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Hochdruckemulgieren – Neue Prozesse und Produkt

Simultane Emulgier- und Mischtechnik trägt zur Prozessintensivierung bei

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Heute gibt es viele unterschiedliche Zerkleinerungseinheiten auf dem Markt. Hauptmerkmal ist, dass es in der Zerkleinerungseinheit zu einer Verjüngung des Strömungsquerschnittes kommt. Typische Strömungsgeschwindigkeiten in der engsten Stelle der Zerkleinerungseinheit liegen zwischen 50 und 300 m/s.

Daraus ergibt sich eine Verweilzeit der Strömung in der Homogenisierzone bzw. der Zerkleinerungseinheit von 0,001 bis 0,01 s. Die Homogenisiervorgänge laufen also in Hochdruckhomogenisatoren im Vergleich zu anderen Emullgierapparaten sehr schnell ab. Folglich ist dieser Maschinentyp nur für Stoffsysteme besonders geeignet, die die neu geschaffene Grenzfläche schnell stabilisieren können. Für Stoffsysteme mit langsam stabilisierenden Emulgatoren, wie z.B. Proteine in Lebensmittelemulsionen, werden daher häufig nicht Hochdruckhomogenisatoren, sondern Rotor-Stator-Systeme verwendet.

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Tropfen zerkleinern

Unterschiedliche Mechanismen wie Dehnung, Scherung, Kavitation und Turbulenz können zur Tropfenzerkleinerung führen [Schubert, 2005]. In allen Zerkleinerungseinheiten kommt es im Einlaufbereich zu einer Dehnung und Scherung der Tropfen. Diese vordeformierten Tropfen passieren dann die jüngste Stelle, wonach es in der Strömung zu einem turbulenten Umschlag und Kavitation kommen kann. Welcher Mechanismus wirksam bzw. dominant bei der Zerkleinerung der Tropfen ist, hängt vom Strömungszustand in den Zerkleinerungseinheiten ab, der wiederum maßgeblich durch die Düsengeometrie bestimmt wird.

Oft wirken mehrere Zerkleinerungsmechanismen gleichzeitig. Je nach Stoffsystem kann ein bestimmter Zerkleinerungsmechanismus besonders günstig oder auch ungünstig sein. So können beispielsweise Emulsionen, bei denen das Viskositätsverhältnis zwischen disperser und kontinuierlicher Phase hoch ist, besonders dann effizient zerkleinert werden, wenn die Tropfen in laminarer Dehnströmung vordeformiert werden. Informationen über die wirksamen Zerkleinerungsmechanismen können also bei der Wahl einer geeigneten Zerkleinerungseinheit hilfreich sein.[Aguilar et al., 2008]

SEM-Technik

Im Rahmen der aktuellen Arbeiten wurden die heute etablierten Grundoperationen der Verfahrenstechnik Emulgieren und Mischen in einer Zerkleinerungseinheit kombiniert, welche die konventionellen Zerkleinerungseinheiten ersetzt. Beim „Simultanen Emulgieren und Mischen“ (SEM) wird damit simultan ein Hauptstrom emulgiert und ein Mischstrom zugemischt. Hierbei ist entscheidend, dass der Mischstrom im Bereich der zerkleinerungswirksamen Strömung oder direkt danach zugemischt wird, um Synergien der beiden Grundoperationen der Verfahrenstechnik zu erreichen. Diese Synergien des Simultanen Emulgierens und Mischens werden in diesem Beitrag an den Produktbeispielen Milch und Pickering-Emulsionen sowie an dem Anwendungsbeispiel des Schmelzemulgierens aufgezeigt.

Bei der wissenschaftlichen Erforschung von Emulsionen wurde festgestellt, dass die Produkteigenschaften der Emulsionen insbesondere von physikalischen Eigenschaften abhängen (Eigenschaftsfunktion), welche wiederum durch Prozessparameter in der Herstellung beeinflusst werden (Prozessfunktion) [Schuchmann et al., 2004a]. Die Kenntnis dieser beiden Funktionen ist das Fundament eines stabilen, regelbaren Prozesses und somit der Entwicklung von jenen bedarfsgerechten Produkteigenschaften, die letztlich die Platzierung eines Produkts auf dem Markt bestimmen. Solche Eigenschaften gezielt einstellen zu können oder sogar gezielt Produkte mit neuen Eigenschaften herzustellen, steht heute stark im wissenschaftlichen Interesse.

Beim Simultanen Emulgieren und Mischen können prinzipiell sieben Betriebsweisen differenziert werden, die sich hauptsächlich im Dispersphasenanteil im Haupt- bzw. Mischstrom unterscheiden (siehe Abbildung 3). Zu differenzieren sind dabei die Betriebsweisen, bei denen mit den reinen Phasen(j = 0 und 100 %) gearbeitet wird, und jenen, die eine Rohemulsion, auch Premix genannt, von 0 % < j < 100 % verwenden. Als Premix kann so-wohl eine O/W- als auch eine W/O-Emulsion zum Einsatz kommen. Generell lassen sich vier Hauptbetriebsweisen (BW 1, 2, 3 und 4) unterscheiden, mit denen die restlichen drei Betriebsweisen kombiniert werden können.

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