Dynamic Modelling of Emulsification in High-Pressure Homogenizers

Abstract

Different approaches and sub-models for the modelling of emulsification in a high-pressure homogenizer are reviewed and compared in terms of both practical aspects and how well they describe what is currently known on the emulsification process in general and on high-pressure homogenization in particular. Special effort is devoted to comparing the model developments presented in the appended papers to their alternatives and previous suggestions. A modelling framework for handling the simultaneous fragmentation, coalescence and dynamic adsorption of emulsifier is described and recommended for further studies.

A successful emulsification model requires that the hydrodynamics of the high-pressure homogenizer valve can be accurately described. Previous investigations have often used Computational Fluid Dynamics in order to model the flow fields since experiments are scarce. New experimental measurements and comparison to models were therefore performed, resulting in a suggestion for a method to describe the local distribution of turbulent forces in the valve.

The integration of hydrodynamic information into the emulsification model can be carried out using different degrees of sophistication. Different strategies are described and compared in the thesis. However, at this time it is not possible to determine what level of sophistication is appropriate under which conditions. It is suggested that further experimental investigations, using the models in order to identify critical conditions, are carried out in order to determine the required complexity of the hydrodynamic-emulsification integration.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Ett glas mjölk innehåller ungefär tusen miljarder små oljedroppar. Varje droppe är en tusendels millimeter stor. Dropparna är suspenderade i en blandning av vatten, proteiner och lösta molekyler. Små droppar av olja i vatten brukar kallas emulsioner. Emulsioner är vanliga beståndsdelar i livsmedel och finns exempelvis i allehanda mjölkprodukter, såser, smeter och dressingar. Utanför livsmedelsindustrin hittar man emulsioner i exempelvis läkemedel och som en beståndsdel i asfalt.

Alla emulsioner är instabila, de kommer förr eller senare att separera genom att oljan lägger sig ovanpå vattenfasen. Tiden för denna separation varierar högst betydligt, från ett ögonblick till flera år. För att skapa emulsioner som är stabila länge krävs små oljedroppar. När det gäller livsmedelsemulsioner kommer droppstorleken dessutom att vara avgörande för flera andra viktiga egenskaper såsom smak, munkänsla och färg.

Emulsioner med små droppar skapas ofta med hjälp av en högtryckshomogenisator. I homogenisatorn pressas en grov blandning av olja och vatten genom en smal spalt. De intensiva flödeskrafterna i utloppet av spalten bryter upp dropparna. Samtidigt, kollidera droppar med varandra i det våldsamma flödet. Några av dessa kollisioner leder till sammanslagning av droppar, koalescens. Sönderdelningen av stora droppar till mindre ökar den totala gränsytan på dropparna. Ytaktiva molekyler, emulgatorer, fäster in till den nya ytan. Denna infästning eller adsorption kommer både att underlätta fortsatt uppbrytning och förhindra koalescens. Emulgeringen är därmed en komplicerad process, bestående av samtidig uppbrytning, koalescens och adsorption av emulgatorer. Alltihop sker dessutom i ett intensivt kaotiskt flödesfält.

Högtryckshomogenisering är en mycket gammal produktionsmetod. Tekniken presenterades samtidigt med rulltrappan och talfilmen på världsutställningen i Paris 1900. Trotts detta är verkningsgraden förvånande låg. I en modern homogenisator måste man tillsätta mer än tusen gånger så mycket energi än vad som teoretiskt behövs för att bilda de små dropparna. Det borde därför finnas en möjlighet att utforma processen mer effektiv. Detta skulle innebära både ekonomiskt och miljömässigt stora vinster. Eftersom det stora antalet emulgeringsförsök som gjorts tidigare inte givit de förväntade framgångarna behövs nya angreppssätt.

Utgångspunkten för denna avhandling har därför varit att beskriva homogeniseringen med matematiska modeller. En modell är en förenklad och begränsad beskrivning av verkligheten. Modeller kan användas för att tolka experimentella resultat, generera hypoteser eller testa om en föreslagen förklaring till en observation är rimlig eller ej. Exempel på alla tre användningsområdena står att finna i denna avhandling.

Fokus ligger på dynamiska modeller: modeller som beskriver processer i termer av hastigheter. Många äldre modeller är statiska: de antar att en jämvikt har ställt in sig mellan olika krafter. Dynamisk modellering är rimligare för homogenisering eftersom jämvikter sällan hinner ställa in sig under emulgeringsförloppet.

Tidigare homogenisatormodeller har bara beskrivit uppbrytningen av droppar. För många tillämpningar är dock koalescens och adsorption av avgörande betydelse för resultatet. Som en del av avhandlingen utvecklades därför en matematisk modell av en högtryckshomogenisator med samtidig uppbrytning, koalescens och adsorption av emulgatorer.

Uppbrytning, koalescens och adsorption styrs alla i hög grad av flödesfältet i homogenisatorn. En detaljerad undersökning av flödet har därför genomförts, både med hjälp av experiment och matematiska modeller. Flödets inverkan på dropparna sker framförallt genom två olika mekanismer, turbulens och kavitation. Turbulenta flöden innehåller små energirika virvlar. Interaktioner mellan droppar och turbulenta virvlar kan bryta upp dropparna. Experimentella undersökningar genomfördes bland annat för att kartlägga energiinnehållet hos virvlar av olika storlekar. Dessa visar att det är först relativt långt nedströms den smala spalten som de mest effektiva virvelstorlekarna bildas.

Kavitation uppkommer när en vätska accelereras tillräckligt snabbt. Allteftersom hastigheten ökar så minskar trycket i vätskan. Om trycket sjunker under ångtrycket börjar det koka. Små ångbubblor bildas och transporteras med vätskan. När de når områden med högre tryck imploderar bubblorna och skickar ut tryckvågor. Kavitation har föreslagits som en orsak till sönderdelningen av emulsionsdroppar i homogenisatorn. Resultaten som presenteras i avhandlingen visar dock att kavitationen sker inuti spalten medan man sedan tidigare sett att dropparna slås sönder först långt efter spalten.

Jämförelser görs också mellan tidigare föreslagna flödesmodeller och de utförda experimenten. Det visar sig att man många gånger använder en alltför förenklad beskrivning av turbulensen för att beskriva flödet.

Sammanfattningsvis, utvecklas och jämförs i avhandlingen olika metoder för att modellera emulgeringen i en högtryckshomogenisator. Förhoppningen är att systematiska undersökningar av flödesfälten i homogenisatorn tillsammans med dessa modeller på sikt skall ge en bättre förståelse för processen och mer effektiva homogenisatorer.

• author: Håkansson, Andreas
• supervisor: Björn Bergenståhl; Christian Trägårdh; Fredrik Innings
• opponent: Prof. Denkov, Nikolai, Sophia University, Bulgaria
• organization: Department of Food Technology, Engineering and Nutrition
• publishing date: 2011
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Food Engineering
• keywords: Population Balance Equations, Emulsification, High-Pressure Homogenization, Computational Fluid Dynamics, Mathematical Modelling.
• pages: 242 pages
• defense location: Kemicentrum (Getingevägen 60), sal K:C
• defense date: 2011-10-28 10:15:00
• ISBN: 978-91-978122-4-5
• language: English
• LU publication?: yes
• id: ab48894d-a342-42df-a9c2-f5aa271dfc0a (old id 2169990)
• date added to LUP: 2016-04-04 14:18:05
• date last changed: 2018-11-21 21:19:31