Homogenisator zur Herstellung fliessfähiger Stoffe

Abstract

 Gegenstand der Erfindung ist ein Homogenisator zum Homogenisieren fließfähiger Stoffe mit einem Rotor und einem Stator, die zueinander konzentrische Verzahnung (8,5,7) aufweisen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß er Einrichtungen zur getrennten Zufuhr zweier Substanzen in den Homogenisatoreinlauf aufweist, von denen eine (13) radial innerhalb und die zweite (14,15) radial außerhalb einer ersten Rotorverzahnung (4) im Einlauf mündet. Man erreicht so ein homogenes Einmischen von Feststoffen in Flüssigkeiten, ohne daß es zur Bildung unerwünschter Pulveragglomerate, Verstopfungen oder dergleichen kommt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Homogenisator zum Homogenisieren fließfähiger Stoffe, mit einem Rotor und einem Stator, die zueinander konzentrische Verzahnungen aufweisen.

[0002] Homogenisatoren werden u.a. in der pharmazeutischen, kosmetischen, chemischen und Nahrungsmittelindustrie zur Herstellung von Cremes, Salben, Pasten, Mayonnaisen und ähnlichen Produkten verwendet. Sie sind üblicherweise am Boden eines Mischbehälters angeordnet, in dem die Stoffe gemischt und homogenisiert werden. Der Homogenisator ist häufig als Rotor-Stator-Dispergiermaschine ausgebildet, kann aber auch ein sogenanntes Umwälzrührwerk zum Erzielen einer besseren Pumpwirkung sein. Ein gattungsgemäßer Homogenisator ist bspw. aus DE 195 37 303 A1 bekannt.

[0003] Häufig werden in dem Behälter sämtliche zu mischenden bzw. homogenisierenden Stoffe vor Beginn des Homogenisiervorgangs vorgelegt. Es kann jedoch erforderlich sein, den Homogenisiervorgang zunächst nach Vorlage lediglich eines oder einiger der gewünschten Bestandteile zu beginnen und während des laufenden Homogenisierens weitere Bestandteile entweder in Chargen oder kontinuierlich dem Mischgut hinzuzufügen.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die ein einfaches und sicheres Zumischen von Substanzen zu dem Mischgut bzw. Behälterinhalt ermöglicht, insbesondere auch ein sicheres Zuführen von schwer einzumischenden Bestandteilen wie Pulvern, Flüssigkeiten, heiße Fette, oder dergleichen.

[0005] Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß der Homogenisator Einrichtungen zur getrennten Zufuhr zweier Substanzen in den Homogenisatoreinlauf aufweist, von denen eine radial innerhalb und die zweite radial außerhalb einer ersten Rotorverzahnung im Einlauf mündet.

[0006] Zunächst seien einige im Rahmen der Erfindung verwendeten Begriffe erläutert.

[0007] Im Rahmen der Erfindung ist unter einem Homogenisator jede Einrichtung zu verstehen, die unter Einsatz von Bewegungsenergie eine Misch- und/oder Homogenisierwirkung erzielt. Der Homogenisator kann als Rotor-Stator-Dispergiermaschine ausgebildet sein, der die Bewegungsenergie des Rotors in erster Linie durch eine starke Scher- und Verwirbelungsenergie in Dispergierwirkung umsetzt und so eine intensive Homogenisierung erzielt. Aufgrund dieser Dispergierwirkung erzeugen diese Rotor-Stator-Dispergiermaschinen nur eine verhältnismäßig geringe Pumpwirkung, so daß hohe Antriebsenergien erforderlich sein können.

[0008] Der Homogenisator weist einen Rotor und einen Stator auf, die relativ zueinander in eine Drehbewegung versetzt werden können. Vorzugsweise ist der Stator ortsfest und der Rotor drehbar, doch ist dies im Rahmen der Erfindung nicht zwingend erforderlich. Ggf. kann auch der Stator (bspw. gegenläufig zum Rotor) verdrehbar sein. Entscheidend ist lediglich, daß sich Rotor und Stator relativ zueinander drehen können, um die unten näher beschriebene Homogenisier- und Dispergierwirkung zu erzielen.

[0009] Rotor und Stator weisen zueinander konzentrische Verzahnungen auf. Der Begriff Verzahnung bezeichnet jegliche Öffnungen in einer in Umfangsrichtung verlaufenden Wand von Rotor bzw. Stator, durch die das Mischgut im Homogenisatorbetrieb in Radialrichtung nach außen durchtritt. Eine solche Verzahnung kann einzelne Öffnungen in einer ansonsten geschlossenen, in Umfangsrichtung verlaufende Wand aufweisen, häufig wird jedoch die Verzahnung gebildet durch eine auf einem Umfangsabschnitt von Rotor bzw. Stator angeordnete Vielzahl von sich axial erstreckenden Zähnen, die Prallflächen für das Homogenisiergut aufweisen. Soweit in den Ansprüchen und der Beschreibung die Begriffe "axial" bzw. "radial" verwendet werden, ist die Axialrichtung immer durch die Drehachse des Rotors definiert.

[0010] Die technische Wirkung der zueinander konzentrischen Verzahnungen ist folgende: Das in den üblicherweise axialen Einlauf des Homogenisators einströmende Mischgut wird von der radial innersten Rotorverzahnung erfaßt und mit einer Umfangsgeschwindigkeit entsprechend der Umfangsgeschwindigkeit dieser Verzahnung beaufschlagt. Durch die Zentrifugalkraft (ggf. unterstützt durch separate Pumpflügel im Rotor oder die Pumpwirkung der Verzahnungsflächen) wird das Gut nach außen geschleudert und trifft mit hoher kinetischer Energie auf die dann folgende Statorverzahnung. Die kinetische Energie des Gutes wird so in Dispergierwirkung umgesetzt. Radial außen von dieser ersten Statorverzahnung können sich weitere Rotor- und ggf. Statorverzahnungen anschließen.

[0011] Häufig ist es erwünscht, die Bewegungsenergie des Rotors nicht nur in Dispergierwirkung, sondern auch in Pumpwirkung zur Förderung des Homogenisiergutes umzusetzen. Dies kann geschehen durch den Einbau zusätzlicher sogenannter Pumpflügel in den Rotor, die eine Pumpwirkung vergleichbar einer Kreiselpumpe ausüben. Eine solche Pumpwirkung kann jedoch zusätzlich oder statt dessen auch durch entsprechend gestaltete Flächen der Rotorverzahnung ausgeübt werden. Vorzugsweise weist die Verzahnung dann zur Radialrichtung geneigte Flächen auf, die eine Pumpwirkung ausüben.

[0012] Die genannten Zufuhreinrichtungen für die getrennte Zufuhr zweier Substanzen münden im Bereich des Homogenisatoreinlaufs. Dies bedeutet, daß sich ihre Mündungsöffnungen in einem räumlichen Bereich befinden, in dem sich während des Homogenisatorbetriebs aufgrund der Saugwirkung des Homogenisator ein Druck einstellt, der unter dem Druck in den genannten Zufuhreinrichtungen bzw. -leitungen liegt.

[0013] Der Begriff "erste Rotorverzahnung" bezeichnet diejenige Rotorverzahnung, die in Radialrichtung gesehen zwischen den beiden Zufuhreinrichtungen angeordnet ist. In der Regel wird es sich dabei auch um die radial innerste Rotorverzahnung handeln, zwingend ist dies jedoch nicht.

[0014] Der Kern der Erfindung liegt darin, die miteinander zu mischenden Substanzen getrennt zuzuführen und erst unmittelbar vor der Dispergierung im Homogenisator miteinander zu vermischen. Um dieses Einmischen zu fördern und insbesondere zu verhindern, daß eine vorzeitige Vermischung bereits im Mündungsbereich der Zufuhreinrichtungen stattfindet, ist erfindungsgemäß eine radiale Trennung der genannten Zufuhreinrichtungen durch die erste Rotorverzahnung vorgesehen. Somit muß ein durch die radial innerhalb der ersten Rotorverzahnung zugeführter Stoff erst durch diese Rotorverzahnung hindurchtreten, bevor er in Kontakt mit der durch die radial außerhalb dieser Verzahnung zugeführte Substanz treten kann. Da der Homogenisator im Betrieb zugeführtes Mischgut radial nach außen fördert, bewirkt die erfindungsgemäße radiale Trennung der beiden Zufuhreinrichtungen eine besonders hohe Sicherheit gegen unerwünschtes Zurückschlagen zugeführter Stoffe in die jeweils andere Zufuhreinrichtung. Von besonderer Bedeutung ist dies dann, wenn Feststoffe wie beispielsweise Pulver in fließfähige Medien wie beispielsweise Flüssigkeiten eingemischt werden sollen. In diesem Fall wird das Pulver durch die radial innere, die Flüssigkeit durch die radial äußere Zufuhreinrichtung dem Homogenisator zugeführt. Die radiale Trennung der beiden Zufuhreinrichtungen durch die erste Rotorverzahnung sowie die Förderung zugeführten Pulvers und zugeführter Flüssigkeit nach radial außen bewirkt, daß ein Zurückschlagen von Flüssigkeit in den Bereich der Pulverzuführung nicht stattfindet und so ein Verkleben der Pulverzufuhr, die Bildung von nur schwer wieder dispergierbaren Pulveragglomeraten und dergleichen vermieden wird. Die radial innere Zufuhreinrichtung für Pulver kann im Betrieb vollständig trocken gehalten werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn die radial innere Zufuhreinrichtung ausschließlich über die erste Rotorverzahnung in Verbindung mit dem Homogenisator steht, wenn also die gesamte zugeführte Pulvermenge durch diese erste Rotorverzahnung hindurch in den Homogenisator eintreten muß. Die gesamte Flüssigkeitsmenge wird radial außerhalb dieser ersten Verzahnung zugeführt, so daß ein Kontakt zwischen Pulver und Flüssigkeit erst in einem Bereich stattfindet, in dem das Pulver durch die erste Rotorverzahnung bereits eine Beschleunigung erfahren hat und mit hoher kinetischer Energie auf die Flüssigphase trifft. Diese kinetische Energie des Pulvers fördert die feinverteilte Einarbeitung in die Flüssigphase und verhindert die Bildung unerwünschter Pulveragglomerate. Der im Einlauf des Homogenisators entstehende Unterdruck sorgt für ein ständiges Nachsaugen sowohl von Flüssigkeit als auch Pulver.

[0015] Die genannte erste Rotorverzahnung ist bevorzugt als zylindrische, konzentrisch zur Rotorachse ausgebildete Wand mit darin angeordneten Öffnungen ausgebildet. Sie kann insbesondere eine konstruktive Gestaltung aufweisen wie die aus EP-A-0 988 887 (siehe dort insbesondere Fig. 3) bekannte sogenannte Schutzverzahnung. Im Rahmen der Erfindung kann diese erste Rotorverzahnung auch zusätzlich die Funktion der in der genannten EP-Schrift offenbarten Schutzverzahnung übernehmen, nämlich den Schutz des Homogenisators gegen Beschädigung oder Zerstörung durch harte Fremdkörper, da solche Fremdkörper in der Regel in einzumischenden Feststoffen wie Pulvern vorhanden sind und im Rahmen der vorliegenden Erfindung daher radial innerhalb der ersten Rotorverzahnung aufgefangen werden können, wenn die darin angeordneten Öffnungen eine lichte Weite aufweisen, die geringer ist als die minimale Größe abzuhaltender Fremdkörper. Hinsichtlich der Einzelheiten wird auf die genannte EP-A-Schrift verwiesen, deren Inhalt durch Bezugnahme darauf auch zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.

[0016] Die Öffnungen in der ersten Rotorverzahnung können rechteckig ausgebildet sein, sie können Förderschrägen aufweisen. Der Begriff "Förderschrägen" bedeutet, daß die Wandflächen der Öffnungen nicht genau in Axial- bzw. Radialrichtung verlaufen, sondern geneigt zur Radial- bzw. Axialrichtung, so daß hindurchtretendes Pulver nicht ausschließlich in Umfangsrichtung beschleunigt wird, sondern zusätzlich eine Beschleunigung insbesondere nach radial außen, gegebenenfalls auch in Axialrichtung erfährt.

[0017] Die erste Rotorverzahnung wird in der Regel eine axiale Höhe von einigen Zentimetern oder mehr aufweisen. Es ist bevorzugt, daß diese erste Rotorverzahnung in Axialrichtung gesehen wenigstens zwei, vorzugsweise wenigstens drei übereinander angeordnete Reihen von Öffnungen aufweist.

[0018] Der Rotor kann zusätzlich Pumpflügel aufweisen, um dem Homogenisator neben der Dispergierwirkung eine höhere Förderwirkung (Pumpwirkung) zu verleihen. Die Anbringung solcher zusätzlicher Pumpflügel am Rotor einer Dispergiermaschine ist für sich genommen bekannt beispielsweise aus DE-A-34 17 242 und DE-A-195 37 303.

[0019] Bevorzugt ist es, wenn sich die Pumpflügel sowohl radial innerhalb als auch radial außerhalb der ersten Rotorverzahnung erstrecken. Es wird dann eine Pumpwirkung sowohl auf das radial innerhalb dieser Verzahnung zugeführte Pulver als auch auf die radial außerhalb zugeführte Flüssigkeit sowie die entstehende Pulver/Flüssigkeitsmischung ausgeübt. Die Pumpflügel erstrecken sich in diesem Fall durch die erste Rotorverzahnung hindurch.

[0020] Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner die Verwendung eines solchen Homogenisators zum Einmischen eines Feststoffes in ein fließfähiges Medium. Der Feststoff (insbesondere ein Pulver) wird über die radial innere Zufuhreinrichtung, das fließfähige Medium über die radial äußere Zufuhreinrichtung dem Homogenisator zugeführt. Bevorzugt wird der Homogenisator in Betrieb genommen, bevor fließfähiges Medium zugeführt wird. Man verhindert so, daß vor oder während des Anlaufens des Homogenisators Flüssigkeit in die radial innere Zufuhreinrichtung zurückschlägt, so daß diese für Pulver vorgesehene Zufuhreinrichtung trocken bleibt.

[0021] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1

einen teilweisen Axialschnitt durch einen erfindungsgemäßen Homogenisator;

Fig. 2

einen Radialschnitt durch den Rotor;

Fig. 3

eine radiale Draufsicht auf die erste Rotorverzahnung.

[0022] Der erfindungsgemäße Homogenisator weist eine mit einer Nabe 2 versehene Welle 1 auf, die von einem in der Zeichnung nicht dargestellten Antrieb angetrieben wird. Mit der Welle 1 ist ein Rotor 3 drehfest verbunden. Der Rotor 3 weist zwei zueinander konzentrische Rotorverzahnungen 4 und 5 auf. Bei der Rotorverzahnung 4 handelt es sich um die erste (innere) Rotorverzahnung. Mit dem Homogenisatorgehäuse 6 ist der Stator verbunden, der zwei zueinander konzentrische Statorverzahnungen 7, 8 aufweist. Die beiden Statorverzahnungen 7, 8 sowie die äußere Rotorverzahnung 5 weisen jeweils sich axial von Rotor bzw. Stator erstreckende Zähne auf, wie sie dem Fachmann geläufig sind. Die erste Rotorverzahnung 4 ist als eine mit Öffnungen 18 versehene zylindrische Wand ausgebildet, wie insbesondere in Fig. 3 zu erkennen ist.

[0023] Am Außenumfang des Homogenisatorgehäuses 6 ist ein zur Homogenisatorwelle 1 konzentrischer Kanal 11 angeordnet, der den Ablauf des Homogenisators bildet. Er ist mit einem Ablaufstutzen 12 verbunden.

[0024] Der Homogenisator weist zwei getrennte Zufuhreinrichtungen auf, eine radial innere Zufuhreinrichtung 13 (vorzugsweise für Pulver) und eine radial äußere Zufuhreinrichtung 14, die unmittelbar vor dem Einlauf des Homogenisators eine Ringkammer 15 aufweist. Eine Ringwand 16 trennt die beiden Zufuhreinrichtungen, so daß durch die innere Zufuhreinrichtung 13 zugeführtes Pulver zunächst durch die erste Rotorverzahnung 4 hindurchtreten muß, bevor es mit der durch die zweite Zufuhreinrichtung 14, 15 zugeführten Flüssigkeit in Berührung kommen kann.

[0025] Zur Erhöhung der Förderleistung weist der Rotor des Homogenisators Pumpflügel 17 (siehe Fig. 2) auf, die sich sowohl radial innerhalb als auch radial außerhalb der ersten Rotorverzahnung 4 erstrecken. Sie erhöhen die Förderleistung des Homogenisators, bewirken dadurch einen höheren Unterdruck im Homogenisatoreinlauf und somit insbesondere eine verbesserte Pulveransaugung.

[0026] Wie in Fig. 1 zu erkennen, läuft die Oberkante der ersten Rotorverzahnung 4 in einer Ausnehmung bzw. Nut der Trennwand 16, dadurch wird vermieden, daß nennenswerte Mengen Pulver an der ersten Rotorverzahnung 4 vorbei radial nach außen in den Homogenisator eintreten können. Vielmehr wird praktisch die gesamte zugeführte Pulvermenge beim Durchtritt durch die erste Rotorverzahnung 4 mit kinetischer Energie versehen, die das homogene Einmischen in die Flüssigphase erleichtert.

Ansprüche

1. Homogenisator zum Homogenisieren fließfähiger Stoffe, mit einem Rotor (3) und einem Stator, die zueinander konzentrische Verzahnungen (4,5,7,8) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß er Einrichtungen zur getrennten Zufuhr zweier Substanzen in den Homogenisatoreinlauf aufweist, von denen eine (13) radial innerhalb und die zweite (14,15) radial außerhalb einer ersten Rotorverzahnung (4) im Einlauf mündet.

2. Homogenisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radial innere Zufuhreinrichtung (13) ausschließlich über die erste Rotorverzahnung (4) in Verbindung mit dem Homogenisator steht.

3. Homogenisator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Rotorverzahnung (4) als zylindrische, konzentrisch zur Rotorachse ausgebildete Wand mit darin angeordneten Öffnungen (18) ausgebildet ist.

4. Homogenisator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (18) rechteckig ausgebildet sind.

5. Homogenisator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (18) Förderschrägen aufweisen.

6. Homogenisator nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Rotorverzahnung (4) in Axialrichtung gesehen wenigstens zwei, vorzugsweise wenigstens drei übereinander angeordnete Öffnungen (18) aufweist.

7. Homogenisator nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor zusätzlich Pumpflügel (17) aufweist.

8. Homogenisator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpflügel (17) sich sowohl radial innerhalb als auch radial außerhalb der ersten Rotorverzahnung (4) erstrecken.

9. Verwendung eines Homogenisators nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Einmischen eines Feststoffes in ein fließfähiges Medium.

10. Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das fließfähige Medium über die radial außerhalb der ersten Rotorverzahnung (4) und der Feststoff über die radial innerhalb der ersten Rotorverzahnung angeordnete Zufuhreinrichtung dem Homogenisator zugeführt wird.

11. Verwendung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Homogenisator in Betrieb genommen wird, bevor fließfähiges Medium zugeführt wird.

Zeichnung