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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Kollagendispersionen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie.
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eine Vorrichtung zur Herstellung von Dispersionen und/ oder Gallerten
auf Kollagenbasis, die dann zu Fäden, Garnen, Fasern, Filmen, blatt- oder bogenförmigen
Produkten u. dgl. weiter verarbeitet werden sollen.
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Die faserigen Proteine, unter denen sich das Kollagen befindet, können
in Wasser oder in bestimmten organischen Lösungsmitteln nach bekannten Verfahren
in Lösung gebracht oder dispergiert werden. Die Herstellung dieser Lösungen oder
Dispersionen aus diesen Proteinen macht sich die genau definierte Kenntnis der Struktur
dieser Proteine und insbesondere ihres amphoteren Charakters zunutze. Das Vorhandensein
von gleichzeitig sauren Carboxylgruppen und basischen Amidogruppen verleiht dem
Kollagen und den faserigen Proteinen positive und negative elektrische Ladungen,
die äe nach ihrer Anzahl sich bei einem bestimmten pH-Wert, dem isoelektrischen
Punkt, neutralisieren. Pur das Eollagen liegt dieser Wert zwischen 5 und 6,5, äe
nach Alter, Rasse oder physiologischem Zustand des das Kollagen enthaltenden Organes.
In den meisten Fällen wird das gollagen in Wasser oder einem organischen Lösungsmittel
mit Hilfe von mineralischen oder organischen, sauren oder basischen chemischen Wirkstoffen
in Lösung oder in Dispersion
gebracht, die in dem einen oder anderen
Sinne das Gleichgewicht der positiven und negativen elektrischen Ladungen stören.
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Eine derartige Behandlung ist mit einem mehr oder weniger ausgeprägten
Aufquellen der Proteinmoleküle verbunden, die durch die Anziehung von Wassermolekülen
durch die freigesetzten elektrischen Ladungen entsteht. Bei einer derartigen Behandlung
ist ferner eine relativ hohe Viskosität zu verzeichnen. Aus diesem Grund sind die
Konzentrationen, in denen das Kollagen in Lösung gebracht oder dispergiert werden
kann, relativ gering und sie liegen etwa bei 1%.
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Darüber hinaus kann die Reinigung der Lösungen oder Dispersionen oft
nur bei Konzentrationen unterhalb von1% durchgeführt werden.
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Die Verarbeitung des Kollagens zu durchsichtigen, luftblasenfreien
Produkten wie beispielsweise Fasern, Fäden, Filmen und analogen Produkten erfordert
jedoch Dispersionen oder Gallerten von größerer Konzentration, und zwar von Konzentrationen
von 1 bis 5 % in wässerigem Medium und von 1 bis 15 * in organischen Lösungsmitteln.
Die Herstellung derartiger, bezüglich der Konzentration variabler Dispersionen kann
nur unter heftiger mechanischer Durcharbeitung geschehen, die eine gute Homogenität
gewährleistet, bei der aber auch Luft in Form einer mehr oder weniger feinen Emulsion
eingeführt wird. Die Menge an eingebrachter Luft und die Stabilität der Emulsion
wachsen dabei in Abhängigkeit von der Kollagenkonzentration. Beispielsweise haben
Kollagendispersionen mit einer Konzentration von etwa 3% eine ordnungsgemäße Stabilität
bei einem Maximalgehalt an emulgierter Luft in der Größenordnung von 20 %.
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Das Austreiben der in den Dispersionen oder Gallerten eingeschlossenen
Luft im Sinne einer Weiterverarbeitung zu homogenen, durchsichtigen Produkten wie
beispielsweise Fäden oder Filmen bringt somit erhebliche Schwierigkeiten mit sich,
die mit der Größe der Kollagenkonzentration anwachsen.
Während für
Proteingehalte unter 1 % ein einfaches Inruhehalten beispielsweise für mehrere Stunden
ausreicht, um die Luftblasen auszuscheiden, gilt dieses keineswegs für Konzentrationen
von 2 bis 5 %. Es ist daher erforderlich, unter relativ starkem Vakuum und unter
starker mechanisher Einwirkung während relativ langer Zeiten zu arbeiten, die sowohl
von dem Proteingehalt wie von der Viskosität der Dispersionen abhängt. Weiterhin
besteht eine Abhängigkeit von der Art des Lösungsmittels, ob es sich also um Wasser
oder um ein organisches Lösungsmittel handelt.
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Andererseits können aus Kollagendispersionen oder -gallerten auch
schwammartige Produkte hergestellt werden. Es ist hier der Einsatz von Techniken
bekannt, die eine Kalttrocknung unter Vakuum, wie beispielsweise die Lyophilisation
benutzen. Es ist aber auch möglich, derartige Produkte, insbesondere Schwänze oder
schwammige Filme mit Hilfe von Dispersionen oder Gallerten herzustellen, die sehr
reich an Luftblasen sind. Dabei es ist dann nicht notwendig, sog. poromere Produkte
zuzufügen, die durch chemische oder physikalische Zersetzung eine Gasfreigabe ergeben,
die sich in dem Einschluß von Gasblasen in den Dispersionen oder Gallerten ausdrückt
und die bei bestimmten Anwendungsfällen den Nachteil hat, im Endprodukt erhalten
zu bleiben. Das gleiche Resultat kann mit komprimierter Luft oder einem Gas w» beispielsweise
Sauerstoff, Stickstoff oder einem anderen gegenüber dem Protein inerten Gas erreicht
werden.
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In diesem Fall iuß die homogene Einbringung von Luft- oder Gasblasen
möglichst perfekt durch den Druck und die Löslichkeit des Gases, wie auch durch
die Art und Temperatur der Dispersionen gesteuert werden.
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Bei vorgegebenem Verhalten des Kollagens im Wasser oder in den organischen
Lösungsmitteln ist es oft sehr schwierig, vollständig homogene Dispersionen oder
Gallerten zu erhalten, die eine relativ stabile Viskosität haben.
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Darüber hinaus kann die Einbringung oder Austreibung von Luftblasen
auf eine der bislang üblichen Weisen nicht immer
in der wünschenswerten
Weise gesteuert werden, wobei aber gerade dieses eine große Bedeutung für die Art
der in Aussicht genommenen späteren Weiterverarbeitung ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen aufgezeigten
Nachteilen abzuhelfen. Das erfindungsgemäße Verfahren besteht im wesentlichen darin,
eine Suspension von Kollagenfasern, seien sie feucht oder trocken, seien sie wiedergewonnen
oder im Naturzustand, in Wasser oder einem organischen Lösungsmittel zu schaffen,
dann diese Suspension in ein Vakuumdispersionsgerät einzubringen, in dem Behandlungsraum
einen vorbestimmten Druck zu schaffen und die Suspension in eine homogene Dispersion
oder Gallerte durch kontrollierte Säuerung mit einer mineralischen oder organischen
Säure umzuwandeln und ferner ggf.
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dann noch den Dispersionen oder Gallerten im Hinblick auf spätere
Umwandlungen und Weiterverarbeitungen erforderliche chemische Wirkstoffe wie beispielsweise
Färbstoffe, Fettstoffe, plastifizierende Stoffe, Gerbstoffe, antiseptische Stoffe
oder natürliche oder synthetische Harze zuzufügen.
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zelle diese Verfahrens schritte können entweder nacheinander oder
gleichzeitig in ein und demselben Gerät und in relativ kurzer Zeit durchgeführt
werden.
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Der in dem Behandlungsraum geschaffene Druck kann unter dem Atmosphärendruck
liegen, wenn man durch Vakuum/unter mechanischer Einwirkung die Luftblasen eliminieren
will, oder er kann oberhalb des atmosphärischen Druckes liegen, wenn man Luft unter
Druck einbringen will.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des vorgenannten
Verfahrens beinhaltet im wesentlichen einen Reaktor, der auf die zu erwartenden
Belastungen durch das Vakuum oder den Druck ausgelegt ist, der vorzugsweise eine
zylindrische Form bei vertikaler Längsachse hat und der an seinem unteren Ende durch
ein mit einem Auslaßventil verschließbares Auslaßrohr geschlossen ist und an seinem
oberen Ende einen flachen Rand aufweist, um den eine Schließvorrichtung angeordnet
ist,
mit der die Festsetzung eines steifen Deckels möglich ist. Der Deckel weist dabei
ein elastisches Verbindungsstück zur dichten Verbindung zwischen dem Deckel und
dem Reaktorinnenraum auf, drei Rohre verschiedenen Durchmessers, die in den Behandlungsraum
münden und die der Einbringung der Kollagensuspension und der Reaktionsstoffe sowie
dem Evakuieren bzw. dem Einführen komprimierter Luft dienen. Ferner trägt der Deckel
eine in zwei Lagern angeordnete Vertikalachse, die in dem Deckel mit einem Dichtring
abgedichtet ist und die einerseits mittels einer elastischen Kupplung mit der Welle
eines Drehstrommotors mit zwei Geschwindigkeiten verbunden ist und andererseits
mit der Welle einer Dispersionsturbine aus nichtoxydierendem Stahl verbunden ist,
die im Inneren des Behandlungsraumes liegt. Vorzugsweise ruht dabei der Deckel auf
einer dreifüßigen Stütze, die länger als der Reaktor ist, so daß dieser ggf. für
Wartungsarbeiten abgesenkt werden kann.
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Ausführungsformen des Erfindugsgegenstandes werden nachstehend unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Die Zeichnungen zeigen
in Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung gemäß der Erfindung, Fig. 2 eine
Schnittdarstellung gemäß Schnitt 2 - 2 der Fig. 1 Fig. 9 eine weitere Schnittdarstellung
gemäß Schnitt -3 der Fig. 2, Fig. 4 im Vergleich die Rheogramme von mit Luft versetzten
und entlüfteten Kollagengallerten der gleichen Konzentration.
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Die Vorrichtung beinhaltet einen Industriereaktor 1, der aus einem
Material besteht, das zugleich dem Vakuum und dem Druck widersteht, wie beispielsweise
Hartglas, nichtoxydierender Stahl oder jedes andere metallische oder plastische,
nichtkorrodierende Material. Der Reaktor 1 hat eine zylindrische Form, kann aber
auch andere Formen haben, die eine gute Widerstandskraft gegenüber im Vakuum
oder
dem Überdruck haben. Am unteren Ende des Reaktors 1 ist ein Auslaßrohr 2 befestigt,
in dem ein Auslaßventil 3 angeordnet ist. Der obere Deckel 4 ist mit dem Reaktor
1 unter Zwischenschaltung einer elastischen Dichtung 5, die die Dichtigkeit der
Vorrichtung gewährleistet, verbunden, sowie ferner unter Zwischenschaltung einer
üblichen Verschlußeinrichtung 6. In dem Reaktor 1 befindet sich eine Dispersionsturbine
7, deren Achse 7a mit der Welle 8 eines Motors mittels einer konischen Muffe 9 verbunden
ist. Die Turbine 7 und deren Achse 7a bestehen aus nichtoxydierendem Stahl. Die
Welle 8 des Motors ist in zwei Kegelrollenlagern 10 gelagert und die Abdichtung
beim Durchgang der Welle 8 durch den Deckel 4 wird durch eine Dichtung gewährleistet,
die aus einem Graphitring 11 besteht. Die Gesamtheit der Wellen 7a5 8 und der Turbine
7 wird durch einen Drehstrommotor 12 angetrieben, der auf die beiden Drehgeschwindigkeiten
von 15O0 und 3.000 Umdrehungen pro Minute umschaltbar ist. Die Welle 8 ist mit dem
Motor 12 über eine elastische Kupplung 17 verbunden.
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Der Deckel 4 trägt ferner drei Rohre 14, 15, 16, die einen voneinander
unterschiedlichen Durchmesser haben und die jeweils mit Ventilen 14a, 15a und 16a
verbunden sind. Die drei Rohre dienen jeweils zur Einbringung der faserigen Suspensionen
und der Reaktionssstoffe sowie der Evakuierung oder Einbringung von komprimierter
Luft. Alle direkt in Beruhrung mit den Kollagendispersionen kommenden Teile bestehen
aus nichtoxydierendem Stahl. Die Gesamtheit aus Reaktor und Deckel ist auf einem
dreifüßigen, gegenüber Schwingungen abgesicherten Gestell 17 angeordnet, das eine
leichte Wartung des Reaktors ermöglicht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die Arbeitsweise der zugehörigen
Vorrichtung zur Herstellung von Kollagendispersionen oder -gallerten ohne Luftblasen
und zur späteren Produktion von durchsichtigen, homogenen Produkten geeignet sei
nachfolgend im ZussmmeShang beschrieben.
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Der Reaktor 1 ist an seinem oberen Ende durch den Deckel 4 dicht verschlossen
und es wird in ihn eine faserige Eollagen8uspenRion in Wasser oder einem organischen
Lösungsmittel und mit gewünschter Konzentration eingeführt, der unter Unterdruck
steht. Das Einbringen geschieht durch das Rohr 14 mit Hilfe eines entsprechenden
Unterdruckes, wobei in dem Reaktor mittels des Rohres 15 durch eine Absaugpumpe
großer Leistung ein Vakuum von etwa 25 mm Quecksilbersäule geschaffen wird. Die
Suspension wird bei geringer Geschwindigkeit (1.500 Umdrehungen pro Minute) mit
Hilfe der Dispersionsturbine 7 bearbeitet. Infolge der Austreibung der Luftblasen
tritt ein kräftiges Schäumen ein. Dieser Arbeitsschritt dauert nur wenige Minuten.
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Die mechanische Bearbeitung wird dann eingestellt und man führt weiterhin
unter Unterdruck durch das Rohr 14 eine Lösung einer mineralischen oder organischen
Säure ein, wie beispielsweise Salzsäure, Ameisensäure, Essigsäure, Milchsäure, Zitronensäure
oder dgl. Dabei ist die Eonzentration der Säuren jeweils genau definiert.
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Der Reaktor wird daraufhin aufs neue evakuiert und die Dispersion
wird bei großer Motorgesch digkeit (.000 Umdrehungen pro Minute) wahrend einiger
Minuten durchgearbeitet.
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Durch die Umwandlung der Suspension in die Dispersion vergrößert sich
die Viskosität der Masse beträchtlich.
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Wenn die Auflösung beendet ist, was nur wenige Minuten unter der mechanischen
Bearbeitung und bei einem Vakuum von etwa 25 mm Quecksilbersäule in Anspruch nimmt,
wird die mechanische Durcharbeitung gestoppt und das Vakuumrohr 15 mittels des Ventiles
15a geschlossen. Die Vorrichtung wird dann mit Druckluft unter Druck gesetzt und
die homogene Dispersion wird durch des Auslaßventil T abgelassen.
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Um die Einbringung von faseriger Materie und von Reaktionsstoffen
durch das Rohr 14 zu ermöglichen, ist das Ventil 14a als Dreiwegeventil ausgebildet.
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Die fertige Kollagendispersion kann dann kontinuierlich mittels eines
nichtoxydierenden Filtertuches 0. dgl. gefiltert werden und in einer Wanne o. dgl.
aufbewahrt werden, wo sie für einige Stunden einer Maturierung unterliegt, die ihr
die Charakteristiken einer Gallerte verleiht.
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Nunmiehr sei das Verfahren und die Arbeitsweise der zugehörigen Vorrichtung
zur Herstellung von Dispersionen oder G:llerten, die stark luftdurchsetzt sind und
dazu betimmt sind, zu schwainmartigen Produkten verarbeitet zu werden, im Zusammenhang
beschrieben: Der Reaktor 1 wird wie im ersten Fall geschlossen und eine Suspension
von Kollagenfasern in Wasser der gewünschten Konzentration wird in den Reaktor 1
unter Unterdruck durch das Rohr <4 eingeführt. Die Suspension wird dann von der
Dispersionsturbine 7 bei geringer Geschwindigkeit während einiger Minuten durchgearbeitet
und man bringt immer noch unter Unterdruck und durch das gleiche Rohr eine Lösung
einer Mineral- oder organischen Säure geeigneter Konzentration ein, um eine Dispersion
der'gewünschten Zusammensetzung zu verhalten.
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b';r Reaktor wird d2nn durch Einbringung von Druckluft oder von gegenüber
dem Kollagen inerten Gas unter Druck gesetzt.
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Dies geschieht mittels des Rohres 16. Die Suspension wird dann mittels
der Turbine 7 während mehrerer Minuten bei großer Geschwindigkeit durchgearbeitet.
Wenn die Suspension vollständig in eine Dispersion umgewandelt ist, wird die mechanische
Durcharbeitung gestoppt und die homogene Dispersion, angefüllt mit Gas- bzw. Luftblasen,
wird durch das Auslaßventil ; abgelassen.
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Die Kollagendispersion kann dann kontinuierlich auf einem nichtoxydierenden
Filtertruch 0. dgl. gefiltert werden und in einer Wanne aufbewahrt werden, wo sie
einer Maturierung von mehreren Stunden unterliegt. Die in Form von Blasen eingeschlossene
Luft ist gleichmäßig in der Dispersion verteilt. Im nachfolgenden werden zwei Ausführungsbeispiele
angegeben.
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Beispiel 1 Zu 375 Gramm trockener Kollagenfasern, die aus Rinderhaut
stammen, werden 1,x,5 Liter Wasser zugefügt und die erhaltene Suspension wird in
den Dispersionsreaktor1eingeführt.
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Nach Schaffung eines Vakuums von etwa *0 mm Quecksilbersäule in der
Vorrichtung wird die Suspension für 5 Minuten mittels der Dispersionsturbine 7 bei
einer Geschwindigkeit von 1.500 Umdrehungen pro Minute durchgearbeitet. Es bildet
sich dabei ein Schaum, der am Ende der fünfminütigen Durcharbeitung völlig verschwindet.
Die Durcharbeitung wird gestoppt und in den Reaktor 1 wird mittels Unterdruck eine
Lösung von 80 Gramm Essigsäure in 1.095 Gramm Wasser eingeführt.
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Daraufhin wird aufs Neue das Vakuum in der Vorrichtung hergestellt
und die Suspension wird durch mechanische Durcharbeitung mittels der Turbine 7 bei
3.000 Umdrehungen pro Minute während zehnminütiger Bearbeitungszeit in eine Dispersion
umgewandelt. Die Durcharbeitung wird gestoppt und das Vakuum wird abgetrennt.
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Auf diese Weise erhält man 15 kg Kollagendispersion ohne Luftblasen.
Der Kollagengehalt liegt bei 2,5% und der Säuregehalt bei 0,2 %. Die Viskosität
dieser Dispersion liegt bei 44,6 Poise bei der Gleitgeschwindigkeit von 5,5 sec
1 wie in der Kurve I der Fig, 4 dargestellt. Hieraus ergibt sich die Scherkraft
F in dyn/cm2 in Abhängigkeit von der Gleitgeschwindigkeit D in sec 1 nach der Gleichung
1 1 = cotg g 1 = Ir~~- = 44,6 P Diese Dispersion wird in einer Wanne aus nichtkorrodierendem
Material gelagert, wohin sie unmittelbar durch Luftdruck aus dem Dispersionsreaktor
geleitet wird und wo sie einer Naturierung von mehreren Stunden unterliegt.
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Beispiel 2 Eine Suspension von 375 Gramm trockener Kollagenfasern,
die aus Rinderhaut stammen, in 12 Litern Wasser wird in den Dispersionsreaktor 1
mittels Unterdruck eingebracht, Der Reaktor wird daraufhin unter einen Luftdruck
von 1 kg/cm2 gebracht und die Suspension wird für 5 Minuten mittels der Turbine
7 bei 1.500 Umdrehungen pro Minute durchgearbeitet.
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Die Durcharbeitung wird dann gestoppt und der Luftdruck wird abgebaut.
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Dann wird eine Lösung von 75 Gramm Milchsäure in 2.550 Gramm Wasser
in den Reaktor eingeführt und dieser wird aufs Neue auf einen Luftdruck von 1 kg/cm2
gebracht. Die Suspension wird dann in eine mit Buft behaftete Dispersion durch zehnminütiges
Durcharbeiten mittels der Turbine bei einer Geschwindigkeit von 3.000 Umdrehungen
pro Minute umgeformt.
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Die Luftblasen verteilen sich gleichmäßig in der ganzen Dispersion
und wenn diese homogen ist, wird die Durcharbeitung gestoppt.
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Man erhält somit 15 kg einer luftbehafteten Kollagendispersion, deren
Säuregehalt bei 0,5 % liegt. Bei einer Eollagenkonzentration von 2,5 % hat die Dispersion
ein spezifisches Gewicht von 0,80 und ihre Viskosität beträgt 7 Poise bei der Gleitgeschwindigkeit
von 5,5 sec 1 wie die Kurve II der Fig. 4 zeigt, die der Gleichung 2 2 = cotga^-
2 F2 = 7,7 P folgt.
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Diese Dispersion kann dann in einer Wanne gelagert werden, wohin sie
in einfacher Weise mittels Luftdruck gebracht werden kann. Die Viskosität der Dispersion
ist geringer, wie sich aus Fig. 4 entnehmen läßt, als die Viskosität der bezüglich
der Konzentration analogen Dispersion, die keine Luftblasen aufweist.
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Die Anschläge 18 sind schwenkbar und gleitend auf den Füßen des Dreibeingestelles
17 angeordnet, so daß einerseits die
Stützung des Reaktors 1 möglich
ist, andererseits auch seine Loslösung von dem Deckel 4.
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Es versteht sich, daß die oben angegebenen, aus den geschaffenen Dispersionen
herzustellenden Produkte nur beispielshalber genannt wurden und hierin leine Beschränkung
des Schutzumfanges der Erfindung zu sehen ist.