DE3818237A1 - Hochdruckhomogenisator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochdruckhomogenisator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, Hochdruckhomogenisatoren für den Zellaufschluß zu ver­ wenden, wobei eine einen Ringspalt aufweisende Homogenisierdüse verwendet wird, durch die die aufzuschließende Biomasse mittels einer Hochdruckpumpe bei Drücken bis zu 1000 bar und mehr geführt wird. Je nach Art der Biomasse sind die Zellen mehr oder weniger gut aufschließbar, wobei der Aufschlußgrad durch mehrfaches Hindurchführen der Biomasse durch den Homogenisator verbessert werden kann. Jedoch sind die auch auf diese Weise erhaltenen Resultate meist unbefriedigend.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Hochdruckhomogenisator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, der einen merklich verbesserten Aufschlußgrad liefert.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Überraschenderweise erhält man durch das Hintereinanderschalten einer Messerkante und einer Ringausnehmung einen wesentlich verbesserten Aufschluß­ grad der behandelten Biomasse. Dies wird damit erklärt, daß es an der Messer­ kante bzw. in unmittelbarer Nähe hiervon zu einem Aufschluß durch Kavitation infolge des sehr engen durch die Messerkante und die gegenüberliegende Wandung gebildeten Spaltes im µm-Bereich, der zu einer starken Beschleunigung der Dispersion unter Kaviationsblasenbildung mit anschließendem Druckanstieg und Kollaps der Blasen mit starken lokalen Druckimpulsen führt, kommt, wodurch in unmittelbarer Nähe zur Messerkante ein erster Teil der Zellen zerstört wird, während die nachfolgende Ringausnehmung eine Turbulenzzone bildet, die zu ei­ nem weiteren Aufschluß führt. In der Ringausnehmung entsteht ein mikroturbu­ lenter Bereich, in dem die kleinsten Wirbel je nach Homogenisierungsdruck schätzungsweise zwischen etwa 0,2 und 0,35 µm liegen. Dort entstehen somit Druckfluktuationen in Größenbereichen, die wesentlich unter der Größe der zu zerkleinernden Körper liegen und zu deren Zerstörung beitragen. Durch Überla­ gerung dieser beiden Effekte können selbst schwer aufschließbare Zellen wirt­ schaftlich und mit großen Aufschlußgrad aufgeschlossen werden. Bei Drücken von üblicherweise mehr als 600 bar kann man bei unterschiedlichen Mikroorganismen Aufschlußgrade von mehr als 60% bis zu mehr als 90% erreichen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschrei­ bung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ausschnittweise und im Schnitt einen Hochdruckhomogenisator im Bereich der Homogenisierdüse.

Fig. 2 und 3 zeigen hälftig im Schnitt weitere Ausführungsformen.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist ein Gehäuse 1 vorge­ sehen, das mit einem Bodenteil 2 versehen ist, der einen zentralen Zuführkanal 3 für suspendierte Biomasse aufweist. In das Gehäuse 1 ist eine Spannhülse 4 eingesetzt, die eine Kammer 5 enthält, in die ein zentraler Zulauf 6 mündet, der mit dem Zuführkanal 3 in Verbindung steht. Die Kammer 5 besitzt radiale Austrittsöffnungen 7, die in einen Ringraum 8 münden, der die Spannhülse 4 be­ nachbart zu der Kammer 5 umgibt. Aufgeschlossene Suspension gelangt vom Ring­ raum 8 zu einem Ablauf 9 in der Wandung des Gehäuses 1, um von dort abgeführt zu werden.

Die Spannhülse 4 nimmt einen Innen- und einen Außenstempel 10 bzw. 11 auf. Der zentrale Innenstempel 10 befindet sich gegenüber von der Mündung des Zulaufs 6 und besitzt stirnseitig eine kegelförmige Ausnehmung 12 derart, daß sich an seinem stirnseitigen Umfang eine umlaufende Messerkante 13 ergibt, deren Durchmesser etwas größer als der Durchmesser des Zulaufs 6 an dessen Mündung ist.

Der den Innenstempel 10 konzentrisch umfassende Außenstempel 11 besitzt eine den Innenstempel 10 führende Bohrung 14, die stirnseitig eine Fase 15 von etwa 45° besitzt, so daß sich zwischen Innenstempel 10 und Außenstempel 11 eine Ringausnehmung 16 befindet, die im Schnitt die Form eines rechtwinkligen Dreiecks besitzt. An die Ringausnehmung 16 schließt sich ein Ringspalt 17 gleichbleibender Stärke an, der in die Kammer 5 mündet.

Die Stempel 10, 11 sind unabhängig voneinander auf nicht dargestellte Weise mechanisch, hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch in bezug zum Zulauf 6 zur Einstellung des Abstandes der Messerkante 13 von der gegenüberliegenden Kammerwandung und der Stärke des Ringspaltes 17 zustellbar.

Es sei angemerkt, daß der Abstand der Messerkante 13 von der gegenüber­ liegenden Kammerwandung und die Stärke des Ringspaltes 17 im Bereich von ei­ nigen µm liegen, während der Durchmesser des Innenstempels 10 im Bereich von einigen cm und die Tiefe und Breite der Fase 15 zwischen etwa 0,2 bis 1 mm, vorzugsweise 0,4 bis 0,6 mm betragen kann.

Der Ringausnehmung 16 kann, wie beispielhaft in Fig. 2 dargestellt ist, eine weitere Messerkante 18 folgen, die den Zellaufschluß durch Turbulenz noch verstärkt. Hierzu ist gemäß Fig. 2 der Innenstempel 10 stirnseitig vorzugs­ weise mit einer Verschleißplatte 19 versehen, deren umlaufende stirnseitige Kante die Messerkante 13 bildet. Die die Verschleißplatte 19 aufnehmende Aus­ nehmung besitzt stirnseitig die die Ringausnehmung 16 bildende Fase 15, die hier wiederum von der Querschnittsform eines gleichschenkligen, rechtwinkligen Dreiecks ist. In diesem Fall kann die Ringausnehmung 16 in ihrer Tiefe nicht verändert werden. Die stirnseitige Aussenkante des Innenstempels 10 bildet dann die weitere Messerkante 18, an die sich der parallel einstellbare Ring­ spalt 17 anschließt, der zwischen dem Außenstempel 11 und der gegenüberlie­ genden Kammerwand ausgebildet wird.

Um eine Messerkante 13 mit relativ großem Durchmesser zu erhalten, ist die Mündung des Zulaufs 6 kegelstumpfförmig erweitert, wobei der Kegelwinkel in der Größenordnung bis etwa 10° zur Erzielung eines flachen Mündungsbereichs liegt.

Die Messerkante 13 und die Ringausnehmung 16 können auch benachbart zu der kegelstumpfförmig erweiterten Mündung des Zulaufs 6 in der dem Stempel 10 gegenüberliegenden, die Kammer 5 begrenzenden Wandung ausgebildet sein.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist ein zentraler Stem­ pel 10 vorgesehen, der einen kegelstumpfförmigen Endabschnitt mit einer koni­ schen Fläche 20 aufweist, der sich in eine Bohrung 21 eines Ventilrings 22 erstreckt. Die Bohrung 21 ist teilweise mit Gewinde versehen und nimmt eine außen mit Gewinde versehene Hülse 23 auf, die in Richtung auf den Stempel 10 durch Verdrehen gegenüber dem Ventilring 22 mechanisch, hydraulisch, pneuma­ tisch oder elektrisch in nicht dargestellter Weise zustellbar ist. Die Mes­ serkante 13 wird hierbei durch die der konischen Fläche 20 benachbarte Kante der Bohrung 21 gebildet. Die im Schnitt rechtwinklig dreieckige Ringausnehmung 16 wird zwischen der Innenwand der Bohrung 21 und der Stirnwand der Hülse 23 gebildet. Die zweite Messerkante 18 bildet die der konischen Fläche 20 be­ nachbarte Kante der Ablaufbohrung 9. Statt der zweiten Messerkante 18 kann aber auch die Hülse 23 eine parallel zur konischen Fläche 20 verlaufende Flä­ che aufweisen, die dann mit ersterer den Ringspalt 17 ausbildet. Hierbei strömt die aufzuschließende Suspension zunächst in die den Stempel 10 endsei­ tig umgebende Kammer 5 und von dort zum Ablauf 9. Diese Ausführungsform des Stempels 10 hat den Vorteil, daß dieser sich bei seiner Zustellung gegen­ über der Messerkante 13 selbst zentriert. Außerdem sind die verschleißanfäl­ ligen Teile besonders klein und leicht auswechselbar.

Claims (16)

1. Hochdruckhomogenisator für den Aufschluß von Mikroorganismen oder anderer mikrobiologischer Strukturen, mit einer Homogenisierdüse, die eine Kammer (5) mit Zu- und Ablauf (6, 9) umfaßt, wobei zwischen Zu- und Ablauf (6, 9) ein Ringspalt (17) ausgebildet ist, dessen Stärke durch einen gegenüber einem feststehenden Düsenteil (1, 22) verstellbaren Stempel (10, 11) einstell­ bar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspalt (17) zulaufseitig eine umlaufende, den Strömungsweg verengende Messerkante (13) aufweist, an die sich ablaufseitig eine hierzu konzentrische, den Ringspalt (17) erweiternde Ringausnehmung (16) anschließt, deren Tiefe in Richtung von Zu- zu Ablauf (6, 9) abnimmt.

2. Hochdruckhomogenisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gegenüber der Mündung des Zulaufs (6) in die Kammer (5) angeordnete Stem­ pel (10) die Messerkante (13) trägt, deren Durchmesser etwas größer als der­ jenige der Mündung des Zulaufs (6) ist.

3. Hochdruckhomogenisator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Messerkante (13) eine zentrale, im wesentlichen konische Ausnehmung (12) an der Stirnseite des Stempels (10) begrenzt.

4. Hochdruckhomogenisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel (10) einen kegelstumpfförmigen Endabschnitt aufweist, während der feststehende Düsenteil (22) die Messerkante (13) aufweist und die ablaufseitig nachfolgende Ringausnehmung (16) benachbart zu der konischen Fläche (20) des Endabschnitts des Stempels (10) bildet.

5. Hochdruckhomogenisator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Zulauf (6) zur Kammer (5) eine kegelstumpfförmig erweiterte Mün­ dung gegenüberliegend von einem planen stirnseitigen Abschnitt des Stempels (10) aufweist.

6. Hochdruckhomogenisator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel (10) stirnseitig eine Verschleißplatte (19) trägt, deren dem Zu­ lauf (6) zugewandte Kante die Messerkante (13) bildet.

7. Hochdruckhomogenisator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ringausnehmung (16) von einer relativ zur Messerkante (13) verstellbaren Hülse (11, 23) begrenzt ist.

8. Hochdruckhomogenisator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (23) von einem die Messerkante (13) aufweisenden Ventilsitz (22) aufgenommen ist.

9. Hochdruckhomogenisator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (11) einen die Messerkante (13) aufweisenden Stempel (10) konzen­ trisch umfassender Hohlstempel (11) ist.

10. Hochdruckhomogenisator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringausnehmung (16) eine Fase (15) an der Kante der Führungsbohrung für den die Messerkante (13) aufweisenden Stempel (10) ist.

11. Hochdruckhomogenisator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringausnehmung (16) ablaufseitig durch eine weitere Messerkante (18) begrenzt ist.

12. Hochdruckhomogenisator nach einem der Ansprüche 1 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringausnehmung (16) im Schnitt etwa dreieckig ist.

13. Hochdruckhomogenisator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringausnehmung (16) eine maximale Tiefe von 0,2 bis 1 mm, vorzugsweise 0,4 bis 0,6 mm besitzt.

14. Hochdruckhomogenisator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringausnehmung (16) im Schnitt ein rechtwinkliges, im wesentlichen gleichschenkliges Dreieck darstellt.

15. Hochdruckhomogenisator nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel (10) stirnseitig eine Verschleißplatte (19) trägt.

16. Hochdruckhomogenisator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel (10) benachbart zur Stirnseite der Verschleißplatte (19) eine die Ringausnehmung (16) bildende Fase (15) aufweist.