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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen neuartiges Verfahren
und eine neuartige Vorrichtung zum Herstellen von Scherformmatrixmaterial,
das aus der Transformation der Morphologie von Einsatzmaterial erhalten
wird.
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Dieses
Fachgebiet der Materialverarbeitung hat sich in den letzten Jahren
bedeutend weiterentwickelt. In dem US-Patent Nr. 4,855,326 sind
verschiedene Stoffe mit pharmakologischen Eigenschaften mit Sacchariden
kombiniert und geschleudert worden, um ein leicht in Wasser aufzulösendes Produkt
zu erhalten. Andere Offenbarungen, die sich auf das Schleudern von
Stoffen mit einem Saccharid oder mit mehreren Sacchariden beziehen,
sind in den US-Patenten
Nr. 4,873,085; 5,034,421; 4,997,856 und 5,028,632 zu finden. US-Patent 5,034
offenbart Spinnmatrixsysteme, die Medikamente mit vorbestimmten
Abtrennmustern enthalten.
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Die
Beispiele in den vorher angeführten
Offenbarungen beschreiben das Verarbeiten von Einsatzmaterial, indem
es einem Schleudervorgang mit hoher Drehzahl an einem Schleuderkopf
ausgesetzt wird, in dem der Stoff einer Erwärmung durch ein Heizelement
unterworfen wird. Die Temperaturveränderung erfolgt sehr schnell.
Es wird angenommen, dass dies dadurch bewirkt wird, dass der Schleuderkopf
das Einsatzmaterial schnell und wirksam auf das Heizelement ausbreitet,
das umfangsmäßig um den
Umfang des Schleuderkopfes angeordnet ist. Somit besteht während des
Schleuderns ein extensiver Oberflächenkontakt des Einsatzmaterials
mit dem Heizelement selbst.
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Das
Einsatzmaterial wird ausreichend erwärmt, um einen inneren Fließzustand
zu erreichen, welches es einem Teil des Einsatzmaterials gestattet,
sich zu bewegen, wobei angenommen wird, dass das auf Teilpartikelebene
in Bezug auf den Rest der Masse erfolgt. Über den Umfang des Schleuderkopfes
sind Öffnungen vorgesehen.
Die in dem Schleuderkopf erzeugte Zentrifugalkraft schleudert das
fließende
Einsatzmaterial von dem Kopf nach außen, so dass es zu einer veränderten
Struktur umgeformt wird. Die Kraft, die erforderlich ist, das Einsatzmaterial
zu trennen und das fließbare
Einsatzmaterial abzugeben, ist lediglich die Zentrifugalkraft des
Schleuderkopfes. Die vorliegenden Beispiele beschreiben ein Verfahren
zum Herstellen eines neuartigen Matrixmaterials.
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Eine
weitere Bezugsquelle, das US-Patent Nr. 5,380,473, beinhaltet ein
Verfahren, in dem die Temperatur eines unlöslichen Trägers eines Einsatzmaterials
bis zu einem Punkt erhöht
wird, an dem es einem inneren Fließen unterliegt, gefolgt von
einem Ausstoßen
eines Stroms des Einsatzmaterials und einem nachfolgenden Aussetzen
einer zertrennenden fluiden Scherkraft, welche den Strom in getrennte
Teile oder Massen trennt, die eine transformierte Morphologie aufweisen.
In dem Patent Nr. 5,380,473 ist weiterhin eine Vorrichtung mit einer
Hochdruckdüse
zum Verändern
der Morphologie des Einsatzmaterials offenbart. Die Düse ist nach
unten gerichtet. Das hat den Vorteil, dass das von ihr abfallende
Material mit der nach unten gerichteten Zugbeanspruchung der Schwerkraft übereinstimmt.
Es ist jedoch jetzt ermittelt worden, dass im kommerziellen Maßstab eine
nach unten gerichtete Düse
in einer ziemlich großen
Höhe aufgehängt werden
muss, damit die große
Menge des austretenden Material vollständig in der Luft trocknen kann,
bevor sie einen unteren Sammelmechanismus er reicht. Das erfordert
zusätzliche
Fläche
und zusätzliches
Volumen in einem Verarbeitungszentrum.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bestimmte Nachteile
zu überwinden,
die mit der vorher angeführten
Vorrichtung und den vorher angeführten
Verfahren verbunden sind. Es ist weiterhin eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, Verbesserungen gegenüber
der im Fachgebiet vorhandenen Technologie zur Verfügung zu
stellen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung beinhaltet ein neuartiges Verfahren und eine
neuartige Vorrichtung zur Herstellung einer ein unlösliches
Trägermaterial
aufweisenden Scherformmatrix durch Erhöhen der Temperatur eines Einsatzmaterials
bis zu einem Punkt, bei dem es ein inneres Fließen nach dem Anlegen einer
inneren fluiden Scherkraft erfährt.
Das Einsatzmaterial wird während
seines inneren Fließens
vorgeschoben, darauf im Zustand des inneren Fließens nach oben ausgestoßen und
einer zertrennenden, fluiden Scherkraft ausgesetzt, um mehrere Teile
oder Massen zu formen, die eine Morphologie aufweisen, die sich
von der des ursprünglichen
Einsatzmaterials unterscheidet.
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Die
mehreren Massen werden im Wesentlichen direkt nach dem Kontakt mit
der fluiden Scherkraft gekühlt
und gemäß der vorliegenden
Erfindung wird es ihnen nach dem Vorwärtstreiben nach oben ermöglicht, in
einen Zustand des freien Fließens überzugehen,
bis sie erstarrt sind. Daher werden an dem Scherpunkt Bedingungen
zur Verfügung
gestellt, die das Einsatzmaterial in einem Zustand des freien Fließens halten,
bis die Massen den Scherschritt durchlaufen haben. Das erfolgt vorzugsweise
durch einen ständigen,
jedoch leichten Niederdruckstrom, der die Düse umgibt und nach oben gerichtet
ist, wodurch Unterstützung
beim Verhindern gegeben wird, dass verarbeitetes Material auf die
Düse fällt und
die Düsenvorrichtung
verstopft. Weil das Material beim Austreten aus der Düse im Wesentlichen
eine trockene Form aufweist, reicht diese Niederdruckluft aus, den
Auftrieb des Materials beizubehalten und frei von der Vorrichtung
weg zu fallen. Die Niederdruckluft dient weiterhin dazu, jegliche
verbleibende Feuchtigkeit zu beseitigen.
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Idealerweise
wird die Temperatur des Gases gesteuert, wenn Gas als zertrennendes,
das Scheren erzeugendes, Fluid verwendet wird. In bestimmten Ausführungen
werden Fachleute erkennen, dass die Temperatur gesteuert werden
kann, um Gas mit einer Temperatur zur Verfügung zu stellen, die für jede Atmosphäre des Gasdrucks,
der auf das Material als Scherkraft angelegt wird, zumindest um
0,1°C höher ist,
als die Fließpunkttemperatur
des ausgestoßenen
Materials. Somit sollte, wenn ein Druck von 10 Atmosphären angelegt wird,
die Gastemperatur vorzugsweise um zumindest 1°C höher sein, als die Temperatur
des ausgestoßenen Materials.
Es hat sich oft erwiesen, dass dieses Merkmal die Scherwirkung optimiert
und das ausgestoßene Einsatzmaterial
in einem Zustand des freien Fließens erhält, bis es getrennt und über den
Scherschritt hinaus bewegt ist.
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Das
Einsatzmaterial, das in dem vorliegenden Verfahren verwendet wird,
ist ein Material, das einen Träger
enthält,
der aus der Gruppe ausgewählt
ist, die aus Stoffen, die auf Saccharid basieren, thermoplastischen
Polymeren, biologisch zersetzbaren Polymeren und zellulosischen
Stoffen (Zellulosederivaten) besteht. Vorzugsweise ist das Einsatzmaterial
organisches Material, d.h. es handelt sich vorwiegend um Kohlenstoffverbindungen.
Grundsätzlich
wird das Einsatzmaterial für
die Verwendung hierin nach der Fähigkeit
ausgewählt,
dass es verarbeitet werden kann, ohne sich aufzulösen. Das
Einsatzmaterial kann kleinere Mengen von Material enthalten, das
aufgelöst
wird. Die Verarbeitungsfähigkeit
des Einsatzmaterials basiert jedoch auf einem Trägermaterial, das ein inneres
Fließen
erfährt,
ohne dass es aufgelöst
werden muss. Im Fall von Stoffen, die auf Saccharid basieren, ist
das Einsatzmaterial hauptsächlich
ein festes Material, das dem Verfahren unterzogen wird.
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Der
Ausdruck „auf
Saccharid basierende Stoffe„ schließt Zucker
und Zuckerderivate ein. Der Ausdruck „Zucker„ gilt im klassischen Sinne,
d.h. für
Saccharose, Maltose, Fruktose, Laktose, Glukose, Dextrose, Polydextrin,
Arabinose (Pektinzucker), Xylose, Galaktose u.a. In den Begriff „Zucker„ sind
Zuckeralkohole eingeschlossen. Ein nicht einschränkende Liste von Zuckeralkoholen
schließt
die folgenden Zuckeralkohole ein: Sorbit, Mannit, Maltit, Pentat,
Isomalt (Palatinit®), Xylit, u.a.. Zuckerderivate
schließen
chemische und enzymatische Derivate ein und es sind eingeschlossen,
jedoch nicht darauf beschränkt,
Chlorderivate des Zuckers, beispielsweise Sacchralose.
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Auf
Saccharid basierende Stoffe können
sich verändernde
Grade von niedrigmonomeren Sacchariden, Oligomere und Polysaccharide,
beispielsweise Stärke,
aufweisen. Einige auf Saccharid basierende Stoffe werden durch Hydrolyse
von Stärke
vorbereitet und werden durch den Grad der Stärkepolymerhydrolyse klassifiziert.
Die Maßeinheit
wird als D.E. oder Dextrose-Äquivalent
bezeichnet. D.E. ist definiert als die Zuckerreduzierung, ausgedrückt als
Dextrose, und wird als ein Prozentsatz der Trockensubstanz angegeben.
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So
enthalten zum Beispiel Maltodextrine eine Mischung von Zuckern und
Polysacchariden, die von langkettigen, aus der Stärkehydrolyse
entstehenden, Oligomeren bis zu Zuckern mit einer geringen Anzahl
von monomerischen Einheiten reicht. Nach den FDA-Richtlinien besteht
Maltodextrin aus nicht-süßen Nährstoffsaccharidpolymeren
mit einem D.E. von weniger als 20, während Stärkezuckersiruptrockenmasse
aus Mais nach FDA ein D.E. von größer als 20 aufweist. Die Erfinder
der vorliegenden Erfindung bezeichnen jedoch Maltodextrine insgesamt
als auf Saccharid basierenden Stoff, der aus nicht-süßen Nährstoffsaccharidpolymeren
und anderen Oligomeren mit sechs-Kohlenstoff-Monomereinheiten besteht,
die zusammen ein Trägermaterial
zur Verfügung
stellen, das in der Lage ist, eine Matrix zu bilden. Bei allen Anwendungen
ist in der vorliegenden Erfindung das Trägermaterial unlöslich.
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In
einer bevorzugten Ausführung
der vorliegenden Erfindung können
andere Materialien in das Einsatzmaterial einbezogen werden. So
kann zum Beispiel ölhaltiges
Material in das Einsatzmaterial einbezogen werden, das, unter anderem,
als Kristallisationssteuerungsagens wirken kann. Das Kristallisationssteuerungsagens
bewirkt, dass die im Ergebnis des vorliegenden Verfahrens und der
vorliegenden Vorrichtung gebildete Matrix sich in einem amorphen
Zustand befindet und einer Umgebung ausgesetzt sein kann, in welcher
sie in gesteuerter Art und Weise kristallisiert. Es können auch
andere wasserabweisende Stoffe als Steuerung für die Kristallisation verwendet
werden, die als Bestandteil der vorliegenden Erfindung betrachtet
werden. Einige der ölhaltigen
Materialien, die für
die Verwendung in der vorliegenden Erfindung in Frage kommen, sind
folgende: Pflanzenöle,
Sojabohnenöl,
Rapsöl,
Maisöl,
Kakaobutter, Sonnenblumenöl,
tierische Fette, Talge, Specke, Fischöle, Krustentieröle und Mischungen
davon. Es fällt
in den Schutzumfang der Erfindung, mehr als 50 Gewichtsprozente
von ölhaltigem
Material (gemessen in dem abschließend bearbeiteten Produkt)
für die
Verarbeitung mit dem Einsatzmaterial einzuschließen.
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Das
Einsatzmaterial kann auch ein Additiv enthalten, das aus der Gruppe
ausgewählt
ist, die aus biologisch wirksamen Mitteln (z.B. Arzneimittel und
Pharmazeutika, Nahrungsstoffe und Nutrazeutika), Farbstoffen, Duftstoffen,
Kristallisationssteuerungsmitteln, Süßstoffen, Aromas und Mischungen
davon besteht. Eine nicht einschränkende Liste von biologisch
wirksamen Mitteln ist in dem US.Patent Nr. 5,380,473 zu finden.
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Da
eine Anzahl von biologisch wirksamen Mitteln wärmeempfindlich ist, weist die
vorliegende Erfindung einen Verfahrensschritt für das Einleiten wärmeempfindlicher
Mittel an einem Punkt auf, der dem Ausstoßschritt ausreichend nahe liegt,
damit die Zeit verringert wird, in der die wärmeempfindlichen Mittel länger andauernden
Wärmebedingungen
ausgesetzt sind. Somit kann jedes wärmeempfindliche Mittel in ein
Trägermaterial
für das
nachfolgende Ausstoßen
und das Bilden eines Scherformmatrixprodukts einbezogen werden.
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Um
das Verfahren auszuführen,
wird eine Vorrichtung zur Verfügung
gestellt, die Mittel zum Erhöhen der
Temperatur eines nicht löslichen
Einsatzmaterials und gleichzeitiges Erhöhen des an ein Einsatzmaterial angelegten
Drucks, um dieses zum Ausstoßen
vorzuschieben, aufweist. Vorzugsweise können diese Mittel zum Erhöhen der
Temperatur und Vorschieben des Einsatzmaterials einen Doppelschneckenextruder
mit mehreren Heizzonen darstellen. Vorzugsweise sind mehr als vier
(4) Zonen vorhanden, und in der vorliegenden Erfindung
sind sieben (7) Zonen oder mehr vorhanden. Es liegt im
Schutzumfang der Erfindung, dass bis zu neun (9) Zonen
und, in Abhängigkeit
von den Anforderungen eines qualifizierten Konstrukteurs, sogar
noch mehr Zonen vorhanden sind.
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Das
zweite Element der Vorrichtung ist ein Mittel zum Ausstoßen des
Einsatzmaterials in einem Zustand, um es zum Bilden der Scherformmatrix
abzuscheren. Das Mittel zum Ausstoßen befindet sich in Fluidströmungsverbindung
mit dem Mittel zum Erhöhen
der Temperatur und des Drucks und ist an einer Stelle angeordnet,
um das Einsatzmaterial aufzunehmen, während es sich in dem inneren
Fließzustand
befindet. Vorzugsweise ist dieses Mittel zum Ausstoßen des
Einsatzmaterials eine Düse,
die das Ausstoßen
des Einsatzmaterials unter Hochdruck ausführt. Um den frei fließenden Zustand
der Matrix über
den Scherpunkt hinaus beizubehalten, wird es bevorzugt, Mittel zum
Aufrechterhalten der Temperatur über
das Ausstoßmittel
einzubeziehen. Es ist weiterhin erwünscht, dass das Mittel zum
Ausstoßen
des Einsatzmaterials so positioniert ist, dass das Material in eine
Richtung nach oben ausgestoßen
wird, d.h. im Wesentlichen unter einem Winkel von neunzig Grad in
Bezug auf die Horizontale.
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In
einer bevorzugten Ausführung
kann die Vorrichtung auch eine Öffnung
oder eine andere Eintrittsvorrichtung für das Einführen eines Additivs oder Wirkmittels
in das Trägermaterial
an einem Punkt nahe genug dem Ausstoß, um den Abbaus des Wirkmittels
zu verhindern oder zu minimieren, aufweisen. Auf diesem Weg können wärmeempfindliche
Wirkmittel eingeführt
werden, ohne dass befürchtet
werden muss, dass sie ihre Wirksamkeit, z.B. ihre biologisch wirkenden
Eigenschaften, verlieren.
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Schließlich weist
die Vorrichtung ein Mittel zum Scheren des Einsatzmaterials auf,
das dicht an der Ausstoßvorrichtung
angeordnet ist und das angeordnet ist, um das Scheren des Einsatzmaterials
durchzuführen,
während
es sich im Zustand des inneren Fließens befindet. Vorzugsweise
ist das Mittel für
das Scheren ein Mittel zum Zuführen
von Fluid, beispielsweise von Luft, mit hoher Geschwindigkeit gegen
den Strom des Einsatzmaterials, wenn er aus einer Düse austritt.
Eine solche Vorrichtung kann eine äußere Zerstäubungsdüse sein. In einer Ausführung kann
die Luft für
das Scheren erwärmt
werden, um das freie Fließen
der getrennten Massen über
den Scherpunkt hinaus zu verbessern.
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In
einer alternativen Ausführung
kann das Schermittel eine Kammer sein, in der eine Umgebung beibehalten
werden kann, um nach dem Zusammenstoßen eines Hochgeschwindigkeitsstroms
von Einsatzmaterial gegen die vorgewählte und beibehaltene Umgebung
ein Abscheren zu induzieren. Allgemein werden Temperatur und Feuchtigkeit
der Scherumgebung auf einem Pegel gehalten, der ein Scheren in dem
Einsatzmaterial (das ein inneres Fließen aufweist), das mit hoher
Geschwindigkeit gegen diese Umgebung geleitet wird, induziert.
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Im
Ergebnis der vorliegenden Erfindung können Trockenemulsionen basierend
auf einem Material vorbereitet werden, das bei hohen Temperaturen
zerbricht. Der Prozess ist in hohem Maße steuerbar und in der Lage
große
Volumina von Scherformmatrix bei genauer Steuerung der Temperaturen
und/oder geringer Auftretenszeiten von großer Hitze, zu erzeugen, die
den Abbau des Einsatzmaterials oder der Einsatzmaterialadditive
minimieren.
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Die
vorliegende Erfindung hat gezeigt, dass sie ein Scherformprodukt
liefern kann, das eine amorphere Struktur aufweist, z.B. eine zufälligere
Struktur als ein Produkt, das aus einem Lösungsprozess vorbereitet wurde.
Die sich ergebende Matrix ist in der Lage mehr Öl in Wasser zu dispergieren,
als ein geschleudertes Produkt. Das wird durch einen stärkeren Tyndall-Effekt
aufgezeigt. Daher dispergiert ein Maltodextrin als Scherformprodukt
mit einem vorgegebenen D.E. eine größere Menge von Öl als ein
geschleudertes Produkt. Es wird angenommen, dass das darauf zurückzuführen ist,
dass eine größere Anzahl
feinerer, Öl
tragender Partikel erzeugt werden kann, als beim Schleudern. Weiterhin
kann eine viel stabilere Dispersion erzielt werden. Um das Öl aus einer
Dispersion, die mit einer Scherformmatrix erzeugt wurde, herauszutrennen,
ist Äther oder
Hexan erforderlich, während
Wärme und
Zentrifugieren allgemein dafür
geeignet ist, Öl
aus einer Dispersion herauszutrennen, die sich auf einer geschleuderten
Matrix ergibt.
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Weiterhin
stellt die Vorrichtung der Erfindung einen neuartigen Sammelbehälter zur
Verfügung,
der das Scherformmatrixproduktmaterial nach dem freien Fall aus
der Vorrichtung aufnimmt.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung des Gesamtverfahrens und der Vorrichtung
mit dem in den 2 und 3 ausführlich dargestellten
Scherbereich;
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2 ist
eine detaillierte schematische Darstellung des eingekreisten Scherbereichs
II von 1; und
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2a ist
eine schematische Darstellung, wie sie in 2 dargestellt
ist, mit gestrichelten Linie, die eine bevorzugte Ausführung darstellen,
welche das Einführen
eines Additivs ohne längere
Erwärmung
ermöglicht;
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3 ist
eine weitere schematische Darstellung einer Einzelheit der bevorzugten
Ausstoßanordnung für die bevorzugte
Ausführung
der vorliegenden Erfindung;
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4 ist
eine schematische Darstellung, die eine Hochgeschwindigkeitsdüse und eine
Klimakammer als Mittel für
das Abscheren von Einsatzmaterial darstellt;
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5 ist
eine Draufsicht eines Sammelbehälters
für die
Verwendung mit der hierin beschriebenen Vorrichtung.
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Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungen
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Eine
Scherformmatrix gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Matrix, die durch Transformation eines Einsatzmaterials
gebildet wird, das ein Trägermaterial
mit einer Struktur hat, die durch Erwärmen verändert werden kann. Das Einsatzmaterial
wird ausreichend erwärmt,
um die Morphologie des Trägermaterials
zu transformieren, wenn es einer Scherkraft ausgesetzt wird. Der
Zustand, bei dem diese Morphologie auftritt, wird hierin als inneres Fließen bezeichnet.
Inneres Fließen
wird als die Fähigkeit
des Materials angesehen, sich auf Teilpartikelebene ausreichend
zu bewegen und zu trennen, um eine Unterbrechung in dem Einsatzmaterial
zu bewirken. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird
dann eine äußere, fluide
trennende Kraft abrupt über
einen sehr kurzen Zeitraum auf den Strom des Einsatzmaterials aufgebracht,
so dass die Dauer dieser äußeren Kraft
als momentan angesehen werden kann. Die Erfinder haben ermittelt,
das in einer gegenwärtig
bevorzugten Ausführung
der Erfindung das Einsatzmaterial einem Strom von Fluid, Gas oder
Flüssigkeit,
ausgesetzt werden kann, das mit einer Geschwindigkeit auf das Einsatzmaterial
stößt, welche die äußere, sehr
schnell trennende Scherkraft erzeugt. Diese äußere Kraft, die durch das Auftreffen
des Fluids auf das Einsatzmaterial erzeugt wird, wird als trennende,
fluide Scherkraft bezeichnet.
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Zur
Zeit ist das bevorzugte Fluid Luft. Die Erfindung ist jedoch nicht
auf die Art des Fluids beschränkt, das
verwendet wird, um die trennende, fluide Scherkraft zu erzeugen.
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In
einer Ausführung
wird die Luft als kontinuierlicher Hochgeschwindigkeitsstrahl gegen
das Einsatzmaterial gerichtet. Eine andere Ausführung sieht das Vorantreiben
des Einsatzmaterials mit hoher Geschwindigkeit gegen die Kraft einer
Luftatmosphäre
vor. In beiden Fällen
wird das Einsatzmaterial durch die äußere Scherkraft, die während des
inneren Fließens
auf das Einsatzmaterial wirkt, abrupt in einzelne getrennte Massen
zertrennt.
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Eine
andere Eigenschaft der Scherformmatrix der vorliegenden Erfindung
ist eine Morphologie, die dadurch entsteht, dass es dem durch das
plötzliche
Scheren zertrennten Einsatzmaterial ermöglicht wird, sich während der
frei fließenden
Transformation aus seiner ursprünglichen
Morphologie umzubilden. Diese neuartige Transformation bei freiem
Fließen
wird dadurch erreicht, dass eine Behinderung des kontinuierlichen
Fließens
während
der Abküh lung
des Materials zu einer neuen Matrixstruktur vermieden wird. Es ist
jetzt erkannt worden, dass dieses Verfahren wesentlich verbessert
wird, wenn das Material der Scherformmatrix aus der Vorrichtung
in einer im Wesentlichen nach oben verlaufenden Richtung austritt,
wodurch der Vorteil der Schwerkraftwirkung vollkommen ausgenutzt
wird. Vorher war man der Meinung, dass ein Ausstoßen in Aufwärtsrichtung
wegen des versuchten Arbeitens gegen die Schwerkraft sowie wegen
der erhöhten
Wahrscheinlichkeit des Verstopfens der Vorrichtung, wenn austretendes
Material in den freien Fall kommt und wieder auf der Vorrichtung
landet, uneffektiv sein würde.
Weil das Material im Wesentlichen trocken und leicht ist, bewegt das
Einwirken von Niederdruckluft das Material von der Vorrichtung weg,
wobei gleichzeitig eine abschließende Trocknungswirkung für das Material
erzielt wird. Auf diese Art und Weise wird in bedeutendem Maße Raum in
Vertikalrichtung eingespart, da ein kleinerer Raum für das Verarbeiten
des Materials erforderlich ist. Es liegt daher im Schutzumfang der
Erfindung, dass die hierin beschriebene neuartige Verarbeitungsvorrichtung
die Größe des für eine erfolgreiche
Verarbeitung erforderlichen Raums um bis zu etwa 20%, und vorzugsweise
bis zu etwa 50% und am bevorzugtesten bis zu etwa 75% und mehr im
Vergleich zu einer Vorrichtung, in der das Material in nach unten
gerichteter Art und Weise ausgestoßen wird, verringert.
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Bezug
auf 1 nehmend, weist eine Vorrichtung gemäß der Erfindung
einen Doppelschneckenextruder 10 auf, der die Kammer zur
Verfügung
stellt, in der das Einsatzmaterial erwärmt wird. Die Erwärmung wird
in der Reihe der Heizzonen 1 bis 9 gesteuert.
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Das
Einsatzmaterial 18 wird von der Einfülltrichter/Beschickungseinrichtung 12 in
ungelöstem
Zustand zugeführt.
Ungelöst
bedeutet in der vorliegenden Erfindung, dass die Zusatzstoffe für den Zweck
der Verarbeitung nicht aufgelöst
sind. Eine geringe Menge Wasser (oder andere Wirkmittel) können als
Verarbeitungshilfe verwendet werden, um ein weich gleitendes Fließen zu sichern
und allgemein das Vorschieben des Durchsatzes zu unterstützen. Diese
Verarbeitungshilfen sind jedoch nicht dafür vorgesehen, die Beschaffenheit
des Einsatzmaterial von ungelöst
zu gelöst
zu verändern.
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Der
Mehrzonen-Doppelschneckenextruder ist verwendet worden, um ein gesteuertes
Erwärmen
und eine gesteuerte Zuführung
zu erreichen. Die mehreren Zonen werden verwendet, um das Einsatzmaterial
ausreichend zu erwärmen,
um die Temperatur und die fluiden Scherkräfte zu erreichen, die für das innere
Fließen erforderlich
sind. Da sich die Temperatur infolge der beim Mischen und Verschieben
auftretenden Reibung bei den meisten Einsatzmaterialen erhöht, kann
von außen
zugelieferte Temperatur in einem bestimmten Maß verringert werden, um der
sich während
der Extrusion eigenständig
erzeugten Temperatur Rechnung zu tragen. In einer Ausführung der
Erfindung wurde die Extrusion unter Verwendung eines mitdrehenden
Doppelschneckenextruders mit einem L:D-Verhältnis
von 25 : 1 vom Typ AVP Baker MPF50 durchgeführt. Es waren bis zu neun Temperaturzonen
für das
Anwenden einer gesteuerten Erwärmung
zwischen Eintritt und Austritt vorgesehen. Die Schneckenkonfigurationen
können
angepasst werden, um den Anforderungen des Verfahrens an die innere
Fluidscherung zu entsprechen.
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Ein
wichtiger Faktor in der vorliegenden Erfindung ist, das Einsatzmaterial
unter den Bedingungen einer fluiden Scherung zu erwärmen, um
einen Zustand zu erreichen, bei dem ein inneres Fließen möglich ist, ohne
wesentlich über
einen solchen Punkt hinauszugehen oder ohne eine längere Verweilzeit
in dem Extruder zu erzeugen. Diese Balance wird durch Wählen einer
korrekten Maschinengröße, durch
Einstellen des Durchsatzvolumens, durch Wählen der optimalen Schneckengestaltung
und Erwärmung
in getrennten Zonen, um zu sichern, dass der Zustand des inneren
Fließens
für den
speziellen Typ des zu verarbeitenden Materials erreicht, jedoch
nicht überschritten
wird, erreicht. Daher wird, sobald der korrekte Zustand erreicht
ist, das Extrudieren been det, indem das Einsatzmaterial durch ein
Ausstoßmittel,
beispielsweise eine Düse,
hindurchtritt.
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In
den nachfolgend hierin beschriebenen Experimenten wurde Zucker als
Trägermaterial
mit ölhaltigen Material
verarbeitet und die Balance zwischen Temperatur und Zeit, wie sie
im vorhergehenden Abschnitt erläutert
ist, wurde durch Bereitstellen eines aus sieben Zonen bestehenden
Temperaturprofils und einer Vorschubgeschwindigkeit, wie sie in
Tabelle 1 angeführt
ist, erreicht. Danach verweilte das Zucker-Einsatzmaterial in den
letzten drei Zonen 5, 6 und 7 nicht länger als etwa 90 Sekunden.
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In
allen Fällen
wurde das Einsatzmaterial erwärmt
und mit einer Geschwindigkeit vorgeschoben, welche die Zustände des
inneren Fließens
lieferte, ohne wesentlich über
einen solchen Punkt hinauszugehen und mit einer minimalen Verweilzeit
in diesen Zuständen.
Eine übermäßige Ausdehnung
von Temperatur oder Zeit führt
zu einer Zerstörung
des Trägers
und erzeugt eine nicht zu verarbeitende Masse des Einsatzmaterials.
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Weitere
Zusatzstoffe 20, beispielsweise ölhaltiges Material, können in
einem Vorratsbehälter 22 gespeichert
und durch eine Pumpe 26 dosiert dem Einsatzmaterial zugeführt werden.
Die Mischelemente, Druckerzeugungs- und Vorschubelemente sind schematisch
als Schnecke 11 dargestellt. Weiterhin ist eine vordere
Klemm- oder Anpassplatte 15 vorgesehen,
um den Durchsatz des Einsatzmaterials von dem Extruder zu dem Scherabschnitt
der Vorrichtung zu leiten, der durch den Kreis II bezeichnet ist.
In 2 ist dieser Bereich ausführlich dargestellt.
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Bezug
auf 2 nehmend, ist dort der Ausstoßabschnitt der Vorrichtung
und des Verfahrens schematisch dargestellt. Genauer ausgedrückt wird
das Einsatzmaterial 18 unter Druck von dem Extruder 10 abgegeben
und es wird ihm ermöglicht,
sich unter Verwendung eines Ventilmechanismus 32 vorzuschieben.
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Vorzugsweise
wird ein Dreiwegeventil verwendet, um die extrudierte Masse, wenn
erforderlich, zu einem anderen Austritt, beispielsweise zu der Öffnung 31,
zu leiten. Unmittelbar stromabwärts
von dem Ventilmechanismus ist eine Hochdruckdüse 34 angeordnet.
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In
der vorliegenden bevorzugten Ausführung ist die Düse eine
Hochdruck-, Niedergeschwindigkeitsdüse, die einen im Wesentlichen
zusammenhängenden
Strom von Einsatzmaterial extrudiert. In einer alternativen Ausführung kann
die Düse
eine Hochgeschwindigkeitsdüse
sein, die das Einsatzmaterial unter hohem Druck und bei hoher Geschwindigkeit
extrudiert. Wie in 2 dargestellt, ist die Düse im Wesentlichen
nach oben gerichtet. Wenn auch Fachleute die präzise Position dafür erkennen
können,
wird empfohlen, die Düse etwa
90 Grad (± etwa
15 Grad, bevorzugt ± etwa
5 Grad) zu der Horizontalen anzuordnen.
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Weiterhin
ist in 2 eine Luftdruckquelle mit niederem Druck (L.P.)
80 dargestellt. Wie vorher angeführt,
ist diese Luftquelle 80 ebenfalls nach oben gerichtet,
um zu verhindern, dass das aus der Düse austretende verarbeitete
Material auf die Ausrüstung
zurückfällt und
ihr Verstopfen sowie andere Instandhaltungsprobleme hervorruft.
Die Luft mit niederem Druck unterstützt weiterhin beim Entfernen
jeglicher Restfeuchtigkeit, die in dem verarbeiteten Einsatzmaterial
vorhanden sein kann. Jede Luftdruckquelle mit niederem Druck, die
Gebläse
und andere mechanische Gebläseeinrichtung
aufweist, ist für
die hierin angeführten
Zwecke ausreichend. Am besten ist es, dass der durch diese Quelle
zur Verfügung
gestellte Druck höchstens
einige wenige Atmosphären übersteigt.
Wenn auch viele im Fachgebiet der Meinung sein können, dass es gegen jegliche
Erkenntnis spricht, mit sowohl nach oben gerichteter Düse und nach
oben gerichteter Luftdruckquelle mit niederem Druck gegen die Schwerkraft
zu arbeiten, haben die Erfinder in der Praxis statt dessen mehrere
außerordentliche
Vorteile entdeckt. Mit einem nach unten gerichteten Strom muss ausreichend
Höhe eingehalten werden,
damit das Material trocknen kann, wenn es austritt und herabfällt. In
der Ausführung
der Erfindung können
zumindest etwa 20% und bevorzugter etwa die Hälfte oder sogar etwa 75% oder
mehr der Raumanforderungen eliminiert werden. In der Praxis kann
das bedeuten, dass Höheneinsparungen
von etwa 3,04 bis 4,5 m (10 bis 15 Fuß) erreicht werden. Eine Verarbeitungsanlage
mit einem extra hohen Dach ist nicht mehr erforderlich. Weiterhin
ist es nicht mehr erforderlich, Einsatzmaterial in eine größere Höhenlage
zu überführen. Weiterhin
werden weniger Arbeitsstunden für
das Herauf- und Heruntersteigen der Treppe für Instandhaltungsaufgaben verbraucht.
Die Praxiseignung, die durch die Gesamtausgestaltung der Vorrichtung
der Erfindung erreicht wird, ist daher von Bedeutung.
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Erneut
auf 2 Bezug nehmend, wird in der vorliegenden bevorzugten
Ausführung
das Einsatzmaterial geschert, während
es sich im Zustand des inneren Fließens befindet, indem ein Strom
von Luft mit hoher Geschwindigkeit gegen den zusammenhängenden,
aus der Düse
austretenden Strom des Einsatzmaterials gerichtet wird. Die Hochgeschwindigkeitsluft
kann durch den Luftstrom 42 zur Verfügung gestellt werden, der durch
einen Filter und einen Druck-/Strömungsregler 41 zu
einer Inline-Heizeinrichtung 44 und einem Thermoelement 43 hindurchtreten
kann, um die Lufttemperatur zu regeln. Die Inline-Heizeinrichtung 44 kann
verwendet werden, um die Lufttemperatur zu erhöhen, um das Merkmal des freien
Fließens
der gescherten, von dem Strom des Einsatzmaterial abgetrennten Massen
zu verbessern. Vorzugsweise wird die Luft auf eine Temperatur von
etwa 130°C
bis etwa 210°C
für Saccharose
und von etwa 85°C
bis etwa 180°C
für Maltodextrine
erwärmt.
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2a stellt
eine andere Ausführung
dar, die die Möglichkeit
bietet, ein Additiv an einer Stelle in das Einsatzmaterial einzuspritzen,
an der es vor dem Ausstoßen
nicht abgebaut wird. Es ist bekannt, dass einige Zusatzstoffe, insbesondere
biologisch wirkende Zusatzstoffe, wärmeempfindlich sind und zerstört werden, wenn
sie über
einen längeren
Zeitraum einem Wärmezustand
ausgesetzt sind. Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem durch das
Einbeziehen eines ein Additiv abgebenden Behälters 70, von dem
ein Additiv über die
Zuführungsleitung 72 abgesaugt
werden kann. Der neue Zusatzstoff kann über jede der Einspritzöffnungen 74, 76 und 78 hinzugefügt werden.
Statische Mischeinrichtungen 31 und 34 erreichen
einen höheren
Mischwirkungsgrad wenn der Zusatzstoff an der Öffnung 74 hinzugefügt wird.
Es sollte so verstanden werden, dass die vorliegende Erfindung nicht
auf die in 2a dargestellte Ausgestaltung
beschränkt
ist. Einspritzöffnungen können an
jeder Stelle in dem hierin beschriebenen Verfahren und in der hierin
beschriebenen Vorrichtung vorgesehen werden. Eine qualifizierte
Fachperson kann die gewünschte
Ausgestaltung in Abhängigkeit
von der Labilität
des Additivs und der Kennwerte der verwendeten Vorrichtung wählen.
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Der
Luftstrom wird durch die Düse
gegen das Äußere des
Einsatzmaterials gerichtet, um Unterbrechungen in dem Einsatzmaterial
zu erzeugen und um die Morphologie des ursprünglichen Einsatzmaterials grundlegend
in eine neue Morphologie zu transformieren, die durch frei fließende Erstarrung
als abgetrennte Massen erzielt wird. Bezug auf 3 nehmend,
ist zu erkennen, dass sich der Luftstrom 42 in Fluidströmungsverbindung
mit dem ringförmigen
Kanal 54 befindet, der die innere Düsenvorrichtung 56 umgibt.
Das Einsatzmaterial 18 ist so dargestellt, dass es der
Düse zugeführt wird
und als ein zusammenhängender
Strom 55 austritt, wobei es einem Hochgeschwindigkeitsluftstrom 58 ausgesetzt
wird, der durch die Kombination von mehrfach gekrümmten Ausgängen, die
durch die Luftkappe 60 und den Haltering 62 bereitgestellt
werden, erzeugt wird.
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Es
können
andere Maßnahmen
ergriffen werden, um zu sichern, dass der Zustand des inneren Fließens, der
in dem Extruder/der Heizeinrichtung erzeugt wird, nicht durch Wärmeübertragung
verloren geht, wenn das verarbeitete Einsatzmaterial zu dem Scherpunkt
und darüber
hinaus, um eine frei fließende
Umbildung zu gestatten, vorgeschoben wird. So kann zum Beispiel
der Ventilmechanismus 32 beheizt werden, um eine Wärmeübertragung
von dem Einsatzmaterial zu einem relativ kühleren Ventilmechanismus auszuschließen. Weiterhin
kann Wärme
am Scherpunkt, der allgemein durch die Elemente 60 und 62 gekennzeichnet
ist, erhalten bleiben, indem eine Wärmepistole während des
Betriebs auf die Elemente gerichtet wird oder indem ein temperaturgesteuertes
Heizband verwendet wird. Alternativ kann die Temperatur der inneren
Düse 56 relativ
zu dem Strom der erwärmten
Luft erhöht
oder verringert werden, um eine Wärmeübertragung von dem Einsatzmaterial
und das sich daraus ergebende Abkühlen unter die Fließbedingungen
zu verhindern. Wenn das Verfahren fortgesetzt wird, wird jedoch
eine konstante Temperatur jeder der Mechanismen erreicht, so dass
zusätzliche
Wärme für die einzelnen
Elemente der Arbeitsvorgänge
nicht erforderlich ist, um eine übermäßige Wärmeübertragung
und Abkühlung
zu verhindern.
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Wenn
Luft zum Erzeugen der Scherkraft verwendet wird, wird sie in einer
Doppelfluiddüse
mit einem Druck von etwa 0,152 bis etwa 2,03 MPa (1,5 bis
etwa 20 Atmosphären)
aufgebracht. Vorzugsweise beträgt der
aufgebrachte Druck etwa 0,203 MPa (2 Atmosphären) bis
1,01 Mpa(10 Atmosphären).
Wie vorher angeführt,
sollte die Temperatur der zum Erzeugen der Scherkraft verwendeten
Luft für
jede Atmosphäre
Druck vorzugsweise auf eine Temperatur geregelt werden, die zumindest
0,1°C über der
Temperatur des ausgestoßenen
Einsatzmaterials liegt.
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In
jedem der nachfolgenden Beispiele wurde die Scherkraft über eine
Doppelfluiddüse,
wie sie in 3 dargestellt ist, durch Zuführen von
Luft bei einem Druck von etwa 3 Atmosphären erzeugt. Die Temperatur
der Luft kann für
Saccharose vor dem Austreten aus der Düse bei etwa 185°C und für Maltodextrin
bei etwa 150°C
gehalten werden. Wenn der Luftdruck an der in 3 dargestellten
Düse 0,203
Mpa (2 Atmosphären)
beträgt,
beträgt
die Geschwin digkeit des Luftaufpralls auf den Strom des Einsatzmaterials
20,7 m (68 Fuß)
pro Sekunde und wenn der Druck 0,406 Mpa (4 Atmosphären)beträgt, beträgt die Luftgeschwindigkeit 28,95
m(95 Fuß)
pro Sekunde.
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Das
hierin offenbarte neuartige Verfahren und die hierin offenbarte
neuartige Vorrichtung werden nun weiter erläutert und es werden Beispiele
von aktuellen Experimenten angeführt,
deren Ergebnisse nachfolgend angegeben sind. Diese Beispiele bedeuten
jedoch keine Einschränkung
des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung.
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Beispiele
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Es
sind Experimente ausgeführt
worden, welche die Voraussetzungen der vorliegenden Erfindung in der
praktischen Anwendung getestet haben. Die Aufgabe war dabei, zu
bestimmen, ob eine transformierte Scherformmatrix aus einem unlöslichen
Einsatzmaterial hergestellt werden könnte oder nicht. Dazu wurden mehrere
Tests durchgeführt.
Saccharid-Material (Zucker) als festes Einsatzmaterial oder Träger wurden
dem Doppelschneckenextruder zusammen mit einem ölhaltigen Material zugeführt, um
zu bestimmen, ob eine ölhaltige
Komponente erfolgreich als Bestandteil des Scherformmatrixproduktes
einbezogen werden könnte oder
nicht. Die Ergebnisse waren überraschenderweise
sehr günstig
und zeigen, dass ein kontinuierliches Verfahren für die Produktion
im kommerziellen Maßstab
verwendet werden kann.
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Beispiele
für Zucker
und ölhaltiges
Material
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In
den ersten Experimenten wurde eine Kombination von Zucker mit ölhaltigem
Material in dem Extruder mit einer Drehzahl von dreihundert (300)
Umdrehungen pro Minute verarbeitet. Das Temperatur profil des Extruders
als auch die Zuführungsrate
des Einsatzmaterials sind in Tabelle 1 angeführt.
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In
jedem der Experimente 1 bis 11 wurde Zucker als Trockeneinsatzmaterial
verwendet. Die in Tabelle 1 angeführten Temperaturen beginnen
von der ersten Zone (der Zone, die dem Einlasstrichter des Extruders am
nächsten
liegt) und reichen bis zu der siebenten Zone (die letzte, dem Austritt
benachbarte Zone). Öl
wurde dem Einsatzmaterial hinzugefügt, um zu bestimmen, ob die
Scherformmatrix in der Lage sein würde, einen zusätzlichen
Zusatzstoff, beispielsweise ein ölhaltiges
Material, aufzunehmen. Insbesondere wurde flüssiges ölhaltiges Material mit einer
Rate eingeführt,
um ein Endprodukt mit einem konsistenten Ölgehalt von 50 Gewichtsprozenten
zu erzeugen. Der Zusatzstoff wurde mit einem Druck von etwa 3,45
Mpa (500 psig), z.B. etwa 34 Atmosphären, in Aufwärtsrichtung
aus der Düse
ausgestoßen.
Die Schmelztemperatur betrug 71°C.
Das aus der Düse
ausgestoßene
Produkt erreichte einen ausgezeichneten Freifall und stellte eine
weiße,
undurchsichtige, perlenartige Scherformmatrix dar, die hinsichtlich
Größe, Erscheinungsbild
und Textur den Anforderungen gut entsprach. Es gab keine Anzeichen
einer Ölausscheidung.
Die Experimentalläufe
1 bis 11 wurden kontinuierlich im Verlauf von 4 Stunden durchgeführt. Es
wurde damit festgestellt, dass das Verfahren und die Vorrichtung
für die
Herstellung des neuen Scherformproduktes im kommerziellen Maßstab zuverlässig sind.
In jedem der vorher angeführten
Experimente besaß das
Scherformmatrixprodukt eine Morphologie, die stark unterschiedlich
von der Morphologie des Zuckerträgermaterial
in dem Einsatzmaterial war. Im Ergebnis der vorher angeführten Experimentalläufe wurde
festgestellt, dass ein trockenes Einsatzmaterial erfolgreich in
eine neue Matrix für
Anwendungen in vielen Bereichen der Nahrungsmittel- und pharmazeutischen
Technologie transformiert werden kann.
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Eine
andere Ausführung
(dargestellt in 4) verwendet eine Einzelfluiddüse, die
Einsatzmaterial 18' bei
hohem Druck und einer Geschwindigkeit ausstößt, die ausreichend ist, ein
sofortiges Abtrennen des ausgestoßenen Stroms in die Umgebungsdruck
aufweisende Kammer 63 zu bewirken. In einer gegenwärtig bevorzugten
Ausführung
ist festgestellt worden, dass die Geschwindigkeit, die erforderlich
ist, das Scherformprodukt zu formen, durch Bereitstellen eines Drucks
von 13,8 Mpa (2000 psi) erzeugt werden kann. Der Druck verändert sich
natürlich
mit sich verändernden
Düsenabmessungen.
Ausschlaggebend für
das Verfahren ist, dass der Strom des Einsatzmaterials mit einer
ausreichenden Geschwindigkeit ausgestoßen wird, um das Trennen des
Stroms in Massen des Scherformprodukts zu erzeugen.
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Nun
auf 5 Bezug nehmend, ist ein Sammelbehälter 100 dargestellt,
der für
die Verwendung als Bestandteil der hierin beschriebenen Erfindung
verwendet werden kann. Die Düse 34 ragt
durch die Öffnung 102.
Wenn verarbeitetes Scherformmatrixmaterial aus der Düse austritt,
bewegt es sich mit einer Aufwärtsbewegungsgröße weiter,
bis die in entgegengesetzter Richtung wirkende Schwerkraft bewirkt,
dass es nach unten zurückfällt. Die
Sammelbehälterbereiche 104A und 104B auf
jeder Seite der Öffnung 102 sammeln
dann das herabfallende Material. Die Seiten 106A bzw. 106B der
Sammelbehälterbereiche
sind vorzugsweise geneigt, um den Sammelbehälterbereich beim Sammeln des
Materials passiv Unter stützung
zu geben. Der Sammelbehälter 100 kann
aus jedem im Wesentlichen haltbaren im Fachgebiet bekannten Material
bestehen, vorzugsweise aus Metall, einer Legierung oder aus einem
Polymer und er kann durch im Fachgebiet bekannte Mittel abnehmbar
oder dauerhaft an der Vorrichtung 10 befestigt sein. Das
Material kann aus 104A oder 104B ausgeschaufelt
werden oder es kann ein Zugang durch Öffnungen 108A bzw. 108B vorgesehen
sein. Die Öffnungen 108A und 108B können offen
sein oder sie können
gelenkige Zugangsmittel (nicht dargestellt) aufweisen.
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Wenn
auch das beschrieben worden ist, was gegenwärtig die bevorzugten Ausführungen
der Erfindung sind, können
Fachleute erkennen, dass andere und weitere Modifikationen ausgeführt werden
können, ohne
vom Erfindungsgegenstand abzuweichen, und es ist beabsichtigt, dass
alle solche Modifikationen und Variationen in den Schutzumfang der
nachfolgend angeführten
Ansprüche
fallen.
