DE102018115793A1 - Verkapselter Gasbehälter - Google Patents

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Abstract

Herkömmliche Druckgassysteme wie Spraydosen stehen dauerhaft unter Druck. Funktion und Integrität sind somit durch Temperaturschwankungen gefährdet, zum Beispiel bei längerer Lagerung. Gegebenenfalls schränken mögliche Wechselwirkungen zwischen dem zu unter Druck zu setzenden Inhalt und dem Treibmittel die Einsatzmöglichkeiten ein. Mit dem erfindungsgemäßen Gasbehälter wird der Druck unmittelbar bei Bedarf bereitgestellt, und bis dahin bleibt das System vom Treibmittel getrennt.Ein Gasbehälter (1) mit einem Treibmittel (2) befindet sich innerhalb eines Systems (3), beispielsweise einer Spraydose. Der Gasbehälter (1) verkapselt das Treibmittel (2) zum System (3) hin und ist nur durch Zerstörung zu betätigen, d.h. zu öffnen. Um den Vorgang zu erleichtern, kann der Gasbehälter (1) einen oder mehrere Sollbruchbereiche (4) aufweisen. Unmittelbar nach der Freisetzung des Treibmittels (2) liegt dieses im System (3) sowohl in der flüssigen als auch in der gasförmigen Phase vor.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen brechbaren, verkapselten Behälter, der eine genau definierte Menge eines Flüssiggases enthält, um chemische Reaktionen durchzuführen oder Druck für ein Gasdrucksystem zu liefern.
  • Chemische und/oder physikalische Wechselwirkungen zwischen einem leicht zu verflüssigendem Gas und einer Flüssigkeit werden in einer Vielzahl von technischen Anwendungsbereichen genutzt.
  • In der Chemie und der chemischen Verfahrenstechnik gibt es viele Arten, Gas-Flüssigkeit-Reaktionen durchzuführen. Der Phasenkontakt zwischen den Reaktionspartnern kann z.B. in einem so genannten Blasensäulenreaktor durchgeführt werden. Ein solcher ist beispielsweise in DE 102012014393 offenbart. Jedoch handelt es sich hier um Anlagen, die für den technischen oder industriellen Bereich dimensioniert sind. Die Anlagen weisen außerdem eine gewisse Komplexität auf. Für kleinere Maßstäbe, etwa im Laborbereich, kann es sinnvoll sein, das verflüssigte Gas in das Reaktionsgemisch zu geben und den Zeitpunkt des Beginns der chemischen Reaktion selber bestimmen zu können. Ebenso ist es vorteilhaft, wenn die Möglichkeit einer genauen Dosierung gegeben ist, sowohl aus technischer als auch aus wirtschaftlicher Sicht.
  • In WO 00/61275 wird ein Mikroreaktor offenbart, in dem die Edukte jedoch nicht in direktem Kontakt stehen und die Produkte laufend entfernt werden. WO 2013/123986 A1 offenbart einen Reaktor, in dem Reaktionspartner, die in mehreren Phasen vorliegen, unter alternierenden Druckbedingungen und Erzeugen von Kavitation miteinander reagieren. Der Druck wird durch eine externe Druckquelle erzeugt, die auf die flüssige Phase einwirkt.
  • In einem anderen Anwendungsbereich wird die physikalische Wechselwirkung eines Flüssiggases auf eine zu befördernde Flüssigkeit in gängigen Gasdrucksystemen wie Spraydosen genutzt. Da die Komponenten eines solchen Systems nicht voneinander getrennt sind, steht es dauerhaft unter Druck. Funktion und Integrität können somit durch externe Einflüsse wie Temperaturschwankungen gefährdet werden, insbesondere bei längerer Lagerung. Zudem stehen die Komponenten des Systems ständig in Kontakt. Mögliche Wechselwirkungen zwischen dem zu befördernden Inhalt und dem Treibmittel können die Einsatzmöglichkeiten beschränken.
  • Ein System ist also vorteilhaft, das sich exakt zum Zeitpunkt des Bedarfs initialisieren lässt. Weiterhin wird ein System angestrebt, dessen Bauweise einfach ist und das sich von der Größe gut handhaben lässt, mit dem sich der Einsatzzweck, sei es eine chemische Reaktion oder die Bereitstellung von Druck, exakt und kontrolliert erfüllen lässt, das durch seine Konstruktion besonders gut lagerfähig ist und mit wenigen Ausführungen in einer Vielzahl von unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt werden kann, und das eine erhöhte Sicherheit in der Anwendung und eine bestmögliche Kompatibilität mit den unter Druck zu setzenden Materialien aufweist.
  • Diese Anforderungen erfüllt der Gasbehälter nach dem Hauptanspruch der vorliegenden Erfindung.
  • Der Gasbehälter mit der genau definierten Menge eines Reaktionspartners in der Form eines Flüssiggases kann vorab in das Reaktionsgemisch gegeben werden, in dem sich die anderen Reagenzien befinden. Ein solcher Reaktionsansatz kann z.B. in einem Laborautoklaven für experimentelle Zwecke durchgeführt werden. Dann wird das Reaktionsgefäß, d.h. der Autoklav, verschlossen und z.B. auf eine gewünschte Temperatur gebracht. Zum Starten der Reaktion wird der Gasbehälter zerstört, was durch die Steuerung des Temperaturanstiegs durch die Zunahme des Dampfdrucks des Flüssiggases beispielsweise spontan erfolgt, mechanisch durch Umrühren oder von außen durch Ultraschall oder Vibration.
  • Unter einem Flüssiggas ist hier eine Substanz zu verstehen, die in einem abgeschlossenen Volumen sowohl als Flüssigkeit als auch als Gas vorliegt. Um eine höchstmögliche Dosiergenauigkeit zu erzielen und wenn es die Herstellung ermöglicht, wird in einigen Anwendungsbereichen ein Gasbehälter angestrebt, in dessen Inneren das Volumen der gasförmigen Phase im Vergleich zu jenem der flüssigen Phase so gering wie möglich gehalten wird.
  • Der Gasbehälter selber wird normalerweise nicht an der Reaktion teilnehmen und aus einem inerten Material wie z.B. Glas gefertigt sein. Jedoch lassen sich über die Funktionalisierung der Oberfläche des Gasbehälters, z.B. mit einer katalytischen Schicht, die Anwendungen des Gasbehälters noch weiter ausdehnen.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung nimmt das Flüssiggas die Funktion eines Treibmittels für Spraydosen oder ähnliche Vorrichtungen ein, in denen ein Fluid unter Anwendung von Druck aus einem Behälter heraus befördert wird. Herkömmliche Gasdruckvorrichtungen wie Spraydosen stehen dauerhaft unter Druck. Die Funktion und Integrität sind somit durch Temperaturschwankungen gefährdet, zum Beispiel bei längerer Lagerung. Außerdem können mögliche Wechselwirkungen zwischen dem zu befördernden Inhalt und dem Treibmittel die Einsatzmöglichkeiten einschränken.
  • In einem gewöhnlichen System wie einer Aerosoldose stellt der vorliegende Gasbehälter den Druck nur bei Bedarf bereit und trennt bis zu seiner Anwendung den zu befördernden Inhalt und das Druckgefäß vom Treibmittel.
  • Der erfindungsgemäße Gasbehälter ermöglicht aber noch eine weitere vorteilhafte Ausführung. Wenn der Gasbehälter über das Flüssiggas hinaus noch eine weitere Komponente enthält, die zur Herstellung eines gewünschten Inhalts in situ erforderlich ist, erfüllt das Flüssiggas zwar selber nicht die Funktion eines Reagens, aber es kann trotzdem eine chemische Reaktion anstoßen, beispielsweise die Härtung eines Zweikomponenten-Epoxydwerkstoffes oder die Bereitstellung oder Aktivierung eines unstabilen Arzneimittels aus seinen stabilen, pharmakologisch inaktiven chemischen oder biologischen Präkursoren.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beiliegenden Figuren mit einigen Ausführungsformen näher erläutert, in denen
    • 1 eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Gasbehälters ist, der mit dem Flüssiggas gefüllt ist, und eingebettet in ein System, das ein chemisches Reaktionsgemisch oder ein Drucksprühbehälter ist,
    • 2 den Gasbehälter aus 1 nach seiner Aktivierung in demselben System zeigt, jedoch aufgespalten in zwei Bruchstücke, und
    • 3 eine Detailansicht des erfindungsgemäßen Gasbehälters ist, in der eine funktionalisierte Oberfläche veranschaulicht wird.
  • In 1 befindet sich der Gasbehälter (1) in seinem Ausgangszustand innerhalb des geschlossenen Systems (3). Der Gasbehälter (1) wird hier im Wesentlichen als Hohlzylinder dargestellt, dessen Enden mit einem sphärischen Profilverlauf verschlossen sind.
  • Im Inneren des Gasbehälters (1) befindet sich ein Flüssiggas (2). Unter einem Flüssiggas ist hier eine Substanz zu verstehen, die in einem abgeschlossenen Volumen sowohl als Flüssigkeit als auch als Gas vorliegt. Die Menge des Flüssiggases (2) wird auf das Volumen des Systems (3) abgestimmt, das abgeschlossen ist, d.h. es ist eine ausreichende Menge vorhanden, dass stets die flüssige und die gasförmige Phase koexistieren.
  • Das Flüssiggas (2) nimmt die Funktion eines druckerzeugenden Fluids ein, das gegebenenfalls gleichzeitig ein chemisches Reagens ist. Als chemische Reagenzien, die bei 20°C als Flüssiggas vorliegen, können beispielsweise genannt werden: 1,3-Butadiin, Methanthiol, Ethylenoxid, Methylbromid, Tetraboran, Dichlorfluorphosphan, Fluorwasserstoff, Cyclobutan, Phosphortrichlortrifluorid, Phosgen, Vinylacetylen, Formaldehyd, Bortrichlorid usw.
  • Beispiele für rein druckerzeugende Fluide sind Hydrofluoralkane, Propan, n-Butan, Isobutan oder auch Mischungen solcher Substanzen.
  • Wie beispielsweise bei Ampullen üblich ist, kann der Gasbehälter (1) einen oder mehrere Sollbruchbereiche (4) aufweisen, die hier schematisch und nicht unbedingt maßstabsgetreu als Vertiefung veranschaulicht werden. Jedoch können der oder die Sollbruchbereiche (4) auch anders als über die Anpassung der Form oder durch Materialabtrag erzeugt werden. Beispielsweise könnte das verwendete Material des Gasbehälters (1) ganz oder in Bereichen aus vorgespanntem Glas gefertigt sein.
  • Es sind alle möglichen geometrischen Körper und Formen für die Herstellung des Gasbehälters (1) denkbar, sofern sie vorteilhaft für den Anwendungszweck und/oder kostengünstig herzustellen sind. Mögliche Gestaltungsformen sind zylindrische, lineare Gasbehälter. Wenn es der Einsatz erfordert, kann auch von der linearen Form abgewichen werden. Dann ist auch eine gebogene oder angewinkelte oder auch eine komplexere Gestalt denkbar. Beispielsweise könnte eine komplexere Gestalt wie ein Polyeder den Brechvorgang erleichtern und die Anzahl der Bruchstücke maximieren, wenn dies erwünscht ist. Wichtig ist, dass die Kriterien einer guten Stabilität und sicheren Handhabbarkeit bei gleichzeitig leicht durchzuführendem Brechvorgang gewährleistet sind.
  • Nur als Beispiel und zur Veranschaulichung könnte der Gasbehälter (1) Merkmale aufweisen, die denen herkömmlicher Ampullen entsprechen, so wie sie gewöhnlich zur Lagerung von flüssigen Arzneimittelzubereitungen für Injektionszwecke verwendet werden. Die Gestalt des Gasbehälters wird sich von einer solchen Ampulle aber gegebenenfalls unterscheiden und funktionell auf den endgültigen Verwendungszweck angepasst sein, um eine optimale Handhabbarkeit zu gewährleisten.
  • 2 veranschaulicht die Funktionsweise des Systems (3), das den erfindungsgemäßen Gasbehälter (1) enthält. Wenn das System (3) aktiviert werden soll, wird auf den Gasbehälter (1) eine Kraft ausgeübt, die das Nachgeben seiner Wände (5) bewirkt, so dass sich das darin enthaltene Flüssiggas (2) in das umgebende System (3) ergießen kann. Das umgebende System (3) kann z.B. ein Behälter, der Nahrungsmittel, ein Arzneimittel, ein chemisches Reaktionsgemisch enthält, oder eine Sprühdose sein.
  • Die Menge an Flüssiggas (2) ist so ausgewählt, dass der im geschlossenen System (3) entstehende Druck vorbestimmbar ist. Das wird erreicht, indem bezogen auf das Volumen des Systems (3) ein Überschuss an Flüssiggas (2) ausgewählt wird. Anders formuliert, liegt nach der Öffnung des Behälters (1) und der Freisetzung des Flüssiggases (2) dieses sowohl in der flüssigen als auch in der gasförmigen Phase vor.
  • Nachdem sich der Inhalt des Behälters (1) in das System (3) ergossen hat, stellt sich ein Gleichgewicht zwischen flüssiger und gasförmiger Phase und damit der Betriebsdruck des Systems (3) ein.
  • 3 ist eine Detailansicht des Gasbehälters (1). Die auf den Gasbehälter (1) ausgeübte Kraft soll ein abruptes Brechen der Wände (5) bewirken, eher als ein langsames Nachgeben. Die Kraft kann auf verschiedene Weisen auf den Gasbehälter (1)ausgeübt werden. In einem Autoklav könnte das geschehen, indem eine Rührvorrichtung den Betrieb aufnimmt. In einer Sprühdose könnte das manuell geschehen, indem die Dose stärker geschüttelt wird. Denkbar ist auch ein umgebendes, geschlossenes System (3), das vor der Aktivierung flexibel ist. Dann könnte der Gasbehälter (1) von außen zerbrochen werden, z.B. von Hand, um das System (3) zu aktivieren. Der Brechvorgang der Wände (5) des Gasbehälters (1) kann durch die Bereitstellung einer oder mehrerer Sollbruchbereiche (4) vereinfacht werden.
  • Das Material der Wände (5) des Gasbehälters (1) wird vorzugsweise so ausgewählt, dass auch die Eigenschaften der Bruchstücke (1, 1') nicht mit der Funktionsweise des Systems (3), in das er eingebunden ist, kollidieren. Beispielsweise sind bei einer Einbindung in einem vulnerablen System, etwa einem, das aus weichem Material gefertigt ist, scharfkantige Bruchstücke zu vermeiden. Das kann über die Auswahl des Materials des Gasbehälters und/oder ein oder mehrere Sollbruchbereiche bewerkstelligt werden. Vorgespanntes Glas erzeugt beim Bruch stumpfkantige Stücke und ist für diesen Einsatz gut geeignet. Für den Einsatz als Treibmittelsatz ist es gewöhnlich vorteilhaft, wenn sich nicht mehr als zwei Bruchstücke (1, 1') bilden. Jedoch kann die Bildung mehrerer Bruchstücke auch hier vorteilhaft sein, etwa wenn sie die Funktion von Mischkugeln in einer Spraydose erfüllen sollen.
  • In anderen Verwendungsszenarien, etwa wenn der Inhalt (2) des Gasbehälters (1) ein Reagens ist, könnte die Bildung vieler Bruchstücke angestrebt werden, z.B. in der Funktion als Siedesteine.
  • Die Detailansicht aus 3 zeigt den Gasbehälter (1) in einer möglichen Ausführungsform, in der die Wände (5) eine Beschichtung (6) aufweisen.
  • Die Beschichtung des Gasbehälters (1) kann, je nach der angestrebten Anwendung, auf chemischem, physikalischem (Abscheidung aus der Gasphase, PVD) oder physikalischchemischem (z.B. Galvanisierung) Weg erfolgen.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung nimmt das Flüssiggas (2) die Funktion des Treibmittels ein. Für ein undurchlässiges, inertes Material wie z.B. ein Glas wird die Notwendigkeit der Beschichtung (6) eher eine untergeordnete Rolle spielen. Wenn der Gasbehälter (1) aus Kunststoff gefertigt ist, wird die Notwendigkeit einer Beschichtung eher wahrscheinlich. Sie wird dann so ausgewählt, dass die Eigenschaften des Systems (3), in der die vorliegende Erfindung ihre Wirkung entfaltet, nicht verändert werden. Die Beschichtung (6) ist in diesem Fall chemisch inert und beeinflusst die mechanischen Eigenschaften nur marginal, wenn überhaupt.
  • Ein chemisches Verfahren aus dem Stand der Technik ist die Fluorierung von Kunststoffen, mit der sich die Permeabilität von Kunststoffen verringern lässt. Das Verfahren kann auf den gefüllten Gascontainer (1) angewandt werden. Bei seiner Verwendung als Druckquelle wird der erfindungsgemäße Gasbehälter im geschlossenen Zustand in dem zu aktivierenden System (3) gelagert. Wenn er aus Kunststoff gefertigt ist, könnte - bedingt durch eine geringe Permeabilität der Wandung (5)- während der Lagerzeit eine gewisse Menge des Treibgases (2) nach außen diffundieren. Mit der Oberflächenbehandlung kann die unter wirtschaftlichen Aspekten besonders wichtige Lagerzeit entscheidend verlängert werden. Eine andere Möglichkeit bestünde darin, den Gasbehälter entweder aus einem generell undurchlässigen Material wie Glas oder einem auf den Inhalt abgestimmten Kunststoff zu fertigen.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung nimmt das Flüssiggas (2) die Funktion eines Reagens ein. Dann ist es denkbar, dass die Beschichtung (6) katalytische Eigenschaften aufweist und die Wand (5) nach der Aktivierung des Systems (3) die Funktion des Katalysatorsubstrats übernimmt. Auch in diesem Fall könnte die Bildung vieler Bruchstücke angestrebt werden, weil so eine maximale Reaktionsoberfläche bereitgestellt wird.
  • Mit PVD-Verfahren lassen sich Beschichtungen aus unterschiedlichsten chemischen Werkstoffen auftragen, beispielsweise um die Permeabilitätseigenschaften zu verbessern oder katalytische Eigenschaften einzubringen. Geeignete PVD-Verfahren umfassen beispielsweise Aufdampfen, Sputtern oder Ionenplattierung. Die geeigneten chemischen Werkstoffe können beispielsweise Nitride von Titan, Aluminium, Bor, Chrom sein. Katalytische Beschichtungen aus PVD-Verfahren können beispielsweise Metalle enthalten wie Platin, Iridium, Osmium, in elementarer Form, allein oder in Kombinationen. Es handelt sich bei diesen Aufzählungen nur um Beispiele, und die Möglichkeiten erstrecken sich auf zahlreiche andere Substanzen mit katalytischen Eigenschaften die auch organische Verbindungen oder Biokatalysatoren sein können.
  • Die hier beschriebenen Ausführungsformen stellen lediglich Beispiele dar und sollen den in den Patentansprüchen definierten Erfindungsbereich veranschaulichen, jedoch nicht einschränken.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102012014393 [0003]
    • WO 0061275 [0004]
    • WO 2013/123986 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Ein Behälter (1) zur Aufnahme einer genau vordefinierten Menge eines Flüssiggases (2) für dessen Verwendung in einem den Behälter (1) umgebenden System (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (1) den Inhalt verkapselt und zur Verwendung des Flüssiggases (2) zerstört wird, und dass nach der Zerstörung des Behälters (1) das Flüssiggas (2) sowohl in der flüssigen als auch in der gasförmigen Phase vorliegt.
  2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vordefinierte Menge des darin enthaltenen Flüssiggases (2) im Bereich zwischen ca. 0,01 und ca. 0,2 mol liegt.
  3. Behälter nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (1) aus einem geeigneten Glas gefertigt ist.
  4. Behälter nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (1) aus einem geeigneten Kunststoff gefertigt ist.
  5. Behälter nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter einen oder mehrere Sollbruchbereiche (4) aufweist.
  6. Behälter nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (5) des Behälters (1) eine funktionalisierte Oberfläche (6) aufweist.
  7. Behälter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionalisierte Oberfläche (6) versiegelnde Eigenschaften aufweist.
  8. Behälter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionalisierte Oberfläche (6) katalytische Eigenschaften aufweist.
  9. Behälter nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssiggas (2) die Funktion eines Reagens ausübt.
  10. Behälter nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich außer dem Flüssiggas (2) noch ein oder mehrere chemische, biologische, physikalische oder pharmazeutische Wirkstoffe als Präkursore im Inneren des Behälters (1) befinden.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000061275A2 (de) 1999-04-08 2000-10-19 Bernd Penth Verfahren und vorrichtung zur durchführung chemischer und physikalischer prozesse
WO2013123986A1 (en) 2012-02-22 2013-08-29 Encontech B.V. Process and reactor for carrying out a liquid compression chemical reaction
DE102012014393A1 (de) 2012-07-19 2014-01-23 Linde Aktiengesellschaft Blasensäulenreaktor

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