<Desc/Clms Page number 1>
WERKWIJZE EN INRICHTING VOOR HET HOMOGENISEREN VAN EMULSIES.
De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze en inrichting voor het homogeniseren van emulsies in het bijzonder voor het homogenise- ren van vet-emulsies voor consumptiedoeleinden zoals melks levertraan- emulsies of emulsies van plantaardige of dierlijke vetten in water.
Onder het homogeniseren van een emulsie wordt verstaan het ver- kleinen van de deeltjesgrootte van de geemulgeerde stof met het doel de emulsie te stabiliseren Deze verkleining van de deeltjesgrootte wordt ver-. kregen door in de dragende vloeistof hoge schuif spanningen op te wekken,? waar- door de in de vloeistof zwevende druppeltjes worden uiteengerukt.
In de techniek worden verschillende methoden toegepast voor het opwekken van de gewenste hoge schuif spanningen in de dragende vloeistof. o Gedeeltelijk wordt dit bereikt met behulp van snel roterende of anderszins bewegende organen., bovoeen snel roterende conusvormige schijf,9 die op een geringe afstand van een stilstaande conusvormige mantel draait Deze inrichtingen met bewegende delen hebben het bezwaardat een hoge precisie van de constructie is vereist, terwijl de slijtage groot iso
Dit bezwaar vervalt gedeeltelijk bij de inrichtingen, waarbij de te homogeniseren emulsie onder hoge druk (bovo100 - 500 atm) door nauwe openingen of kanalen wordt geperst.
Zeer bekend zijn b.v.de homogeniseer- koppen waarbij de emulsie tegen de druk van een veer in door de opening tussen een kegelvormige klep en de klepzitting wordt geperst.
Bij andere homogeniseerkoppen wordt de emulsie geleid door spi- raalvormige groeven of door nauwe gaatjes o
Het blijkt dat óok in deze gevallen de slijtage vrij groot is, terwijl gemakkelijk verstopping of beschadiging kan optreden door in de e- mulsie toevallig aanwezige onzuiverheden.
<Desc/Clms Page number 2>
Verder zijn nog inrichtingen bekend, waarbij de emulsie onder hoge druk wordt geperst door een conusvormige opening tegen een op korte afstand daartegenover staande kneuskop, waardoor de emulsie als het ware wordt fijngemalen.
Volgens de uitvinding wordt gebruik gemaakt van een zeer snelle cycloonstroming voor het opwekken van de vereiste hoge schuifspanningen.
Het was reeds bekend (zie b.v. Nederlands octrooischrift No.
31.972) dat emulsies, vooral asphaltemulsies, kunnen worden gemaakt door de componenten van de emulsie te mengen in een mengmondstuk waarbij deze componenten afzonderlijk van elkaar tangentiaal worden toegevoerd aan een cylindrische rotatiekamer, welke aan een zijde is voorzien van een centrale afvoeropening. Hieruit blijkt echter niet het inzicht, dat het mogelijk is met behulp van een cycloonstroming voldoende hoge schuifspanningen op te wekken on een goede homogenisering, b.v.van melk, te bereiken.
Het is n.loeen bekend feit, dat voor het homogeniseren van emulsies waarbij de druppelgrootte bijvoorbeeld moet worden verkleind tot 2 # en kleiner, zeer hoge schuifspanningen moeten worden opgewekt.
Dat dergelijke hoge schuifspanningen met een cycloonstroming kunnen wor- den opgewekt was tot nu toe niet bekend. Bovendien werd gevonden dat, vergeleken bij het gebruik van de bekende homogeniseerkoppen de toe te passen druk aanzienlijk lager en de toe te passen nauwste diameter groter kan zijn dan bij de bekende inrichtingen en werkwijzen.
Vooral doordat de voor het homogeniseren benodigde druk veel lager kan zijn - de bij de werkwijze volgens de uitvinding toe te passen drukken liggen gewoonlijk een factor 10 lager dan bij de normale homogeniseerkoppen tot-nu gebruikelijk was - kan het homogeniseren volgens de uitvinding veel goedkoper worden uitgevoerde O.a. kunnen de kostbare hogedruk-pompen worden vervangen door pompen van eenvoudiger constructie.
Volgens de uitvinding wordt voor het uitvoeren van de werkwijze een inrichting gebruikt, waarin een cycloonstroming van voldoende hoge snel- heid wordt opgewekt. Onder een cyeloonstroming wordt verstaan een station- naire roterende stroming, waarbij de tangentiale snelheidscomponent van de vloeistof bij het kleiner worden van de straal van de rotatie toeneemt.
Een dergelijke stroming ontstaat wanneer een vloeistof onder druk tangentiaal wordt toegevoerd aan een rotatie-symmetrisch vat, terwijl de vloeistof door een centraal op de as geplaatste ronde afvoeropening of door twee tegenover elkaar geplaatste centrale afvoeropeningen wordt afgevoerd.
De tangentiale toevoer kan door een of meer toevoergeleidingen geschieden.
Een andere mogelijkhéid is een axiaal gerichte toevoer door een ringvor- mige spleet, waarin zodanige leidschoepen zijn geplaatst, dat de vloeistof bij het doorpersen een sterke tangentiale snelheidscomponent verkrijgt.
Noodzakelijk is, dat de straal van deze ringvormige spleet of de straal van de cirkel-tangentiaal waaraan de vloeistof,wordt toegevoerd groter is dan de straal van de afvoeropening.
, De.begrenzing van de rotatiekamer is een gesloten rotatieopper- vlak waarvan de beschrijvende lijn verschillend kan zijn. Zo kan de rotatie- kamer cylindervormig of conisch zijn uitgevoerd. In het bijzonder komen in aanmerking rotatiekamers bestaande uit een cylinder waarop aan een of aan beide zijden een conus aansluit. De afvoer is dan aan de punt van de conus of conussen aangebracht, de tangentiale toevoergeleidingen aan het eylindri- sche gedeelte.
Het gebruik van twee centrale afvoeropeningen heeft boven het gebruik van een centrale afvoeropening het voordeel, dat een afremming van de rotatie tegen het deksel van het cylindrische gedeelte wordt vermeden.
De hoek van de conus kan variëren Een bij zonder-goed effect wordt verkre- gen met een halve conushoek van 30 - 60 .
Zijn meerdere toevoergeleidingen aanwezig, dan monden deze alle in dezelfde toevoerruimte uit, zodat de gehele inrichting in elk geval
<Desc/Clms Page number 3>
slechts een toevoergeleiding heeft.
De druk waaronder de emulsie moet worden toegevoerd om het verlangde effect te verkrijgen is afhankelijk van de aard van de emulsie en de vorm en afmetingen van de homogeniseerinrichting. Hoe groter de rotatiekamers zijn, hoe hoger de toevoerdruk moet worden opgevoerd om een bepaalde grootte van de schuif spanningen te verkrijgen Voor een rotatiekamer met een doorsnede van 4 mm met een afvoeropening van 1,5 mm is b.v.een druk van 15 - 40 atm zeer bruikbaar; voor een rota- tiekamer van 2,5 mm diameter'wordt zelfs bij 3 - 5 atm reeds een zeer be- vredigend effect verkregen. Worden rotatiekamers gebruikt met een diame- ter groter dan 10 mm, dan worden de toe te passen drukken in het algemeen vrij hoog.
De gehomogeniseerde emulsie spuit met een grote snelheid uit de afvoeropeninga Met voordeel kan een gedeelte van de hier aanwezige dynamische druk worden omgezet in statische druk door het aanbrengen van een diffusor.
Met de zo teruggewonnen druk kan een tweede homogeniseerinrich- ting worden aangedreven voor een eventuele nabehandeling van de emulsie.
Deze nabehandeling kan bestaan in een tweede behandeling onder gelijksoor- tige omstandigheden als de eerste of uit een nabehandeling waarbij de schuif spanningen lager worden gehouden. Dit laatste is vooral van belang bij emulsies zoals melk. Het is nolo bekend, dat bij het homogeniseren van melk onder invloed van zeer hoge schuif spanningen naast de vorming van zeer fijne druppeltjes een samenballen van deze afzonderlijke druppeltjes optreedt. Nabehandeling onder invloed van lagere schuifspanningen heeft dan een desintegratie van deze samenballingen tot gevolg
Teneinde de capaciteit van de installatie te vergroten zonder daarbij de druk hoger op te moeten voeren, kunnen volgens de uitvinding een aantal rotatiekamers parallel worden geschakeld. Hierbij kunnen deze ro- tatiekamers in eenzelfde blok worden samengebouwd.
De uitvinding heeft derhalve betrekking op een werkwijze voor het homogeniseren van emulsies en wordt gekenmerkt doordat de te homogeni- seren vloeistof onder druk van 3 atm of hoger wordt geperst door een rota- tiekamer of combinatie van rotatiekamers, welke een zodanige vorm en afme- ting hebben dat hierin een snelle cycloonstroming ontstaat.
Verder heeft de uitvinding betrekking op een inrichting voor het uitvoeren van deze werkwijze.
De uitvinding'zal aan de hand van een aantal schetsen en uit- voeringsvoorbeelden nader worden toegelicht.' In figuur 1 is een enkelvou- dige homogeniseerkop in doorsnede aangegeven. Op de toevoerleiding 1 van de te homogeniseren emulsie kunnen met behulp van een hierop te schroeven eylindervormige kop 2, voorzien van een axiale doorboring 10, de inzetstuk- ken 3 en 4 vastgeklemd worden. Het inzetstuk 4 bestaat uit een cylindrisch plaatje, waarin het onderste conusvormige gedeelte van de rotatiekamer 8 en de afvoeropening 9 zijn uitgeboordo Dit stuk past in een eylindrische uitsparing van het inzetstuk 3, waarin het cylindrische gedeelte 7 van de rotatiekamer en een of meer tangentiale toevoergeleidingen 6 zijn uitge- boord.
De vorm is zodanig, dat langs de buitenzijde een ringvormig kanaal 5 wordt gevormd, waardoor de te homogeniseren vloeistof naar de tangentiaal gerichte toevoerkanalen 6 kan stromeno Door het losschroeven van de insluit- kop 2 is de gehele inrichting gemakkelijk te demonteren en te reinigen.
Door een homogeniseerinriehting volgens fig. 1 met een rotatie- kamer 7 met een diameter van 4 mm en een hoogte van het cylindrische gedeelte van 224 mm, één tangentiaal gerichte toevóergeleiding 6 met een diameter van 1,2 mm, een afvoeropening 9 van 1,2 mm en een halve kegelhoek van. 45 voor de conus 8, werd melk bij een druk van 30 ato en een temperatuur van 55 geperst.
De capaciteit van de inrichting was 72 1/uuro Er had een belangrijke stijging van de viscositeit plaatso
Onder de microscoop bleek, dat de bolletjes alle een kleinere
<Desc/Clms Page number 4>
diameter dan 2 # hadden verkregen, terwijl de gemiddelde diameter ver bene- den 1 # lag. Voor de behandeling werden deeltjes tot 10 # en groter gevon- den.
Verhoging van de druk tot 60 resp. 90 atm gaf reinig verbetering van het homogeniseer-effect. Bij lagere drukken, b.v. van 15 atm, bleek de verkregen homogenisatie slechter te worden.
Werd gewerkt met een homogeniseerkop volgens figuur 1 met als diameter en hoogte van het cylindrische gedeelte 2,5 mm resp.1,5 mm en een diameter voor de toe- en afvoer van 0,7 mm, dan bleek bij een overdruk van 5 - 10 ato en een temperatuur van 55 nog een zeer goede gehomogeniseer- de melk te kunnen worden verkregen. De capaciteit bedroeg bij 10 ato 17 1/h.
De afvoeropening 9 kan als diffusor worden uitgevoerd. Het bleek dat dan een gedeelte van de dynamische energie van de snelstromende vloei- stof terug te winnen is als statische druk.
In figuur 2 is een enkelvoudige homogeniseerkop met twee afvoer- openingen schematisch aangegeven. Fig. 2A is een doorsnede volgens AA in fig. 2B; fig. 2B stelt een doorsnede volgens BB in fig. 2A voor.
De homogeniseerinrichting bestaat uit een blokje 12 voorzien van een cylindrische boring, welke van onderen overgaat in een smallere axiale boring 13. Hierin zijn 3 cylindrische inzetstukken 14, 15 en 16 geplaatst. De stukken 14 en 16 zijn gelijkvormig; hierin zijn de conische gedeelte 17 en 18 van de rotatiekamer en de als diffusors uitgevoerde afvoer- openingen 19 en 20 uitgeboord.
In de in deze stukken uitgespaarde cylindrische verdiepingen past het middenstuk 15, waarin het cylindrische gedeelte 21 van de rotatiekamer is uitgeboord, terwijl tevens een,tangentiale toevoerspleet 22 is aange- bracht. Deze toevoerspleet heeft hier dezelfde hoogte als het cylindrische inzetstuk 15. De drie inzetstukken worden tegen elkaar en tegen de onder- zijde van de cylindrische boring en het blok 12 geperst door de schroef 23 die in de cylindrische boring kan worden aangebracht; hierin is het afvoer- kanaal 26 uitgespaard. In het blok 12 is verder een toevoerkanaal 24 geboord, waarop de toevoer voor de te homogeniseren emulsie 11 kan worden vastgeschroefd.
De te homogeniseren emulsie wordt via dit kanaal 24 geperst in de ringvor- mige ruimte 25 rondom het inzetstuk 15 en vandaar door de tangentiaal gerich- te toevoerspleet 22 in de rotatiekamer. De vloeistof kan de kamer door de beide diffusors 19 en 20 verlaten., waarbij een bepaalde hoeveelheid dyna- mische energie als statische druk kan worden teruggewonnen. Voor het homo- geniseren van melk is deze inrichting zeer geschikt. Bij dezelfde afmetin- gen van de rotatiekamer en bij dezelfde drukken is de capaciteit meer dan 2 x zo hoog.
Figuur 3 stelt een meervoudige homogeniseerinrichting voor, waar- bij in totaal 78 rotatiekamers in twee rijen zijn gerangschikt.
Figuur 3A geeft een verticale doorsnede door de inrichting.
Figuur 3B geeft het bovenaanzicht van het schotelvormige li- chaam 31 in de tekening 3A.
Figuur 30 geeft een detailtekening van een der rotatiekamers met omgeving.,
De inrichting bestaat uit een schotelvormig lichaam 31 en een deksel 32, die door de bout 33 en de moer 34 op elkaar kunnen worden geperst.
Het onderdeel 31 is voorzien van doorboring 35 waarin schroefdraad is aan- gebracht. Hierin is aan de bovenzijde de bout 33 geschroefde Het kanaal 35 is in het midden verruimd tot een cylindrische ruimte 36, waarop de ka- nalen 37 aansluiten. Deze verbinden de ruimte 36 met de cylindrische ruim- te 38, welke door de onderkant van het deksel 32 wordt afgesloten. In de beide onderdelen 31 en 32 is een cirkelvormige groef uitgespaard, waarin een pakking 39 voor de afsluiting zorgt De beide delen zijn op elkaar gecentreerd door de pennen 40.
In het lichaam 31 zijn in twee concentrische cirkels de rotatiekamers uitgespaardo Deze bestaan uit een cylindrische boring 41, wel-
<Desc/Clms Page number 5>
ke via een conisch gedeelte 42 en een kanaal 29 uitmonden in cylindrische kanalen 43, welke in de ruimte buiten het lichaam 31 uitmonden. Concentrisch om de cylindrische boring 41 is een cirkelvormige verdieping 44 aangebracht.
Zijdelings en tangentiaal aan de cylindrische boring 41 zijn in de schotel 31 groeven 49 aangebracht, welke uitmonden in de ruimte 38 of de concentri- sche cirkelvormige groef 30.
In de verdiepingen 44 passen de inzetstukjes 45 Hierin zijn de conusvormige bovenzijde 46 van de rotatiekamer en het daarop aansluiten- de afvoerkanaal 47 uitgespaard. Deze inzetstukken 45 sluiten gedeeltelijk de groeven 49 af, zodat een gesloten toevoerspleet voor de rotatiekamers wordt gevormd.
Door het aandrukken van het deksel 32 met behulp van het aandraai- en van de moer 34 op de bout 33 worden de inzetstukken 45 in de verdiepingen 44 en tegen het deksel 32 geperst, waardoor een mogelijk lekken van de rota- tiekamers wordt voorkomeno
Het deksel is op de plaatsen waar de doorboringen 47 van de in- zetstukken 45 uitmonden, voorzien van cylindrische doorboringen 48
Wordt een te homogeniseren emulsie door het kanaal 35 geperst, dan vloeit deze via de cylindrische ruimte 36 en de kanalen 37 naar de ruimte 38 en tussen de twee flenzen 31 en 32 door naar de groef 30 Van- uit de ruimte 38 en de groef30 wordt de emulsie geperst door de spleten 49 in de rotatiekamers,
waar een zeer snelle cycloonstroming ontstaat en door de hierdoor opgewekte hoge schuifspanningen de gewenste homogenisatie wordt verkregen. De vloeistof verlaat de rotatiekamers door de afvoerkanalen 29 en 43 respectievelijk 47 en 48.
De inrichting kan geplaatst worden in een gesloten vat met een afvoer voor de behandelde emulsie.
Practijkproeven hebben uitgewezen dat een inrichting als in figuur 3 aangegeven met 78 rotatiekamers, in twee concentrische cirkels gerangschikt, waarbij de diameter van de beide flenzen 11 cm en de diameter van de afzonderlijke kamers 2,5 mm is,een zeer goede homogenisering van melk kan worden verkregen bij een druk 15 ato De capaciteit van de inrich- ting is dan 2,2 m3/h.
Moet de gehomogeniseerde vloeistof nog verder worden behandeld dan is het van belang een gedeelte van de druk, gebruikt voor het doorper- sen, terug te winnen. Dit kan geschieden door de afvoerpijpen 29 en 47 naar buiten te verwijden, waardoor een diffusorwerking optreedt. Op deze wijze is 20 - 30 % van de toegepaste druk terug te winnen-.
Is het noodzakelijk de emulsie meerdere malen te behandelen, dan kunnen b.v. twee inrichtingen als hier bedoeld achter elkaar worden geschakeld, door de eerste inrichting te omgeven door een gesloten vat en op de afvoer van dat vat een tweede inrichting aan te sluiten . Bij gebruik van rotatiekamers van 2,5 mm,voorzien van diffusors, in beide inrichtingen kan bij toepassing van een totale druk van 17 ato een zeer goede homogeni- sering worden verkregen.
Wanneer het noodzakelijk is de gehomogeniseerde emulsie na te behandelen, teneinde secundair gevormde vlokken van de fijnverdeelde fase uit elkaar te trekken., kunnen twee inrichtingen volgens fig. 3 achter elkaar worden geschakeld, waarbij de tweede homogeniseerinrichting gelijk- vormig is met de eerste, maar waarbij de diameters van de rotatiekamers en de hierbij behorende toe- en waaroij de diameters van die van de eerste zijn. De drukval over de tweede inrichting is dan 4 x zo klein als over de eerste.
Uit de aard der zaak kunnen de homogeniseerinrichtingen volgens de uitvinding in vele gevallen direct worden gekoppeld achter de inrichtin- gen, waarin b.v.onder invloed van een cycloonstroming een component fijn wordt verdeeld in een andere. Zo kunnen de te mengen componenten beide order druk tangentiaal worden toegevoerd aan een rotatiekamer met centrale afvoer-
<Desc/Clms Page number 6>
opening of de dispergerende fase tangentiaal en de te dispergeren fase axiaal worden toegevoerd aan een dergelijke inrichting, zoals beschreven in de Belgische octrooiaanvrage No.395.467 ten name van Aanvraagster.
De afvoer- kanalen van deze menginrichtingen kunnen direct worden gekoppeld aan de toe- voer van de homogeniseerinrichtingen,. De drukken op de toegevoerde compo- nenten worden dan zodanig gekozen., dat op de gevormde emulsie een druk blijft werken, groot genoeg voor het homogeniseren van de emulsie in de inrichting volgens de uitvinding.
In fig. 4 is schematisch een dergelijke inrichting aangegeven Deze bestaat uit een menginrichting 52 bestaande uit een rotatiekamer met een diameter van 50 mm, voorzien van een centrale afvoeropening van 12,6 mm en twee tangentiaal gerichte toevoergeleidingen met een diameter resp. van 12,2 en 3,2 mm. Op beide toevoerleidingen is een pomp resp. 51 en 54 aangesloten, welke gevoed worden uit de voorraadhouders 50 en 53. Deze pom- pen zijn zodanig op elkaar geregeld, dat de druk op de afgeleverde vloei- stof nauwkeurig gelijk wordt gehouden.
De menginrichting 52 is opgesteld in een gesloten drukvat 55, waarop de toevoerleiding 56 van de homogeniseerinrichting 57 is aangeslo- ten. Deze laatste is uitgevoerd als aangegeven-in fig. 3, waarbij de dia- meter van de afzonderlijke rotatiekamers 3,5 mm is gekozen-,
Deze homogeniseerinrichting 57 is weer opgesteld in een geslo- ten drukvat 58, waarop een tweede homogeniseerinrichting 60 is aangesloten opgesteld in een vat 61 voorzien van een afvoer 62. Pose homageniseerin- richting is gelijkvormig met de voorgaande, maar is v 2 x zo klein uitge- voerd.
Wordt door de pompen 51 resp.54 water, waarin een emulgator zo- als oplosbaar eiwit is opgelost, respo een plantaardige of dierlijke olie, geperst bij een druk van 13, 15 ato, dan blijkt dat uit de leiding 62 een con- tinue stroom van 1,6 m3/h van een gestabiliseerde olie-emulsie wordt verkre- gen. De druk in het vat 55 stelt zich op ¯ 12,25 ato, de druk in vat 58 op 2,5 ato.in. Verbruikt worden 1,5 m3/h water en 0,1 m3/h olie.
Het zal duidelijk zijn, dat de inrichtingen, welke beschreven zijn op vele manieren, zijn te vari ren zonder buiten de uitvinding te val- len. Het is b.v. mogelijk rotatiekamers met een opening aan slechts n zijde samen te bouwen tot grotere inrichtingen. Op een eenvoudige wijze zijn een aantal inrichtingen achter elkaar te bouwen tot een blok, waarin twee of meer groepen parallel geschakelde rotatiekamers achter elkaar in serie zijn geschakeld. De afmetingen van de rotatiekamers kunnen evenals de vorm verschillend worden gekozen. Bij toepassing van hoge drukken van b.v. 100 - 200 ato kunnen rotatiekamers worden gebruikt van + 1 cm diameter.
De homogeniseerinrichtingen kunnen uit verschillend materiaal zijn vervaardigd. Voor de levensmiddelenindustrie is b.v. brons zeer geschikt. In sommige gevallen zijn'ook kunststoffen van voldoende schuifvast- heid bruikbaar.
<Desc / Clms Page number 1>
METHOD AND DEVICE FOR HOMOGENIZING EMULSIONS.
The invention relates to a method and apparatus for homogenizing emulsions, in particular for homogenizing fat emulsions for consumption purposes such as milks cod liver oil emulsions or emulsions of vegetable or animal fats in water.
By homogenizing an emulsion is understood the reduction of the particle size of the emulsified substance with the aim of stabilizing the emulsion. This reduction of the particle size is reduced. were generated by generating high shear stresses in the carrier fluid? whereby the droplets floating in the liquid are torn apart.
Various methods are used in the art to generate the desired high shear stresses in the carrier fluid. o In part, this is achieved with the aid of rapidly rotating or otherwise moving members., for example, a rapidly rotating cone-shaped disc, 9 which rotates at a short distance from a stationary cone-shaped shell. , while the wear is great
This drawback is partially eliminated with the devices in which the emulsion to be homogenized is forced under high pressure (bovo 100 - 500 atm) through narrow openings or channels.
Very well known are, for example, the homogenizing heads in which the emulsion is forced against the pressure of a spring through the opening between a conical valve and the valve seat.
In other homogenizing heads, the emulsion is passed through spiral grooves or through narrow holes o
It has been found that in these cases too the wear is quite great, while clogging or damage can easily occur due to impurities accidentally present in the emulsion.
<Desc / Clms Page number 2>
Furthermore, devices are known in which the emulsion is pressed under high pressure through a cone-shaped opening against a crushing head at a short distance opposite, whereby the emulsion is, as it were, crushed.
According to the invention, use is made of a very fast cyclone flow to generate the required high shear stresses.
It was already known (see, for example, Dutch patent no.
31,972) that emulsions, especially asphalt emulsions, can be made by mixing the components of the emulsion in a mixing nozzle, these components being separately supplied tangentially from each other to a cylindrical rotation chamber, which is provided on one side with a central discharge opening. However, this does not reveal the insight that it is possible with the aid of a cyclone flow to generate sufficiently high shear stresses in order to achieve a good homogenization, for example of milk.
It is only a known fact that in order to homogenize emulsions where the droplet size has to be reduced to 2 # and smaller, for example, very high shear stresses have to be generated.
It was not known until now that such high shear stresses can be generated with a cyclone flow. In addition, it has been found that, compared to the use of the known homogenizing heads, the pressure to be applied can be considerably lower and the narrow diameter to be used can be larger than with the known devices and methods.
Especially since the pressure required for homogenization can be much lower - the pressures to be used in the method according to the invention are usually a factor of 10 lower than was usual with the normal homogenizing heads - homogenization according to the invention can become much cheaper. performed Oa the expensive high-pressure pumps can be replaced by pumps of simpler construction.
According to the invention, a device is used to carry out the method in which a cyclone flow of sufficiently high velocity is generated. A cyclone flow is understood to be a stationary rotating flow, in which the tangential velocity component of the liquid increases as the radius of the rotation decreases.
Such a flow arises when a liquid under pressure is supplied tangentially to a rotation-symmetrical vessel, while the liquid is discharged through a round discharge opening placed centrally on the shaft or through two central discharge openings placed opposite each other.
The tangential supply can take place through one or more supply lines.
Another possibility is an axially directed feed through an annular gap, in which guide vanes are placed such that the liquid obtains a strong tangential velocity component when forcing through.
It is necessary that the radius of this annular gap or the radius of the circular tangential to which the liquid is supplied is greater than the radius of the discharge opening.
The boundary of the rotation chamber is a closed rotation surface, the generating line of which may be different. For instance, the rotation chamber can be of cylindrical or conical design. In particular, suitable rotation chambers consisting of a cylinder to which a cone adjoins on one or both sides. The outlet is then arranged at the tip of the cone or cones, the tangential supply lines at the cylindrical part.
The use of two central discharge openings has the advantage over the use of a central discharge opening that a braking of the rotation against the lid of the cylindrical part is avoided.
The angle of the cone can vary. A particularly good effect is obtained with a half cone angle of 30 - 60.
If several supply lines are present, they all end in the same supply space, so that the entire device in any case
<Desc / Clms Page number 3>
has only one supply line.
The pressure under which the emulsion must be supplied to obtain the desired effect depends on the nature of the emulsion and the shape and dimensions of the homogenizer. The larger the rotation chambers, the higher the supply pressure must be increased to obtain a certain magnitude of the shear stresses For a rotation chamber with a diameter of 4 mm with a discharge opening of 1.5 mm, a pressure of 15 - 40 atm is very usable; for a rotation chamber of 2.5 mm diameter, a very satisfactory effect is already obtained even at 3 - 5 atm. When rotation chambers with a diameter greater than 10 mm are used, the pressures to be applied generally become quite high.
The homogenized emulsion sprays out of the discharge opening at a high speed. Advantageously, a part of the dynamic pressure present here can be converted into static pressure by applying a diffuser.
With the pressure thus recovered, a second homogenizer can be driven for a possible post-treatment of the emulsion.
This post-treatment may consist of a second treatment under conditions similar to the first or of an after-treatment in which the shear stresses are kept lower. The latter is especially important with emulsions such as milk. It is well known that during the homogenization of milk under the influence of very high shear stresses, in addition to the formation of very fine droplets, these individual droplets converge. Aftertreatment under the influence of lower shear stresses then results in a disintegration of these conglomerates
In order to increase the capacity of the installation without having to increase the pressure higher, according to the invention a number of rotation chambers can be connected in parallel. These rotation chambers can be assembled in the same block.
The invention therefore relates to a method for homogenizing emulsions and is characterized in that the liquid to be homogenized is forced under pressure of 3 atm or higher through a rotation chamber or combination of rotation chambers, having such a shape and size. have that a fast cyclone flow is created in this.
The invention further relates to a device for performing this method.
The invention will be explained in more detail with reference to a number of sketches and embodiments. Figure 1 shows a single homogenizing head in section. The inserts 3 and 4 can be clamped to the supply line 1 of the emulsion to be homogenized by means of a cylinder-shaped head 2 which is screwed onto it and provided with an axial bore 10. The insert 4 consists of a cylindrical plate in which the lower conical part of the rotation chamber 8 and the discharge opening 9 are drilled out. This piece fits into an cylindrical recess of the insert 3, in which the cylindrical part 7 of the rotation chamber and one or more tangential feed guides 6 are out of board.
The shape is such that an annular channel 5 is formed along the outside, through which the liquid to be homogenized can flow to the tangentially directed supply channels 6. Unscrewing the containment head 2 makes the entire device easy to disassemble and clean.
By means of a homogenizing device according to Fig. 1 with a rotation chamber 7 with a diameter of 4 mm and a height of the cylindrical part of 224 mm, one tangentially oriented feed guide 6 with a diameter of 1.2 mm, an outlet opening 9 of 1, 2 mm and a half cone angle of. 45 for the cone 8, milk was pressed at a pressure of 30 atmospheres and a temperature of 55.
The capacity of the device was 72 l / h. There was a significant rise in viscosity
Under the microscope it turned out that the spheres were all smaller
<Desc / Clms Page number 4>
diameter than 2 #, while the average diameter was well below 1 #. For the treatment, particles up to 10 # and larger were found.
Increase of the pressure to 60 resp. 90 atm cleaning improved the homogenizing effect. At lower pressures, e.g. of 15 atm, the resulting homogenization was found to deteriorate.
If a homogenizing head according to Figure 1 was used with the diameter and height of the cylindrical part 2.5 mm and 1.5 mm respectively and a diameter for the supply and discharge of 0.7 mm, it was found at an overpressure of 5 - 10 ato and a temperature of 55 a very good homogenized milk can still be obtained. The capacity was 17 l / h at 10 atmospheres.
The discharge opening 9 can be designed as a diffuser. It turned out that part of the dynamic energy of the fast-flowing liquid can then be recovered as static pressure.
In Figure 2 a single homogenizing head with two discharge openings is schematically indicated. FIG. 2A is a section along AA in FIG. 2B; Fig. 2B represents a section along BB in Fig. 2A.
The homogenizing device consists of a block 12 provided with a cylindrical bore, which changes from below into a narrower axial bore 13. Three cylindrical inserts 14, 15 and 16 are placed therein. The pieces 14 and 16 are of the same shape; the conical parts 17 and 18 of the rotation chamber and the discharge openings 19 and 20 designed as diffusers are drilled out herein.
The center piece 15, in which the cylindrical portion 21 of the rotation chamber has been drilled out, and a tangential feed slot 22 is provided, fits into the cylindrical recesses recessed in these pieces. This feed slit here has the same height as the cylindrical insert 15. The three inserts are pressed against each other and against the underside of the cylindrical bore and the block 12 by the screw 23 which can be inserted into the cylindrical bore; the discharge channel 26 is recessed herein. In the block 12, a feed channel 24 is further drilled, onto which the feed for the emulsion 11 to be homogenized can be screwed.
The emulsion to be homogenized is pressed through this channel 24 into the annular space 25 around the insert 15 and from there through the tangentially oriented feed slot 22 into the rotation chamber. The liquid can leave the chamber through the two diffusers 19 and 20, whereby a certain amount of dynamic energy can be recovered as static pressure. This device is very suitable for homogenizing milk. With the same dimensions of the rotation chamber and the same pressures, the capacity is more than twice as high.
Figure 3 represents a multiple homogenizer, where a total of 78 rotation chambers are arranged in two rows.
Figure 3A shows a vertical section through the device.
Figure 3B shows the top view of the dish-shaped body 31 in the drawing 3A.
Figure 30 shows a detailed drawing of one of the rotation chambers with surroundings.
The device consists of a cup-shaped body 31 and a cover 32, which can be pressed together by the bolt 33 and the nut 34.
The part 31 is provided with bore 35 in which screw threads are provided. The bolt 33 is screwed into this at the top. The channel 35 is widened in the middle to form a cylindrical space 36, to which the channels 37 connect. These connect the space 36 with the cylindrical space 38, which is closed by the bottom of the lid 32. A circular groove is recessed in the two parts 31 and 32, in which a gasket 39 provides the seal. The two parts are centered on each other by the pins 40.
The rotation chambers are recessed in the body 31 in two concentric circles. These consist of a cylindrical bore 41, which
<Desc / Clms Page number 5>
They open via a conical portion 42 and a channel 29 into cylindrical channels 43, which open into the space outside the body 31. A circular recess 44 is arranged concentrically around the cylindrical bore 41.
Laterally and tangentially to the cylindrical bore 41, grooves 49 are provided in the cup 31, which grooves open into the space 38 or the concentric circular groove 30.
The inserts 45 fit into the recesses 44. The cone-shaped top side 46 of the rotation chamber and the discharge channel 47 connecting thereto are recessed. These inserts 45 partially close off the grooves 49 to form a closed feed slot for the rotation chambers.
By pressing the lid 32 by tightening the nut 34 onto the bolt 33, the inserts 45 are pressed into the recesses 44 and against the lid 32, preventing possible leakage of the rotation chambers.
The lid is provided with cylindrical through bores 48 at the places where the holes 47 of the inserts 45 open out.
If an emulsion to be homogenized is pressed through the channel 35, it flows via the cylindrical space 36 and the channels 37 to the space 38 and between the two flanges 31 and 32 to the groove 30. From the space 38 and the groove 30 is the emulsion pressed through the slits 49 in the rotation chambers,
where a very fast cyclone flow is created and the desired homogenization is obtained due to the high shear stresses generated thereby. The liquid exits the rotation chambers through the discharge channels 29 and 43 and 47 and 48, respectively.
The device can be placed in a closed vessel with an outlet for the treated emulsion.
Practical tests have shown that a device as shown in Figure 3 with 78 rotation chambers, arranged in two concentric circles, where the diameter of the two flanges is 11 cm and the diameter of the individual chambers 2.5 mm, can achieve very good homogenization of milk. are obtained at a pressure of 15 ato. The capacity of the device is then 2.2 m3 / h.
If the homogenized liquid needs to be further treated, it is important to recover some of the pressure used for the pressing. This can be done by widening the discharge pipes 29 and 47 outwards, whereby a diffuser effect occurs. In this way 20-30% of the applied pressure can be recovered.
If it is necessary to treat the emulsion several times, e.g. two devices as referred to here are connected one after the other, by surrounding the first device by a closed vessel and by connecting a second device to the outlet of that vessel. When using 2.5 mm rotation chambers, provided with diffusers, in both devices, a very good homogenization can be obtained when a total pressure of 17 atmospheres is used.
When it is necessary to post-treat the homogenized emulsion in order to separate secondarily formed flakes of the finely divided phase, two devices according to Fig. 3 can be connected one after the other, the second homogenizer being similar to the first, but wherein the diameters of the rotation chambers and their associated areas are the diameters of those of the former. The pressure drop over the second device is then 4 times smaller than over the first.
Naturally, the homogenizers according to the invention can in many cases be coupled directly downstream of the devices, in which, for example, under the influence of a cyclone flow, one component is finely divided into another. In this way, the components to be mixed can be supplied tangentially to a rotation chamber with central discharge pressure.
<Desc / Clms Page number 6>
opening or the dispersing phase tangentially and the phase to be dispersed are supplied axially to such a device, as described in the Applicant's Belgian Patent Application No. 395,467.
The discharge channels of these mixers can be directly coupled to the feed of the homogenizers. The pressures on the supplied components are then chosen such that a pressure continues to act on the emulsion formed, which is sufficient to homogenize the emulsion in the device according to the invention.
Fig. 4 schematically shows such a device. It consists of a mixing device 52 consisting of a rotation chamber with a diameter of 50 mm, provided with a central discharge opening of 12.6 mm and two tangentially directed supply guides with a diameter or diameter, respectively. of 12.2 and 3.2 mm. There is a pump or pump on both supply lines. 51 and 54, which are fed from the supply containers 50 and 53. These pumps are controlled one on the other in such a way that the pressure on the delivered liquid is kept exactly the same.
The mixing device 52 is arranged in a closed pressure vessel 55 to which the supply line 56 of the homogenizer 57 is connected. The latter is designed as shown - in fig. 3, where the diameter of the individual rotation chambers is selected 3.5 mm -,
This homogenizer 57 is again arranged in a closed pressure vessel 58, to which a second homogenizer 60 is connected arranged in a vessel 61 provided with a drain 62. Pose homagenizer is similar to the previous one, but is 2x smaller than the previous one. - fed.
If water, in which an emulsifier such as soluble protein has been dissolved, or a vegetable or animal oil, respectively, is pressed by the pumps 51 and 54 at a pressure of 13.15 ato, then it appears that a continuous flow is produced from the line 62. of 1.6 m3 / h of a stabilized oil emulsion is obtained. The pressure in vessel 55 is set at ¯ 12.25 ato, the pressure in vessel 58 at 2.5 ato. Consumption is 1.5 m3 / h water and 0.1 m3 / h oil.
It will be appreciated that the devices, which have been described in many ways, are variable without departing from the invention. It is e.g. possible to assemble rotation chambers with an opening on only one side into larger devices. In a simple manner, a number of devices can be built one after the other into a block, in which two or more groups of parallel-connected rotation chambers are connected in series one after the other. The dimensions of the rotation chambers and the shape can be chosen differently. When using high pressures of e.g. 100 - 200 ato rotation chambers of + 1 cm diameter can be used.
The homogenizers can be made of different materials. For the food industry, e.g. bronze very suitable. In some cases plastics of sufficient shear strength can also be used.