DE3728946A1 - Homogenisiervorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Homogenisiervorrichtung zum Homogeni­ sieren einer unter hohem Druck zugeführten, disperse Teilchen und/oder Tröpfchen enthaltenden Flüssigkeit, mit in der Einbau­ stellung unter Bildung einer Einlaßkammer, einer Auslaßkammer und mindestens eines diese verbindenden Homogenisierspalt zusammen­ gefügten Ventilteilen.

Homogenisiervorrichtungen dieser Art sind in zahlreichen Ausgestal­ tungen bekannt und werden seit langem in der Emulgier- und Molke­ reitechnik beispielsweise zur Herstellung von Öl-Wasser-Emulsionen bzw. zur Feinstverteilung des Milchfettes in der Milch eingesetzt. Die von einer Hochdruckpumpe unter sehr hohen Drücken in konstan­ tem Volumenstrom zugeführte Emulsion oder Suspension wird durch einen ringförmigen Homogenisierspalt gepreßt, dessen Spalt­ breite dadurch eingestellt wird, daß ein Ventilstempel mit ent­ sprechender Kraft gegen einen Ventilsitz gedrängt wird. In dem meist von innen nach außen durchströmten Homogenisierspalt sinkt der statische Druck entsprechend der großen Beschleunigung rapide ab, wobei je nach Spaltgeometrie und Volumenstrom auch Kavitations­ blasen auftreten können. Die mit sehr hoher Geschwindigkeit aus dem Homogenisierspalt austretende Flüssigkeit trifft mit großer Energie auf einen umgebenden Prallring auf. Durch diesen Aufprall und die beim Zusammenbrechen von Kavitationsblasen entstehenden Stoßwellen sowie gegebenenfalls zusätzlich einwirkende Scher­ kräfte werden die in der Flüssigkeit enthaltenen Teilchen oder Tröpfchen zerkleinert.

In den letzten Jahren wurden Hochdruck-Homogenisiervorrichtungen dieser Art auch in der Biotechnik zum mechanischen Aufschluß von Mikroorganismen eingesetzt. Um bei biotechnischen Verfahren von den verwendeten Mikroorganismen, wie beispielsweise Saccharomyces cerevisiae (Hefe), Escherichia coli (gramnegatives Bakterium), Bazillus subtilis (grampositives Bakterium), etc. erzeugte In­ haltsstoffe zu gewinnen, müssen deren Zellen möglichst schonend zerlegt werden, damit die meist empfindlichen Inhaltsstoffe nicht geschädigt werden. Wegen der geringen Größe solcher Zellen und der vielfach sehr widerstandsfähigen Zellwandungen müssen bei der­ artigen Aufschlußverfahren durch Hochdruckhomogenisation sehr hohe Homogenisierdrücke von 800 bar und darüber angewandt werden. Gleichzeitig kommen wegen der meist nur kleinen Flüssigkeitsmengen nur relativ geringe Volumenströme und dementsprechend kleine Abmessungen der den Homogenisierspalt bildenden Flächen in Be­ tracht. Unter diesen Umständen werden jedoch Homogenisiervorrich­ tungen der bekannten Art in kürzester Zeit im Spaltbereich derart beschädigt, daß sie praktisch wirkungslos werden. Hinzu kommt noch, daß dabei aus den den Homogenisierspalt bzw. den Prallring bildenden Metallflächen der Ventilteile winzige Metallpartikel abgetragen werden, die im Homogenisierungsprodukt verbleiben und in Fällen, in denen beispielsweise ein daraus gewonnenes Präparat in den Blutkreislauf eines Patienten eingeführt werden soll, zu gefährlichen Metallvergiftungen führen können.

Es sind ferner Hochleistungsschneidwerkzeuge sowie Lager und Führungsteile für Schleifmaschinen und Automobil-Fertigungsstraßen bekannt, die Schneid- oder Führungseinsätze aus polykristallinen Diamant-Sinterschichten aufweisen.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Homogenisiervorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich noch besser für sehr hohe Homogenisierdrücke eignet und einen noch wirksameren Zellaufschluß ohne Metallverunreinigungen des Produkts ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Homogenisiervorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Pa­ tentanspruches 1 ausgestattet.

Da die den Homogenisierspalt bildenden Flächen aus einer feinst­ geschliffenen und polierten polykristallinen Diamant-Sinter­ schicht aus einem Netzwerk von bei hohen Temperaturen und hohen Drücken in Gegenwart einer metallischen Phase miteinander versinterten synthetischen Diamantkörnern bestehen, wird im Homogenisierbetrieb das Herausreißen von Metallteilchen aus den Spaltflächen bzw. dem Prallring und damit eine Verunreinigung des Produkts mit Metallteilchen praktisch vollständig vermieden und gleichzeitig eine über lange Betriebsdauer gleichbleibende Homogenisier- und Zellaufschlußwirkung erreicht.

Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Homogenisiervorrichtung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Homogeni­ siervorrichtung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen vereinfachten Längsschnitt durch eine Homogeni­ siervorrichtung und

Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt durch eine erfindungs­ gemäße Homogenisiervorrichtung.

Die in Fig. 1 dargestellte Homogenisiervorrichtung besitzt in her­ kömmlicher Weise ein Gehäuse 1, einen an diesem unter Einfügung eines Distanzringes 3 und der Ringdichtungen 4 und 5 lösbar fest­ gelegten Zylinderblock einer Dreikolben-Hochdruckpumpe sowie einen auf der vom Zylinderblock 2 abgewandten Seite des Gehäuses befestigten Hydraulikzylinder 16. In einer zylindrischen Bohrung des Gehäuses 1 ist ein Ventilstempel 8 axial verschiebbar ge­ führt. Der Ventilstempel 8 stützt sich mit seiner aus dem Gehäuse 1 herausragenden Endfläche gegen einen im Hydraulikzylinder mittels einer Kolbendichtung 18 dichtend verschiebbar geführten Hydraulikkolben 17 ab und ragt mit seinem anderen Ende in einen erweiterten Abschnitt der Bohrung, in den eine den Ventilstempel 8 umschließende Ventilbuchse 10 und ein gegen diese anliegendes Ventil-Sitzteil 6 koaxial zum Ventilstempel 8 eingefügt sind. Das Ventil-Sitzteil 6 enthält eine durchgehende Einlaßkammer 7, die mit einem im Zylinderblock 2 angeordneten Zuführkanal für die zu homogenisierende Flüssigkeit kommuniziert. Der Ventilstempel 8 wird durch über einen Druckmitteleinlaß 19 in den Hydraulik­ zylinder 16 eingeführtes Hydrauliköl mit seiner Stirnfläche gegen die gegenüberliegende Fläche des Ventil-Sitzteils 6 angedrückt, wobei zwischen den gegenüberliegenden Flächen dieser Teile unter dem hohen Förderdruck der zugeführten Flüssigkeit ein Homogenisier­ spalt vorbestimmter geringer Spaltbreite aufrechterhalten wird. Zwischen der Ventilbuchse 10 und der von dieser umschlossenen Umfangsfläche des Ventilstempels 8 liegt eine Auslaßkammer 13, die über radiale Auslaßkanäle 12 mit einem im Gehäuse 1 liegenden Abführkanal 14 für die homogenisierte Flüssigkeit kommuniziert. Im Gehäuse 1 ist ferner eine den Ventilstempel 8 umschließende Stempeldichtung 9 gelagert und eine Leckagebohrung 15 zur Erkennung etwaiger Undichtigkeiten an der Stempeldichtung 9 bzw. der Kolbendichtung vorgesehen. An der inneren Umfangsfläche der Ventilbuchse 10 ist ferner ein Führungsring 11 angeordnet.

Wie Fig. 2 zeigt, ist bei der erfindungsgemäßen Homogenisiervor­ richtung in die Stirnfläche des Ventilstempels 8 ein von einem Halterungssteg 26 umschlossenes, scheibenförmiges Stempel-Einsatz­ teil 23 eingeklebt, das eine Unterschicht 24 aus Hartmetall und eine polykristalline Diamant-Sinterschicht 25 mit planer Ober­ fläche aufweist. In das gegenüberliegende Ventil-Sitzteil 6 ist in entsprechender Weise ein ringförmiges Sitz-Einsatzteil 20 mit einer Unterschicht 21 und einer Diamant-Sinterschicht 22 einge­ klebt, wobei die Oberfläche der letzteren einen planen äußeren Abschnitt 22 a und einen unter einem Winkel von 5° konisch einwärts zurücktretenden inneren Abschnitt 22 b aufweist. Auf diese Weise wird erreicht, daß der zwischen den Diamant-Sinter­ schichten 25 und 22 gebildete Homogenisierspalt 31 hinsichtlich seiner Spalt-Querschnittsfläche vom Spalteingang bis zum Innen­ rand des äußeren Abschnitts 22 a nicht zunimmt.

Die den Ventilstempel 8 umschließende Ventilbuchse 10 ist in ihrem an das Ventil-Sitzteil 6 angrenzenden Abschnitt als Prall­ ring 27 ausgebildet und mit einem der Austrittsseite des Homo­ genisierspalts umschließenden Prallring-Einsatzteil 28 versehen, das wiederum eine Unterschicht 29 aus Hartmetall und eine Diamant- Sinterschicht 30 mit zylindrischer Oberfläche aufweist.

Im Betrieb wird der Ventilstempel 8 durch den Hydraulikkolben 17 mit einem vorbestimmten Druck in Richtung gegen das Ventil-Sitz­ teil 6 gedrückt und gleichzeitig die zu homogenisierende Flüssig­ keit von einer Dreikolben-Hochdruckpumpe unter einem Druck von beispielsweise 800 bar über die Einlaßkammer 7 radial auswärts durch den Homogenisierspalt 31 hindurchgepreßt, wobei die mit sehr hoher Geschwindigkeit aus dem Homogenisierspalt 31 aus­ tretende Flüssigkeit auf die Diamant-Sinterschicht 30 des Prall­ ringes 27 aufprallt. Die im Homogenisierspalt 31 und beim Auf­ treffen auf den Prallring 27 homogenisierte Flüssigkeit strömt über die Auslaßkammer 13, die Auslaßkanäle 12 und den Abführ­ kanal 14 ab.

Ausführungsbeispiel

Zum Zellaufschluß einer Mikroorganismen der Art Escherichia coli enthaltenden wässrigen Flüssigkeit wurde diese mittels einer Drei­ kolben-Hochdruckpumpe unter einem Druck von 800 bar einer Homo­ genisiervorrichtung der in Fig. 2 dargestellten Art zugeführt, die einen Ventilstempel 8 mit einem Durchmesser von 10 mm, ein Ventil-Sitzteil 6 mit einem Durchmesser von 32 mm und einer zylin­ drischen Einlaßkammer 7 mit einem Durchmesser von 3 mm und einer Länge von 17 mm aufwies. In die Stirnfläche des Ventilstempels 8 war mit einem Spezialkleber ein 1,6 mm starkes Stempeleinsatz­ teil 23 mit einem Durchmesser von 9,52 mm, einer 0,8 mm starken Unterschicht aus Sinter-Hartmetall und einer 0,8 mm dicken, planen Diamant-Sinterschicht eingeklebt. Das Ventil-Sitzteil 6 enthielt ein eingeklebtes ringförmiges Sitz-Einsatzteil 20 mit einem Außendurchmesser von 12,7 mm, einer 2,3 mmm starken Unterschicht aus Sinter-Hartmetall und einer 0,8 mm starken Diamant-Sinterschicht 22, deren Oberfläche einen 2,1 mm breiten planen äußeren Abschnitt 22 a und einen durch Funkenerosion erzeugten, konischen inneren Abschnitt 22 b aufwies, der unter einem Winkel von 5° gegen die Ebene des äußeren Abschnitts 22 a einwärts zurücktretend geneigt war. Der Ventilstempel 8 wurde unter einem hydraulischen Druck von 160 bar an das Ventil-Sitz­ teil 6 angedrückt. Am äußeren Ende des Homogenisierspalts 31 ergab sich somit eine Zone gleichbleibender Spaltbreite mit einer radialen Länge von 0,5 mm. Die Spaltbreite des Homogenisierspalts 31 betrug dort etwa 7 µm. Bei einer Drehzahl der Dreikolben-Hoch­ druckpumpe von 188 U/min und einem Volumenstrom von 340 l/h ergab sich bei einem Gegendruck im Abführkanal 14 von 100 bar eine Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit im Homogenisierspalt von 370 m/s. Bei einem über acht Stunden durchgeführten Homogenisier­ versuch wurde ein ausgezeichneter Zellaufschluß von über 90% erreicht.

Die vorstehend anhand einer bevorzugten Ausführungsform und eines Ausführungsbeispiels beschriebene Homogenisiervorrichtung kann vom Fachmann je nach den Anforderungen des Einzelfalles in ver­ schiedener Weise zweckentsprechend abgewandelt werden, wobei ins­ besondere die Spaltgeometrie sowie die Abmessungen und die Ober­ flächenbeschaffenheit der Diamant-Sinterschichten unter Berück­ sichtigung der Eigenschaften der zu behandelnden Flüssigkeit, der erforderlichen Drücke und Volumenströme zweckentsprechend auf­ einander abgestimmt werden sollen.

Claims (8)

1. Homogenisiervorrichtung zum Homogenisieren einer unter hohem Druck zugeführten, disperse Teilchen und/oder Tröpfchen enthaltenden Flüssigkeit, mit in der Einbau­ stellung unter Bildung einer Einlaßkammer, einer Auslaß­ kammer und mindestens eines diese verbindenden Homogeni­ sierspaltes zusammengefügten Ventilteilen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die den Homogenisierspalt (31) bildenden Flächen der Ventilteile (6, 8) jeweils eine durchgehende Diamant-Sinterschicht (22, 25) aufweisen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der an der Austrittsseite des Homogenisierspalts (31) mindestens eine Prallfläche (27) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese ebenfalls eine Diamant-Sinterschicht (30) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die den Homogenisierspalt (31) bzw. die Prall­ fläche (27) bildenden Bereiche der Ventilteile (6, 8, 10) jeweils als Einsatzteil (20, 23, 28) mit einer Hartmetall- Unterschicht (21, 24, 29) und einer polykristallinen Diamant- Sinterschicht (22, 25, 30) ausgebildet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem Ventil-Sitzteil (6) und einem unter Bildung eines im we­ sentlichen radialen oder konisch verlaufenden Homogeni­ sierspalts (31) gegenüberliegenden Ventilstempel (8), wobei die Einlaßkammer (7) zentrisch im Ventil-Sitzteil (6) bzw. um den Ventilstempel (8) herum angeordnet ist und die Auslaßkammer (13) den Ventilstempel (8) umgibt bzw. im Ventil-Sitzteil (6) zentrisch eingelassen ist, dadurch gekennzeichnet, daß in die dem Ventil-Sitzteil (6) zuge­ wandte Stirnfläche des Ventilstempels (8) ein im wesent­ lichen scheiben- oder ringförmiges Stempel-Einsatzteil (23) mit einer Hartmetall-Unterschicht (24) und einer planen, konischen oder rotationssymmetrisch gekrümmten Diamant- Sinterschicht (25) eingelassen und in die gegenüberliegende Ringfläche des Ventil-Sitzteils (6) ein ringförmiges Sitz- Einsatzteil (20) mit einer Hartmetall-Unterschicht (21) und einer Diamant-Sinterschicht (22) eingefügt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Diamant-Sinterschichten (22, 25) des Ventil-Sitzteils (6) und des Ventilstempels (8) einander unter dem gleichen Winkel zu dessen Längsachse parallel gegenüberliegende Abschnitte gleichbleibender Spaltbreite des Homogenisierspalts (31) sowie vorzugsweise der Einlaß­ kammer (7) zugewandte Abschnitte abweichenden Neigungs­ winkels aufweisen, in deren Bereich sich die Spaltbreite des Homogenisierspalts (31) fortschreitend verengt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Diamant-Sinterschicht (25) des Stem­ pel-Einsatzteils (23) zur Längsachse (32) des Ventilstem­ pels (8) rechtwirklig und plan verläuft und das ringförmige Sitz-Einsatzteil (20) einen von der zentrischen Einlaß­ kammer (7) entfernten, zur Diamant-Sinterschicht (25) des Ventilstempels (8) planparallelen äußeren Abschnitt (22) und einen an die Einlaßkammer (7) angrenzenden, relativ zum äußeren Abschnitt (22 a) unter einem vorbestimmten Winkel β zwischen 3 und 10° und vorzugsweise etwa 5° konisch abfallenden inneren Abschnitt (22 b) aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher der Ventilstempel (8) von einer gegen das Ventil-Sitzteil (6) anliegenden Ventilbuchse (10) umschlossen ist, die einen der Austrittsseite des Homogenisierspalts (31) gegen­ überliegenden Prallring (27) bildet, dadurch gekennzeich­ net, daß in den Prallring (27) ein ringförmiges Prallring- Einsatzteil (28) mit einer Hartmetall-Unterschicht (29) und einer im wesentlichen zylindrischen Diamant-Sinter­ schicht (30) eingelassen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zwischen den Diamant-Sinterschichten (22, 25) gebildete ringförmige Homogenisierspalt (31) einen Außen­ durchmesser D zwischen 6 und 25 mm und vorzugsweise zwischen 8 und 20 mm aufweist und im Betrieb durch Einhalten einer Spaltbreite S zwischen 0,005 und 0,2 mm und vorzugsweise zwischen 0,01 und 0,1 mm auf eine Querschnittsfläche Q=D · S zwischen 0,02 und 15 mm² und vorzugsweise 0,1 und 4 mm² einstellbar ist.