Dr.-Ing. Karsten Köhler
Simultanes Emulgieren und Mischen

Bei vielen Produkten oder Zwischenprodukten der chemischen, kosmetischen oder pharmazeutischen Industrie, aber auch der Erdöl- und Lebensmittelindustrie, liegen Tropfen fein verteilt in einer kontinuierlichen Phase vor. Es handelt sich somit um Emulsionen. Typische Produktbeispiele sind Farben, Milch und Milchprodukte, Saucen, Cremes, Papieradditive, Medikamente und Bitumen. Alle diese Einsatzmöglichkeiten haben die Gemeinsamkeit, dass die Herstellung der Emulsionen und damit das Einstellen der Eigenschaften wie Geschmack, Farbe und Konsistenz, aber auch die Sicherstellung der Lager- und Transportfähigkeit ein ganz entscheidender Verfahrensschritt ist.

Beim konventionellen Verfahren des Hochdruckhomogenisierens wird eine Rohemulsion über einen Hochdruckhomogenisator, bestehend aus einer Hochdruckpumpe und einer Zerkleinerungseinheit, zu einer Feinemulsion verarbeitet. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die etablierten Grundoperationen der Verfahrenstechnik, Emulgieren und Mischen, in einer Zerkleinerungseinheit kombiniert, wodurch sich Synergien für beide Grundoperationen ergeben. Beim „Simultanen Emulgieren und Mischen“ (SEM) wird somit die konventionelle Zerkleinerungseinheit durch eine neue Zerkleinerungseinheit ersetzt, in der simultan emulgiert und ein Mischstrom zugemischt wird. Hierbei ist die Zumischung des Mischstroms im Bereich der zerkleinerungswirksamen Strömung oder direkt danach entscheidend.


In der SEM-Zerkleinerungseinheit ist das Homogenisierergebnis abhängig von der Zerkleinerung der Tropen als auch der Stabilisierung dieser und dem Vermischung der zwei Ströme. Anhand von Simulationen, Modellen und Ergebnisse von Experimenten mit Modellsystemen konnten Einflussfaktoren auf die einzelnen Mechanismen in der SEM-Zerkleinerungseinheit aufgezeigt werden.

Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurde in der Arbeit gezeigt, wie die SEM-Technik im Milchverarbeitungsprozess beim Homogenisieren eingesetzt werden kann. Dieses bietet sich an, da standardmäßig im Prozess zuerst das Fett aufkonzentriert wird. Diese fettreiche Phase (Rahm) wird anschließend zum Homogenisieren auf 17 – 12 Vol.-% mit Magermilch zurückgemischt und schlussendlich auf den für das Produkt gewünschten Fettgehalt durch einen erneuten Mischvorgang standardisiert. Mit der SEM-Technik können nun im Vergleich zum konventionellen Teilstromhomogenisieren die zwei Mischschritte eingespart werden, da der aufkonzentrierte Rahm direkt homogenisiert werden kann und die entstehenden Tropfen sofort mit den in der Magermilch enthaltenen Proteinen, die über den Mischstrom zugemischt werden, stabilisiert werden. Abschließend konnte am Milchverarbeitungsprozess gezeigt werden, dass mit der SEM-Technik im Prozess Energieersparnisse von über 90 % erreicht werden können.

Allein in der Milchindustrie werden heute in Deutschland ca. 12 Mio. Tonnen Milch im Jahr bei einem Homogenisierdruck von ca. 100 bar verarbeitet. Wenn somit allein nur die Milchindustrie ihr Verfahren auf die SEM-Technik umstellen würde, könnten ca. 30 GWh Strom pro Jahr eingespart werden, was der Abschaltung eines Atomreaktors für einen Tag gleich käme.

Emulgatoren sind Substanzen die zur Stabilisierung von Tropfen oder Partikeln in Dispersionen eingesetzt werden. Diese stehen allerdings im Verdacht, den menschlichen Organismus zu sensibilisieren oder sogar Allergien auszulösen. Daher gibt es Bestrebungen die Menge an Emulgatoren in Dispersionen wie Cremes oder Medikamenten zu reduzieren oder sogar komplett zu ersetzen. An einem Anwendungsbeispiel gelang es in der Arbeit, ein schmelzemulgiertes Wachs, wie es z.B. in der Kosmetikindustrie eingesetzt wird, ohne die Zugabe eines Emulgators fein zu verteilen. Mit der SEM-Technik ist es somit möglich in Produkten die Emulgatormenge zu minimieren und in Spezialfällen sogar komplett darauf zu verzichten.

In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, wie mit Hilfe der SEM-Technik Energieeffizientere Prozesse und Emulgatorreduzierte Produkte gestaltet werden und somit zur Umweltentlastung beim Hochdruckemulgieren beitragen können.