CN109475832B - 用于生产颗粒状材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及从熔体生产颗粒的方法，聚乙二醇微颗粒以及它们在化妆品和/或药物中的用途，其作为缓泻剂或作为片剂生产或熔融造粒中的助剂。

Description

用于生产颗粒状材料的方法
技术领域
本发明涉及从熔体生产颗粒的方法，聚乙二醇微颗粒以及它们在化妆品和/或药物中的用途，其作为缓泻剂或作为片剂生产或熔融造粒中的助剂。
背景技术
颗粒性质的选择性定制可以为许多行业，包括药学，卫生保健，农业，个人护理，杀生物剂和工业应用的生产过程和活性物质递送提供有趣的机会。单个颗粒的形态在这种追求中起重要作用，因为形态直接影响散装粉末性质，例如密度，残留溶剂含量和流动性。
此外，改变颗粒形状和内部结构的技术可能深刻地影响产品性质，如活性物质负载量，结晶度，释放速率，溶解度和生物利用度。因此，设计颗粒形态的能力对生产过程和产品属性具有重要意义。
喷雾干燥通常用于生产用于许多应用的颗粒，包括药物，食品，化妆品，肥料，染料和研磨剂。可以定制喷雾干燥以产生宽范围的粒度，包括微颗粒。经喷雾干燥的颗粒可用于各种生物医学和药学应用，如治疗和诊断剂的递送。
喷雾干燥装置的典型应用是短期干燥液态溶液，悬浮液(喷雾干燥)或糊状混合物，用于快速冷却熔体(喷雾冷却或喷雾凝结)。通常，将湿材料或熔体分散至喷雾塔中并从喷雾塔中汽提以形成固体颗粒。
喷雾干燥器操作影响颗粒特性。关于干燥湿材料已知，来自雾化球的溶剂蒸发经历三个阶段：最初，当微滴表面被溶剂饱和时，蒸发以恒定速率进行并且被称为干燥的第一阶段。由于在表面上形成干燥的固体，随着额外的干燥注意到干燥速率方面的改变。在该临界点，表面不再被认为是溶剂自由饱和的。来自微滴的另外的溶剂蒸发以较慢的速率进行，需要通过固体表面层的扩散或毛细管作用。在干燥的该阶段，希望小心操作喷雾干燥器以除去尽可能多的溶剂并且避免使微滴膨胀和产生低密度粉末。必须控制入口和出口温度，以及干燥气体的流动构造。
关于熔体的冷却已知的是，在具有内部空间的容器中，将喷嘴装置布置在内部空间的上部区域中。由喷嘴装置供应热熔体。熔融材料以微滴或细纱的形式离开喷嘴装置，其由于重力落下。将用于低温气体的进料装置布置在内部空间中并且与这些熔体的微滴接触。使微滴通过接触低温气体而冷却，使得其表面不再是粘性的，并且可以获得粉末。
当操作用于冷却的喷雾塔时，通常将气流移动通过回路中的热交换器，即在喷雾塔中适当冷却之后引导气体。这主要发生在惰性系统中(例如参见GMF-Gouda公司，Waddinxveen，荷兰的公司宣传册中的“闭环系统(closed loop system)”)。对于惰性系统，强烈建议使用氮气。
根据现有技术，将分离器单元布置在喷雾塔和用于气流的热交换器之间。该分离器单元用于保护热交换器免受污染。大多数情况下，这些都是旋风分离器，如Schubert,H.(编辑)，机械工艺手册(Handbuch der mechanischen Verfahrenstechnik)，第2卷，WileyVCH,2002，第883页中的那些。
该技术因此很长时间以来是已知的，并且通常被认为是经济且可靠的操作模式。
然而，在循环气体中在喷雾塔和热交换器之间使用这样的分离单元可以导致增加的压力损失。这降低了冷却功率，因为这降低了气体流速。
在使用旋风分离器的情况下，螺旋状流动引起气流内的流动剖面中的强烈且可持续的变化，其中经定义和可再现的条件是困难的，并且旋风分离器内部的变化也对整个工艺产生直接影响。
此外，已经证明用于生产经喷雾干燥的材料的方法在其使用寿命方面是无效的，因为不得不在相对短的时间段之后清洁热交换器，因为它变得结壳。
不幸的是，所获得的微颗粒显示出不规则的形状以及空腔。这可以导致较低的堆密度。
DE 10 2004 004 968A1公开了一种在喷雾塔中生产经喷雾干燥的材料的方法，其中将进料至塔中的熔体用逆流气体冷却，然后从塔中排出，同时取走气流并且直接转移至热交换器以降低或升高气体的温度。
然而，在加工之前或期间，通常必需将具有相当不同的粒度分布的多种不同的PEG(聚乙二醇)粉末混合在一起。粒度分布方面不同的固体的均匀混合需要很大的努力，或者通常不可能具有完全的均匀性。
如果待混入的PEG粉末中的粒度小于约100微米的细粉含量过高，则存在粉尘爆炸的风险，另外需要精细的措施，如包装材料和能够消除电荷的系统，或限制每次加工的量。
这些应用的市场对粉末具有高要求，其中以大的量和低成本定制某些颗粒形状的颗粒尺寸以及定制堆密度。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供用于生产不显示出现有技术的缺点的微颗粒的方法。尤其是，应当以定制的方式以低成本，优选以高的堆密度和特定的粒度分布提供微颗粒。
所述目的通过从熔体生产颗粒的方法得以解决，所述方法包括：
a)将熔体进料至至少一个包括塔锥和塔顶的熔体分布装置中，并且由熔体产生喷雾，
b)在熔体分布装置中通过以逆流流动的方式使用气体料流冷却喷雾，以获得粉末，
c)移除在塔锥处获得的粉末和具有在塔顶处获得的粉末的步骤b)的气体，
d)将具有在塔顶处获得的粉末的步骤c)的气体供应至分离器单元，和
e)在分离器单元中分离粉末和气体和冷却经分离的气体。
优选地，熔体分布装置包括塔、塔锥和塔顶。
优选地，熔体为聚合物熔体。熔体优选不是悬浮液、乳液或溶液。另外的聚合物的存在可以通过与它们与聚合物熔体的第一聚合物的相互作用而有助于最终的颗粒形态。
熔体优选具有在50至200℃范围内的温度，尤其优选在60至180℃范围内并且特别优选在80至150℃范围内的温度。
具体的聚合物包括，但不限于：脂族聚酯(例如聚D-丙交酯)、糖醇(例如山梨糖醇、麦芽糖醇、异麦芽酮糖醇)、羧基烷基纤维素(例如羧甲基纤维素和交联的羧甲基纤维素)、烷基纤维素(例如乙基纤维素)、明胶、羟烷基纤维素(例如羟甲基纤维素)、羟烷基烷基纤维素(例如羟丙基甲基纤维素)、羟烷基烷基纤维素衍生物(例如羟丙基甲基纤维素乙酸酯琥珀酸酯、羟丙基甲基纤维素邻苯二甲酸酯)、多胺(例如壳聚糖)、聚乙二醇(例如PEG 8000、PEG 20000)、甲基丙烯酸聚合物和共聚物、N-乙烯基吡咯烷酮的均聚物和共聚物(例如聚乙烯基吡咯烷酮、交联的聚乙烯基吡咯烷酮和聚乙烯基吡咯烷酮-共-乙酸乙烯酯)、乙烯基内酰胺的均聚物和共聚物、淀粉(例如玉米淀粉、羟基乙酸淀粉钠)、多糖(例如藻酸)、聚二醇(例如聚丙二醇、聚乙二醇)、聚乙烯基酯(例如聚乙酸乙烯酯)、虫胶。
聚乙二醇(缩写PEG)优选作为聚合物熔体的聚合物。尤其优选的是具有通式H(OCH2CH2)nOH的聚乙二醇，当n为高于32时，相当于1500g/mol的数均分子质量(Mn)，对转变成粉末形式而言足够坚固。由于令人感兴趣的性质，将其用于大量应用领域。在室温为固体并且具有高于1500g/mol，优选3000至30000g/mol，特别优选3350至10000g/mol数均分子质量(Mn)的呈粉末形式的PEG的一个重要应用领域是在化妆品和/或药物中作为缓泻剂或作为片剂生产或熔融造粒中的助剂的用途。通过由根据DIN 53240通过滴定测定的羟值计算来测定分子质量。
PEG可以取决于过程执行非常不同的功能。PEG可以例如充当润滑剂和粘结剂。取决于所选择的分子质量，熔点可以低得使PEG在压缩的压力下熔化并且使得所谓的烧结技术或压缩技术成为可能。在这些情况下，PEG还充当成形剂并且有助于保持片剂形状。在熔融造粒与随后的片剂压缩的具体情况下，PEG可以另外充当载体物质、增溶剂或活性成分的吸收促进剂。在许多情况下，需要具有非常不同的粒度的PEG，从而能够同时满足上文详述的不同功能。
还可以使用聚合物与有机材料的共混物。聚合物在共混物中的量可以在共混物重量的约1％至约95％，更特别地约5％至90％的范围内。
颗粒还可以含有可以修饰经喷雾冷却的材料的性质的另外的有机材料。例如，可以包括某些有机物质，以控制颗粒形态/尺寸以及溶解度、生物利用度并且释放活性成分的特性。还可以包括另外的有机材料以进一步抑制活性物质重结晶，进一步使活性物质浓度最大化和进一步增强/延迟/推迟溶出速率(dissolution rate)。可以引入的另外的有机材料没有特别限制。在本发明的一个实施方案中，另外的有机材料可以是聚合的。
所述方法产生一个或多个(微)颗粒，其还可以被称为颗粒形状的材料、粉末、粒料、珠粒、经喷雾干燥的材料、细颗粒或类似的事物。为了简单起见，在本说明书中优选将这些(微)颗粒称为粉末。
优选地，颗粒的几何形状为球形。
可以将这些类型的粉末例如用于注塑成型技术、合金的生产、烧结技术、结合材料、催化剂、油漆和清漆或泡沫塑料生产中。
本文中所使用的术语“熔体分布装置”优选包括至少一个装置壁、至少一个熔体进料(器)、至少一个熔体通道、至少一个塔锥、至少一个塔顶和至少一个具有一个或更多个孔的分配板。优选地，分配板位于塔顶处。
优选地，也可以将熔体通道、喷雾冷却室或喷雾干燥室称为塔，优选喷雾塔。
优选地，熔体分布装置为喷雾塔或喷雾干燥器。
优选地，步骤b)中的气体料流的气体具有介于-35与-3℃之间的温度和在塔顶处移除的气体具有介于-5与15℃之间的温度。更优选地，步骤b)中的气体料流的气体具有介于-35与-3℃之间的温度和在塔顶处移除的气体具有介于-5与9℃之间的温度。通过PT100铂电阻温度传感器根据EN60751测量温度。
对颗粒形态的另外的影响是接近喷嘴的固化区域处的温度分布(profile)。熔体与气体(气体出口温度)之间的高的温度差异、微滴尺寸分布和经混合的微滴和气体的高湍流可以因为高的热传递而导致快速固化，并且因此导致中空的球形颗粒或部分中空的颗粒。空心球与实心球之间的比较方面，对质量的影响在于降低的堆密度。较低的气体出口温度可以导致仍然粘性的不充分固化的微滴和仍然存在于喷雾室中的颗粒的团聚作用。因此，对于在喷雾喷嘴处产生的特定微滴尺寸分布时调节堆密度而言，固化行为和团聚作用产生了导致所需要的质量(粒度分布、堆密度)的特定颗粒形态。
步骤b)中的气体料流的温度对应于熔体分布装置中的气体的入口温度。在塔顶处移除的气体的温度对应于离开熔体分布装置的气体的出口温度。
优选地，在塔锥处获得的粉末和/或在塔顶处获得的粉末是产物颗粒，即这些是由熔体产生的颗粒。
用于本发明的方法中的喷雾干燥器可以为任意各种各样的商业上可得的仪器。具体的喷雾干燥装置的实例包括由Niro,Inc.制造的喷雾干燥器(例如
Figure BDA0001955527930000061
)，微型喷雾干燥器(Mini Spray Dryer，Buchi Labortechnik AG)，由Spray Drying Systems,Inc.制造的喷雾干燥器(例如型号30、48、72)，和由SSP Pvt.Ltd.制造的喷雾干燥器。
喷雾干燥方法和喷雾干燥设备一般性地描述于Perry R.H.,Green D.,Perry’sChemical Engineers’Handbook，第六版，McGraw-Hill Book Co.,1984，第20-57页中。喷雾干燥方法和喷雾干燥设备的更多细节由Marshall W.R.,‘Atomization and SprayDrying’,Chem.Eng.Prog.Monogr.Series 2,50,1954评述。这些参考文件的内容在此通过引用并入并且也可以用于喷雾冷却。
优选地，选择气体料流(干燥气体或冷却气体)的温度和流速以及喷雾干燥器(熔体分布装置)的设计，使得经雾化的微滴在它们达到塔的壁时足够干燥，而使它们基本上是坚实的，并且这样它们形成粉末并且不粘至所述壁。达到该干燥度水平的实际时间长度取决于喷雾的微滴的尺寸，配方和喷雾干燥器。在固化之后，(固体)粉末可以在喷雾干燥室(塔)中停留5-60秒。
在根据本发明的步骤a)中，将熔体进料至至少一个包括塔锥和塔顶的熔体分布装置中，并且由熔体产生喷雾。在本文上下文中可以同时使用进料和供应。优选地，将熔体进料至分配板，优选形成液滴的喷嘴，并且转变成形成喷雾的微滴，之后可以将所述喷雾固化成粉末(颗粒)。微滴尺寸可以固定粉末的之后的(颗粒)尺寸。微滴尺寸一方面取决于迫使熔体穿过形成液滴的喷嘴的压力，并且另一方面取决于喷嘴几何形状。
根据本发明的某些方面的该设计的颗粒形态的另一结果在于散装粉末密度方面的增加。增加的粉末密度是许多应用，包括药学、卫生保健、个人护理、农业、杀生物剂和工业化学品的重要属性。当熔体包含聚合物时，其瓦解的程度(和因此对经喷雾冷却的粉末性质的净影响)取决于聚合物因素，如聚合物化学结构和分子量、气体(氮气)的流速和离开喷嘴的微滴的尺寸。
可以在介于60与140℃之间，优选介于70与120℃之间，特别优选介于80与110℃之间的温度将熔体引入塔中。经加热的喷嘴的温度类似地在这些范围之内。喷嘴孔直径可以为0.05至5mm，优选0.1至3mm，特别优选0.5至2mm。
迫使熔体穿过喷嘴装置的压力经常取决于粘度。对于聚合物而言，这取决于平均链长，即待固化的PEG(聚乙二醇)的(数)均分子质量和取决于所使用的温度。
可以典型地使用的压力为0.1至100bar，优选2至45bar，特别优选5至70bar。
可以通过使用所有常规冷冻剂，例如空气或低温气体(cryogases)如氮气或二氧化碳将微滴固化成(粉末)颗粒。
可以由熔体，优选聚乙二醇熔体通过用于喷雾和冷却熔体的常规方法，例如通过EP 0 945 173中描述的方法，或通过用振动喷嘴孔板的微滴化和冷却熔体的方法使生产成为可能。
在根据本发明的步骤b)中，在熔体分布装置通过以逆流流动的方式对喷雾使用气体料流而将喷雾冷却，以获得粉末。优选地，喷雾由于重力落下。优选地，熔体分布装置为喷雾干燥器。优选地，喷雾干燥器包括塔、塔锥和塔顶。特别优选地，将塔锥和塔顶布置在塔的相对末端。所述塔可以是管状的。
优选地，在步骤b)中冷却喷雾。换言之，在步骤b)中，喷雾冷却由熔体产生的喷雾。术语“喷雾干燥”和“喷雾冷却”常规地使用并且优选是指涉及在容器(喷雾干燥器)中将液体混合物破碎成(小的)微滴，优选之后干燥的方法。形成微滴的雾化技术包括例如压力喷嘴或旋转雾化器。
优选地，单物质喷嘴位于喷雾干燥器的塔顶处。优选地，使熔体旋转，由此在喷嘴孔处形成熔体的中空锥体。优选地，该中空锥体使熔体碎裂成微滴并且喷雾得以形成。优选地，在塔锥处形成气体料流，并且由前述熔体形成与喷雾逆流流动的料流。优选地，将喷雾冷却成粉末。有利地，没有粉末粘至熔体分布装置的壁，换言之，喷雾干燥器的内壁。
优选地，气体料流含有氮气，优选至少5重量％的氮气，基于气体料流的总重量计，更优选50重量％至99重量％的氮气，基于气体料流的总重量计。特别优选地，气体料流的气体由氮气组成。
优选地，步骤b)中的气体料流具有介于-45与30℃之间，更优选介于-30与-10℃之间的温度。优选地，在塔顶处移除的气体具有介于-5与9℃之间，更优选介于-3与4℃之间的温度。通过PT100铂电阻温度传感器根据EN60751测量温度。
优选地，步骤b)中的气体料流具有600至1500m/h，更优选763至1273m/h的特定气体流速。
在根据本发明的步骤c)中，移除在塔锥处获得的粉末和具有在塔顶处获得的粉末的步骤b)的气体。这意味着，移除在塔锥处获得的粉末和将步骤b)的气体连同在塔顶处获得的粉末一起移除。优选地，在塔锥处经由旋转阀移除粉末。优选地，经由至少一个出口连接移除具有粉末的气体。
在根据本发明的步骤d)中，将具有粉末的步骤c)的气体供应至分离器单元。优选地，分离器单元为旋风分离器。
在根据本发明的步骤e)中，将粉末和气体在分离器单元中分离并且之后将经分离的气体冷却。可以过滤所分离的气体以移除较小的颗粒。优选地，通过过滤器纯化的气体仅含有至多20mg/m3的(细)颗粒。优选地，过滤器为全自动化的袋式过滤器。
优选地，将来自步骤e)的粉末与在塔锥处获得的粉末混合。
优选地，在气体已通过过滤器纯化之后，可以将其冷却并且释放至大气或可以将其再次用于步骤a)中。
优选地，本发明的方法包括以下步骤：
a)将聚乙二醇(PEG)熔体进料至至少一个包括喷雾塔的喷雾干燥器中，其中喷雾塔中的压力在10至90mbar范围内，喷雾塔中的温度在-30至10℃范围内，其中将PEG熔体在喷雾喷嘴中通过喷射破碎在压力喷嘴处以在10至200bar范围内的压力、在110至140℃范围内的温度和在3.07至6.6kg/(m3喷雾塔体积·h)范围内的特定体积基固体通量分布成喷雾，
b)在喷雾干燥器中通过以逆流流动的方式使用氮气气体料流而冷却PEG喷雾，以获得粉末，其中在喷雾塔的底部处以在10至90mbar范围内的压力，在-30至-2.5℃、优选-30至-10℃范围内的温度和763至1273m/h的在喷雾塔中的表观速度经由气体分配环进料进氮气，
c)经由在喷雾塔顶处的气体出口移除在塔锥处获得的粉末和具有在塔顶处获得的粉末的步骤b)的氮气，其中经由旋转阀移除在塔锥处获得的粉末，
d)将具有粉末的步骤c)的氮气供应至旋风分离器，用于分离存在于气体中的颗粒，
e)在旋风分离器中分离粉末和氮气，其中将从旋风分离器中取出的氮气进料至具有过滤袋的连续返回式过滤器中用于分离细粉尘，其中将粉尘的残留含量降低至小于20mg/m3，在操作期间通过压力空气脉冲吹扫过滤袋并且从位于过滤器之下的集尘盘移除过滤器中的细粉尘，和其中将经分离的氮气在气体循环冷却器中的冷却回路中冷却并且再循环至喷雾塔中，和
f)将在旋风分离器中移除的粉末与经由旋转阀移除的粉末混合和在具有2mm的网格尺寸的筛中筛分，以分离尺寸过大的颗粒。
优选地，粉末，尤其是在塔锥处的粉末，具有平均粒度分布，由此
B1.1 18至32重量％具有小于90μm的粒度，
B1.2 45至65重量％具有在90至200μm范围内的粒度，
B1.3 13至26重量％具有在200至400μm范围内的粒度，和
B1.4 平均颗粒直径d50为100至140μm，优选115至125μm，或者
B2.1 4至12重量％具有小于90μm的粒度，
B2.2 25至42重量％具有在90至200μm范围内的粒度，
B2.3 40至57重量％具有在200至400μm范围内的粒度，
B2.4 5至17重量％具有在400至630μm范围内的粒度，和
B2.5 平均颗粒直径d50为200至240μm，优选215至225μm，或者
B3.1 小于5重量％具有小于90μm的粒度，
B3.2 12至23重量％具有在90至200μm范围内的粒度，
B3.3 40至60重量％具有在200至400μm范围内的粒度，
B3.4 20至0重量％具有在400至630μm范围内的粒度，和
B3.5 平均颗粒直径d50为260至300μm，优选275至285μm。
该粒度和粒度分布可以经由现有技术的激光衍射分析技术，例如经由分析仪器如Malvern Instruments GmbH的Mastersizer 2000或3000进行测定。在本发明意义上的粒度分布的特征在于D10值、D50值和D90值。D10的定义为：其中样品的(颗粒的)10质量％具有更小的直径并且因此剩余的90％更粗的等效直径。D50和D90的定义可以类似地得出(参见：HORIBA Scientific,A Guidebook to Particle Size Analysis,2014，第6页)。
优选地，在塔锥处获得的粉末和/或与来自步骤e)的粉末混合的在塔锥处获得的粉末具有在500至700kg/m3，更优选650至730kg/m3范围内的堆密度。
在本发明的另外的实施方案中，通过以下获得聚乙二醇微颗粒：
(a)将聚乙二醇熔体进料至至少一个包括塔锥和塔顶的熔体分布装置中，并且由熔体产生喷雾，
(b)在熔体分布装置中通过以逆流流动的方式使用气体料流而冷却聚乙二醇喷雾，以获得聚乙二醇微颗粒，
(c)移除在塔锥处获得的聚乙二醇微颗粒和具有在塔顶处获得的聚乙二醇微颗粒的步骤(b)的气体，
(d)将具有聚乙二醇微颗粒的步骤(c)的气体供应至分离器单元，和
(e)在分离器单元中分离聚乙二醇微颗粒和气体，并且冷却经分离的气体。
优选地，将来自步骤(e)的聚乙二醇微颗粒与在塔锥处获得聚乙二醇微颗粒混合。
聚乙二醇微颗粒二醇微颗粒优选具有平均粒度分布，由此
B1.1 18至32重量％具有小于90μm的粒度，
B1.2 45至65重量％具有在90至200μm范围内的粒度，
B1.3 13至26重量％具有在200至400μm范围内的粒度，和
B1.4 平均颗粒直径d50为100至140μm，优选115至125μm，或者
B2.1 4至12重量％具有小于90μm的粒度，
B2.2 25至42重量％具有在90至200μm范围内的粒度，
B2.3 40至57重量％具有在200至400μm范围内的粒度，
B2.4 5至17重量％具有在400至630μm范围内的粒度，和
B2.5 平均颗粒直径d50为200至240μm，优选215至225μm,或者
B3.1 小于5重量％具有小于90μm的粒度，
B3.2 12至23重量％具有在90至200μm范围内的粒度，
B3.3 40至60重量％具有在200至400μm范围内的粒度，
B3.4 20至0重量％具有在400至630μm范围内的粒度，和
B3.5 平均颗粒直径d50为260至300μm，优选275至285μm。
本发明的另外的实施方案为本发明的聚乙二醇微颗粒在化妆品和/或药物中的用途。
本发明的另外的实施方案为本发明的聚乙二醇微颗粒作为缓泻剂的用途。
本发明的另外的实施方案为本发明的聚乙二醇微颗粒作为片剂生产和/或熔融造粒中的助剂的用途。
本发明的微颗粒可以以通常用于各种各样的工业中的各种形式存在。示例性存在形式为粉末、粒料和多颗粒。这些形式可以直接使用或进行进一步加工以生产片剂、胶囊或丸粒，或通过添加水或其它液体进行重构，以形成糊剂、浆料、悬浮液或溶液。可以将各种添加剂与本发明的微颗粒一起混合、研磨或造粒，以形成适合于上述产品形式的材料。
上文列出的以“优选”或“更优选”开始的所有实施方案、优选实施方案和主题可以与另一实施方案、优选实施方案和主题自由组合，除非从上下文明确这是不可能的。
术语“包括/包含”涵盖更限制性的术语“基本上由……组成”和“由……组成”。
附图说明
本发明将在图1中进行说明。
图1示意性图示了根据本发明的方法。
附图标记
1:熔体，特别是聚乙二醇熔体
2:气体料流，特别是氮气
3:熔体分布装置，特别是喷雾干燥器
4:喷雾
4a:粉末
5:分离器单元，特别是旋风分离器
6:混合单元
7:过滤器，特别是连续返回式过滤器
在图1中，将聚乙二醇(PEG)熔体(1)经有管线在塔顶处供应至喷雾干燥器(3)。另外，将氮气(2)经由另外的管线供应至喷雾干燥器(3)的塔锥。熔融的聚乙二醇(1)以喷雾(4)形式离开喷雾干燥器(3)中的喷嘴(未描绘)。喷雾(4)由于重力落下。经由管线供应的氮气(2)以逆流流动的方式流至喷雾(4)。由此获得粉末(4a)(未示出)。经由管线将氮气(2)和聚乙二醇的粉末(4a)移除并且供应至旋风分离器(5)。在旋风分离器(5)中分离粉末(4a)和氮气(2)。粉末(4a)经由管线离开旋风分离器(5)至混合单元(6)。氮气(2)经由管线移除至连续返回式过滤器(7)。返回式过滤器(7)分离仍然存在于氮气中的颗粒(聚乙二醇的细粉尘)。之后将经纯化的氮气(2)经由管线供应至喷雾干燥器(3)。将从返回式过滤器(7)来的管线连接至其中将氮气(2)供应至塔锥的管线。替代地，可以将从返回式过滤器(7)来的管线直接连接(未示出)至喷雾干燥器(3)。将在喷雾干燥器(3)的塔锥处获得的粉末(4a)经由管线供应至混合单元(6)中并且与经由管线供应至混合单元(6)的在旋风分离器(5)中获得的粉末(4a)混合。
通过下文的实施例更详细地阐述本发明。
1.原料
Polyglycol 3350和Polyglycol 4000。
1.1滴点/粘度
PEG 3350熔体的粘度在120℃时为70至75mPas。滴点为80℃。
PEG 3350Op 01/11样品1＝71.76mPas，于120℃
PEG 3350Op 05/11样品15＝74.37mPas，于120℃
PEG 3350Op07/11样品2＝72.15mPas，于120℃
2.方法原理
对于在经修改的喷雾干燥器中试装置Frankfurt中的喷雾凝结方法，使用经修改的喷雾干燥设备。以逆流模式运行喷雾塔。这意味着通过修改塔顶和塔锥，通过气体料流的反转操作所述塔。因此替代顺流喷雾干燥，所述方法以逆流模式运行。
装置使用单物质中空锥形压力喷嘴作为雾化装置。由于塔顶的修改，氮气流在塔顶处离开塔。由于在塔锥处安装经修改的气体入口，可以在塔锥处进料冷气体。
将PEG熔体从进料容器泵送穿过高压热夹套的管线去往塔顶并且通过在塔顶处的中空锥形压力喷嘴喷雾。在压力喷嘴中，使液体熔体加速并且旋转，然后到达喷嘴孔。通过该旋转，液体以具有限定角度的中空锥形喷雾离开喷嘴。雾化通过离开喷嘴孔的熔体射流的解聚集来进行并且形成限定微滴尺寸分布的喷雾。熔体的雾化的能量供应主要由压力升高的能量产生。
冷却氮气通过填充阀从N2管线以2.5巴进入喷雾塔。将氮气流降低至30mbar过压并且在热交换器中进行冷却。气体流在塔锥的第一层处以逆流模式进入塔，到达液体微滴的粉尘(喷雾)，并且通过手段从喷雾塔的底部至顶部均匀地引导。
在喷雾塔中，强烈混合经雾化的熔体微滴和冷却气体。由于喷雾的微滴的巨大表面和冷气体，热传递非常高，使得喷雾以足够的速度固化，然后喷雾可以到达壁并且在塔壁处沉淀。
在底部的塔锥下方，通过旋转阀排出(聚合物颗粒的)固化的的粗材料。负载有(聚合物颗粒的)细颗粒的气体经由塔顶处的气体抽出侧向地汇集至随后的分离器单元。
喷雾塔下游的分离器单元由旋风分离器组成，其中将细颗粒大量地从冷却气体去除并且经由手动旋转阀排出。
由于在喷嘴处的所形成的微滴尺寸分布，塔中的颗粒性质和气体速度，细颗粒到旋风分离器的负载从1％变化至5％。取决于颗粒性质，从旋风分离器排出的气流的残余粉尘含量比废气中的粉尘含量的可允许值高得多。因此，将冷却气体从旋风分离器汇集至过滤器，在此处分离细颗粒并且将残余粉尘含量降低至低于20mg/m3的值。
过滤器为连续的、全自动的袋式过滤器，在操作期间通过压力气体脉冲吹扫其过滤器软管。
将过滤器中的细粉尘借助于位于过滤器下方的手动阀从粉尘收集容器移除。
冷却气体进入风扇(Ventilator V0673)并且通过盖顶离开装置。在生产规模中，会将气体再循环至循环气体冷却器并且会被重新引入喷雾塔。
将通过旋转阀排出的塔产物(聚合物材料)连续地与从旋风分离器排出的(聚合物颗粒的)细颗粒混合，筛分以避免尺寸过大的产品，并且包装。在过滤器上方分离的材料是废料。
用于产物分离的单种部件可以被添加至气体路径以及产物路径或者从气体路径以及产物路径移除。
在逆流模式中，将熔体流在塔顶处逆着气流方向注入。产物在与上升的冷却气体相反的方向上落下并且在塔锥处分离。
2.1.装置的描述
生产塔的边界条件为>6m的最大圆柱高度，这是因为建筑的最大高度，圆柱高度>4m和某个直径。粉末材料的质量流速为50kg/h。生产率经计算在3kg/hm3以内。
2.2.冷却能力
PEG熔体的凝结所需要的冷却能力(kg熔体/h)取决于入口温度和出口温度以及冷却气体流速。
3.实验程序
3.1.喷雾熔体的生产
将PEG 3350(平均分子量为2931至3769g/mol；商标“CARBOWAXTM PolyethyleneGlycol(PEG)3350”，The Dow Chemical Company)以粒料、丸粒或粉末形式送入进料容器并且通过夹套用水蒸气加热。
在喷雾干燥期间，将熔体经由高压泵连续供应至喷雾塔中的喷嘴。通过带夹套的管线用水蒸气加热通向喷嘴塔的管线。
3.2.喷雾干燥/喷雾凝结
在中试运行的过程中，使工艺参数和雾化的质量适应于温度和熔体的粘度以及检验所需要的最小质量和体积流。
一开始，使用具有限定喷雾角度的不锈钢(W.-Nr.1.4571)制0.6mm孔直径的中空锥形压力喷嘴。在此，在液滴直至到达干燥器的壁之前，在液滴的最大可能保留时间下实现了锥体的最高可能覆盖率。在任何情况下都没有观察到壁覆盖的发生。
在另外的实验中，使用不锈钢(W.-Nr.1.4571)制的具有0.4至0.7mm直径的另外的压力喷嘴。
注意冷却气体的温度水平和温度差异，使得装置能够持续运行。此外，确保保持与极限温度的足够距离，并且另外可以通过熔化过程的变化来改变温度。
由于颗粒排放到废气中，气体流速不高于0.3m/s。因此，到塔内的最低气体入口温度为-30℃。最大出气口温度为6℃。氮气冷却气体在热交换器上以闭环循环。
对于每种产物，最大雾化温度在80至200℃之间变化。取决于产品和可实现的颗粒质量，冷却气体温度在-30至6℃之间变化。
此外，经由控制技术耦合进料泵的功率来改变入口和出口温度以及其温度。此外，通过分别改变熔体的通过量或喷嘴尺寸来改变喷嘴前方的压力。
在用氮气惰化的情况下，可以忽略粉尘爆炸能力。通过DTA和DSC测量测定热分解，以确定在雾化之前粘度最大降低时的最大熔化温度。
4.喷雾实验的结果，以逆流模式获得具有PEG 3350规格的颗粒
在所有实验中生产球形PEG颗粒。取决于温度分布和程序观察到气体夹杂物或中空球。
表1显示了所需要的粒度分布和颗粒分布的所需要的跨度对堆密度具有主要影响。
从理论上看，单峰分布的球形颗粒在最密集的球形填料中的孔隙率为0.3。因此，在所需范围内调整堆密度，则其它参数影响它。颗粒中空球的形态，具有部分气体夹带或完全致密球的颗粒和表面性质对不同粒度分布下颗粒的堆密度有影响。
如上所述并在若干中试试验中显示的适当工艺参数，参见表1，适当的温度分布和流动特性，颗粒的形态和在不同粒度分布的堆密度可根据表1所示的规定进行调整。
Figure BDA0001955527930000171
未观察到喷雾塔区域中未凝结的PEG-微滴的沉积。喷雾塔的壁上有细颗粒粉末。
由于喷嘴附近的强烈加速的气流，大的气体体积从周围区域被拉入喷雾锥体中。这导致气体在喷嘴区域中循环，其将单个已经凝结的PEG颗粒拉到PEG熔体的喷雾锥中。在该方法中，观察到造粒效果，这导致颗粒具有比最大产生的微滴尺寸大得多的颗粒直径。
5.对比实施例(现有技术)比本发明的实施例
在中试装置上进行公开于DE 10 2004 004 968中的方法。如该公开文件表2中可见公开于DE 10 2004 004 968中的方法导致在96％范围内的收率。堆密度在630至640kg/m3范围内。
在本申请的表2的第一列中和第二列中，示出了DE 10 2004 004 968的对比实施例和其发明的实施例。由于该文献没有描述任何收率，发明人已经在中试装置上进行了该方法(参见表2中的第三和第四列)。第三列对应于表2中的对比实施例和第四列对应于表2的其发明的实施例。
由于喷嘴附近的强烈加速的气流，大的气体体积从周围区域被拉入喷雾锥体中。这导致气体在喷嘴区域中循环，其将单个已经凝结的PEG颗粒拉进PEG熔体的喷雾锥中。在该方法中，观察到不希望的造粒效果，这导致颗粒具有比最大产生的微滴尺寸大得多的颗粒直径。增加的出口温度导致更高的团聚作用，这对堆密度和粒度分布(psd)具有负面影响。堆密度随着颗粒团聚的增加而下降。因此不在达到>640kg/m3的堆密度。
该粒度和粒度分布可以经由现有技术的激光衍射分析技术，例如经由分析仪器如Malvern Instruments GmbH的Mastersizer 2000或3000进行测定。在本发明意义上的粒度分布的特征在于D10值、D50值和D90值。D10的定义为：其中样品的(颗粒的)10质量％具有更小的直径并且因此剩余的90％更粗的等效直径。D50和D90的定义可以类似地得出(参见：HORIBA Scientific,A Guidebook to Particle Size Analysis,2014，第6页)。
在出口温度>10℃的试验期间的所有观察结果对粒度分布(psd)和堆密度和收率具有强烈的负面影响。因此，在出口温度>10℃时，没有进行进一步研究，因为它不会导致所需的质量和操作性能。
为了减少团聚，调整所需的颗粒形态并观察高质量产品，在所有中试试验中，出口温度限制在最高10℃。通过提高出口温度，收率较低，这是由于没有足够的固化颗粒离开塔并沉积在管壁和旋风分离器上。
Figure BDA0001955527930000201
在表3中公开了本发明的方法的结果。收率比在DE 10 2004 004 968的中试装置上进行的方法中更高。更重要的是，堆密度更高。更重要的是，如果d50在230至240μm范围内，堆密度更高。
表3
Clariant中试装置 Clariant中试装置
工艺流 逆流 逆流
入口温度[℃] -28 -15
出口温度[℃] 5 1
收率[％] 99 99
堆密度[kg/m3] 670 670
d50[μm] 230-240 300

Claims (9)

1.由聚二醇熔体生产聚二醇颗粒的方法，所述方法包括：
a)将聚二醇熔体进料至至少一个包括塔锥和塔顶的熔体分布装置中，并且由所述聚二醇熔体产生喷雾，
b)在所述熔体分布装置中通过以逆流流动的方式使用气体料流冷却所述喷雾，以获得粉末，
c)移除在塔锥处获得的粉末和具有在塔顶处获得的粉末的步骤b)的气体，
d)将具有在塔顶处获得的粉末的步骤c)的气体供应至分离器单元，和
e)在所述分离器单元中分离粉末和气体和冷却经分离的气体，
其中，步骤b)中的气体料流的气体具有介于-35与-3℃之间的温度，和在所述塔顶处移除的气体具有介于-5与9℃之间的温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在塔锥处获得的粉末和/或在所述塔顶处获得的粉末为产物颗粒。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述熔体分布装置为喷雾干燥器。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，分离器单元为旋风分离器。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述聚二醇熔体为聚乙二醇熔体。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述气体料流含有氮气。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述塔锥处的粉末具有平均粒度分布，由此
B1.1 18至32重量％具有小于90μm的粒度，
B1.2 45至65重量％具有在90至200μm范围内的粒度，
B1.3 13至26重量％具有在200至400μm范围内的粒度，和
B1.4平均颗粒直径d50为100至140μm，
或者
B2.1 4至12重量％具有小于90μm的粒度，
B2.2 25至42重量％具有在90至200μm范围内的粒度，
B2.3 40至57重量％具有在200至400μm范围内的粒度，
B2.4 5至17重量％具有在400至630μm范围内的粒度，和
B2.5平均颗粒直径d50为200至240μm，
或者
B3.1小于5重量％具有小于90μm的粒度，
B3.2 12至23重量％具有在90至200μm范围内的粒度，
B3.3 40至60重量％具有在200至400μm范围内的粒度，
B3.4 20至0重量％具有在400至630μm范围内的粒度，和
B3.5平均颗粒直径d50为260至300μm。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，将来自步骤e)的粉末与在塔锥处获得的粉末混合。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在塔锥处获得的粉末和/或与来自步骤e)的粉末混合的在塔锥处获得的粉末具有在500至700kg/m3范围内的堆密度。
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