DE60304883T2 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung einer dispersion oder einer emulsion - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur herstellung einer dispersion oder einer emulsion Download PDF

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Description

  • – GEGENSTAND UND BEREICH DER ERFINDUNG –
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Dispersion oder einer Emulsion aus wenigstens zwei als nicht mischbar angesehenen Fluiden. Die Herstellung einer Dispersion oder eine Emulsion ist die Mischung aus zwei nicht mischbaren Fluiden, in der eines dieser Fluide (als „disperse Phase" bezeichnet) in Form von Tröpfchen in dem anderen Fluid dispergiert ist (als „Dispersionsmittel" bezeichnet). Von der Größe der Tröpfchen hängen zahlreiche Eigenschaften ab, und ganz allgemein ist die Dispersion umso interessanter als diese Größe gering und homogen ist: je kleiner die Tröpfchen sind, desto stabiler ist die Dispersion; im klassischen Fall, in dem die disperse Phase der Vektor eines Wirkstoffprinzips ist, ist die Diffusion des Wirkstoffprinzips umso besser, je kleiner die Tröpfchen sind.
  • – STAND DER TECHNIK –
  • Um eine gewisse Feinheit der Tropfen zu erreichen, ist die Heranziehung einer mechanischen Schüttelwirkung bekannt, insbesondere unter Einsatz von Schüttlern mit Drehwerk, Geräte mit Rotor-Stator, Hochdruckgeräte, Homogenisierungsgeräte und andere Geräte mit Strahl, Geräte mit Ultraschall, Membran-Emulgatorgeräte.
  • Schüttler mit Drehwerk sind die ältesten Geräte, ihre Funktionsweise und ihre mechanische Wirkung sind wohlbekannt: Es wurden zahlreiche Studien über den Einfluss der Geometrie der Behälter und der Drehwerke sowie über die Schüttelgeschwindigkeit durchgeführt. Die aufgewendete mechanische Energie ist sehr ungleichmäßig und die Volumenleistungen sind begrenzt. Darüber hinaus ist die mechanische Wirkung nur auf die Enden des Drehwerks konzentriert.
  • In den Systemen mit Rotor-Stator wird eine Krone im Verhältnis zu einer anderen Krone in Rotation versetzt, und es wird eine zu bearbeitende Flüssigkeit zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen dieser beiden Kronen hindurchgefördert. Damit schafft der Geschwindigkeitsunterschied zwischen den beiden Kronen eine Abscherwirkung, die man unter Verringerung der Entfernung zwischen den beiden Kronen optimiert. Es gibt zahlreiche Geometrien der Geräte mit Rotor-Stator, einige Systeme umfassen mehrere Kronenreihen. Diese in der Industrie verbreiteten Systeme sind insbesondere für Dispersionen hoher Viskosität geeignet.
  • Hochdruckgeräte, Homogenisatoren, die unter dem Namen Microfluidizer (angemeldete Marke) bekannten Geräte und andere Geräte mit Strahl sind Gegenstand der jüngsten Entwicklungen. Ihr Prinzip besteht darin, ein Fluid unter Druck zu setzen (bis zu 200 MPa), das im Allgemeinen eine Prä-Dispersion, gefolgt von einer plötzlichen Entspannung in einem geeigneten Kopf ist, was damit dem Fluid eine hohe mechanische Energie zuführt. Homogenisatoren besitzen einen aus einer Öffnung geformten Kopf, eine Klappe und Einschlagsplatten. Das Prinzip des Microfluidizers (angemeldete Marke) besteht in dem Trennen des Hauptfluids und dem anschließenden Hervorrufen einer Kollision der sekundären Fluide. Zu nennen ist ebenfalls ein System, das darauf beruht, die disperse Phase unter Druck zu setzen, diesen Druck plötzlich in einem kohärenten Strahl abzubauen und es schließlich mit dem Dispersionsmittel in Kontakt zu bringen. Die auf diesen Prinzipien basierenden Vorrichtungen werden mit den Grenzen der Widerstandsfähigkeit der Ausrüstungen konfrontiert (hohe Abnutzung, Gefahr des Bruchs des Materials unter hohen Belastungen). Darüber hinaus führt das eigentliche Prinzip einer Entspannung zu einer Erhitzung des Fluids, die für das Endprodukt schädlich sein kann.
  • Auch Ultraschall stellt ein Mittel zur Ausübung einer mechanischen Wirkung auf die Schnittstelle der beiden Phasen dar. Es gibt mehrere Typen von Ultraschallgeneratoren: die ersten, als Sendeempfänger bezeichneten Typen, wandeln ein schwingendes elektrisches Signal in Ultraschall-Schwingungen um; die zweiten, als Pfeifen bezeichneten Typen, wandeln die Energie eines Fluidstrahls nach dem Prinzip einer vibrierenden Lamelle oder eines Resonanzraums in Ultraschallvibrationen um.
  • Ultraschall werden mehrere Wirkungen zugeordnet:
    • – die von den mechanischen Schwingungen hervorgerufene Bewegung (Mikroströme);
    • – die Druckabweichungen in dem dem Ultraschall unterzogenen Milieu;
    • – die Kavitation, ein Kreationsphänomen, das Schwingen und die Implosion von Bläschen, die eine sehr starke Energie freisetzt.
  • Der Vorteil derartiger Systeme besteht darin, dass sehr hohe Volumenenergien erreicht werden. Die Energie wird jedoch sehr ungleichmäßig zugeführt, und das Kavitationsphänomen ist durch die Theorie noch nicht vollständig beschrieben, was bei der Entwicklung von zu übernehmenden Vorrichtungen und Verfahren zur Übernahme von im Wesentlichen empirischen Ansätzen verpflichtet.
  • Ein anderes System zur Herstellung einer Emulsion ist die Membran-Emulgierung: Durch einen porösen Körper wird die disperse Phase gefördert, die die Tropfen an der Oberfläche dieses Körpers bildet, das Ablaufen des Dispersionsmittels an der Oberfläche des porösen Körpers erlaubt das Antreiben der Tropfen. Die an der Schnittstelle übertragene Energie wird durch die auf die Reibungen in dem Dispersionsmittel zurückzuführenden Verluste begrenzt; infolgedessen weisen die angetriebenen Tropfen eine größere Größe auf (rund die 4- bis 5-fache Porengröße), und es tritt ein Koaleszenzphänomen an der Oberfläche des porösen Körpers auf, was die Größe der Tropfen und die Ungleichmäßigkeit der Tropfenpopulationen verstärkt. Das Koaleszenzproblem tritt dann auf, wenn wenigstens zwei auf benachbarten Poren gebildete Tropfen sich vereinen, um nur einen einzigen Tropfen zu bilden. Eine Lösung zu diesem störenden Phänomen wird in dem Patent JP2-214537 in Betracht gezogen. Sie besteht in dem Hinzufügen einer Ultraschallbestrahlung des porösen Körpers. Die von einem Standardwaschsystem erzeugte Welle wird auf dem Weg eines Fluids übertragen. Mit einer Ultraschallquelle mittlerer Intensität hemmt die damit geschaffene Bewegung die Koaleszenz, aber mit einer höheren Energie befindet man sich in eine Konfiguration einer standardmäßigen Ultraschall-Dispersionsmaschine mit mechanischen Verlusten und einer Ungleichmäßigkeit der Wirkung erzeugt.
  • Alle diese Vorrichtungen weisen ganz allgemein den mehr oder weniger stark ausgeprägten Nachteil auf, eine sehr hohe globale Energiezuführung im Verhältnis zu der Arbeitsenergie im mikroskopischen Bereich zu erfordern (Ertrag unterhalb von 10 %). Dies lässt sich durch die Tatsache erklären, dass die mechanische Energie durch die Fluide bis zur Schnittstelle übertragen wird, was zu Verlusten durch Fluidreibung führt, die zehnmal höher liegen als die Arbeitsenergie. Dieser Energieverlust kommt im Allgemeinen durch eine erhebliche Temperaturerhöhung zum Ausdruck oder durch ein Material, das man bis zu seinen Leistungsgrenzen beansprucht, um zufrieden stellende Ergebnisse zu erzielen. Darüber hinaus sind die Volumen, in denen die mechanische Energie zugeführt wird, um 10–10 m3 bei den Aktionen auf den Nutzvolumen höher (Größe der dispergierten Partikel, Zellen, usw.), klassischerweise in der Größenordnung von 10–18 m3. Angesichts der Unterschiede bei der Größenordnung können die eingesetzten Vorrichtungen die Homogenität der mechanischen Wirkung, seiner Auswirkungen und damit des erhaltenen Produkts nicht gewährleisten.
  • – DARLEGUNG DER ERFINDUNG –
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einr Emulsion aus wenigstens zwei als nicht mischbaren angesehenen Fluiden vorzuschlagen, das die vorgenannten Nachteile vermeidet und das die Herstellung einer homogenen Emulsion oder einer homogenen Dispersion in feinen Tropfen erlaubt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es ebenfalls, eine dieses Verfahren umsetzende Vorrichtung vorzuschlagen, indem eine mechanische Wirkung direkt auf die Schnittstelle der beiden Phasen ausgeübt wird, was den Erhalt von feineren und homogeneren Dispersionen mit einem besseren energetischen Ertrag erlaubt.
  • Zu diesem Zweck ist der Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Dispersion oder einer Emulsion aus wenigstens zwei als nicht mischbar angesehenen Fluiden, wobei die Fluide eine disperse Phase und ein Dispersionsmittel bilden, wobei die disperse Phase durch einen porösen Körper in das Dispersionsmittel gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Körper durch eine mechanische, elektrische oder magnetische Anregung in Schwingungen versetzt wird.
  • Das Dispersionsmittel zirkuliert bevorzugt an der Austrittsfläche des porösen Körpers:
    Gemäß einer Variante des Verfahrens lässt man die Emulsion in dem porösen Körper rezirkulieren, der sich im Laufe des Prozesses mit disperser Phase belädt.
  • Auf bevorzugte Weise werden die Frequenzen und/oder die Stärke der Schwingungen gesteuert.
  • Vorteilhaft wird wenigstens ein Emulgator zu wenigstens einer der beiden Phasen hinzu gegeben.
  • Bevorzugt wird die disperse Phase unter hinsichtlich Temperatur, Druck, Durchsatz, Zusammensetzung und Bewegung kontrollierten Bedingungen durch den porösen Körper gefördert.
  • Vorteilhaft zirkuliert das Dispersionsmittel unter hinsichtlich Temperatur, Druck, Durchsatz, Zusammensetzung und Bewegung kontrollierten Bedingungen an der Oberfläche des porösen Körpers.
  • In einer anderen Variante dieses Verfahrens wird der Anregung bei den Frequenzen, welche die Schwingungen des porösen Körpers hervorrufen, eine Welle im Frequenzbereich von Mikrowellen überlagert, was zu einer Erwärmung des porösen Körpers führt.
  • Das Verfahren besteht bevorzugt aus der Verwendung der genannten Dispersion oder der Emulsion zur Herstellung von kosmetischen, dermopharmazeutischen oder pharmazeutischen Produkten.
  • Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls eine Vorrichtung zur Herstellung einer Dispersion oder einer Emulsion aus wenigstens einem Fluid, mit wenigstens:
    • – einem porösen Körper, der wenigstens eine porösen Bereich aufweist, durch den das Fluid gefördert werden kann, wobei der genannte poröse Körper eine innere Ausnehmung aufweist,
    • – eine Hülle, die zumindest den genannten porösen Bereich dicht umgibt, so dass eine äußere Ausnehmung gebildet wird, in welche der genannte poröse Bereich mündet, wobei das Fluid in die äußere Ausnehmung eingebracht werden kann,
    dadurch gekennzeichnet, dass sie ein System zum Versetzen des porösen Körpers in Schwingungen aufweist, um unmittelbar Schwingungen auf den porösen Körper anzuwenden.
  • „Direkt" im Sinne der Erfindung wird in dem Sinne gebraucht, dass die Schwingungen im Gegensatz zum Stand der Technik nicht im Wesentlichen über eines der Fluide übertragen werden.
  • Die Vorrichtung kann im Sinne der Erfindung auf die Herstellung einer Emulsion oder einer Dispersion ausgehend von zwei als nicht mischbar angesehenen Fluiden oder auf die Homogenisierung einer Emulsion oder einer Dispersion ausgehend von einem und demselben Fluid angewendet werden.
  • Die Vorrichtung umfasst bevorzugt ein Versorgungssystem mit Fluid, welches in der Lage ist, das genannte Fluid unter hinsichtlich Temperatur, Druck, Durchsatz, Zusammensetzung und Bewegung kontrollierten Bedingungen in die äußere Ausnehmung zu leiten.
  • Die Vorrichtung umfasst vorteilhaft ein Versorgungssystem mit einem anderen Fluid, welches in der Lage ist, das andere Fluid unter hinsichtlich Temperatur, Druck, Durchsatz, Zusammensetzung und Bewegung kontrollierten Bedingungen in die innere Ausnehmung zu leiten.
  • Auf bevorzugte Weise umfasst die Vorrichtung ein Entnahmesystem, welches den Abzug und die Lagerung oder die Überführung der Emulsion oder der Dispersion zu einem anderen System oder auch die Rezirkulation der Emulsion oder der Dispersion ermöglicht.
  • Gemäß einer Ausführung besteht das System zum Versetzen des porösen Körpers in Schwingungen aus einer Spirale, die mit einer Wechselstromquelle verbunden ist und die Hülle umgibt, welche für die von der Spule erzeugten magnetischen Wellen permeabel ist, wobei der poröse Körper aus einem magnetostriktiven Material besteht.
  • Gemäß einer weiteren Ausführung besteht das System zum Versetzen des porösen Körpers in Schwingungen aus einem leitfähigen, koaxial zu dem porösen Körper angeordneten Schaft und einer leitfähigen Hülle, wobei der genannte leitfähige Schaft und die genannte leitfähige Hülle mit einer Wechselstromquelle verbunden sind und der poröse Körper aus einem piezoelektrischen Material besteht.
  • Der leitfähige Schaft und/oder die Oberfläche des porösen Körpers sind bevorzugt mit einem Isolator bedeckt.
  • Gemäß eines weiteren Ausführungsmodus besteht das System zum Versetzen des porösen Körpers in Schwingungen aus zwei Sendeempfängern, die an den Enden des porösen Körpers befestigt und mit einer Wechselstromquelle verbunden sind, wobei die genannten Sendeempfänger aus einem piezoelektrischen Material bestehen.
  • Jeder Sendeempfänger weist vorteilhaft ein an der Hülle befestigtes Trägermittel auf, wobei das Trägermittel eine Aussparung aufweist, in welche ein Ende des porösen Körpers positioniert ist, wobei das genannte Trägermittel wenigstens ein Paar Radialbohrungen aufweist, wobei jedes Paar ein piezoelektrisches Element in einer Bohrung und ein elastisches Beaufschlagungsmittel in der anderen Bohrung desselben Paares enthält, um das piezoelektrische Element gegen den porösen Körper in Anlage zu halten, wobei die Bohrungen desselben Paars einander diametral gegenüber liegen.
  • Auf bevorzugte Weise weist das Trägermittel zwei Paare von Bohrungen auf, wobei die beiden Bohrungspaare in zueinander senkrechten Richtungen angeordnet sind und dadurch, dass die beiden piezoelektrischen Elemente mit Signalen gespeist werden, die um eine Viertelperiode zueinander versetzt sind und zusammen mit den Vorspannungsfedern eine Bewegung des porösen Körpers entlang einer im Wesentlichen kreisförmigen Bahn bewirken.
  • – KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN –
  • Die Erfindung wird besser verstanden und weitere Aufgaben, Einzelheiten, Merkmale und Vorteile derselben werden im Verlauf der detaillierten erläuternden nachfolgenden Beschreibung mehrerer rein beispielhaft und nicht einschränkend genannter Ausführungsmodi der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen deutlicher.
  • In diesen Zeichnungen:
  • stellt 1 einen Längsschnitt eines den porösen Körper und ein magnetisches Anregungsmittel enthaltendes Moduls und einen Schnitt gemäß der Achse A-A dieses Moduls dar;
  • ist 2 ein Längsschnitt eines den porösen Körper und ein elektrisches Anregungsmittel enthaltenden Moduls und einen Schnitt gemäß der A-A dieses Moduls;
  • ist 3 ein Längsschnitt eines den porösen Körper und ein mechanisches Anregungsmittel enthaltenden Moduls und einen Schnitt gemäß der Achse A-A dieses Moduls;
  • ist 4 eine schematische Darstellung einer Umsetzung der Erfindung;
  • ist 5 eine schematische Darstellung einer Umsetzung der Erfindung mit Rezirkulation der Emulsion oder der Dispersion;
  • ist 6 eine detaillierte schematische Darstellung der in 5 dargestellten Vorrichtung;
  • ist 7 ein Längsschnitt eines den porösen Körper und ein mechanisches Anregungsmittel gemäß einem zweiten Ausführungsmodus enthaltenden Moduls;
  • ist 8 eine perspektivische Ansicht eines Verbindungsstutzens;
  • ist 9 ein Schnitt gemäß der Achse IX der 7 eines den porösen Körper und ein mechanisches Anregungsmittel enthaltenden Moduls; und
  • ist 10 ein die Ergebnisse des Anwendungsbeispiels darstellendes Diagramm.
  • – BESCHREIBUNG –
  • In den 1, 2, 3 und 7 stellt sich die Vorrichtung in Form eines aktiven Moduls 2, 102 und 202 dar.
  • Gemäß 1 wird dieses Modul 2 aus einem porösen Körper 24, einer Spule 27 und einer Hülle 23 gebildet.
  • Der poröse Körper 24 weist die Form eines hohlen Zylinders auf, dessen zentraler poröser Teil 42 in der Hülle 23 in zum porösen Körper 24 koaxialer zylindrischer Form inbegriffen ist. Der zwischen dem porösen Körper 24 und der Hülle 23 inbegriffene Raum definiert eine externe Ausnehmung 21.
  • Die Hülle 23 wird an den Enden 43 des porösen Körpers 24 durch ein Abdichtungssystem 25 und 25' verbunden. Im Innern des porösen Körpers 24 wird ebenfalls eine interne Ausnehmung 22 definiert.
  • Die mit einer Wechselstromquelle 4 mit einstellbarer Leistung und Frequenz angeschlossene Spule 27 produziert ein schwingendes Magnetfeld. Der poröse Körper 24 wird aus einem magnetostriktiven Material realisiert und die Hülle 23 aus einem für die von der Spule 27 produzierten magnetischen Wellen durchlässigen Material.
  • Die disperse Phase 40 wird von der Öffnung 26 in der externen Ausnehmung 21 mitgenommen, dann wird sie über den porösen Teil 42 bis zur internen Ausnehmung 22 auf der Höhe der so genannten Austrittsfläche gefördert, wo sie mit dem vom linken Ende 43 des porösen Körpers zu seinem rechten Ende zirkulierenden Dispersionsmittel 44 in Kontakt gebracht wird. Der Kontakt der dispersen Phase 40 in Form von Tröpfchen nach dem Durchgang durch den porösen Teil 42 und des Dispersionsmittels 44 ist die Basis für die Emulsion oder die Dispersion 41.
  • Die Hülle 23 übernimmt die Rolle der Bildung der dispersen Phase 40, die durch den porösen Körper 24 gefördert wird und die Vibrationen des porösen Körpers 24 ohne Beeinträchtigung desselben erlaubt.
  • Das Abdichtungssystem 25 und 25' kann vorteilhaft aus zwei gleichzeitig die Abdichtung und die Mobilität des porösen Körpers im Verhältnis zur Hülle 23 gewährleistenden elastischen Dichtungen gebildet werden.
  • Der in 1 dargestellte Ausführungsmodus ist ein System zum Versetzen in Schwingungen 51 durch magnetische Anregung, das heißt, dass das System 51 aus der an die Spule 27, deren Geometrie die Ausübung eines alternativen Magnetfeldes auf den porösen Körper 24 auszuüben, angeschlossenen Wechselstromquelle 4 gebildet wird.
  • Der auf diese Weise einem schwingenden Magnetfeld unterzogene poröse Körper 24 vibriert und übt auf der Schnittstelle der beiden Phasen 40 und 44 die gewünschte mechanische Wirkung aus. Durch diese an der Schnittstelle der Phasen 40 und 44 produzierte mechanische Wirkung werden die auf diese Weise gebildeten Tröpfchen rasch von der Pore getrennt, von der sie stammen und vermischen sich mit dem Dispersionsmittel 44 mit einer sehr kleinen Tröpfchengröße.
  • Der in 2 dargestellte Realisierungsmodus stellt ein System zum Versetzen in Schwingungen 151 durch elektrische Anregung dar.
  • Identische Elemente werden mit denselben Bezugszeichen versehen und werden nicht noch einmal beschrieben.
  • Das aktive Modul 102 unterscheidet sich von dem, das in 1 dargestellt wird, nur durch das System zum Versetzen in Schwingungen.
  • Das System zum Versetzen in Schwingungen 151 umfasst dann eine mit den leitenden Flächen, zwischen denen der poröse Körper 24 platziert wird, verbundene Wechselstromquelle 4.
  • Die leitenden Flächen werden durch die leitende Schichte 46 der Hülle 23 und einen koaxial zum durch den porösen Körper 24 gebildeten Zylinder angebrachten leitenden Schaft 28 gebildet. Jede leitende Fläche 46 und 28 wird an eine Anschlussstelle einer Wechselstromquelle 4 mit einstellbarer Leistung und Frequenz angeschlossen, wodurch ein schwingendes elektrisches Feld geschaffen wird.
  • Der leitende Schaft 28 wird aus einem vorteilhaft mit einer Isolierschicht 45 beschichteten leitenden Material realisiert, ebenso wie die Hülle 23 wenigstens eine vorteilhaft mit einer Isolierschicht 47 (dargestellt durch den die Kontur der externen Ausnehmung 21 definierenden dicken schwarzen Strich) beschichtete leitende Schicht 46 umfasst.
  • Der aus einem piezoelektrischen Material realisierte und diesem Feld unterzogene poröse Körper 24 vibriert und übt damit an der Schnittstelle der dispersen Phase 40 und des Dispersionsmittels 44 die gewünschte mechanische Wirkung aus.
  • Der in 3 dargestellt Ausführungsmodus stellt ein System zum Versetzen in Schwingungen 251 durch mechanische Anregung dar.
  • Identische Elemente tragen dieselben Bezugszeichen und werden nicht noch einmal beschrieben.
  • Das aktive Modul 202 unterscheidet sich von dem, das in den 1 und 2 dargestellt wird, nur durch das System zum Versetzen in Schwingungen.
  • Das System zum Versetzen in Schwingungen 251 umfasst damit eine an einen oder mehrere, mit dem porösen Körper 24 gekoppelte(n) mechanische(n) Vibrator(en) angeschlossene (mechanischer Anschluss) Wechselstromquelle 4 und 4', die vorteilhaft Sendeempfänger 29 und 29' in Form von an den Enden 43 des porösen Körpers 24 befestigten Flanschringen sein können.
  • Diese Sendeempfänger 29 und 29' übertragen die Vibrationen direkt auf den porösen Körper 24. In diesem Fall bildet das durch die Sendeempfänger 29 und 29' und den porösen Körper 24 gebildete System einen somit auf die Schnittstelle der dispersen Phasen 40 und des Dispersionsmittels 44 die gewünschte mechanische Wirkung ausübenden Oszillator.
  • Ein besonderer Ausführungsmodus der Sendeempfänger 290 und 290' in Form eines Flanschrings wird in den 7 und 9 dargestellt.
  • Gemäß 7 werden die Sendeempfänger 290 und 290' auf der Höhe jedes Endes 43 des porösen Körpers 24 fest gegen die Hülle 23 und das Abdichtungssystem 25 und 25' angebracht.
  • Die Sendeempfänger 290 und 290 werden aus einem Trägermittel 291 und 191', zum Beispiel in Form von achteckigen Flanschringen mit einer koaxialen Aussparung 52 an der Achse X und gemäß der 9 und zwei radialen Gewindebohrungen 293a und 293b gebildet. Das Ende 43 des porösen Körpers 24 wird in einen Anschlussstutzen 292 oder 292' eingesteckt, der wiederum in der koaxialen Aussparung 52 untergebracht wird.
  • Dieser Anschlussstutzen 292 ist gemäß 8 ein aus einem einen Würfel von größerer Breite als der Außendurchmesser des Zylinders auf Höhe seines mittleren Abschnitts, das heißt auf der Höhe des mittleren Abschnitts des Stutzens 292 durchquerenden hohlen Zylinder gebildetes geformtes Stück, wobei der Abschnitt sich in Form eines ausgesparten Quadrats eines dem Innendurchmesser des Zylinders entsprechender Kreis darstellt. Das Ende 43 des porösen Körpers 24 wird fest in den Stutzen 292 platziert, so dass der Stutzen 292 die Bewegung überträgt, die er auf den porösen Körper 24 angewendet hat.
  • Gemäß 9 wird in jede Bohrung 293a und 293b ein piezoelektrisches Element 294 und auf jeder Seite des Anschlussstutzens 292 eine Vorspannungsfeder 295 platziert. Vier Einstellschrauben 296a, 296b, 296c und 296d verschließen die Enden jeder Bohrung 293a und 293b. Die Vorspannungsfedern 295 werden in Kompression mittels der vier vorgenannten Schrauben 296a, 296b, 296c und 296d vorgespannt.
  • Die piezoelektrischen Elemente 294 werden von zwei periodischen elektrischen Signalen im Verhältnis zueinander in Quadratur versorgt (das heißt: um eine Viertelperiode zueinander versetzt) und werden einer proportionalen Verlängerung unter der Versorgungsspannung unterzogen. Sie fungieren im Zug und in der Kompression senkrecht zur Achse des damit die Schwingungsmodi der Enden 43 des porösen Körpers 24 erzeugenden porösen Körpers 24 und ziehen dessen Flexion nach sich. Da das Eingangssignal selten rein ist, das heißt, dass es darüber hinaus ein Hauptsignal mit einer bestimmten Frequenz umfasst, werden andere, sekundäre Signale mit anderen Frequenzen, die dann von den Querschnitten des porösen Körpers 24 beschriebenen Bewegungen aus einer Summe von kreisförmigen Bahnen beschrieben werden (die jeweils einer Frequenz des Eingangssignals entsprechen), und garantieren damit auf einem Abschnitt eine globale kreisförmige Bahn. Darüber hinaus sind die beiden Eingangssignale auf den beiden piezoelektrischen Elementen auf die Viertelperiode genau identisch, um zu gewährleisten, dass jeder Punkt des porösen Körpers 24 auf der Höhe eines bestimmten Querschnitts denselben Schwingungen unterzogen wird und damit eine mechanische Wirkungshomogenität garantiert wird.
  • Die Sendeempfänger 290 und 290' werden durch unterschiedliche, jeweils einem eigenen Modus des Systems entsprechende Frequenzsignale versorgt. Dies ermöglicht eine Optimierung und eine gute Steuerung der Erzeugung der Schwingungen bei gleichzeitiger Vermeidung von Schwingungsknoten, bei denen die mechanische Wirkung fehlen würde.
  • In dem in 4 dargestellten Umsetzungsmodus der Erfindung umfasst die Vorrichtung ein durch die Kanalisation 5 an das Versorgungssystem 1 in der dispersen Phase 40 angeschlossenes, durch die Kanalisation 7 an das Versorgungssystem 8 im Dispersionsmittel 44 und durch die Kanalisation 8 an das Entnahmesystem 3 angeschlossenes aktives Modul 2. Das aktive Modul 2 ist ebenfalls an eine Wechselstromquelle 4 angeschlossen.
  • Die Wechselstromquelle 4 führt dem aktiven Modul 2 die notwendige Energie zur Erzeugung von feinen Tröpfchen zu. Das durch die Kanalisation 6 an das aktive Modul 2 angeschlossene Entnahmesystem 3 erlaubt den Austrag der Emulsion oder der Dispersion 41 des porösen Körpers 24.
  • Eine in 5 dargestellte Variante dieser Umsetzung umfasst dieselben Elemente wie in dem vorherigen Umsetzungsmodus, mit Ausnahme der Kanalisation 17, die das Entnahmesystem 3 mit dem Modul 2 verbindet. Das Entnahmesystem 3 erlaubt damit die Rückkehr der Emulsion oder der Dispersion 41, wodurch eine Rezirkulation geschaffen wird.
  • Gemäß 6 wird das Entnahmesystem 3 in dieser Umsetzungsvariante wenigstens aus einem Tank 30 und einer sich zwischen diesem Tank 30 und der Kanalisation 17 befindenden Pumpe 33 gebildet. Der Tank ist mit einem Schüttelsystem 31 und einem aus einem Bad mit Thermostat 35 und einer Austauschwindung 34 gebildeten System zur Aufrechterhaltung der Temperatur 50 ausgerüstet.
  • Das Versorgungssystem 1 in der dispersen Phase 40 umfasst eine aus einem Tank 13 (unter Druck stehende Flaschen oder mit einem Ausdehnungsgefäß gekoppelter Kompressor) mit unter Druck stehendem Gas und einem Druckregler bestehende Versorgung 48. Das System 1 umfasst ebenfalls einen mit einem Rührsystem 11 ausgerüsteten und auf einer Schnellwaage oder einer Waage 15 angebrachten Tank 10 der dispersen Phase 40, der unter Druck gesetzt werden kann. Das System umfasst schließlich ein Absperrventil 12.
  • Der Druckregler 14 erlaubt die Fixierung des Drucks, unter dem die disperse Phase 40 auf Höhe des Versorgungssystems 1 gefördert wird.
  • Die Schnellwaage oder eine Waage 15 wird zur Steuerung der Masse und des Flusses der in das Versorgungssystem 1 eingespritzten dispersen Phase 40 verwendet.
  • – ANWENDUNGSBEISPIEL –
  • Nunmehr wird ein Ausführungsmodus der Erfindung als nicht einschränkendes Beispiel beschrieben.
  • Das eingesetzte aktive Modul entspricht dem, das in 3 mit einem mit dem der 6 identischen Ausführungsmodus dargestellt wird.
  • Das aktive Modul kann vorteilhaft ein an die Anwendung angepasstes tangentiales Einkanal-Filtermodul sein, das poröse Körper aus hydrophiler Keramik mit einem Porendurchmesser von 0,1 μm und 0,8 μm einsetzt. Es wird ein poröser zylindrischer hohler Körper mit einer Länge zwischen 20 und 30 mm und einem Außenradius zwischen 10 und 15 mm und einem Innenradius von 7 bis 12 mm verwendet.
  • Das Ausführungsbeispiel betrifft die Herstellung einer zum Beispiel aus 10 % Sojaöl, 0,5 % Emulgator Tween 20 (angemeldete Marke) und 89,5 % Wasser gebildeten Emulsion 41 vom Typ Öl in Wasser.
  • In dem Tank 10 wird unter Rühren eine Mischung von 4,8 % Tween 20 und 95,2 % Öl hergestellt. Anschließend wird eine Menge Wasser X ausgehend von dem Tank 30 in Umlauf gebracht. Nachdem das Ventil 12 geschlossen ist, wird der Druckregler 14 auf einen Druck zwischen 0,1 und 5 bar eingestellt. Die Sendeempfänger 29 und 29' werden unabhängig mit der Wechselstromquelle 4 (bestehend aus zwei getrennten Quellen) mit den zwischen 0 W und 2 kW inbegriffenen Leistungssignalen und mit zwei Frequenzen versorgt, von denen eine zwischen 14 und 16 kHz und die zweite zwischen 18 und 22 kHz inbegriffen ist. Anschließend wird das Ventil 12 geöffnet und wieder geschlossen, wenn die Menge der Mischung Öl + Emulgator 0,1173X erreicht. Während der gesamten Operation wird die Temperatur auf einer ungefähr zwischen 15 und 25°C inbegriffenen Solltemperatur gehalten.
  • Um die Zufuhr von Schwingungen in der gewünschten technischen Wirkung zu überprüfen, wird dasselbe Experiment ohne Schwingungen durchgeführt. Dann werden die Volumenverteilungen der Größe der Tropfen der mit oder ohne Schwingungen erhaltenen Emulsionen durch ein Korngrößen-Bestimmungsgerät per Laser-Diffraktion Malvem (angemeldete Marke) gemessen. Die für einen porösen Körper 24 mit Porengrößen von 0,8 μm mit und ohne bei einer Leistung von 50 W erzeugten Schwingungen gemessenen Ergebnisse werden in 10 dargestellt, wobei das Diagramm den Volumenprozentsatz der Tropfenpopulationen in Abhängigkeit von ihrer Größe darstellen (in logarithmischer Einteilung). Die Verteilung der Populationen wird durch einen gestrichelten Strich bei dem Versuch ohne Vibrationen und mit einem durchgehenden Strich bei dem Versuch mit Vibrationen dargestellt. In jedem Fall ist das Vorhandensein von mehreren Tropfenpopulationen festzustellen, die durch mehrere Spitzen identifiziert werden. Das Vorhandensein dieser selben Tropfenpopulationen wurde durch mit einem Elektronenmikroskop aufgenommene Bilder bestätigt (Bilde nicht dargestellt).
  • Ein großer Anteil der Population großer Größe wird in dem Fall beobachtet, in dem keine Schwingung angewendet wird (mehr als 15 % an Volumen) und scheint auf das Koaleszenzphänomen zurückzuführen zu sein. Darüber hinaus wird mit dem Einsatz von Schwingungen eine deutliche Verringerung dieses Anteils beobachtet (ungefähr 12 % an Volumen). Damit scheint der Einsatz der Schwingungen die Koaleszenz zu hemmen. Auch ist eine Verschiebung der Spitzen zu den Werten kleinerer Größen festzustellen (von 30 μm bei den Versuchen ohne Schwingung und 10 μm bei den Versuchen mit Schwingung), was anzuzeigen scheint, dass die Schwingungen die Bildung und das Abreißen der Tropfen erleichtern. Es scheint ebenfalls, dass die Schwingungen den Fluss der dispersen Phase durch den porösen Körper 24 erleichtert, denn es wurden bei den Versuchen Abweichungen von 10 % festgestellt. Diese Hypothesen dürfen jedoch keinesfalls als für die Erfindung einschränkend betrachtet werden.
  • Darüber hinaus wird mit einer elektrischen Leistung von 200 W und einem porösen Körper 24 mit einem Porendurchmesser von 0,1 μm eine Emulsion 41 erreicht, deren Tropfengröße kleiner als 300 nm ist (nicht dargestellte Ergebnisse).
  • Es kann interessant sein, dieses Beispiel insbesondere auf die Herstellung von kosmetischen, dermato-pharmazeutischen oder pharmazeutischen Produkten anzuwenden.
  • In der detaillierten Beschreibung der vorherigen Zeichnungen wurden drei Systeme zum Versetzen des porösen Körpers in Schwingungen unterschieden: durch mechanische 251, elektrische 151 oder magnetische 51 Anregung. Diese verschiedenen Systeme 51, 151 und 251 können für eine optimale Wirkung gekoppelt werden. Es ist ebenfalls anzumerken, dass die beiden Prinzipien im Falle der magnetischen und der elektrischen Anregung unterschieden wurden. Die Erzeugung eines schwingenden magnetischen Feldes zieht jedoch nach den Gleichungen von Maxwell die Erzeugung eines schwingenden elektrischen Feldes nach sich (und umgekehrt), wodurch die beiden Wirkungen de facto gekoppelt werden.
  • Die Schwingungen der Austrittsfläche des porösen Körpers 24 wirken in dieser Erfindung, setzen eine mechanische Abrissenergie direkt an der Schnittstelle der dispersen Phasen 40 und des Dispersionsmittels 44 frei, was die Bildung von großen Tropfen verhindert und die Bildung von feinen Tropfen der dispersen Phase 40 im die Basis der Emulsion 41 bildenden Dispersionsmittel 44 erzeugt.
  • Damit erlaubt das System die Übertragung einer hohen Energie auf die Schnittstelle der beiden Phasen 40 und 44; wobei die Übertragung durch einen Feststoff (den porösen Körper 24) und nicht die Fluide erfolgt. Es scheint, dass die Koaleszenzphänomene unter diesen Bedingungen gehemmt werden und der Mechanismus zur Bildung und zum Abriss der Tropfen beschleunigt wird. Diese Hypothese darf jedoch keineswegs als für die Erfindung einschränkend betrachtet werden.
  • Die Wahl des Modus zum Versetzen in Schwingungen erfordert magnetostriktive, piezoelektrische oder elektrostriktive Eigenschaften des porösen Körpers. Weitere geometrische, mechanische, physikalisch-chemische, chemische Eigenschaften werden durch die Anwendung bestimmt.
  • Die allgemeine Form des porösen Körpers 24 muss die Optimierung der Fläche bei gleichzeitiger Erleichterung der Übertragung oder der Erzeugung von Schwingungen erlauben, durch die die disperse Phase 40 gefördert wird. Eine dieser Formen, der hohle Zylinder (hier wird das Prinzip der Membranenmontage der tangentialen Filterung wieder aufgenommen) ist diejenige, die zuvor vorgestellt wurde. Beispielhaft kann ebenfalls ein voller, in einer Kanalisation der gemäß der Achse des Zylinders ablaufenden dispersen Phase platzierter Filter genannt werden oder auch ein in einer Kanalisation befestigter Stopfen, dessen Austrittsfläche bündig an der Innenfläche eines geschüttelten Behälters anliegt. Die Porosität, die Porengröße und die Dicke des porösen Körpers 24 bestimmen das effektive Volumen und die Dauer der mechanischen Wirkung. Der mechanische Widerstand und die Elastizität beeinflussen die Amplitude der Schwingungen und damit die Intensität der mechanischen Wirkung. Der hydrophile/hydrophobe Charakter kann die Bahnen des Fuids durch den Körper aber auch die Schnittstelle poröser Körper 24//disperse Phase 40//Dispersionsmittel 44 (Kontaktwinkel) erheblich verändern. Dann wird vorteilhaft ein Körper 24 mit einer guten Affinität mit dem Dispersionsmittel 44 gewählt, um das Ablösen der Tropfen der dispersen Phase 40 zu begünstigen. Das gewählte Material muss ebenfalls mit den verwendeten Produkten kompatibel sein. Durch den Einsatz eines für Mikrowellen nicht durchlässigen Körpers ist es unmöglich, diesen Körper zu erhitzen und zu der mechanischen Wirkung eine thermische Wirkung hinzuzufügen.
  • Ganz allgemein ist anzumerken, dass der poröse Körper 24 nicht notwendigerweise homogen ist. Beispielhaft kann ein poröser Körper 24 gewählt werden, dessen einzige Schicht mit Kontakt zum Dispersionsmittel 44 eine geeignete Porosität besitzt, wobei der Rest des Körpers 24 als Träger dieser Schicht dient. Ebenso kann, um die notwendige Abdichtung zum zwangsläufigen Durchgang der dispersen Phase 40 durch den porösen Körper 24 zu garantieren, ein sich an seinen Enden 43 befindender Teil des Körpers 24 nicht porös sein. Damit werden die Eigenschaften des porösen Körpers 24 und anschließend seine Zusammensetzung und seine Behandlung in Abhängigkeit von der Anwendung definiert.

Claims (19)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Dispersion oder einer Emulsion (41) aus wenigstens zwei als nicht mischbar angesehenen Fluiden, wobei die Fluide eine disperse Phase (40) und ein Dispersionsmittel (44) bilden, wobei die disperse Phase (40) durch einen porösen Körper (24) in das Dispersionsmittel (44) gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Körper (24) durch eine mechanische, elektrische oder magnetische Anregung in Schwingungen versetzt wird.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dispersionsmittel (44) an der Austrittsfläche des porösen Körpers (24) zirkuliert.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man die Emulsion (41) in dem porösen Körper (24) rezirkulieren lässt, der sich im Laufe des Prozesses mit disperser Phase (40) belädt.
  4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzen und/oder die Stärke der Schwingungen gesteuert werden.
  5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man wenigstens einen Emulsionsbildner zu wenigstens einer der beiden Phasen (40, 44) zugibt.
  6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die disperse Phase (40) unter hinsichtlich Temperatur, Druck, Durchsatz, Zusammensetzung und Bewegung kontrollierten Bedingungen durch den porösen Körper (24) gefördert wird.
  7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dispersionsmittel (44) unter hinsichtlich Temperatur, Druck, Durchsatz, Zusammensetzung und Bewegung kontrollierten Bedingungen an der Oberfläche des porösen Körpers (24) zirkuliert.
  8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man der Anregung bei den Frequenzen, welche die Schwingungen des porösen Körpers hervorrufen, eine Welle im Frequenzbereich von Mikrowellen überlagert, was zu einer Erwärmung des porösen Körpers (24) führt.
  9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, die Dispersion oder Emulsion (41) zur Herstellung von kosmetischen, dermopharmazeutischen oder pharmazeutischen Produkten zu verwenden.
  10. Vorrichtung zur Herstellung einer Dispersion oder einer Emulsion (41) aus wenigstens einem Fluid, mit wenigstens: – einem porösen Körper (24), der wenigstens einen porösen Bereich (42) aufweist, durch den das Fluid (40) gefördert werden kann, wobei der poröse Körper (24) eine innere Ausnehmung (22) aufweist, – eine Hülle (23), die zumindest den porösen Bereich (42) dicht umgibt, so dass eine äußere Ausnehmung (21) gebildet wird, in welche der poröse Bereich (42) mündet, wobei das Fluid (40) in die äußere Ausnehmung (21) eingebracht werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein System (51, 151, 251) zum Versetzen des porösen Körpers (24) in Schwingungen aufweist, um dem porösen Körper (24) unmittelbar Schwingungen aufzuprägen.
  11. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Versorgungssystem (1) mit Fluid (40) umfasst, welches in der Lage ist, das Fluid (40) unter hinsichtlich Temperatur, Druck, Durchsatz, Zusammensetzung und Bewegung kontrollierten Bedingungen in die äußere Ausnehmung (21) zu leiten.
  12. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Versorgungssystem (8) mit einem anderen Fluid (44) umfasst, welches in der Lage ist, das andere Fluid (44) unter hinsichtlich Temperatur, Druck, Durchsatz, Zusammensetzung und Bewegung kontrollierten Bedingungen in die innere Ausnehmung (22) zu leiten.
  13. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Entnahmesystem (3) umfasst, welches den Abzug und die Lagerung oder die Überführung der Emulsion oder der Dispersion (41) zu einem anderen System oder auch die Rezirkulation der Emulsion oder der Dispersion (41) ermöglicht.
  14. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das System (51) zum Versetzen des porösen Körpers (24) in Schwingungen aus einer Spule (27) besteht, die mit einer Wechselstromquelle (4) verbunden ist und die Hülle (23) umgibt, welche für die von der Spule (27) erzeugten magnetischen Wellen permeabel ist, wobei der poröse Körper (24) aus einem magnetostriktiven Material besteht.
  15. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das System (151) zum Versetzen des porösen Körpers (24) in Schwingungen aus einem leitfähigen, koaxial zu dem porösen Körper (24) angeordneten Schaft (28) und einer leitfähigen Hülle (23) besteht, wobei der leitfähige Schaft (28) und die leitfähige Hülle (23) mit einer Wechselstromquelle (4) verbunden sind und der poröse Körper (24) aus einem piezoelektrischen Material besteht.
  16. Vorrichtung gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der leitfähige Schaf (28) und/oder die Oberfläche des porösen Körpers (24) mit einem Isolator (45; 47) bedeckt sind.
  17. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das System zum Versetzen des porösen Körpers (24) in Schwingungen aus zwei Sendeempfängern (29, 29') besteht, die an den Enden (43) des porösen Körpers (24) befestigt und mit einer Wechselstromquelle (4) verbunden sind, wobei die Sendeempfänger (29, 29') aus einem piezoelektrischen Material bestehen.
  18. Vorrichtung gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Sendeempfänger (290, 290') ein an der Hülle (23) befestigtes Trägermittel (291) aufweist, wobei das Trägermittel (291) eine Aussparung (52) aufweist, in welcher ein Ende (43) des porösen Körpers (24) positioniert ist, wobei das Trägermittel (291) wenigstens ein Paar Radialbohrungen (293a, 293b) aufweist, wobei jedes Paar ein piezoelektrisches Element (294) in einer Bohrung und ein elastisches Beaufschlagungsmittel (295) in der anderen Bohrung desselben Paars (293a, 293b) enthält, um das piezoelektrische Element (294) gegen den porösen Körper (24) in Anlage zu halten, wobei die Bohrungen desselben Paars (293a, 293b) einander diametral gegenüberliegen.
  19. Vorrichtung gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermittel (291) zwei Paare von Bohrungen (293a, 293b) aufweist, wobei die beiden Bohrungspaare (293a, 293b) in zueinander senkrechten Richtungen angeordnet sind, und dadurch dass die beiden piezoelektrischen Elemente (294) mit Signalen gespeist werden, die um eine Viertelperiode zueinander versetzt sind und zusammen mit den Vorspannungsfedern (295) eine Bewegung des porösen Körpers (24) entlang einer im Wesentlichen kreisförmigen Bahn bewirken.
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