-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eine Dispersion
und eine Vorrichtung hierzu unter Einsatz der Bildung einer Schmelzemulsion.
-
Nach
dem Stand der Technik werden Dispersionen hergestellt, indem die
für die
Dispersion erforderlichen Feststoffe durch Feinstmahlung auf die
gewünschte
Partikelgröße gebracht
und in einem Arbeitsfluid dispergiert werden. Durch den Abrieb der an
der Feinstmahlung beteiligten Mahlkörper tritt eine unerwünschte Verunreinigung
der Dispersion auf.
-
Alternativ
wird vorgeschlagen, den Feststoff in einem Lösungsmittel aufzunehmen und
durch Zugabe eines Arbeitsfluids wie Wasser, in dem der zu dispergierende
Stoff im Wesentlichen unlöslich
ist, ein fein verteiltes Auskristallisieren des Feststoffes zu bewirken.
Dabei ist der Einsatz von Lösungsmittel kostenaufwendig.
Zudem muss für
jeden Stoff ein geeignetes Lösungsmittel
ermittelt werden.
-
Gemäß der
DE 43 29 446 A1 kann
der Aufwand an Lösungsmittel
dadurch verringert oder vermieden werden, dass der zu dispergierende
Stoff im Arbeitsfluid unter heftiger Turbulenz und Bildung einer
Emulsion aufgeschmolzen wird und anschließend rasch abgekühlt wird,
wodurch die in der Emulsion verteilten Tröpfchen verfestigt werden. Durch den
inhomogenen Abkühlungsprozess
ist eine reproduzierbare Ausbildung einer einheitlichen Partikelgröße nicht
gegeben. Weiterhin muss zur Stabilisierung der Emulsion ein Schutzkolloid
zugegeben werden, das bei der Schmelztemperatur des zu dispergierenden
Stoffes stabil ist. Die Auswahl derartiger Stabilisierungsmittel
muss für
jeden Stoff einzeln erfolgen. Temperaturfeste Stabilisierungsmittel
sind zudem kostenaufwendig.
-
Die
WO 2008/031780 A2 offenbart
ein Verfahren zur Herstellung einer Dispersion, die mittels einer
turbulenten Strömung
bei der Vereinigung zweier in einem vorgegebenen Winkel zueinander
angeordneter Flüssigkeitsströme unterschiedlichen
Querschnitts gebildet wird.
-
Die
DE 100 48 797 A1 zeigt
die Herstellung einer Emulsion wie Mikroemulsion aus einer wässrigen
kontinuierlichen Phase und einer einen Wirkstoff in vorgegebenen
Konzentrationen und Löslichkeiten enthaltenden
organischen Komponente.
-
Die
DE 10 2007 014 916
A1 betrifft eine Dispergierung zweier in unterschiedlichen
Flüssigkeitsströmen zugeführten Dispersionen,
wobei eine erste Dispersion durch eine Dis pergierdüse und eine
zweite Dispersion seitlich hinter der Dispergierdüse zugeführt und
die beiden Dispersionen in einem Mischraum dispergiert werden werden.
-
Aufgabe
der Erfindung ist, ein Verfahren und eine hierzu entsprechende Vorrichtung
vorzuschlagen, mittels derer eine Dispersion mit Partikeln mit einheitlichen
Eigenschaften und einer geringen Belastung an Zusatzstoffen hergestellt
werden kann.
-
Die
Erfindung wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer Dispersion
eines festen Stoffes gelöst,
bei dem der Stoff durch Temperaturerhöhung über seinen Schmelzpunkt aufgeschmolzen
und in einem ersten Volumenstrom geführt wird. Dabei wird erfindungsgemäß der erste
Volumenstrom mit einem zweiten Volumenstrom mit einer Temperatur
unterhalb des Schmelzpunktes des Stoffes unter Turbulenz vereinigt,
wobei zumindest einer der beiden Volumenströme ein Arbeitsfluid enthält und sich
nach dem Vermischen der beiden Volumenströme Tröpfchen des Stoffes bilden,
die durch Abkühlen
mittels des zweiten Volumenstroms zu Partikeln verfestigt werden,
wodurch aus diesen und dem Arbeitsfluid die Dispersion gebildet
wird. Der zweite, kühlere
Volumenstrom erfüllt
dabei insbesondere die Aufgabe, die flüssigen, Tröpfchen bildenden Bestandteile
des Stoffes schnell abzukühlen,
zu verfestigen und voneinander zu isolieren, so dass eine Koaleszenz
der noch flüssigen
Tröpfchen
beziehungsweise eine Koagulation der bereits festen Partikel in
größtem Maße unterbleibt.
Als Stoffe für
die Herstellung der Dispersion können
pharmazeutische Produkte, Farbpigmente, Wachse und dergleichen dienen.
-
Dabei
wird zumindest ein Volumenstrom unter Hochdruck über eine Homogenisierungsdüse mit dem
zweiten Volumenstrom vermischt, so dass sich die mit unterschiedlichen
Austrittsquerschnitten und Drücken
mischenden Volumenströme
vorteilhaft auf die Vereinzelung des geschmolzenen Stoffs, dessen Abkühlung und
Stabilisierung der noch flüssigen Tröpfchen oder
der bereits infolge der Abkühlung
dieser durch den zweiten Volumenstrom verfestigten Partikel auswirken.
-
Dabei
kann der erste Volumenstrom mit dem geschmolzenen Stoff durch die
Homogenisierungsdüse
gedrückt
werden, so dass bereits durch das Passieren der Homogenisierungsdüse der Stoff
eine ausreichende Zerkleinerung in Tröpfchen erfährt. Durch die Dosierung des
zweiten Volumenstroms kann die Kühlung
und die Stabilisierung der Tröpfchen
problemlos gelöst
werden. Zusätzlich
kann der kühlende
Volumenstrom in mehrere Mündungen,
die beispielsweise um die Mündung
der zumindest einen Homogenisierungsdüse angeordnet sind, erhöht werden.
Mehrere Homogenisierungsöffnungen
des einen Volumenstroms können
dabei mit den entsprechenden Mündungen
des anderen Volumenstroms zu einer Verfahrenseinheit verbunden werden,
so dass ein entsprechender Durchsatz gewährleistet ist.
-
Alternativ
kann der kühlende
zweite Volumenstrom durch die Homogenisierungsdüse gedrückt werden und der geschmolzene
Stoff kann im ersten Volumenstrom bei kleinerem Druck auf die Mündung der
zumindest einen Homogenisierungsdüse dosiert werden. Dabei werden
die noch vergleichsweise großen
Einheiten wie Tropfen oder Strömungsabschnitte
durch die hohe, durch den geringen Querschnitt der Homogenisierungsdüse bewirkte
Strömungsgeschwindigkeit
des Arbeitsmediums des zweiten Volumenstroms ausreichend zerkleinert
und nebenbei abgekühlt.
Diese Verfahrensführung
ist insbesondere dann von Vorteil, wenn den Hochdruckpumpen vor
der zumindest einen Homogenisierungsdüse die Schmelz temperaturen
des Stoffes nicht zugemutet werden sollen. Dies kann insbesondere
dann relevant sein, wenn die Schmelztemperaturen des Stoffes sehr
hoch sind.
-
Für beide
Verfahrensführungen
kann dabei der Stoff nach dem sogenannten Premix-Verfahren oder zweiphasig in dem ersten
Volumenstrom vorgelegt werden. Im Premix-Verfahren wird der Stoff in einem separaten
Arbeitsmedium als Schmelzemulsion vorgelegt. Der zweite Volumenstrom
enthält
dabei dasselbe oder ein anderes Arbeitsmedium. Die Arbeitsfluide
werden entsprechend der Eigenschaften der zu erstellenden Dispersion
in Verbindung mit den Eigenschaften des zu dispergierenden Stoffes
ausgewählt.
Dabei hat sich gezeigt, dass in den meisten Fällen Wasser als erstes und/oder
als zweites Arbeitsfluid verwendet werden kann, so dass das Verfahren
kostengünstig
durchgeführt
werden kann. In der zweiphasigen Verfahrensführung wird der geschmolzene
Stoff ohne Arbeitsmedium in einem Volumenstrom vorgehalten, während im
anderen Volumenstrom das Arbeitsfluid vorgehalten wird. Die Herstellung
einer Schmelzemulsion entfällt
dabei, wodurch das Verfahren vereinfacht wird. Dabei kann die Schmelze
des Stoffes, also der erste Volumenstrom über die zumindest eine Homogenisierungsdüse gebracht
oder aus Gründen
der hohen Schmelztemperaturen zur Schonung der Hochdruckpumpen über die
Leitung mit geringerem Druck mit dem zweiten, das Arbeitsfluid enthaltenden
Volumenstrom vermischt werden, das in diesem Fall durch die Homogenisierungsdüse geführt wird.
-
Die
Eigenschaften der Tröpfchen
der im ersten Volumenstrom vorgelegten Schmelzemulsion des Stoffes
sind dabei wegen der sich im Homogenisierungsschritt bildenden Eigenschaften
der Tröpfchen
eher von untergeordneter Bedeutung, so dass diese Emulsion frei
von Emulgatoren oder anderen Stabilisierungsmitteln eingestellt
werden kann. Auf diese Weise kann die kostenintensive Verwendung temperaturfester
Stabilisierungsmittel wie Emulgatoren oder Schutzkolloide in dem
ersten Volumenstrom entfallen. Sollte ein Stabilisierungsmittel
oder andere Hilfsmittel für
die nach der Mündung
der zumindest einen Homogenisierungsdüse praktikabel sein, kann dieses
mit dem zweiten, eine geringere Temperatur aufweisenden Volumenstrom
dosiert werden, so dass entsprechend temperaturempfindliche Reagenzien
verwendet werden können.
-
Durch
den Schritt der Homogenisierung mittels der zumindest einen Homogenisierungsdüse werden
die im ersten Volumenstrom geführten,
durch Rühren
oder in anderer Weise turbulent gebildeten Flüssiganteile des Stoffes beziehungsweise
der geschmolzene Stoff ohne Arbeitsmedium zu reproduzierbar einheitlichen
Tröpfchen
geformt, aus denen nach der Abkühlung
durch den Öffnungsquerschnitt der
Homogenisierungsdüse
feste Partikel entstehen, die bezüglich ihrer Gestalt gerundet,
beispielsweise im Wesentlichen kugel- oder tropfenförmig sind
und einen einheitlichen Durchmesser in einem engen Toleranzbereich
aufweisen. Zur Isolation der Partikel nach der zumindest einen Homogenisierungsdüse können ein
oder mehrere Strahlen des zweiten Arbeitsfluids in einem Winkel
größer 1° und kleiner gleich
180° auf
die Mündung
der zumindest einen Homogenisierdüse gerichtet sein, wobei sich
ein Winkel von ca. 90° als
besonders vorteilhaft erwiesen hat. Dabei kann ein Volumenstrom
in einer gemeinsamen Kammer in Form einer oder mehrerer Homogenisierungsdüsen münden, die
jeweils von einer oder mehreren Mündungen des anderen Volumenstroms
angeströmt
werden. Mehrere derartige Kammern mit entsprechenden Ableitungen
der Dispersion können
an einer Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens vorgesehen sein.
-
Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel des
Verfahrens kann die Dispersion einen Verfahrensschritt zur Aufkonzentration
der Partikel enthalten. Hierzu können
bekannte Schritte der Filtration beziehungsweise Ultrafiltration
erfolgen. Mittels einer anschließenden Trocknung können die
Partikel in Pulverform isoliert werden. In dem zweiten Arbeitsfluid
können
hierzu bereits Reagenzien zur besseren Redispergierung entsprechend
dosiert werden.
-
Es
hat sich gezeigt, dass mittels des Verfahrens gerundete homogene
Partikel gewonnen werden können,
deren Durchmesser abhängig
von der Ausführung
der Homogenisierungsdüse
einen mittleren Durchmesser kleiner oder gleich zehn Mikrometern,
vorzugsweise einem Mikrometer, aufweisen. Dabei ist deren Reproduzierbarkeit
so hoch, dass beispielsweise 90 Prozent der Partikel eine mittlere Abweichung
eines Durchmessers kleiner oder gleich 10 Prozent aufweisen.
-
Die
Erfindung wird weiterhin durch eine Vorrichtung zur Herstellung
einer Dispersion zumindest bestehend aus einer ersten, auf einen über den Schmelzpunkt
eines Stoffs einstellbaren, ersten Volumenstrom mit zumindest dem
geschmolzenen Stoff führenden
Leitung und einer weiteren, einen zweiten Volumenstrom mit zumindest
einem Arbeitsfluid mit unter dem Schmelzpunkt eingestellter Temperatur führenden
Leitung gelöst,
wobei beide Leitungen miteinander vereinigt werden und zumindest
eine Leitung an deren Mündung
zumindest eine Homogenisierungsdüse
enthält
und zumindest eine Öffnung der
anderen Leitung in einem Winkel größer 1° und kleiner 180° auf den
aus der Homogenisierungsdüse austretenden
anderen Volumenstrom gerichtet ist und die vermischten Volumenströme durch
eine gemeinsame Ableitung abgeleitet werden. Eine vorteilhafte Ausbildung
der Vorrichtung sieht dabei vor, dass die zumindest eine Homogenisierungsdüse, die Leitungen
und die Ableitung einteilig ausgebildet sind.
-
Gemäß einem
vorteilhaften Ausführungsbeispiel
ist der Querschnitt der Homogenisierungsdüse kleiner gleich 1000 Mikrometer,
vorzugsweise zwischen 100 und 400 Mikrometer, wobei der Querschnitt
der Zuleitung ein Mehrfaches des Querschnitts der Homogenisierungsdüse betragen
kann. Weiterhin kann in einer speziellen Ausgestaltung einer Vorrichtung
die auf die zumindest eine Homogenisierungsdüse gerichtete Leitung in Richtung
der Ableitungen zueinander beabstandete Öffnungen aufweisen. Auf diese
Weise kann mit einer oder einem Satz von Öffnungen die Mündung der
Homogenisierungsdüse
direkt angeströmt
werden, während die
hiervon beabstandete Öffnung
oder ein Satz dieser die bereits vorläufig vermischten Volumenströme beabstandet
beaufschlagt. Der Abstand der Mündungen
der druckärmeren
Leitung zu der Mündung
der zumindest einen Homogenisierungsdüse kann zwischen 0 mm und 100
mm betragen.
-
Der
Vorrichtung kann der Ableitung nachfolgend eine Vorrichtung zur
Aufkonzentrierung des dispergierten Stoffs nachgeschaltet sein.
Die Erfindung wird anhand der in den 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiele
eines Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens
mit Elementen der Vorrichtung zur Herstellung einer Dispersion erläutert. Diese
zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens zur Herstellung einer Dispersion
und
-
2 bis 5 verschiedene
Ausführungsformen
der Führung
des Verfahrens mit unterschiedlich zusammengesetzten Volumenströmen.
-
Die
schematisch dargestellte Vorrichtung 1 sieht die Förderung
zweier Volumenströme 2, 3 entlang
der Pfeile 4, 4a in eine gemeinsame Kammer 5 vor,
in der diese vermischt werden und in einer gemeinsamen Ableitung 6 abgeleitet
werden. Die beiden Volumenströme 2, 3 werden
jeweils mittels einer Pumpe 7, 8 druckbeaufschlagt
und mittels eines Wärmetauschers 9, 10 auf
eine vorgegebene Temperatur gebracht.
-
Einer
der Volumenströme 2, 3 enthält einen mittels
dem entsprechenden Wärmetauscher 9, 10 über dessen
Schmelzpunkt erwärmten,
also aufgeschmolzenen Stoff, der andere ein auf eine mittels des
entsprechenden Wärmetauschers 9, 10 auf
eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts des Stoffes gebrachtes
Arbeitsfluid. Es versteht sich, dass das Arbeitsfluid auch auf Umgebungstemperatur
belassen werden kann, wodurch der entsprechende Wär metauscher
entfallen kann. Die Volumenströme 2, 3 werden
jeweils mit dem hierzu notwendigen Druck durch zumindest eine Homogenisierungsdüse 11 beziehungsweise
die Leitungen 12, 13 – die Leitung 13 ist
entsprechend Leitung 12 in nicht dargestellter Weise an
den Volumenstrom 3 angeschlossen – in die Kammer 5 gedrückt. Hierzu
ist die Pumpe 7 eine Hochdruckpumpe, während die Pumpe 8 infolge
des höheren
Querschnitts und der gegebenenfalls höheren Anzahl der Leitungen 12, 13 einen
geringeren Druck bereitstellen muss. Durch die Mischungs- und Druckverhältnisse
sowie des Anströmwinkels – in dem
gezeigten Ausführungsbeispiel
90° – der Leitungen 12, 13 gegenüber der
Mündung 14 der
Homogenisierungsdüse 11 wird
der geschmolzene Stoff in vereinzelte Tröpfchen überführt, die durch das unter dem
Schmelzpunkt liegende Arbeitsfluid abgekühlt und zu Partikeln verfestigt
werden. Das Arbeitsfluid vereinzelt und stabilisiert weiterhin die
Partikel und bildet mit diesen die durch die Ableitung abfließende Dispersion.
-
Je
nach Führung
des Verfahrens kann der aufgeschmolzene Stoff durch die Homogenisierungsdüse 11 oder
die Leitungen 12, 13 in die Kammer 5 dosiert
werden. Hierzu zeigen die 2 bis 5 entsprechende
Ausführungsbeispiele.
-
2 zeigt
schematisch das Premix-Verfahren der Herstellung der Dispersion 15 aus
einer Schmelzemulsion 16 und dem Arbeitsfluid 17.
Die Schmelzemulsion 16 besteht aus einem Arbeitsfluid 18,
in dem der Stoff 19 aufgeschmolzen und zu einer Rohemulsion
verarbeitet ist. Die Rohemulsion verlässt unter Druckbeaufschlagung
die Homogenisierungsdüse 11 und
wird von dem Arbeitsfluid 17 angeströmt, durch die turbulente Vermischung
der Rohemulsion und des Arbeitsfluids entstehen kleine Tröpfchen 20 des
Stoffes 19, die durch das Arbeitsfluid 17 mit
einer Temperatur unter dem Schmelzpunkt des Stoffes 19 zu
festen Partikeln abgekühlt
werden. Gleichzeitig werden die Tröpfchen 20 beziehungsweise
Partikel durch die Volumenzunahme der Dispersion 15 an
Koaleszenz und Koagulation gehindert.
-
3 zeigt
ein alternatives Premix-Verfahren, bei der die Schmelzemulsion 16 aus
Stoff 19 und Arbeitsfluid 18 mit niedrigem Druck
in die Kammer 5 dosiert werden, während das Arbeitsfluid unter
Hochdruck durch die Homogenisierungsdüse 11 gepresst wird.
Durch den infolge des hohen Drucks starken Strahl des Arbeitsfluids 17 werden
die Rohpartikel 21 des Stoffes 19 zertrümmert. Die
entstehenden Tröpfchen 20 mit
kleinerem Durchmesser werden durch das kühlere Arbeitsfluid 17 zu
Partikeln abgekühlt und
verfestigt. Die entstandene Dispersion 15 wird abgeleitet.
Der Vorteil dieses Verfahrens ist die Schonung der Hochdruckpumpe,
die lediglich das kühlere Arbeitsfluid 17 zu
verdichten hat.
-
4 zeigt
ein Verfahren zur Herstellung der Dispersion 15 mittels
zweier Phasen, wobei der geschmolzene Stoff 19 als Schmelze
ohne Arbeitsfluid durch die Homogenisierungsdüse 11 gedrückt und anschließend entsprechend
den Ausführungen
der 2 von dem Arbeitsfluid 17 unter Bildung
der Dispersion 15 angeströmt wird. Durch die geringere Menge
an Arbeitsfluid in der Dispersion 15, kann gegebenenfalls
auf eine Aufkonzentrierung verzichtet werden. Das Verfahren kann
aufgrund des geringeren Einsatzes von Arbeitsfluid kostengünstiger
sein.
-
5 zeigt
den zu dem Verfahren der 4 inversen Fall eines Verfahrens
zur Herstellung der Dispersion 15 mittels zweier Phasen.
Hier wird die Schmelze des Stoffes 19 mit niedrigem Druck
dosiert, während
das Arbeitsfluid 17 durch die Homogenisierungsdüse 11 gepresst
wird. Durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit
erfolgt eine turbulente Vermischung der Schmelze des Stoffes 19,
die eine Emulgierung des Stoffes 19 zu kleinen Tröpfchen 20 mit
einer Abkühlung
und Verfestigung dieser zur Folge hat, wodurch die Dispersion 15 gebildet
wird. Der Vorteil dieses Verfahrens ist neben der Verwendung der
Schmelze ohne Arbeitsfluid eine Schonung der Hochdruckpumpe vor
der Homogenisierungsdüse 11.
-
- 1
- Vorrichtung
- 2
- Volumenstrom
- 3
- Volumenstrom
- 4
- Pfeil
- 4a
- Pfeil
- 5
- Kammer
- 6
- Ableitung
- 7
- Pumpe
- 8
- Pumpe
- 9
- Wärmetauscher
- 10
- Wärmetauscher
- 11
- Homogenisierungsdüse
- 12
- Leitung
- 13
- Leitung
- 14
- Mündung
- 15
- Dispersion
- 16
- Schmelzemulsion
- 17
- Arbeitsfluid
- 18
- Arbeitsfluid
- 19
- Stoff
- 20
- Tröpfchen
- 21
- Rohpartikel