Читать книгу Prozesstechnik und Technologie in der Brauerei - Annette Schwill-Miedaner - Страница 12

Das Dispergieren ist als Feinverteilen einer oder mehrerer Komponenten in einer kontinuierlichen Phase definiert. Mittels Dispergiermaschinen werden Scherspannungen erzeugt (Beanspruchung durch das umgebende Medium), die zur Zerkleinerung der Teilchen führen. Derartige Zerkleinerungsapparaturen werden in der chemisch-pharmazeutischen Industrie, der Lebensmittelindustrie und der Papierindustrie für die Zerkleinerung und Feinverteilung von Gasblasen, Flüssigkeitstropfen und Feststoffpartikeln in Flüssigkeiten, für den Aufschluss von Zellstoffen sowie zur Lösungs-, Reaktions- oder Extraktionsbeschleunigung eingesetzt. Hauptbestandteile der Maschine sind die Generatoren, bestehend aus einer rotierenden (Rotor) und einer feststehenden Scheibe (Stator), ähnlich einer Stiftmühle. Die Scheiben sind jeweils mit konzentrisch angeordneten Stiftreihen versehen, die ineinander greifen. Die Spaltweiten zwischen den Stift-reihen bleiben je Generatoreinheit konstant. Je nach Prozessbedingungen können bis zu drei Generatoren, die in der Verzahnung variieren, hintereinander gesetzt werden (Abb. 1.20). Beim Durchlaufen wird das Produkt wechselnd tangential beschleunigt, abgebremst und zerkleinert. Die Feinheit des zu zerkleinernden Guts kann durch die Anzahl der eingesetzten Rotor-Stator-Einheiten, die Art der Bestiftung, die Anzahl der Stiftreihen, die Rotordrehzahl und den Volumendurchsatz beeinflusst werden. Neben der Zerkleinerungsarbeit wird aufgrund der Zentrifugalbeschleunigung der Flüssigkeit eine Pumpleistung von wenigen bar erzeugt, die zum Transportieren des zerkleinerten Produkts genutzt werden kann [1.20]. Gebräuchlich sind Inlinegeräte, die einen gleichmäßigen Durchfluss und eine definierte Passagenfolge gewährleisten.

Abb. 1.20:Schnittdarstellung Dispax-Reactor® DR 3/6 der Firma IKA, Staufen [1.20]

Der Stoffstrom in Dispergiermaschinen und die Wirkung auf das Zerkleinerungsgut wird wie folgt beschrieben [1.5, 1.10]

1.Axiale Zufuhr des Produkts

2.Eintritt der Ausgangsprodukte in den ersten Generator der Dispergierkammer

3.Beschleunigung der Flüssigkeits- und Feststoffteilchen auf die Rotor-Umfangsgeschwindigkeit

4.Eintritt der Teilchen in den ersten Scherspalt zwischen Rotor und Stator

5.Zerkleinerung der Teilchen infolge von Scherspannungen

6.Austritt aus dem ersten Scherspalt und Eintritt in den nächsten Scherspalt

7.Eintritt in einen weiteren Generator

8.Radialer Austritt aus der Dispergierkammer

Sind die zu zerkleinernden Stoffe größer als der Tangentialspalt zwischen Rotor und Stator, so werden sie zwischen den Umfangsflächen zerschlagen, zerdrückt, zerquetscht oder zerrissen. Dies entspricht einer Vorzerkleinerung, die vom eigentlichen Dispergiervorgang zum Feinzerkleinern und Feinverteilen unabhängig ist [1.21]. In der ersten und der zweiten Einheit erfolgt also die primäre Zerkleinerung und in der dritten die Homogenisierung und Desagglomerierung des zerkleinerten Mahlguts im Medium, unterstützt durch die Turbulenzfelder im Scherspalt. Die Schrotpartikeln sind unsymmetrisch Druck- und Zugbelastungen ausgesetzt. Bedingt durch die Turbulenz, schwanken diese Belastungen örtlich und zeitlich.

Abb. 1.21:Schematische Darstellung des Rotor-Stator-Prinzips [1.21]

Rotor-Stator-Dispergiermaschinen erzeugen infolge der Rotorumfangsgeschwindigkeit von bis zu 30 m/s ein Geschwindigkeitsgefälle zwischen Rotor und Stator (Abb. 1.21). Das Medium im Scherspalt unterliegt hierdurch einer hohen Scherrate. In Kombination mit der hemmenden Viskosität des Trägermediums wird eine auf das zu zerkleinernde Produkt wirkende Schubspannung initiiert. Kennzeichnende Größen sind die Rotorumfangsgeschwindigkeit v_u, die Scherrate und die Scherfrequenz f_s. Die Scherrate ist als Quotient aus der Umfangsgeschwindigkeit und der Scherspaltweite d_s beschrieben.

	=	Scherrate
v u	=	Umfangsgeschwindigkeit
d s	=	Abstand zwischen Rotor und Stator

Der Abstand zwischen Rotor und Stator ist aufgrund technischer Gegebenheiten auf 400–1000 μm festgelegt. Die Scherrate ist der Umfangsgeschwindigkeit direkt proportional.

n	=	Rotordrehzahl
dr	=	Rotoraußendurchmesser

Die Scherfrequenz ist mathematisch das Produkt aus Rotordrehzahl und der Anzahl der Rotorzähne.

f s	=	Scherfrequenz
z	=	Zähnezahl des Rotors

Anfänglich zeigten sich für die Dispergiertechnik zur Malzzerkleinerung Vorteile, wenn eine Alternative zur Hammermühle gesucht und/oder Rohfrucht verwendet wird. Die dispergierte Rohfrucht wird auf die erforderliche Verkleisterungstemperatur gebracht; das aufwendige Kochen entfällt, da die Dispergiertechnik eine vollständige Freilegung der nativen Stärkekörner ermöglicht. In der Praxis sind Infusionsverfahren bis zu 50 % Rohfruchtschüttung ohne Enzymdosage bzw. 100 % Rohfrucht mit Enzymzusatz anzutreffen. Die Enzymgaben können um 10–15 % reduziert werden. Der Vorteil der Dispergiermaschine ist unter dem bautechnischen Aspekt zu sehen. Aufwendige Förderanlagen inklusive der Schrotereiabteilung mit dem Schrotbunker und Exschutz entfallen. Der Dispax-Reaktor kann neben oder unterhalb des Maischbottichs aufgestellt werden. Zur Maischeförderung ist keine Pumpe erforderlich. Technologisch ist das sauerstoffarme Einmaischen, die Zerkleinerung erfolgt komplett im Wasser, von Vorteil. Es kann zusätzlich CO₂-Atmosphäre eingestellt werden. Als Nachteil ist der hohe Materialverschleiß in den Generatoren durch die abrasive Wirkung der Spelzen anzuführen.