DE19530247A1 - Druckhomogenisator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckhomogenisator für die Dispersierung nicht miteinander mischbarer Phasen von Stoffen unter Anwendung unterschiedlicher Prinzipien der Druck­ homogenisierung

Es ist bekannt, daß zur Herstellung von Dispersionen und Emulsionen verschiedene Druck-Homogenisierungsverfahren zur Anwendung gelangen.

Die DE 05 4 037 665 offenbart ein Verfahren zur Hochdruckhomogenisierung, bei dem das zu dispergierende Fluid ein- oder mehrstufig aus einer Hochdruckkammer über ein Ku­ gelventil mit geringem Druck in eine Kammer gepreßt wird. Die DE OS erläutert eine Möglichkeit über gezielte Anwendungsarten eine Strahlhomogenisierung zur Anwendung zu bringen, bei der unter hohem Druck das zu dispergierende Fluid auf eine Platte aufprallt. Eine äquivalente Lösung offenbart auch die DE OS 3 905 354. Mittels dieser Verfahren soll erreicht werden, die im Fluid enthaltene grobdisperse oder vordispergierte Phase fein zu verteilen und eine Feindispergierung zu erreichen, welche die Trennung nicht miteinander mischbarer Phasen verzögert oder verhindert.

Bekanntermaßen lassen sich mit Hilfe der Druckhomogenisierung, in Abhängigkeit von den Druckbedingungen, nicht miteinander mischbare Medien, hydrophile und hydrophobe Medien, in sedimentationsstabile Systeme umwandeln. Hierbei wird das disperse Medium in der kontinuierlichen Phase mit und ohne Zusatz von grenzflächenaktiven Substanzen sehr fein dispergiert. Mit Hilfe bekannter Druckhomogenisatoren lassen sich üblicherweise Dispersionen herstellen. Nachteilig ist jedoch dabei, daß beim Dispergieren mit dem Ein­ satz sehr empfindlicher Medien die Hochdruckhomogenisation infolge eines ungünstigen Druck-Entspannungs-Regimes zur negativen Veränderung der im Fluid dispergierten Phase führen kann, wenn Ventile mit nicht zureichenden Eigenschaften verwendet werden. Insbesondere der Einsatz grenzflächenaktiver Biopolymere zur Unterstützung der Herstel­ lung koaleszenzstabiler Öl-in-Wasser- und Wasser-in-Öl-Dispersionen erfordert Emulgier­ bedingungen, die sich nicht negativ auf die Biopolymere, wie z. B. grenzflächenaktive Pro­ teine und die dispergierte Phase, als beispielsweise verstärkte Bildung von Partikelaggrega­ ten, auswirken. Es ist wiederholt versucht worden, durch eine Senkung des Druckes bei der Hochdruckhomogenisation geeignete Emulgierbedingungen zur Herstellung der Disper­ sionen zu finden, die mit sehr denaturierungsempfindlichen Proteinen stabilisiert werden sollen. Um eine ausreichende Partikelzerkleinerung zu erreichen, ist ein Mindestdruck vor dem Ventil erforderlich.

Ein weiterhin bekanntes Verfahren besteht darin, die Strahlhomogenisierung für empfindli­ che Proteine anzuwenden, da dieses Verfahren ein schonenderes Regime hat. Hierfür ist jedoch zur Erprobung geeigneter Emulgierbedingungen die Nutzung eines gesonderten Gerätes notwendig. Zur Findung geeigneter Hochdruckhomogenisierbedingungen für pro­ teinhaltige Systeme oder Substanzen sind neben bekannten Hochdruckgeräten mit Ventilen auch andere Geräte mit Strahldüsen in die vorlaufenden Testversuche einzubeziehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckhomogenisator für die Dispersie­ rung nicht miteinander mischbarer Phasen, unter Anwendung unterschiedlicher Prinzipien der Druckhomogenisierung, zu schaffen, mit dem es ermöglicht wird, die Erprobung unter­ schiedlicher Prinzipien der Homogenisierung vorzunehmen und die Wirkungsweisen unter­ schiedlicher Homogenisatoren zu vereinen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Druckhomogenisator aus einem Gehäuse besteht, in dem eine Andruckvorrichtung gegenüber einem Düseneinsatz angeordnet ist, wobei die Andruckvorrichtung und der gegenüberliegende Düseneinsatz zwischen sich eine Kammer ausbilden, indem wahlweise anwendbare Arbeitselemente angeordnet sind. Der Düseneinsatz ist mit einer Düse ausgerüstet. Es ist im Sinne der Erfindung, daß die Arbeitselemente gegeneinander austauschbar in der Kammer vorgese­ hen sind. Ausgestaltet ist die Erfindung dadurch, daß das Arbeitselement ein Ventil ist, das als Kugel ausgebildet, in einer zentrisch zur Düse ausgebildeten Ausnehmung geführt, zur Anlage kommt und auf der Andruckvorrichtung aufliegend in der Kammer angeordnet ist. Die Erfindung ist sinnvoll ausgebildet, wenn das Arbeitselement ein Prallelement ist, das eine Prallplattenkammer aufweist, die dem Düseneinsatz entgegengerichtet ist und plan­ parallel auf der Andruckvorrichtung aufliegt. Es ist eine Ausgestaltungsform der Erfin­ dung, daß das Prallelement in der Seitenwand der Plattenkammer eine Bohrung aufweist, die mit einer Bohrung im Gehäuse des Druckhomogenisators zentrisch in Übereinstim­ mung gebracht ist und einen geregelten Abfluß der Dispersionsflüssigkeit gestattet. Ausge­ staltet ist die Erfindung weiterhin dadurch, daß die Düseneinsätze auf einem Gegenlager durch den Druck aus der Hochdruckkammer gehalten werden und dabei fixiert sind. Die Düseneinsätze sind vorteilhafterweise austauschbar ausgebildet. Es ist eine Ausführungs­ möglichkeit der Erfindung, wenn die im Düseneinsatz angeordnete Düse als Strahldüse ausgebildet ist. Es ist ein Vorzug der Erfindung, daß die Andruckvorrichtung eine Feder aufweist und federnd im Gehäuse des Druckhomogenisators angeordnet ist.

Vorteilhaft können mit dem Druckhomogenisator, durch das erfindungsgemäße Auswech­ seln der Kugel gegen das Prallelement, mit geringem gerätetechnischen Aufwand sehr unterschiedliche Hochdruckhomogenisierbedingungen in kurzer Zeit getestet und optimiert werden. Ein erheblicher Vorteil ist auch die Möglichkeit der Anpassung der Homogenisier­ bedingungen an die zu homogenisierenden Medien. So lassen sich mit dem erfindungsge­ mäßen Druckhomogenisator auch Fluide mit Inhaltsstoffen behandeln, die bei explosionsar­ tigen Druck-Entspannungs-Vorgängen oder energie-intensiver Scherdispergierung struktu­ rellen Veränderungen unterliegen und durch Strahldüsenhomogenisation günstiger zu behandeln sind. Die Strahldüsenhomogenisation kann so gewählt werden, daß durch den Aufprall auf die Prallfläche eine ausreichende Dispergierung der Phasen ohne negativen Einfluß auf die molekulare Struktur der Inhaltsstoffe erfolgt. Derartige Inhaltsstoffe kön­ nen z. B. auch empfindliche grenzflächenaktive Proteine sein, die einerseits den Dispergier­ prozeß durch Senkung der Grenzflächenspannung fördern und andererseits die Koaleszenz­ stabilität der dispersen Phase durch Ausbildung stabiler Grenzflächen unterstützen. In Abhängigkeit von den Druck-Entspannungs-Vorgängen können jedoch die Proteine stark denaturieren, dabei ihre Grenzflächeneigenschaften verändern und den Homogenisiereffekt durch Ausflockung negativ beeinflussen. Mit dem erfindungsgemäßen Druckhomogenisa­ tor können die hierfür geeigneten Homogenisierbedingungen kostengünstiger und schneller ermittelt werden.

Ein weiterer Vorteil ist auch die Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung zur Ermitt­ lung geeigneter Emulgierbedingungen für multiple Emulsionen, zu denen die W₁/O/W₂- und O₁/W/O₂-Systeme gehören. Somit können mit dem erfindungsgemäßen Druckhomo­ genisator die Bedingungen zur Herstellung der W₁/O- und O₁/W-Dispersionen und zur Dispergierung der W₁/O in W₂ bzw. der O₁/W in O₂ unter Variierung der Druck-Ent­ spannungs-Bedingungen (Kugelventil) und der Strahlhomogenisierung (Prallplatte) unter­ sucht werden.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 den Druckhomogenisator mit Kugelventil

Fig. 2 den Druckhomogenisator mit Prallelement.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß im Hochdruckhomogenisator eine Düse 2 hinter einer Hochdruckkammer 1 so angeordnet ist, daß ein Ventil 3 gegen ein Prallele­ ment 4 ausgetauscht werden kann, das aus einem unten abgeflachten Zylinder besteht, dessen innerer Boden, wie in Fig. 2 dargestellt, als Prallfläche 5 dient. Die Düse 2 ist entsprechend Fig. 1 so gestaltet, daß sie austauschbar ist und auch als Strahldüse Verwen­ dung findet, oder durch das Ventil 3, welches als Kugel ausgebildet ist, verschlossen werden kann. Bei der Strahldüsen-Dispergierung kann der Staudruck bzw. Abfluß über Stutzen 9 aus einer Prallplattenkammer 7 durch entsprechende Dimensionierung der Boh­ rung 6 im Prallelement 4 reguliert werden. Dazu ist das Ventil 3 aus der Kammer 1 des Gehäuses 13 entnommen worden. Über die Einordnung eines Abflusses, als Bohrung 6 in der Gehäusewand ausgebildet, die Auswahl der Düsenöffnung, den Abstand der Prallflä­ che 5 von der Düsenöffnung und den Druck vor der Düse 2 mittels Feder 11, wird der Dis­ pergiereffekt beeinflußt.

Eine Ausführungsform besteht darin, genormte Düseneinsätze 10 mit unterschiedlicher Düsenöffnung zu verwenden, die zugleich für die Hochdruckhomogenisation mittels Ven­ til 3 und für die Hochdruckhomogenisation mittels Prallelement 5 geeignet sind.

Eine mit großem Vorteil einzusetzende Kombination besteht in der Verwendung gleicher Düsen 2 für die Hochdruckhomogenisation mittels ungerichteter Fluidströmung (Druckent­ spannung) und gerichteter Fluidströmung (Aufprall).

Eine Ausführungsform besteht darin, daß die Austrittsöffnung der Düse 2 so geformt ist, daß sie mit der bereits angeführten Kugel 3 abgedichtet und das Fluid bei der Überwin­ dung der eingestellten Andruckkraft seiflich ungerichtet entspannt wird. Die abgefederte Andruckvorrichtung 8 für die Kugel 3 ist zugleich auch Halterung des Prallelementes 4.

Bezugszeichenliste

1 Hochdruckkammer
2 Düse
3 Ventil
4 Prallelement
5 Prallfläche
6; 6′ Bohrung
7 Prallplattenkammer
8 Andruckvorrichtung
9 Stutzen
10 Düseneinesatz
11 Feder
12 Kammer
13 Gehäuse
14 Ausnehmung

Claims (9)

1. Druckhomogenisator für die Dispersierung nicht miteinander mischbarer Phasen von Stoffen unter Anwendung unterschiedlicher Prinzipien der Druckhomogenisierung, bestehend aus einem Gehäuse, in dem eine Andruckvorrichtung gegenüber einem Düseneinsatz angeordnet ist, die zwischen sich eine Kammer ausbilden, dadurch gekennzeichnet, daß in der mit dem Düseneinsatz (10) und der Andruckvorrichtung (8) ausgebildeten Kammer (12) wahlweise anwendbare Arbeitselemente angeordnet sind, und in dem Düseneinsatz (10) eine Düse (2) eingeordnet ist.

2. Druckhomogenisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsele­ mente in der Kammer (12) auswechselbar sind.

3. Druckhomogenisator nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitselement ein Ventil (3) ist.

4. Druckhomogenisator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (3) als eine Kugel ausgebildet ist, die in einer zentrisch zur Düse (2) ausgebildeten Ausneh­ mung (14) geführt, zur Anlage kommt und auf der Andruckvorrichtung (8) aufliegend in der Kammer (12) angeordnet ist.

5. Druckhomogenisator nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitselement ein Prallelement (4) ist, planparallel auf der Andruckvorrichtung (8) aufliegt, und eine Prallplattenkammer (7) aufweist, die dem Düseneinsatz (10) entgegengerichtet ist.

6. Druckhomogenisator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Prallele­ ment (4) in der Seitenwand der Prallplattenkammer (7) eine Bohrung (6) aufweist, die mit der Bohrung (6′) des Gehäuses (13) in eine Durchtrittsüberdeckung gebracht, zum geregelten Abfluß der Flüssigkeit angeordnet ist.

7. Druckhomogenisator nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Düseneinsätze (10) als Gegenlager, durch den Druck aus der Hochdruckkammer gehal­ ten und fixiert, austauschbar ausgebildet sind.

8. Druckhomogenisator nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,daß Düse (2) geöffnet als Strahldüse ausgebildet ist.

9. Druckhomogenisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Andruck­ vorrichtung (8) eine Feder (11) aufweist und federnd im Gehäuse (13) angeordnet ist.