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Vorrichtung zum Aufschließen von Gewebezellen (Zusatz zu DBP ......
(Patentanmeldung p2102481.7) ) Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufschließen
von Gewebezellen mittels eines Durchflußhomogenisators, in welchem die in Suspension
zugeführten Gewebezellen zwischen einem rotierenden Kolben und der feststehenden
Innenwand eines Hohlzylinders aufgeschlossen werden und der rotierende Kolben derart
von einer abdichtend gelagerten Antriebswelle angetrieben ist, daß er sich in dem
Zellhomogenat unter selbsttätiger Achsausrichtung frei dreht, nach DBP ....... (Patentanmeldung
P 210@ 481. 7) Der Durchflußhomogenisator nach dem Hauptpatent besitzt einen zylindrischen
Teflon-Kolben, der innerhalb des Plohlzylinders drehbar ist und sich unter selbsttätiger
Achsausrichtung so einstellt, daß sich eine über den Umfang, gleichmäßige Spaltbreite
zwischen Kolben und Hohlzylinder
ergibt. Dies hat den Vorteil einer
selbsttätigen Justierung des Kolbens, die außerordentlich wichtig ist, weil eine
Zwangs justierung wegen der geringen Spaltbreite von z.B. 60 Mikron nicht mit hinreichender
Genauigkeit durchführbar ist. Durch die "schwimmende" Lagerung des Kolbens wird
erreicht, daß sämtliche Zellen unabhängig von ihrer jeweiligen Lage am Kolbenumfang
einer bestimmten Scherbeanspruchung ausgesetzt werden, so daß das entstehende Zellhomogenat
die Zellbestandteile in gleichmäßiger Verteilung enthält.
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Für unterschiedliche Anwendungszwecke ist es nötig, die Spaltbreite
der Zeliengröße des zu untersuchenden Gewebes anzupassen, so daß normalerweise für
jeden Hohlzylinder ein ganzer aus mehreren Kolben verschiedener Durchmesser bestehender
Satz vorhanden ist, aus dem der jeweilige Kolben ausgesucht wird Es kann also bei
häufig wechselnder Zellsuspension erforderlich sein, oftmals einen neuen Kolben
einzusetzen, wozu jedes-mal zusätzliche Zeit benötigt wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Durchflußhojnogenisator
zu schaffen, mit dem es möglich ist, Zellen unterschiedlicher Größe ohne zwischenzeitliche
Stillsetzung aufzuschließen und die Spaltbreite exakt auf das gewünschte Maß einzustellen.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst,
daß der Kolben mit stetig verändertem Durchmesser ausgebildet ist, dem der ebenfalls
stetig veränderte Durchmesser des Hohlzylinders angepaßt ist, und daß eine den Kolben
gegenüber dem Hohlzylinder axial verstellende und damit den Abstand zwischen Kolben
und Hohlzylinder verändernde Stellvorrichtung vorsehen ist.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, die Spaltbreite
während des Betriebes zu verändern und somit der aufzuschließenden Zellgröße anzupassen.
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Vorteilhaft ist der senkrechtstehende Kolben von einer nach oben wirkenden
Feder unterstützt und liegt an einem an der Stellvorrichtung vorgesehenen Anschlag
an. Die Stellvorrichtung dient dann nur dazu, den Kolben um ein vorbestimstes Maß
nach unten zu drücken, um ihn in axialer Richtung festzulegen, damit die gewünschte
Spaltbreite eingehalten wird. Während des Betriebes, bei dem das Vorhomogenat von
unten her in den Raum zwischen Kolben und Hohlzylinder eingeführt wird, übt das
Homogenat zusätzlich einen gewissen nach oben wirkenden Druck auf den Kolben aus,
so daß jedenfalls in -Zusammenhang mit der Feder stets gewährleistet ist, daß-der
Kolben an seinem oberen Anschlag anliegt, so daß die Spaltbreite nicht größer ist
als die an der Stellvorrichtung bewirkte Einstellung es vorsieht. In der Regel wird
man die Konstruktion so wählen, daß der Kolben sich von unten nach oben verjüngt,
so daß der Innendurchmesser des Hohlzylinders sich von unten nach oben ebenfalls
entsprechend verringert. Durch die Stellvorrichtung in Form einer Mikrometerschraube
hindurch kann die an ihrem Ende mit einem Mehrkantkopf versehene Antriebswelle verlaufen.
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Damit ergibt sich eine gute bauliche Anordnung von Antriebswelle und
Mikrometerschraube, die beide an der oberen Stirnseite des Gehäuses angebracht sein
können.
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-Die Steigung des Rotorkegels, auf die die Feineinstellung der Stellvorrichtung
abgestimmt sein muß, beträgt bei einem der Praxis ausgeführten Durchflußhomogenisator
etwa l:5D. Damit ergibt sich'eine ausreichend genaue Verstellmöglichkeit
des
kegelig ausgebildeten Kolbens.
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Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die einzige Figur
der Zeichnung an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Die Zeichnung ze einen Querschnitt durch einen Durchflußhomogenisator
nach der Erfindung.
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Der mit 1 bezeichnete Kolben ist in Form eines nach oben sich verjüngenden
Kegels ausgebildet, dessen Steigung 1:50 beträgt.Er besteht aus Teflon und besitzt
an seiner oberen Stirnseite einen Stahleinsatz 8, in den das als Vierkant ausgebildete
Ende der Antriebswelle 6 hineinragt. Der Einsatz 8 ist entsprechend der Form des
Vierkantes ebenfalls mit einer vierkantigen oeffnung versehen.
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Die Passung ist so gewählt, daß der Kolben 1 entlang des Vierkantes
in axialer Richtung verschoben werden kann.
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Die Axialverschiebung wird nach oben hin durch die Anschlagfläche
30 einer vertikal ausgerichteten Stellschraube 31, durch die die Antriebswelle 6
hindurchläuft, begrenzt. Die als Mikrometerschraube ausgebildete Stellschraube 31
ist innerhalb eines Feingewindes 32 in der oberen stirnseitigen Begrenzungsplatte
33 verstellbar.
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Sie ist mit einer umlaufenden Skaleneinteilung 34 versehen, die der
Feineinstellung dient, während die vertikale, -relativ zur Mikrometerschraube 31
feststehende Skala 35 für die Grobablesung bestimmt ist.
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Der Kolben 1 ist von einem Glaszylinder 2 mit geschliffener oder polierter
Innenfläche umgeben, dessen Innendurchmesser sich entsprechend der Kegelsteigung
nach oben hin verjüngt. Der Glaszylinder 2+stn einem ebenfalls zylindrischen
Kühlmantel
3 aus Plexiglas umgeben, der zwei Stutzen 15 für die Kühlmittelzufuhr bzw. den Kühlmittelabfluß
besitzt.
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Der Glaszylinder 2 ist mit seinen stirnseitigen Rändern in umlaufende
Nuten an der oberen Begrenzungsplatte 33 und der unteren Begrenzungsplatte 36 eingesetzt.
Zur Abdichtung befinden sich in den Ringnuten Dichtungsringe 5. Die Abdichtung des
Kühlmantels 3 gegenüber den stirnseitigen Begrenzungsplatten 33,36 erfolgt ebenfalls
über in entsprechende Ringnuten eingesetzte 0-Ringe 5.
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Der Kolben 1 wird unter leichtem Federdruck nach oben gegen die Anschlagfläche
30 gedrückt. Der Federdruck wird von einer von unten zentrisch auf die Stirnfläche
des Kolbens einwirkenden Feder 37 aufgebracht, so daß dafür gesorgt ist, daß der
Kolben stets die von der Mikrometerschraube 31 vorgegebene Position einnimmt, und
damit die Spaltbreite den gewünschten Wert erreicht.
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Die stirnseitigen Begrenzungsplatten-33,36 sind durch parallel zur
Kolbenachse verlaufende Verschraubungsstangen 11, von denen in der Zeichnung nur
eine dargestellt ist, miteinander verspannt. hierdurch wird gleichzeitig der Glaszylinder
2 abdichtend zwischen den Begrenzungsplatten eingespannt. Um eine leichte Auswechselbarkeit
zu erreichen, sind die Verschraubungsstangen 11 mit Griffköpfen 38 ausgestattet.
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Der Zufluß für das Vorhomogenat befindet sich an der der Kolbenunterseite
gegenüberliegenden Begrenzungsplatte 36 in Form eines abgewinkelten Stutzens 39,
der in einer Bohrung 40 der Standkonsole 41 angeordnet ist. Durch die
Querbohrung
42 hindurch kann ein Schlauch auf den Stutzen 39 aufgesetzt werden.
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Der Auslaufstutzen 12 befindet sich an der oberen Begrenzungsplatte
33, in die er eingeschraubt ist. Er besitzt einen aufrechtstehenden Teil in Form
eines senkrechten Bolzens, an-dem die Skala 35 für die Grobablesung angebracht ist.
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Während des Betriebes wird der Kolben 1 über die Antriebswelle 6 flexibel,
beispielsweise über eine elastische Zwischenwelle,angetrieben, so daß er im aufsteigenden
Homogenat frei rotieren kann. Der Abstand zwischen Kolben und Glaszylinder ist so
gewählt, daß die größten Zellbestandteile - die Kerne (Durchmesser ca. 10 bis 20
Mikron)-ungehindert und unzerstört nach dem Abstreifen der Zellhülse den Homogenisierbereich
von unten nach oben passieren können.
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Zur Berechnung der Krafteinwirkung auf ein durchströmendes Teilchen
werden folgende Voraussetzungen gemacht:-1. Die Transportflüssigkeit hat eine konstante
Temperatur und damit gleichbleibende Viskosität, 2. die Oberfläehen-Eigenschaften
von Kolbenoberfläche und Glasinnenfläche sind in Bezug auf die anhaftende Flüssigkeit
in etwa gleichzusetzen, 3. die Trägerflüssigkeit hat eine nicht sehr große Zähigkeit.
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Unter.diesen Bedingungen gilt das Newton'sche Reibungsgesetz (zur
Bestimmung der inneren Reibung von FlUssigkeiten und Gasen).
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Bezeichnung: r1 = Kolbenradius und r2 = Glasrohrradius in gleicher
Höhe, r2-r = .#r = Spaltbreite w = Winkelgeschwindigkeit des Kolbens.
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v ist die örtliche Geschwindigkeit, F die Berührungsfläche zweier
Schichten unterschiedlicher Geschwindigkeit, in diesem Falle die Partikeloberfläche
und # die Viskosität.
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Setzt man im Bereich zwischen r2 und rl die Ausbildung eines annähernd
linearen Geschwindigkeitsgradienten voraus, so gilt in grober Näherung für die Berechnung
der Scherkraft (K), die auf die Oberfläche eines Teilchens endlicher Größe wirkt:
K - F dv (1) dar Für Teilchen, die den Spalt voll ausfüllen, gilt annähernd: K =
#.F . V = #.F.rl.W (2) #r #r.
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Gelegentlich ist es notwendig, den Spalt so zu verengen, daß die Zellen
beide Wandungen berühren, also zwischen Kolben und Glasrohr durch deren Oberflächen
aufgerissen werden. Dieser Fall kann wegen des direkten Oberflächeneinflusses nur
sehr ungenau rechnerisch erfaßt werden.
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Gleichung (2) gilt daher nur unter der Voraussetzung, daß'die Oberflächenwirkung
verglichen mit der Kraft K der inneren Reibung vernachlässigbar ist.
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In anderen Fällen kommt es darauf an, die Zellen möglichst ohne Wandberührung
im Kraftfeld des Geschwindigkeitsgradienten aufzuschließen. In diesem Fall bedient
man sich zur Bestimmung der mittleren Krafteinwirkung auf die Zelle der Formel (1).
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Die vorausgegangenen Berechnungen gelten nur, wenn eine Turbulenz
in der aufsteigenden Suspension vermieden wird.
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Dieser Umstand bedingt, daß Viskosität der Flüssigkeit, Kolbenradius,
Oberflächeneigenschaften von Kolben und Glasrohr, Spaltbreite br und Umlaufgeschwindigkeit
ver--bundene Größen sind und ihre jeweilige Variabilität auf einen begrenzten Bereich
festgelegt ist.
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Die Vorhomogenisation erfolgt entweder mit einem Fleischwolf, wobei
a) Gewebe in flüssigem Stickstoff und b) unterkühlte Frischgewebe zerkleinert wird,
oder mit einem geeigneten Messerhomogenisator in 10- bis 20-fachem Volumen an Puffer.
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Für den Einsatz zur kontinuierlichen Homogenisation wird unabhängig
von der Art des Vorhomogenisierens stets ein 10- bis 20-faches Volumen an Puffer
gegenüber,Frischgewebe eingesetzt.