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News: Homogene Emulsionen mit Membranen

Emulsionen begegnen ins auf vielfältige Weise im Alltag überall: als Salatsauce aus Essig und Öl, als Hautcreme aus Wasser und Fett oder als Salbengrundlage. Die vielleicht bekannteste Tröpfchenmischung ist Milch. Sie alle haben gemeinsam, dass sich die beiden Phasen nur unter Energieeintrag von außen miteinander mischen. Dabei wird jedoch meist Wärme frei, was dem Produkt nicht unbedingt gut bekommt. Nun stellten Wissenschaftler ein wesentlich schonenderes Verfahren vor, bei dem die Öltröpfchen mit Druck durch eine Membran gepresst und anschließend von den Wassertröpfchen mitgerissen werden.
Damit sich Essig und Öl zu einer homogenen Sauce verbinden, müssen die beiden Phasen kräftig gemischt werden. Denn eigentlich sind Wasser und Öl nicht mischbar: Nur der Eintrag von Energie durch Rühren oder Schlagen bewirkt, dass sich die eine Phase in Form feiner Tröpfchen in der anderen verteilt. Dieses disperse System nennt der Chemiker Emulsion. Emulsionen begegnen uns auch in Form von Cremes und Margarine oder Lotionen und Milch. Im industriellen Produktionsmaßstab werden bisher zur Herstellung von Emulsionen vorwiegend Rotor-Stator Systeme, Hochdruckhomogenisatoren oder Ultraschall verwendet. Sie alle aber haben den Nachteil, dass Wärme frei wird und sich die Emulsion erhitzt. Dies schadet in den meisten Fällen dem Produkt.

Eine wesentlich schonendere Lösung präsentieren nun Forscher des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart auf der Achema 2000: Sie stellen Emulsionen mit Hilfe von Membranen her. Die Wissenschaftler benutzen hierfür keramische Rohrmembran. An ihrer Außenseite steht die Ölphase unter einem Druck von bis zu vier bar an. Dieser Druck bewirkt, dass das Öl durch die feinen Membranporen auf die Innenseite der Membran gelangt. "Wenn nun Wasser durch die Membran strömt, reisst es dabei kleinste Öltröpfchen von der Membraninnenseite mit", erläutert Projektleiterin Ursula Schließmann. Das Resultat ist eine Emulsion mit sehr kleinen Tröpfchendurchmessern von weniger als einem Mikrometer und einer sehr gleichmäßigen Tröpfchengrößenverteilung, wie sie mit konventionellen Verfahren nicht herstellbar ist. Das macht die Emulsion homogen und auch stabil. "Ein weiterer enormer Vorteil ist", ergänzt Ursula Schließmann, "dass der Prozess außerdem vollständig steril gefahren werden kann".

Die Keramikmembran und die für den Emulsionsprozess entworfene Anlage ist mit heißem Dampf sterilisierbar. Die Porengröße der Keramikmembran kann so gewählt werden, dass Mikroorganismen sie nicht passieren können. Die wässrige Phase wird vor dem Emulsionsprozess sterilfiltriert, so dass eine keimfreie Lösung vorliegt. Eine Nachsterilisation der Emulsion ist dann nicht erforderlich. Die kleinen Tröpfchendurchmesser erlauben jedoch auch eine spätere Sterilfiltration.

Das Verfahren hat sich bereits in der industriellen Praxis bewährt. Mit dem System lassen sich sowohl Öl-in-Wasser-Emulsionen für Lotionen, Saucen aber auch Kühlschmierstoffe, wie auch Wasser-in-Öl-Emulsionen zum Beispiel für Salben herstellen. Durch die Wahlvdes transmembranen Drucks, der Überströmgeschwindigkeit der wässrigen Phase und der Membranart sowie der Modulgröße kann das System auf jede herzustellende Emulsion optimal angepasst werden.

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