Homogenisator: Funktionsprinzip, Druck und Auswahl der richtigen Anlage

Ein Homogenisator ist ein wichtiger Bestandteil von Prozesslinien für die Herstellung von Milch, Milchprodukten, Getränken, Emulsionen und anderen Lebensmitteln. Die Stabilität, Struktur und Eigenschaften des Endprodukts hängen wesentlich von der richtigen Auswahl von Druck, Temperatur und Homogenisierungskonzept ab.

In diesem Artikel erklären wir, wie ein industrieller Homogenisator funktioniert, worin sich die einstufige von der zweistufigen Homogenisierung unterscheidet, welcher Druck für unterschiedliche Prozessanforderungen erforderlich ist und worauf bei der Auswahl der Anlage zu achten ist.

Wie funktioniert ein industrieller Homogenisator?

Ein industrieller Hochdruckhomogenisator kombiniert im Wesentlichen eine Hochdruckpumpe mit einem Homogenisierventil.

Das Produkt wird dem Pumpenteil zugeführt, wo sein Druck deutlich erhöht wird. Anschließend strömt das Produkt unter hohem Druck durch einen sehr engen Spalt im Homogenisierventil.

In diesem Bereich steigt die Strömungsgeschwindigkeit stark an, während der Druck abfällt. Es entstehen intensive Turbulenzen, Scherkräfte und weitere hydrodynamische Effekte, durch die größere Tropfen oder Partikel zerkleinert und gleichmäßiger im Produkt verteilt werden.

Dadurch kann die Homogenisierung folgende Produkteigenschaften beeinflussen:

• Stabilität der Emulsion;

• Partikelgröße und Partikelverteilung;

• Neigung des Produkts zur Phasentrennung;

• Konsistenz und Viskosität;

• Aussehen;

• sensorische Eigenschaften;

• Stabilität während der Lagerung.

Bei der Homogenisierung von Milch beispielsweise wird die Größe der Fettkügelchen deutlich reduziert. Dadurch wird das Fett gleichmäßiger im Produkt verteilt und die Neigung zur Aufrahmung bzw. Phasentrennung verringert.

Ein Homogenisator sollte daher nicht lediglich als Pumpe betrachtet werden, die einen hohen Druck erzeugt. Der entscheidende technologische Effekt entsteht beim Durchströmen des Homogenisierventils.

Einstufige und zweistufige Homogenisierung

Ein industrieller Homogenisator kann mit einer oder zwei Homogenisierungsstufen ausgeführt sein.

Einstufige Homogenisierung

Bei einer einstufigen Ausführung wird nahezu der gesamte erforderliche Druckabfall über ein einziges Homogenisierventil erzeugt.

Diese Lösung kann bei Produkten und Prozessen eingesetzt werden, bei denen eine Stufe ausreicht, um die erforderliche Partikelgröße und Produktstabilität zu erreichen.

Zweistufige Homogenisierung

Bei einem zweistufigen Homogenisator durchströmt das Produkt nach dem ersten Homogenisierventil ein zweites Ventil.

Der größte Teil der Partikelzerkleinerung findet in der Regel in der ersten Stufe statt. Die zweite Stufe kann dazu dienen, Agglomeration zu kontrollieren und eine stabilere Partikelverteilung zu erreichen.

Dabei ist zu beachten, dass der Druck der zweiten Stufe nicht einfach zusätzlich zum Druck der ersten Stufe aufgebaut wird. Bei der Einstellung der Anlage wird der Druck abhängig vom Produkt, von der Konstruktion der Homogenisierventile und vom gewünschten technologischen Ergebnis auf die beiden Stufen verteilt.

Die Entscheidung zwischen einstufiger und zweistufiger Homogenisierung sollte daher nicht nach dem Prinzip „zwei Stufen sind immer besser“ getroffen werden. Entscheidend sind das konkrete Produkt und das gewünschte Ergebnis.

Welcher Druck ist für die Homogenisierung erforderlich?

Der Druck ist einer der wichtigsten Betriebsparameter eines Homogenisators. Einen universellen Wert, der für alle Produkte geeignet ist, gibt es jedoch nicht.

Selbst bei demselben Produkttyp kann der erforderliche Druck variieren, abhängig von:

• Rezeptur;

• Fett- und Trockenmassegehalt;

• Temperatur;

• erforderlicher Partikelgröße;

• Anforderungen an die Produktstabilität;

• Konstruktion des Homogenisierventils;

• ein- oder zweistufiger Ausführung;

• Position der Homogenisierung innerhalb des technologischen Prozesses.

Für pasteurisierte Milch kann der typische Gesamthomogenisierungsdruck beispielsweise bei etwa 140–180 bar liegen. Bei UHT-Milch können höhere Werte von etwa 200–250 bar eingesetzt werden.

Diese Werte sollten jedoch nicht als universelle Einstellungen für jede Milchverarbeitung betrachtet werden.

Sahne, Joghurtmischungen, Milchgetränke, Säfte, Nektare, Saucen und andere Emulsionen weisen unterschiedliche physikalische Eigenschaften auf und erfordern entsprechend unterschiedliche Prozessparameter.

Darüber hinaus können moderne Konstruktionen von Homogenisierventilen ermöglichen, das gewünschte Ergebnis bei einem niedrigeren Druck zu erzielen. Dies kann insbesondere im Hinblick auf Energieverbrauch und Betriebskosten von Bedeutung sein.

Der Grundsatz „je höher der Druck, desto besser die Homogenisierung“ ist daher nicht richtig.

Das Ziel besteht nicht darin, einen möglichst hohen Druck zu erzeugen, sondern die gewünschten Produkteigenschaften mit optimalen Prozessparametern zu erreichen.

Wie wählt man den richtigen Homogenisator aus?

Die Auswahl eines industriellen Homogenisators sollte nicht mit einem bestimmten Anlagenmodell beginnen, sondern mit der technologischen Aufgabenstellung.

1. Produkt

Zunächst muss klar definiert werden, welches Produkt den Homogenisator durchströmen soll: Milch, Sahne, eine Milchmischung, ein Getränk, Saft, eine Emulsion, Sauce oder ein anderes Produkt.

Für die Auswahl sind unter anderem Zusammensetzung, Viskosität, Fett- und Trockenmassegehalt, vorhandene Feststoffpartikel sowie weitere physikalische Eigenschaften relevant.

2. Durchsatzleistung

Der Homogenisator muss die erforderliche Durchsatzleistung nicht als isolierte Maschine, sondern abgestimmt auf die gesamte Prozesslinie gewährleisten.

Wird die Anlage beispielsweise in eine Pasteurisierungslinie integriert, müssen die Leistungen von Homogenisator, Wärmetauscher, Separator, Pumpen und weiteren Prozesskomponenten aufeinander abgestimmt sein.

3. Betriebsdruck

Es muss ermittelt werden, bei welchem Druck das Produkt die geforderten Eigenschaften erreicht.

Dabei ist nicht nur der maximale Druck zu berücksichtigen, den der Homogenisator erzeugen kann, sondern insbesondere der tatsächliche Betriebsbereich.

Die Kombination aus Durchsatz und Druck bestimmt zu einem wesentlichen Teil die erforderliche Antriebsleistung der Anlage.

4. Eine oder zwei Stufen

Die Auswahl hängt vom Produkt, den Anforderungen an die Stabilität und der gewünschten Partikelverteilung ab.

Für bestimmte Emulsionen kann eine zweistufige Homogenisierung erforderlich sein. Ihr Einsatz sollte jedoch immer technologisch begründet sein.

5. Produkttemperatur

Die Temperatur beeinflusst die Viskosität, das Verhalten der Fettphase und die Effizienz des Prozesses.

Daher sollte die Produkttemperatur vor der Homogenisierung bereits bei der Planung des technologischen Prozesses berücksichtigt werden.

6. CIP-Reinigung

In der Lebensmittelproduktion muss neben dem Produktionsbetrieb auch berücksichtigt werden, wie die Anlage gereinigt wird.

Der Homogenisator muss korrekt in den CIP-Kreislauf integriert werden. Dabei sind der erforderliche Volumenstrom der Reinigungslösung, die Reihenfolge der Reinigungsschritte, die Temperaturbedingungen sowie die korrekte Funktion der Ventile während der Reinigung sicherzustellen.

7. Automatisierung

Je nach Produktionsprozess können eine manuelle oder automatische Druckregelung, Temperaturüberwachung, Alarmfunktionen, Datenübertragung an PLC/SCADA sowie die Integration des Homogenisators in die Automatisierung der gesamten Linie erforderlich sein.

8. Integration in den technologischen Prozess

Dies ist einer der wichtigsten Aspekte.

Ein Homogenisator arbeitet nur selten als vollständig unabhängige Maschine. Er interagiert mit Wärmetauschern, Pasteuren, Separatoren, Pumpen, Ventilen, Puffertanks und dem CIP-System.

Daher sollte bereits vor der Auswahl eines konkreten Modells festgelegt werden:

Wo wird der Homogenisator installiert, welche Produktparameter liegen am Ein- und Austritt vor und wie beeinflusst sein Betrieb die anderen Prozessstufen?

5 häufige Fehler bei der Auswahl eines Homogenisators

1. Auswahl der Anlage ausschließlich nach der Durchsatzleistung

Zwei Homogenisatoren mit derselben Durchsatzleistung können für völlig unterschiedliche Betriebsdrücke und Prozessanforderungen ausgelegt sein.

Eine Angabe wie „10.000 l/h“ allein sagt daher nur sehr wenig darüber aus, ob eine bestimmte Anlage für den jeweiligen Prozess geeignet ist.

2. Auswahl eines zu hohen Maximaldrucks als Sicherheitsreserve

Eine gewisse Leistungsreserve ist sinnvoll. Eine deutliche Überdimensionierung der Anlage bietet jedoch nicht automatisch technologische Vorteile.

Ein höherer Betriebsdruck bedeutet eine stärkere mechanische Belastung der Anlage und kann den Energieverbrauch sowie die Betriebskosten erhöhen.

Entscheidend ist nicht der höchstmögliche Druck, sondern ein korrekt definierter Betriebsbereich.

3. Produkttemperatur und Produkteigenschaften nicht berücksichtigen

Derselbe Homogenisator kann abhängig von Temperatur, Viskosität und Zusammensetzung des Produkts unterschiedliche Ergebnisse liefern.

Die Übernahme von Prozessparametern einer anderen Produktionslinie ohne Analyse des konkreten Produkts führt daher nicht zwangsläufig zum gewünschten Ergebnis.

4. Den Homogenisator getrennt von der Prozesslinie betrachten

Selbst eine korrekt ausgewählte Anlage kann ineffizient arbeiten, wenn ihre Position im Prozess falsch gewählt wurde oder ihre Betriebsparameter nicht mit den übrigen Anlagenkomponenten abgestimmt sind.

Dies ist besonders bei Linien relevant, in denen der Homogenisator gemeinsam mit Pasteur, Separator und Standardisierungssystem arbeitet.

In solchen Fällen muss der gesamte technologische Prozess analysiert werden und nicht nur eine einzelne Maschine.

5. CIP und Wartung nicht berücksichtigen

Ein Homogenisator arbeitet unter hohem Druck und enthält Komponenten, die regelmäßig mechanisch belastet werden.

Bei der Auswahl sollten daher die Verfügbarkeit von Serviceleistungen, die Konstruktion der Ventile, Dichtungen, Kolben, Ersatzteile sowie die Möglichkeiten zur planmäßigen Wartung berücksichtigt werden.

Ebenso wichtig ist es, bereits während der Prozessplanung eine korrekte CIP-Reinigung der Anlage vorzusehen.

Der Homogenisator ist Teil des technologischen Prozesses

Bei der Auswahl eines Homogenisators reicht es nicht aus, lediglich die erforderliche Durchsatzleistung zu bestimmen und eine Anlage mit einem entsprechenden Wert im technischen Datenblatt auszuwählen.

Berücksichtigt werden müssen das Produkt, das gewünschte technologische Ergebnis, Homogenisierungsdruck und -temperatur, die Position der Anlage im Prozess, das Zusammenspiel mit Pasteur und anderen Anlagenkomponenten sowie die Anforderungen an Automatisierung, CIP und zukünftige Wartung.

Deshalb sollte ein Homogenisator als Teil des gesamten technologischen Prozesses und nicht als einzelne Maschine ausgewählt werden.

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