CH644278A5

CH644278A5 - Verfahren und ultraschallgeraet zur kontinuierlichen homogenisierung oder emulgierung einer fluessigkeit.

Info

Publication number: CH644278A5
Application number: CH840279A
Authority: CH
Inventors: Per Resen Steenstrup
Original assignee: Reson System Aps
Priority date: 1978-01-18
Filing date: 1979-01-17
Publication date: 1984-07-31
Also published as: FR2414953B1; DE2933176T1; JPS55500042A; DK24578A; DE2933176C2; WO1979000525A1; FR2414953A1; US4302112A; JPS607527B2; DK152260B; GB2035818A; GB2035818B; DK152260C; ES476941A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf ein Ultraschallgerät zur kontinuierlichen Homogenisierung oder Emulgierung einer Flüssigkeit, wobei die Flüssigkeit in einer Ultraschallkammer einer kinematischen, mechanischen Behandlung unterworfen wird und in einem kontinuierlichen Fluss auf eine oder mehrere Flächen eines Ultraschallgenerators geführt wird.

In der schwedischen Patentschrift Nr. 225 122 ist ein Gerät der obgenannten Art beschrieben, bei welchem die ein-fliessende Flüssigkeit in zwei Strahlen geteilt wird. Diese Strahlen müssen durch eine grosse Anzahl kleiner Öffnungen fliessen und werden gegen einen Arbeitsriegel beschleunigt, wo sie zerschnitten, zerkleinert und verrieben werden. Die kleinen Partikel werden hernach durch eine grossse Anzahl von Kammern eines Ultraschallgenerators getrieben, in welchen diese Partikel zusätzlich zur Gegen-strom-Ultraschallbehandlung auch in der querverlaufenden Richtung behandelt werden. Ein solches Gerät ist verhältnismässig kompliziert und benötigt viel Energie. Ausserdem ist die Reinigung der kleinen Öffnungen, die vorwiegend durch Zurückziehung erfolgen muss, umständlich, insbesondere wenn das Gerät zur Homogenisierung von Milch oder für die Behandlung anderer Lebensmittel Verwendung finden soll.

Die britische Patentschrift Nr. 1 437 286 umschreibt eine einfachere Konstruktion. In diesem Gerät wird die Flüssigkeit, beispielsweise zum Homogenisieren bestimmte Milch, einfach durch eine T-Röhre in den Ultraschallgenerator gepumpt. Dieses Gerät ist einfach zu reinigen. Allerdings ist es gerade durch die hohe Energieaufnahme zum Erzeugen des Ultraschalls für eine kleine Flüssigkeitsmenge qualitativ unbefriedigend. Dies mit einer praktisch perfekten Desintegration mit gleichmässiger Dispersion der Zutaten in die zu homogenisierende oder zu emulgierende Flüssigkeit.

Eine effektive Ultraschallbehandlung erfolgt lediglich an den Innenseiten des Generators, durch welchen die Flüssigkeit fliesst. In einem leicht grösseren Abstand von der Innenseite ist die Emulgierung bereits ungenügend, und der Ultraschall hat an sich keinen Misch- und Kneteffekt mehr, wodurch der Verreibungseffekt, beispielsweise eines Wassertropfens im Öl, nicht zunimmt. Wenn die gepumpte Flüssigkeitsmenge den Ultraschallgenerator in einem leicht grösseren Abstand durchquert, besteht keine Möglichkeit zur Rückkehr und zu einer Berührung mit der Fläche. Dieses bekannte Gerät ermöglicht somit nur eine ungenügende Mischung zum Gewährleisten einer gleichmässigen Dispersion der Flüssigkeitsbestandteile, und dies erst noch bei einem verhältnismässig hohen Energieverbrauch in bezug auf die geringe Flüssigkeits-Durchflussmenge.

Die französische Offenlegungsschrift Nr. 2 143 685 betrifft eine Abmessungs- und Mischvorrichtung, die besonders für die Zubereitung von Getränken aus gefriergetrockneten Produkten geeignet ist. Die Vorrichtung besitzt eine Hauptkammer, in die Wasser und das gefriergetrocknete Granulat geleitet und mit Hilfe eines Rührers gemischt werden kann. Der gebildete Flüssigkeitsstrom läuft, nachdem er den Rührer passiert hat, durch ein Filter weiter und in eine untere Ultraschallkammer, in der die Flüssigkeit dem Ultraschall ausgesetzt wird. Aus einer Ecke der unteren Kammer wird die behandelte Flüssigkeit weggeleitet. Die Vorrichtung ist ziemlich gross und nicht einfach reinzuhalten, beispielsweise infolge des verwendeten Filters. Ausserdem ist sie nicht so wirkungsvoll, weil die Flüssigkeit, die in die Ultraschallkammer hereinkommt, in der Vorrichtung mit der übrigen Flüssigkeit nicht vermischt wird.

Die Erfindung schlägt ein Verfahren vor, bei welchem in einem verhältnismässig kleinen Gerät mit einer einfachen, nicht kostspieligen Konstruktion und das mühelos gereinigt werden kann, die wirksame Behandlung eines grösseren Flüssigkeitsflusses pro Zeiteinheit möglich ist, dies bei einem geringen Energieverbrauch.

Hierzu weist das erfindungsgemässe Verfahren die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angeführten Merkmale auf.

Die Erfindung benutzt den Umstand, dass die Ultra-schallhomogenisierung sich spontan auf denjenigen Flächen des Ultraschallgenerators bildet, die höchste Ultraschallintensität besitzen. Dadurch ist ein müheloses Durchschleusen der Flüssigkeit in der Ultraschallkammer gewährleistet, und es wird ein beträchtlicher Wechsel von Flüssigkeit auf den Generatorflächen erzeugt. Ferner erfolgt eine beträchtliche Zunahme der Homogenisierungsgeschwindigkeit bei vorhandener Ultraschallenergie. Das Mischen des behandelten Flüssigkeitsflusses mit der umgerührten Flüssigkeit ergibt nicht nur eine sehr gleichmässige Dispersion der Bestandteile in der Flüssigkeit, sondern es wird fernerhin eine wirksame

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Verreibung der einzelnen Tropfen erzielt. Ferner erfolgt der Homogenisierungs- oder Emulgierungsprozess auch in denjenigen Flüssigkeitsabschnitten, die in einem grösseren Abstand von der Fläche des Ultraschallgenerators fliessen. Bei verhältnismässig geringem Energieverbrauch erfolgt ein gutes Durchrühren und dadurch eine schnelle Behandlung der Flüssigkeit, so dass eine grosse Flüssigkeitsmenge pro Zeiteinheit in einer kleinen Ultraschallkammer behandelt werden kann. Wenn der Flüssigkeitsfluss vor dem Verlassen der Ultraschallkammer eine der Flächen durchströmt, ist gewährleistet, dass die die Kammer verlassende Flüssigkeit immer perfekt homogenisiert ist und dass nichthomogenisierte Flüssigkeit die Ultraschallkammer nicht eher verlassen kann, bevor sie entsprechend behandelt ist.

Das zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens dienende Ultraschallgerät weist die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 2 auf.

Mit den Rührorganen wird ein müheloses Durchrühren oder Kneten sowie ein kontrollierbarer Fluss von Flüssigkeitsschichten auf die Flächen des Ultraschallgenerators ermöglicht, dies bei verhältnismässig geringer Energieaufnahme. Dadurch ergibt sich eine wirksame Homogenisierung oder Emulgierung bei einer grossen Durchflussmenge pro Zeiteinheit in einer Ultraschallkammer mit einem kleinen Volumen. Teste haben gezeigt, dass Öl in der Grössenord-nung von 5001/Std. in einer Ultraschallkammer mit einem Volumen von 1j3 1 und mit einer Energieaufnahme unterhalb 120 bis 150 W für die Ultraschallerzeugung und 100 bis 150 W für das Durchrühren emulgiert werden kann.

Eine wesentliche Eigenschaft einer Ausführungsform des zur Erfindung gehörenden Ultraschallgerätes besteht darin, dass die Ultraschallkammer in bezug auf ihre Drehachse symmetrisch ausgebildet ist, wobei jeder Querschnitt im Kreuzpunkt der Ultraschallkammer mit einer in der Drehachse gelegenen Ebene konvex ist, beispielsweise liegt das Zentrum des Kurvenradius eines Querschnitts nie ausserhalb der Ultraschallkammer.

Die Form der Ultraschallkammer ist primär derart gestaltet, dass der Rühreffekt so wirksam wie möglich erfolgen kann, dies bei einer minimalen Energieaufnahme, und dass alle Flüssigkeitsteile mit den Flächen des Ultraschallgenerators in Berührung kommen. Wenn die Kammer eine kreisrunde oder konvexe Form besitzt, liegt der Vorteil darin,

dass keines der Flüssigkeitsteile während der Durchrührung in der Ultraschallkammer unbeweglich bleibt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielsweise umschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 den Vertikalschnitt einer Seitenansicht eines erfindungsgemässen Gerätes;

Fig. 2 eine Draufsicht entlang der Linie A-A in Fig. 1 und

Fig. 3 bis 7 andere Ausführungsformen des erfindungsgemässen Gerätes.

Die Ultraschallkammer 1 ist halbkugelig (Fig. 1), und der Ultraschallgenerator 4 ist in der geraden Wandung angeordnet, wobei die Fläche 6 des Generators in Berührung mit der sich in der Ultraschallkammer 1 befindlichen Flüssigkeit kommt. Die Innenseite der Ultraschallkammer 1 ist symmetrisch in bezug auf die Drehachse 7 angeordnet. Jeder Abschnitt der Ultraschallkammer, deren Ebene die Drehachse 7 umfasst, weist eine konvexe Form auf, die sich nie ausserhalb der Drehachse 7 befindet. Die zu behandelnde Flüssigkeit wird durch eine zur Drehachse 7 koaxiale Zufuhrleitung 2 in die Ultraschallkammer 1 gebracht. Mit Hilfe des ebenfalls koaxial zu der Drehachse 7 angeordneten Propellers 5 wird die Flüssigkeit auf die Fläche 6 des Ultraschallgenerators nach oben und nach unten und dann aufwärts entlang den Wandungen der Ultraschallkammer 1 geführt, wie dies durch den Pfeil 8 angedeutet ist. Das starke Rühren und Kneten der Flüssigkeit in der Ultraschallkammer 1 bewirkt einen beträchtlichen Wechsel der Flüssigkeit auf der Fläche 6 des Ultraschallgenerators. Damit ist eine Vorbedingung für die Erzielung einer hohen Homogenisationsgeschwindig-keit erfüllt. Die homogenisierte Flüssigkeit wird durch einen Auslass 3 aus der Ultraschallkammer geführt, der sich in der gleichen Wandung der Ultraschallkammer 1 befindet, welche auch die Fläche des Generators enthält, wobei der Auslass und die Fläche in der Flussrichtung der Flüssigkeit liegen.

Im allgemeinen ist der Ultraschallgenerator irgendwo auf der Ultraschallkammer angebracht; seine Lage hat keinen besonderen Einfluss auf die Homogenisierungsgeschwindigkeit.

Die zu homogenisierende Flüssigkeit braucht nicht unbedingt in den zentralen Abschnitt der Ultraschallkammer eingeführt zu werden. Dies kann an mehreren Stellen der Kammer geschehen, um eine nicht sofortige Mischung mit der in der Kammer verbleibenden Flüssigkeit zu bewirken. Die Vorrichtung zur Homogenisierung von Flüssigkeit kann auch mehrere Ultraschallgeneratoren 4 aufweisen, die parallel zueinander oder in Serie untereinander angeordnet sind.

Die Ultraschallkammer kann auch ein oder mehrere Rührorgane besitzen.

Die Ultraschallkammer 1 des in Fig. 3 veranschaulichten Gerätes weist eine Vieleckform mit vier geraden Wandungen 6, in die je eine Fläche 6 eines Ultraschallgenerators 4 angeordnet sind, auf. Die zu behandelnde Flüssigkeit wird durch eine zur Drehachse 7 des Propellers 7 koaxiale Zufuhrleitung 2 in die Ultraschallkammer 1 geführt. Die homogenisierte Flüssigkeit fliesst durch je eine Auslassöffnung 3 in den vier Wandungen aus der Ultraschallkammer wieder heraus.

In der Fig. 4 ist eine Ultraschallkammer 1 in Kugelform dargestellt. An der Wandung 6 der Kammer sind vier Ultraschallgenerator-Flächen 4 zur Behandlung der Flüssigkeit vorgesehen. Durch eine koaxial zur Drehachse 7 des Propellers liegende Zufuhrleitung 2 gelangt die Flüssigkeit in die Ultraschallkammer 1. In der Nähe jeder der vier Generatorflächen 4 ist eine Auslassöffnung 3 vorgesehen, durch welche die homogenisierte Flüssigkeit die Ultraschallkammer 1 verlassen kann.

Die Ausführungsform gemäss Fig. 5 zeigt eine Ultraschallkammer 1 in Form einer Halbkugel mit 2 Generatorflächen 4 an der Wandung 6 der Halbkugel und zwei Generatorflächen an der geraden Wandung der Halbkugel. An der gekrümmten Wandung 6 der Halbkugel sind zwei Zufuhrleitungen 2 für den Einlass der unbehandelten Flüssigkeit vorgesehen. An der geraden Wandung 6 der Halbkugel sind zwei Auslassleitungen 3 für die bereits behandelte Flüssigkeit vorgesehen. Im weiteren ist die Propellerwelle 7 durch die gerade Wandung der Kammer geführt.

Die Fig. 6 zeigt einen Vertikalschnitt durch eine weitere Ausführungsform, wobei für die Bezeichnung gleicher Teile wie bei den vorbeschriebenen Beispielen gleiche Überweisungszeichen verwendet werden. In der dargestellten Ultraschallkammer 1 wird ein starkes Durchrühren in einfacher Weise durch den Propeller erhalten, dies bei einem minimalen Energieverbrauch und mit einem maximalen Flüssigkeitsumlauf über die Fläche 6 des Ultraschallgenerators.

Die Fig. 7 zeigt einen Horizontalschnitt durch eine weitere Ausführungsform, in welcher Zufuhrleitungen 2 zu der Drehachse sowie Auslässe 3 für die Entfernung der behandelten Flüssigkeit vorgesehen sind. Letztere liegen am Umfang der Vorrichtung. Die Flächen 6 des Ultraschallgenerators sind radial zu den Innenseiten der Auslässe 3 vorgesehen.

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3 Blatt Zeichnungen

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644 278 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur kontinuierlichen Homogenisierung oder Emulgierung einer Flüssigkeit, bei dem die Flüssigkeit in einer Ultraschallkammer einer kinematischen, mechanischen Behandlung unterworfen wird und in einem kontinuierlichen Fluss auf eine oder mehrere Flächen eines Ultraschallgenerators geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine unbehandelte Flüssigkeitsmischung mit mehreren Zutaten kontinuierlich durch eine oder mehrere Zufuhrleitungen direkt in die Ultraschallkammer geführt wird und in einem kontrollierten Fluss als dünne, fliessende Schicht auf die Fläche oder Flächen des Ultraschallgenerators gelangt, unter kontinuierlicher Beimischung der im Inneren der Kammer verbleibenden Flüssigkeit, und dass die homogenisierte oder emulgierte Flüssigkeit gleichzeitig aus der Kammer entfernt wird, nachdem sie eine Fläche des Ultraschallgenerators passiert hat.

2. Ultraschallgerät zur Durchführung des Verfahrens gemäss Anspruch 1, mit einer Ultraschallkammer, in welcher die Flüssigkeit einer kinematischen, mechanischen Behandlung unterworfen wird und in einem kontinuierlichen Fluss auf eine oder mehrere Flächen eines Ultraschallgenerators geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallkammer mindestens ein mechanisches Rührorgan (5) besitzt, das derart ausgebildet und angeordnet ist, dass der durch eine oder mehrere Zuflussleitungen (2) in die Kammer (1) geführte Flüssigkeitsfluss als fliessende Schicht auf die Fläche oder Flächen (6) des Ultraschallgenerators (4) gelangt, dies unter kontinuierlicher Beimischung der behandelten Flüssigkeit mit der im übrigen Teil der Ultraschallkammer verbleibenden Flüssigkeit, und dass ein oder mehrere Auslässe (3) in einer geraden oder gekrümmten Wandung der Ultraschallkammer (1) vorgesehen sind, in welcher Wandung sich eine Fläche (6) des Ultraschallgenerators befindet, die unmittelbar vor dem Auslass (3) liegt, dies in Flussrichtung der genannten fliessenden Schicht gesehen.

3. Ultraschallgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallkammer (1) symmetrisch in be-zug auf eine Drehachse (7) angeordnet ist und dass jeder Querschnitt der durch einen Schnitt der Ultraschallkammer (1) und einer die Drehachse (7) enthaltende Ebene erhalten wird, konvex ist, wodurch der Querschnitt nie einen Radiusoder Kurvenmittelpunkt besitzt, der sich ausserhalb der Ultraschallkammer (1) befindet.