen eine oder mehrere in sich geschlossene Mahlflächen bilden, die durch die Rotationsbewegung paarweise miteinander an einer sich verengenden Mahlstelle mahlend in Interaktion treten. Die Mahl/Rührkörper sind dabei paarweise derart ausgestaltet, angeordnet und angetrieben, dass sich die Mahlflächen eines interagierenden Mahlflächenpaares zur Zuführung des zu bearbeitenden Materials zur entsprechenden Mahlstelle gleichsinnig gegen diese bewegen, dass die zwei Mahlflächen sich vor der Mahlstelle zur Erzeugung von Presskräften gegeneinander bewegen, dass zur Erzeugung von Deformationskräften die eine der Mahlflächen im Bereiche der Mahlstelle konkav und die andere konvex ist und dass zur Erzeugung der Scherkräfte die beiden Mahlflächen in Bezug auf die Mahlstelle sich in derselben Richtung aber mit verschiedenen Geschwindigkeiten bewegen.
Verschiedene, beispielhafte Ausführungsformen der erfindungsgemässen Vorrichtung sollen anhand der folgenden Figuren detailliert beschrieben werden.
Dabei zeigen:
Figur 1
ein Paar von Mahl/Rührkörpern einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung in perspektivischer Darstellung;
Figur 2
die beiden Mahl/Rührkörper der Ausführungsform gemäss Figur 1 als Draufsicht parallel zu den Rotationsachsen;
Figur 3
ein Paar von Mahl/Rührelementen der Ausführungsform gemäss Figur 1 als Draufsicht parallel zu den Rotationsachsen;
Figuren 4a bis 4k
das Paar von Mahl/Rührelementen der Figur 3 in verschiedenen Rotationspositionen;
Figur 5
eine weitere Ausführungsform von Mahl/Rührelementen.
Figur 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung. Die Vorrichtung weist zwei Mahl/Rührkörper A und B auf, die in ihrer entsprechenden, gegenseitigen Anordnung dargestellt sind. Auch die beiden parallelen Rotationsachsen X und Y mit ihren Rotationsrichtungen sind dargestellt. Da die mechanische Ausführung der Achsen und ihre Verbindung zu einem entsprechenden Antrieb von einem Fachmann ohne Schwierigkeiten ausgelegt und realisiert werden kann, sind diese Teile der Vorrichtung nicht dargestellt.
Die relative Rotation der beiden Mahl/Rührkörper A und B, wie sie durch die beiden Achsen X und Y und die beiden Drehrichtungen dargestellt ist, kann auch verstanden werden als Rotation des Mahl/Rührkörpers B um die Rotationsachse X bei gleichzeitiger Rotation des Körpers B um die Rotationsachse Y und bei stationärem Körper A. Die Rotationsgeschwindigkeiten um die Achsen X und Y sind unabhängig von der Art der Rotation gleich gross zu wählen.
Die beiden Mahl/Rührkörper A und B bestehen aus je einer Mehrzahl, beispielsweise sechs, Mahl/Rührelementen A.1-6 und B.1-6 die alle dieselbe Form haben. Die Elemente sind als Scheiben mit zwei parallelen Hauptflächen H und H' ausgebildet und besitzen eine zweizählige Symmetrieachse, die mit der Rotationsachse (X bzw. Y) zusammenfällt, das heisst, jedes Mahl/Rührelement ist nach einer Drehung um 180° um die Rotationsachse mit sich selbst deckungsgleich. Die Elemente A.1-6 bzw. die Elemente B.1-6 sind schraubenförmig auf der Rotationsachse X bzw. Y angeordnet, wobei die beiden Schrauben gleiche Steigungen aber einander entgegengesetzte Windungssinne aufweisen.
Die die beiden Hauptflächen H und H' je eines Mahl/Rührelementes verbindenden Mantelflächen M stellen die Mahlflächen dar. Ihre Interaktion soll anhand der Figuren 4a bis 4k erläutert werden.
Figur 2 stellt die beiden Mahl/Rührkörper A und B der Figur 1 als Draufsicht parallel zu den Rotationsachsen dar. Aus dieser Darstellung ist die durch die Mahlflächen MA und MB der Mahl/Rührelemente A.1 und B.1 in der momentanen Rotationsstellung gebildete Mahlstelle MS sichtbar. Jedes weitere Paar von Mahl/Rührelementen bildet ebenfalls eine Mahlstelle. Die Breite der Mahlstelle, das heisst der Abstand der beiden Mahlflächen MA und MB an der engsten Stelle ist gegeben durch die Abmessungen der Mahl/Rührelemente und durch den Abstand d der Rotationsachsen X und Y. Er kann auch abhängig sein von der Rotationsposition der beiden Elemente. Bei gegebenen Mahlelementen A.1 und B.1 kann die Breite der Mahlstelle durch Einstellung des Abstandes d zwischen den Rotationsachsen X und Y variiert werden, wobei Mittel zu einer solchen Einstellung an sich bekannt und deshalb nicht dargestellt sind.
Durch eine anwendungsspezifische Einstellung des Abstandes d kann der Aufschlämmungs-, Emulgier- oder Mahlprozess an bestimmte Anwendungen angepasst werden. Durch Einstellung einer Mahlstellenbreite, die in jedem Falle grösser ist als der Durchmesser körniger Anteile des zu bearbeitenden Materials wird es möglich, dass die Zerkleinerung solcher körniger Teile (z.B. Samenkörner) verhindert wird. Durch eine kontinuierliche Verkleinerung des Abstandes d während dem Aufschlämmungs- oder Emulgierprozess kann dieser an die sich während dem Prozess verändernde Grösse der festen Teile kontinuierlich angepasst werden. Dadurch wird es möglich, dass auch grobe Körner zum Beispiel zu Beginn des Mahlprozesses (bei relativ breiter Mahlstelle oder Mahlstellen) nur geringfügig in den Mahlprozess miteinbezogen werden, so dass die Belastung des Mahlwerkes nicht durch ein Verklemmen grober Teile zwischen den Mahlwerkzeugen oder in der beim Mahlvorgang entstehenden Mahltaschen zum Stillstand führt.
Figur 3 zeigt ein Paar A.1/B.1 der Mahl/Rührelemente der Mahl/Rührkörper gemäss Figuren 1 und 2. In der Figur ist zudem mit Pfeilen angedeutet, welche Bewegungen und Wirbel die Rührwirkung der rotierenden Mahl/Rührelemente in dem sie umgebenden Material erzeugt. Zusätzlich wird durch die beiden sich von derselben Seite (Einzugsbereich E) gegen die Mahlstelle bewegenden Mahlflächen MA und MB das zu bearbeitende Material gegen und in die Mahlstelle MS bewegt. Es zeigt sich, dass die erzeugten Bewegungen im zu bearbeitenden Material einerseits ein rhythmisches Abwechseln zwischen Passieren durch die Mahlstelle MS (Mahlphase) und Erholphase während einer Bewegung um die Mahl/Rührelemente herum gewährleisten und andererseits auch bei relativ kleinen Rotationsgeschwindigkeiten genügen, um eine kontinuierliche Homogenisierung des Materials zu bewirken.
Die Geschwindigkeiten der Mahlflächen in der Mahlstelle sind abhängig von der Rotationsgeschwindigkeit der Mahlkörper und von den Abständen von den Rotationsachsen der die Mahlstelle bildenden Mahlflächenstellen. Diese Geschwindigkeiten sind an die Empfindlichkeit des zu bearbeitenden Materials anzupassen. Experimente haben gezeigt, dass insbesondere die Differenz der Mahlflächen-Geschwindigkeiten an der Mahlstelle ein wichtiger Bearbeitungsparameter ist. Geschwindigkeitsdifferenzen in der Grössenordnung von 0,3 bis 1 m/sec haben für hochempfindliche Materialien sehr gute Resultate ergeben.
Figuren 4a bis 4k zeigen nun zur Illustration des Mahlvorganges ein Paar von Mahl/Rührelementen A.1 und B.1 wie sie bereits im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 3 beschrieben wurden, in verschiedenen Rotationspositionen während einer vollen Umdrehung der beiden Elemente. Es ist aus der Figur ersichtlich, dass während einer Umdrehung der Mahlelemente die verschiedensten Mahlsituationen entstehen, das heisst mit anderen Worten, dass für Bestandteile des zu verarbeitenden Materials nicht nur ein rhythmisches Abwechseln zwischen Mahlphase und Erholungsphase stattfindet, sondern auch ein rhythmisches Wechseln der eingangs bereits erwähnten Press-, Quetsch-, Deformations- und Schervorgänge.
Die die Mahlstelle MS bildenden Bereiche der Mahlflächen MA und MB variieren durch ihren Abstand von der Rotationsachse, was ihre Geschwindigkeit bestimmt, und durch ihre Form (konkav oder konvex), was ihre Deformationswirkung bestimmt. An den verschiedenen Stadien der Figur 4 können die folgenden Teilmahlvorgänge beobachtet werden:
  • In der Phase a wird die Mahlstelle durch zwei konvexe Mahlflächen gebildet, sodass keine Deformationswirkung entsteht. Die Deformationswirkung nimmt bis zur Phase e zu und nimmt von Phase h an wieder ab.
  • In der Phase a haben die beiden Mahlflächen etwa die gleiche Geschwindigkeit, sie üben also keine oder eine sehr kleine Scherwirkung aus. Die Scherwirkung nimmt bis zur Phase e zu und von Phase h an wieder ab. Das Maximum an Scherwirkung entsteht bei grösstem Unterschied der Abstände der Mahlstelle von den beiden Rotationsachsen, was bei der vorliegenden Ausführungsform einem Verhältnis von ca. 1:3 entspricht, und womit gute Resultate erzeugt worden sind.
  • Zwischen den Phasen a und e wird im Einzugsbereich E der Mahlstelle eine Art Mahltasche kontinuierlich verengt, wodurch Presskräfte entstehen, die die Flüssigkeit langsam aus den festen Teilen des zu bearbeitenden Materials pressen.
  • In Phase g erweitert sich die Mahlstelle vorübergehend, sodass sie von dem zu verarbeitenden Material oder von Flüssigkeit allein durchspühlt und so gereinigt wird.
Aus den Figuren 4a bis 4k ist auch ersichtlich, dass das Paar von Mahl/Rührelementen A.1/B.1 gegenläufig aber in beiden Drehrichtungen rotieren kann. Für die Rotationsachsen X und Y mit den in der Figur 4a angegebenen Drehrichtungen gilt die Phasenabfolge in der Reihenfolge a bis k. Für die umgekehrten Drehrichtungen (Rotationsachsen X' und Y' in Figur 4k) gilt die Reihenfolge k bis a, wobei in beiden Abfolgen gleiche Mahlsituationen durchlaufen werden.
Die Wirkung der schraubenartigen Anordnung der Mahl/Rührelemente auf gemeinsamen Rotationsachsen, wie sie im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 beschrieben wurde, kann ebenfalls aus der Abfolge der Figuren 4a bis 4k erklärt werden, wenn diese nicht als zeitliche Abfolge sondern als relative Stellungen auf der Rotationsachse benachbart angeordneter Paare von Mahl/Rührelementen betrachtet wird. Es ist dabei ersichtlich, dass aus dem sich zwischen den Phasen a bis e verengenden Einzugsbereich E Flüssigkeit nur in einer Richtung abfliessen kann, nämlich gegen das benachbarte Paar mit einem noch weiteren Einzugsbereich. Das heisst mit anderen Worten, dass durch eine derartige schraubenförmige Anordnung der Mahl/Rührelemente eine weitere Bewegung des zu bearbeitenden Materials und zwar mit einer Komponente parallel zu den Rotationsachsen erzeugt wird, was sich zusätzlich positiv auf die Homogenisierung der Aufschlämmung oder Emulsion auswirkt.
Zu der in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung sind mannigfache Variationen vorstellbar. Beispielsweise können die Mahlflächen (M, Fig. 1) schief zu den Hauptflächen (H und H', Fig 1) angeordnet sein. Es sind Anordnungen mit mehr als zwei Mahl/Rührkörpern vorstellbar, wobei diese paarweise mit je zwei parallelen Rotationsachsen oder in Gruppen zu mehr als zwei Körpern angeordnet sind, wobei die zugehörigen Rotationsachsen parallel und äquidistant sind und jeder Körper mit mehr als einem anderen Körper in Interaktion stehen kann.
Variationen sind auch denkbar, dadurch dass die Mahl/Rührkörper nicht aus einzelnen Mahl/Rührelementen bestehen, sondern einstückig sind und beispielsweise nicht eine "Stufenschraube" (Figur 1) sondern eine kontinuierliche Schraube darstellen, deren Querschnitt aber auf jeder achsialen Position der Form eines Mahl/Rührelementes gemäss Figur 3 darstellt. Offensichtlich ist die Herstellung eines derartigen Schraubenkörpers aber bedeutend aufwendiger.
Weitere Variationen sind denkbar, dadurch dass das Verhältnis des grössten zum kleinsten Abstand zwischen Mahlfläche und Rotationsachse anders als 1:3 (gemäss Figuren 1 bis 4) ist. Dadurch wird einerseits die maximal erreichbare Scherwirkung beeinflusst und andererseits auch die mechanischen Eigenschaften der Mahl/Rührelemente. Je grösser der Unterschied der beiden Abstände wird, desto höhere Scherwirkungen werden erzielt, aber desto eingeschnürter werden die Elemente. Gute Resultate sind erzielt worden mit Abstandsverhältnissen von 5:1 bis 1,5:1, insbesondere 3:1 bis 2:1.
Als weitere Variation ist es vorstellbar, dass die einzelnen Mahl/Rührelemente voneinander beabstandet auf der Rotationsachse angeordnet sind und beispielsweise ihre Hauptflächen nicht oder nur teilweise senkrecht zur Rotationsachse verlaufen. Dabei können schiefe oder geschweifte Hauptflächen eine erhöhte Rührwirkung erzielen. Es ist auch vorstellbar, dass nur die Elemente des einen Mahl/Rührkörpers voneinander beabstandete Elemente mit schiefen oder geschweiften Hauptflächen aufweist, während der andere Körper ausgestaltet ist wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt.
Figur 5 zeigt eine weitere, beispielhafte Ausführungsform eines Paares von Mahl/Rührelementen. Es handelt sich dabei um eine Form, die nicht nur, wie die Ausführungsform gemäss den Figuren 1 bis 5, eine zweizählige Symmetrieachse aufweist sondern ebenfalls zwei Symmetrieebenen S.1 und S.2. Betrachtungen, wie sie im Zusammenhang mit den Figuren 4a bis 4k angestellt wurden, an derartigen höher symmetrischen Mahl/Rührkörpern oder -elementen ergeben, dass bei der spiegelsymmetrischen Ausführungsform die muldenförmige Ausgestaltung des Einzugsbereiches weniger stark ist als bei einer Ausführungsform gemäss Figuren 1 bis 4, wodurch die Mahlcharakteristik, insbesondere deren Pressaspekt, leicht verändert wird. Zudem wird in einer spiegelsymmetrischen Ausgestaltung der am Mahlvorgang aktiv beteiligte Anteil der Mahlflächen geringer, was den Mahlvorgang etwas weniger effizient macht.

Claims (10)

  1. Verfahren zum schonenden Aufschlämmen, Emulgieren und/oder Mahlen von hochempfindlichen, insbesondere pflanzlichen oder tierischen Materialien, in welchem Verfahren das zu verarbeitende Material bestehend aus festen Teilen, aus festen Teilen und einer Flüssigkeit, aus festen Teilen und mehreren nicht mischbaren Flüssigkeiten oder bestehend aus mehreren nicht mischbaren Flüssigkeiten mittels rotierenden Mahl/Rührkörpern gerührt und an einer sich verengenden Mahlstelle (MS) zwischen Bereichen von zwei in sich geschlossenen, um Rotationsachsen (X, Y) rotierenden Mahlflächen (MA, MB) bearbeitet wird,
    wobei zur Zuführung des zu bearbeitenden Materials zur Mahlstelle (MS) und zur Erzeugung von pressenden Kräften auf die Bestandteile des zu bearbeitenden Materials die zwei Mahlflächen (MA, MB) von der gleichen Seite und sich einander nähernd zur mindestens einen Mahlstelle (MS) bewegt werden,
    wobei zur Erzeugung scherender Kräfte auf die Bestandteile des zu bearbeitenden Materials die beiden Mahlflächen (MA, MB) mindestens zeitweise mit verschiedenen Geschwindigkeiten durch die Mahlstelle (MS) bewegt werden,
    wobei zur Erzeugung von deformierenden Kräften auf die Bestandteile des zu bearbeitenden Materials im Bereiche der Mahlstelle (MS) mindestens zeitweise die eine Mahlfläche konkav und die andere konvex ist,
    wobei das zu bearbeitende Material die rotierenden Mahlflächen (MA, MB) umgibt und durch diese senkrecht zu den Rotationsachsen (X, Y) bewegt wird,
    wobei die Bearbeitung durch die zuführenden, pressenden, scherenden und deformierenden Kräfte in einem Rhythmus sich ändernder Mahlphasen abläuft
    und wobei dieser Rhythmus in einer Mehrzahl von in Richtung der Rotationsachsen (X, Y) benachbarten Mahlstellen (MS) phasenverschoben ist, derart, dass das zu bearbeitende Material auch parallel zu den Rotationsachsen (X, Y) bewegt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Veränderung des Abstandes der Mahlflächen (MA, MB) an den Mahlstellen (MS) während dem Aufschlämmungs-, Emulgier- und/oder Mahlprozess die Bearbeitungskräfte verändert werden.
  3. Vorrichtung zum schonenden Aufschlämmen Emulgieren und/oder Mahlen von hochempfindlichen Materialien, insbesondere von pflanzlichen oder tierischen Materialien nach dem Verfahren gemäss Anspruch 1 oder 2, welche Vorrichtung mindestens zwei Mahl/Rührkörper (A, B) und keine an die Mahl/Rührkörper (A, B) angepasste Gefässwand aufweist,
    wobei die Mahl/Rührkörper (A, B) paarweise um zwei parallele Rotationsachsen (X, Y) in gegenläufigem Drehsinn rotierend antreibbar sind und ihre Oberflächen paarweise an einer Mahlstelle (MS) mahlend interagierende, in sich geschlossene Mahlflächen (MA, MB) aufweisen, die rotierende stumpfe Kauzähne bilden,
    wobei die Mahlflächen (MA, MB) der Mahl/Rührkörper (A, B) derart ausgebildet und relativ zueinander angeordnet sind, dass sie sich einander nähernd und in gleicher Richtung gegen die Mahlstelle bewegen und derart dass mindestens zeitweise zwei Mahlflächenbereiche mit verschiedenen Abständen von den Rotationsachsen (X, Y) und mindestens zeitweise ein konkaver und ein konvexer Mahlflächenbereich die mindestens eine Mahlstelle (MS) bilden,
    wobei die Mahlflächen (MA, MB) derart ausgebildet sind, dass durch die Rotation ein Rhythmus von verschiedenen Mahlphasen entsteht
    und wobei die Mahl/Rührkörper (A, B) schraubenförmig ausgebildet sind, derart, dass in Richtung der Rotationsachsen (X, Y) eine Mehrzahl von Mahlstellen (MS) entsteht, in welchen Mahlstellen (MS) der Rhythmus der Mahlphasen phasenverschoben abläuft.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mahl/Rührkörper (A, B) aus einer Anzahl von gleichen Mahl/Rührelementen (A.1-6, B.1-6) besteht, die auf den Rotationsachsen (X, Y) schraubenförmig angeordnet sind, und dass die Mahlflächen (MA, MB) der Mahl/Rührelemente parallel zu den Rotationsachsen (X, Y) sind.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen maximalem Abstand von Mahlfläche (MA, MB)) und Rotationsachse (X, Y) und minimalem Abstand zwischen Mahlfläche und Rotationsachse an einem Mahl/Rührkörper (A, B) oder an einem Mahl/Rührelement 3:1 bis 2:1 beträgt.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Schnitte durch Mahl/Rührkörper (A, B) oder Mahl/Rührelemente (A.1-6, B.1-6) senkrecht zu den Rotationsachsen (X, Y) eine 2-zählige, mit der Rotationsachse zusammenfallende Symmetrieachse aufweisen.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnitte durch Mahl/Rührkörper (A, B) oder Mahl/Rührelemente (A.1-6, B.1-6) senkrecht zu den Rotationsachsen (X, Y) zwei Symmetrieebenen (S.1, S.2) aufweisen.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Mahl/Rührkörper (A, B) eines Paares um je eine Rotationsachse (X, Y) rotierend antreibbar ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass von einem Paar von Mahl/Rührkörpern (A, B) der eine stationär ist und der andere um den einen und um sich selbst rotierend antreibbar ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d) zwischen den Rotationsachsen (X, Y) einstellbar ist.
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