Logo des Forschungsinformationssystems Agrar und Ernährung

Forschungsinformationssystem Agrar und Ernährung

Informationsportal des Bundes und der Länder

Scale-up verbesserter Düsen zum Hochdruckhomogenisieren und -emulgieren

Projekt

Ernährung und Verbraucherschutz

Dieses Projekt leistet einen Beitrag zum Forschungsziel 'Ernährung und Verbraucherschutz'. Welche Förderer sind dazu aktiv? Welche Teilziele gibt es dazu? Schauen Sie nach:
Ernährung und Verbraucherschutz


Förderkennzeichen: AiF 13731 N
Laufzeit: 01.01.2003 - 31.12.2006
Fördersumme: 228.500 Euro
Forschungszweck: Angewandte Forschung

Emulsionen werden homogenisiert, um die Tropfengröße der dispersen Phase zu reduzieren, wodurch das Aufrahmen bzw. das Sedimentieren verlangsamt und die Langzeitstabilität erhöht wird. In der Rohmilch liegt der Durchmesser der Milchfetttropfen zwischen 1 und 10 μm. Ohne einen Homogenisierschritt bildet sich bereits nach wenigen Tagen eine i. d. R. unerwünschte Rahmschicht. In der Praxis wird Milch in Hochdruckhomogenisatoren bei Drücken von ca. 10 bar (pasteurisierte Milch) bis max. 300 bar (UHT-Milch) homogenisiert. Als Homogenisierdüsen werden meist Flachventile verwendet. Im Rahmen eines vorangegangenen AiF/FEIForschungsvorhaben (AiF 12405 N) wurde eine zweistufige Homogenisierblende entwickelt, mit der Milch effizient homogenisiert werden kann. Nach Überschreitung der kritischen Dehnrate werden die vordeformierten Tropfen im turbulenten Strömungsbereich aufgebrochen. Ein Scaleup der neu entwickelten Düsen durch eine einfache geometrische Vergrößerung des Blendendurchmessers gelingt jedoch nicht. Ziel dieses Forschungsvorhabens war es daher, Regeln für die Maßstabvergrößerung der Homogenisierblenden zu entwickelt. Des Weiteren sollte auch ihre Homogenisiereffizienz gesteigert werden, u.a. indem die Verteilung und die Intensität der Turbulenz durch konstruktive Maßnahmen verändert werden. Zu diesem Zweck sollten zum Beispiel Blendengeometrien untersucht werden, in denen die Bohrungen zur Hauptströmungsachse geneigt sind und konvergieren. Dadurch soll ein rascher Anstieg der Turbulenz direkt hinter dem Lochblendenausgang hervorgerufen werden. Entwicklung und Scale-up der Homogenisierblenden sollten mit Hilfe einer einphasigen CFD-Simulation unterstützt werden. Eine verbesserte Homogenisiereffizienz soll die Herstellung von Produkten mit vorgegebenen Eigenschaften unter geringerem Energieaufwand erlauben. Forschungsergebnis: Die Ergebnisse des Vorhabens zeigen, dass die Blendengeometrie auf das vorliegende Stoffsystem angepasst werden muss. Entscheidend ist hier, dass die Tropfen in der laminaren Dehnströmung am Blendeneinlauf deformiert werden können. Eine ausreichende Verformung ist für Stoffsysteme mit kleineren Verhältnissen zwischen der Viskosität der dispersen und der kontinuierlichen Phase gegeben. Hier genügt eine schnelle Strömungsstörung nach dem Blendenauslauf, um die deformierten Filamente effizient aufzubrechen, bevor sie wieder relaxieren können. Entscheidend ist eine schnelle Störung, weniger die Höhe der dazu eingebrachten Energie. Die Homogenisiereffizienz der untersuchten Lochblenden kann gesteigert werden, indem statt einer runden eine Schlitzform (Schlitzblenden) oder zur Hauptströmungsrichtung geneigte konvergierende Bohrungen verwendet werden. Beides bewirkt ein früheres Aufbrechen der vordeformierten Tropfen. Optimale geometrische Daten wurden erarbeitet. Werden die Tropfen einer Emulsion aufgrund ihrer im Vergleich zur kontinuierlichen Phase hohen Viskosität nicht ausreichend deformiert, kann der Tropfenaufbruch dagegen nur verbessert werden, wenn die Turbulenzintensität am Blendenauslauf erhöht werden kann. Dies kann beispielsweise durch eine Vergrößerung des Blendendurchmessers, durch Einsatz von Schlitzgeometrien oder durch Strömungsumlenkungen innerhalb des Blendenkanal selbst erreicht werden. Dies ist insbesondere für das Zerkleinern von Milchfetttropfen wichtig. Hier sind Tropfendeformation und -aufbruch durch den spezifischen Aufbau der Fettkugelmembran der Milchtropfen erschwert. Die Tropfen können daher im Vergleich zu Pflanzenöl-in-Wasser- Emulsionen nicht ausreichend deformiert werden. Für das System Milch kann das Homogenisiergebnis im Vergleich zu Flachdüsen neuester Bauart nur verbessert werden, indem die Strömung durch zur Hauptströmungsachse senkrechte Kanäle umgelenkt wird (Umlenkblenden). Deren Geometrien wurden basierend auf den Ergebnissen einphasiger Strömungssimulationsrechnungen optimiert. Im zweiten Teil sollten Regeln zur Maßstabvergrößerung für Lochblendensysteme ermittelt werden. Die Untersuchungen zeigten, dass ein Numbering-up problemlos möglich ist, wenn die Verhältnisse x zwischen dem Abstand h und dem Bohrungsdurchmesser d größer sind als x = h/d = 6 (bzw. das optimale Abstands- zu Durchmesser-Verhältnis liegt bei xopt ≈ 6). Ein Scale-up von Schlitzdüsen ist einfach durchzuführen, da für die Tropfendeformation und den Tropfenaufbruch nur die Schlitzhöhe, nicht aber die Schlitzbreite wichtig sind. Eine Verlängerung der Schlitzlänge bei gleicher Schlitzbreite ermöglicht so ein problemloses Scale-up. Standzeitversuche zeigten, dass ebenfalls in einer zweistufigen Fahrweise Materialschäden in den Homogenisierblenden auftreten können. Die Veränderung in der Blendengeometrie beeinflusst jedoch die Homogenisierergebnisse nicht, solange durch Abtragungen ein kritischer Durchmesser nicht überschritten wird. Allerdings nimmt bei gleichem Homogenisierdruck der Durchsatz zu, so dass hier in der Produktion Anpassungen vorgenommen werden müssen. Daher wird gerade für höhere Homogenisierdrücke die Verwendung von Materialien höherer Festigkeit empfohlen.

mehr anzeigen weniger anzeigen

Fachgebiete

Erweiterte Suche