Steffen Jahnke
Der klassische Hochdruckhomogenisator besteht aus einer Hochdruckkolbenpumpe und dem nachgeschalteten Homogenisierventil. Die Kolbenpumpe bringt das für die Entspannung im Homogenisierventil notwendige Energieniveau auf. Die Durchsatzleistung ist dabei unabhängig vom aufgebrachten Arbeitsdruck nahezu konstant. Das Homogenisierventil besteht aus einem Ventilsitz und einem einstellbaren Ventil (Bild 1). Beide Teile bilden einen verstellbaren, radialen Spalt. Je nach Krafteinwirkung auf das Ventil ändern sich die Spaltverhältnisse, der Widerstand und damit der Homogenisierdruck. Am Austritt des Ventilspaltes befindet sich ein Prallring, der das Ventilgehäuse vor strömungsmechanischer Beschädigung schützt.
Der Homogenisierventilspalt ist strömungstechnisch eine Überlagerung von unstetem Eintritt, Radialdiffusor und unstetem Austritt. Der Druckverlust im Homogenisierventilspalt Dp setzt sich daher aus dem Druckverlust durch den unsteten Einlauf, dem Reibungsdruckverlust im Radialdiffusor und dem Austrittsverlust zusammen. Die Kenntnisse der einzelnen Druckverlustanteile für Homogenisierventile ist die notwendige Voraussetzung für deren produktbezogene Auslegung. Der für einstufige Homogenisierventile mit scharfkantigem Einlauf typische Verlauf des statischen Druckes ist in Bild 2 dargestellt.
Unmittelbar in der Einlaufzone wird das Produkt stark beschleunigt. Aufgrund der Energieumwandlung von potenzieller Druckenergie (Hochdruck) in kinetische Energie (Staudruck) erfolgt eine starke Absenkung des statischen Druckes. Dieser erreicht schließlich den Dampfdruck der kontinuierlichen Phase. Dadurch entstehen aus den vorhandenen Kavitationskeimen Dampfblasen, die am Austritt wieder implodieren und energiereiche Stoßwellen freisetzen (Kavitation). Sie können für die Zerkleinerung gezielt genutzt werden. Das Homogenisierventil wirkt, wenn der Gegendruck gering ist, auch als Entgaser, da durch den Unterdruck auch gelöste Gase frei werden. Durch die Hochdruckentspannung findet aufgrund der Energieum-wandlung eine Temperaturerhöhung statt. Für Wasser beispielsweise erhält man eine Erhöhung der Temperatur von 2,5 K je 100 bar Homogenisierdruck. Diese Temperaturerhöhung ist bei temperaturempfindlichen Produkten sowohl bei der Wahl der Eintrittstemperatur, als auch zur Auslegung der Kühlsysteme unbedingt zu beachten.
Als Mechanismen der Zerkleinerung der dispersen Phase im Homogenisierventil werden je nach Produktart das laminare und turbulente Scherfeld sowie die Kavitation favorisiert. Andere Zerkleinerungsvorgänge wie z. B. Prall, Vibrationen und Expansion führen nicht zur Zerkleinerung. Turbulenz, Scherung und Kavitation treten in den heute eingesetzten Homogenisierventilen fast immer gleichzeitig auf. Eine eindeutige Zuordnung auf die zerkleinernde Wirkung ist jedoch aufgrund der Produktvielfalt nicht möglich. Es gibt jedoch Präferenzen. Für Emulsionen ist die Scherung im laminaren oder turbulenten Strömungsfeld zerkleinerungswirksam. Für zellfaserhaltige Suspensionen ist dagegen die Kavitation für die Fibrillierung maßgebend. Da die Zeitdauer der Hochdruckentspannung sehr kurz (10 bis 100 µs) ist, neigen Produkte mit langsam adsorbierenden Emulgatoren und Emulgatormangel zur Aggregation. Dieser Effekt führt in der Regel zu einem Anstieg der Viskosität. Um diesen Effekt zu umgehen, werden zwei Homogenisierventile in Reihe geschaltet und der Entspannungsprozess in zwei Stufen aufgeteilt. Dabei entfallen ca. 15 bis 20 % der Gesamtenergie auf die zweite Homogenisierstufe. Diese Aufteilung hat sich in der Praxis als optimal herausgestellt.
