Homogenisierung

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Unter Homogenisierung versteht man allgemein die Schaffung einer homogenen, das heißt möglichst gleichartigen und gleichmäßigen Struktur eines realen oder virtuellen Objekts.

Meist ist damit eine gleichmäßige Vermischung verschiedener, nicht ineinander löslicher Komponenten gemeint.

Während dies bei Feststoffen meist schon durch Rühren gelingt, muss bei nicht miteinander mischbaren Flüssigkeiten aufgrund von Dichteunterschieden die zu dispergierende Flüssigkeit bis zu einer gewissen Tröpfchengröße zerkleinert werden (→ Emulsion), da sie sich ansonsten sehr schnell wieder von der anderen Flüssigkeit trennt.

Des Weiteren ist Homogenisierung auch als Begriff in der Metallverarbeitung, Mathematik sowie der Physik bekannt.

Lebensmittelindustrie

Kleine Fetttröpfchen in homogenisierter Milch.

Ein bekanntes Beispiel ist die Homogenisierung von Milch. Ziel der Homogenisierung ist es, den mittleren Durchmesser der in der Milch vorhandenen Fettglobule (mittlerer Durchmesser der nativen Globule 10 bis 30 µm) unter hohem Druck (150 bis 300 bar) stark zu reduzieren (mittlerer Tropfendurchmesser 1 bis 2 µm), damit die Milch nicht aufrahmt und wegen der vergrößerten Gesamtoberfläche leichter verdaut werden kann.

Physikalisch gesehen kann zwar eine so behandelte Milch immer noch aufrahmen, allerdings steigt die für eine sichtbare Aufrahmung benötigte Zeit sehr stark an, so dass man über die Produktlebensdauer vereinfacht von einer „Aufrahmungsstabilität“ spricht. Die Homogenisierung allein führt allerdings nicht dazu, dass die Milch aus mikrobieller Sicht länger haltbar wird. Einige Ernährungskritiker merken zudem an, dass die durch die Homogenisierung stark zerkleinerten Fetttröpfchen leichter durch die Darmwand ins Blut wandern und so eine Ursache für Allergien darstellen könnten. Allerdings zerkleinert der Körper selbst größere Fettbausteine, weil der Darm sie erst unter einer Größe von 5 nm zur Weiterverarbeitung im Körper aufnehmen kann. Industriell geschieht diese „Zerkleinerung“ der Fetttröpfchen in großem Maßstab. Dazu wird die Milch unter hohem Druck auf eine Metallplatte gespritzt. Im Homogenisator wirksame Kräfte sind Scher-/Dehnkräfte, Prallströmungen, aber hauptsächlich Kavitation.

Metallverarbeitung

Der Begriff Homogenisieren findet auch in der Metallindustrie Verwendung. So werden zum Beispiel Aluminium-Stranggussbolzen vor der Weiterverarbeitung zu Pressprofilen homogenisiert. Dabei wird das Gussgefüge durch Erwärmung vergleichmäßigt.

In ähnlichem Zusammenhang taucht der Begriff der Homogenisierung in der Dentaltechnik im Zusammenhang mit der Legierungsverarbeitung auf. Beim auch als Ausgleichsglühen bezeichneten Prozess wird das Metall auf ca. 200 °C unter Solidustemperatur erhitzt wobei die durch zu schnelles Abkühlen behinderte Diffusion der Atome wieder in Gang gesetzt wird. So werden inhomogene Mischkristalle in homogene überführt, was ein feinkörnigeres Gefüge zur Folge hat. Die mechanischen Eigenschaften der Legierung werden dadurch maßgeblich verbessert.

Mathematik

Der Begriff Homogenisierung wird in der Mathematik im Zusammenhang mit der Vereinheitlichung von unterschiedlichen Sachverhalten oder Daten verwendet. Ein Beispiel für die Homogenisierung ist die Überführung von raumbezogenen Daten aus verschiedenen Formaten und Koordinatensystemen in ein einheitliches Format und ein Bezugssystem.

Zellbiologie

Um Zellbestandteile für bestimmte Untersuchungen aus Zellen zu isolieren, müssen diese "aufgebrochen" werden. Diesen Vorgang bezeichnet man als Homogenisierung. Zellwände von Pflanzenzellen und Bakterien werden oft vorher enzymatisch abgebaut. Die Homogenisierung selbst erfolgt dann auf verschiedenen Wegen. Durch Hinzufügen von hypotonischen Lösungen kommt es zum osmotischen "Platzen" der tierischen Zellen bzw. der Protoplasten bei pflanzlichen und bakteriellen Zellen. Auch mit einem Homogenisator können Zellen zum Platzen gebracht werden. Ein Homogenisator ist ein Gefäß mit eng angepasstem Kolben. Durch drehende Auf- und Abbewegungen des Kolbens werden die Zellen zum Platzen gebracht.

Physik

Bedingt durch die recht allgemein auslegbare Definition des Begriffes der Homogenisierung, findet dieser darüber hinaus in vielen weiteren Bereichen, wie der Physik, Anwendung. So versteht man darunter zum Beispiel auch die Homogenisierung von Laserstrahlen^[1] zum Zwecke der Schaffung einer möglichst ebenmäßigen Intensitätsverteilung des Laserlichts über den gesamten Strahlquerschnitt. Das anfängliche Gauß-Profil der Intensitätsverteilung wird dabei über verschiedenste Optiken im Idealfall in ein fast-Rechteckprofil mit sehr geringer Inhomogenität überführt. Anwendung findet diese Technik in verschiedensten Bereichen der Produktion, Messtechnik und Forschung.

Auch bei Magnetfeldern ist eine Homogenisierung oftmals notwendig, etwa zum korrekten Betrieb eines Magnetresonanztomographen, vorrangig aber bei deutlich stärkeren Geräten zur wissenschaftlichen Forschung^[2]. Beim sogenannten "Shimmen" (engl. "shim": Keil, Ausgleichsstück) werden die Inhomogenitäten des Magnetfeldes beseitigt, indem zusätzliche Spulen (aktives Shimmen) oder magnetisierte Eisenteile (passiv) geeignet angebracht werden. Die so erzeugten Korrekturfelder überlagern das Feld der Hauptspule und homogenisieren es.

Einzelnachweise und weiterführende Literatur

1. ↑ Homogenisierung von Laserstrahlen (PDF)
2. ↑ X25 Undulator Magnet Shimming Vergleich Magnetfeld vor und nach der Homogenisierung, Stand: 12. März 2006