Ein winziger Spalt macht einen riesigen Unterschied bei der Homogenisierung
Was passiert mit einem Tropfen Milch in einem Homogenisator? Wie genau wird der Tropfen aufgebrochen? Und wo genau geschieht das?
Die wegweisende Forschungsarbeit von Fredrik Innings, Senior-Experte bei Tetra Pak und assoziierter Professor für Lebensmitteltechnik an der Universität Lund, hat einige interessante Erkenntnisse über diesen grundlegenden Prozess geliefert, der das Herzstück des Homogenisators darstellt.
Unten können Sie das Video über das magische Innenleben von Tetra Pak Homogenisatoren ansehen und einen Auszug der Forschungsstudie lesen.
Das magische Innenleben von Tetra Pak Homogenisatoren
Was ist das Geheimnis einer effektiven Homogenisierung? Dies ist die kurze Geschichte über einen winzigen Spalt, der einen riesigen Unterschied macht. Neugierig? Bert-Ove erklärt, was dieser Spalt mit der Leistung eines Homogenisators zu tun hat.
Das magische Innenleben von Tetra Pak Homogenisatoren
Was ist das Geheimnis einer effektiven Homogenisierung? Dies ist die kurze Geschichte über einen winzigen Spalt, der einen riesigen Unterschied macht. Neugierig? Bert-Ove erklärt, was dieser Spalt mit der Leistung eines Homogenisators zu tun hat.
Auszug: Aufbrechen von Tropfen in Hochdruckhomogenisatoren
Aufbrechen von Tropfen in Hochdruckhomogenisatoren
In diesem Projekt wurde untersucht, wie ein einzelner Milchtropfen in einem Homogenisator aufgebrochen wird. Dazu erfolgten Messungen und Berechnungen der Strömungsfelder im Bereich des Spalts sowie eine Visualisierung von Tropfen während des Vorgangs.
Um dies zu ermöglichen, mussten zwei maßstabsgetreue Modelle des Homogenisierspalts entwickelt werden. Das originalgroße Modell war eine direkte Kopie des Spalts in einem Homogenisator im Produktionsmaßstab. Der einzige Unterschied bestand darin, dass visuelle Beobachtungen möglich waren. So konnten normale Betriebsdruckniveaus getestet und Tropfen bis zu einer minimalen Größe von 5 Mikrometer Durchmesser visualisiert werden.
Das zweite Modell war 100-fach vergrößert. Die relevanten dimensionslosen Gruppen blieben dabei konstant, damit dieselben Faktoren das Aufbrechen des Tropfens regelten. Das vergrößerte Modell bestand aus transparentem Kunststoff. Es wurde für Geschwindigkeitsfeldmessungen und die Tropfenvisualisierung verwendet.
Aus diesen Messungen wurde geschlossen, dass die Tropfen nicht auf der Eintrittsseite des Spalts aufgebrochen werden. Größere Tropfen waren bis zu einem gewissen Grad gestreckt, während kleinere Tropfen kugelförmig blieben. Im Spalt selbst geschieht kaum etwas. Das Geschwindigkeitsprofil ist im Spaltverlauf eines Homogenisators im Produktionsmaßstab sehr flach.
Bei einem Homogenisator im Pilotmaßstab haben die Grenzschichten Zeit zu wachsen. Das Geschwindigkeitsprofil wird in unmittelbarer Nähe der Austrittsseite entwickelt. Die wachsenden Scherschichten scheinen nur einen begrenzten Einfluss auf die Tropfen zu haben. Während kleine Tropfen den Spalt passieren, haben sie Zeit, langsam wieder ihre ursprüngliche Kugelform anzunehmen. Größere Tropfen dagegen verlassen den Spalt im nahezu identischen Streckungsverhältnis wie beim Eintritt.
Diese Forschungsstudie zeigt, dass das Aufbrechen der Tropfen in der turbulenten Strömung am Spaltaustritt erfolgt. Die Messungen der Strömungsgeschwindigkeit zeigen einen sehr instabilen Strahl, der schneller zusammenbricht als ein Strahl in freier Flüssigkeit. Je nach Geometrie der Kammer am Spaltausgang kann sich der Strahl an einer der beiden 45-Grad-Wände festsetzen und zu einem Wandstrahl werden.
Die Verwirbelung ist mit Intensitäten zwischen 50 und 100 % sehr hoch. Es wurden Anzeichen dafür gefunden, dass Strömungsstrukturen von der Größe der Spalthöhe (und geringfügig kleinere Strukturen) sehr hohe Intensitäten aufweisen. Experimente zur Tropfenverformung und theoretische Analysen zeigen, dass die Wirbel, von denen die Tropfen aufgebrochen werden, deutlich größer bis geringfügig kleiner als die jeweiligen Tropfen sind. Die größeren Wirbel verformen die Tropfen viskos durch den vom Wirbel erzeugten Geschwindigkeitsgradienten. Die kleineren Wirbel verformen den Tropfen durch die Trägheit der Flüssigkeit.
Die kritische Phase für das Aufbrechen ist die anfängliche Verformung. Wird der Tropfen auf ein Seitenverhältnis von 3 bis 5 verformt, verlängert er sich sehr schnell zu einem oder mehreren Filamenten, die gebogen, gewickelt und weiter verformt werden können, bevor sie in viele kleine Tröpfchen zerfallen.
Forschungsstudie „Aufbrechen von Tropfen in Hochdruckhomogenisatoren“
Jetzt anmelden und die gesamte Forschungsstudie als PDF herunterladen: „Aufbrechen von Tropfen in Hochdruckhomogenisatoren“:
Homogenisierung
Der Prozess der Homogenisierung wird zu verschiedensten Zwecken eingesetzt: um das Aufrahmen und Sedimentieren in Milchprodukten zu verhindern, die Viskosität, den Geschmack und die Textur von Sahne oder Fruchtsaftgetränken zu verbessern, das Mundgefühl von Sojagetränken zu optimieren und die Trennung von Molke in Joghurt zu verhindern.
