EP1292385A1 - Method and facility for producing micromembrane capsules - Google Patents

Method and facility for producing micromembrane capsules

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Publication number
EP1292385A1
EP1292385A1 EP01947241A EP01947241A EP1292385A1 EP 1292385 A1 EP1292385 A1 EP 1292385A1 EP 01947241 A EP01947241 A EP 01947241A EP 01947241 A EP01947241 A EP 01947241A EP 1292385 A1 EP1292385 A1 EP 1292385A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
drops
beads
precipitated
coating
suspension
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01947241A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Rainer Pommersheim
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CAVIS MICROCAPS GmbH
Original Assignee
Pommersheim Rainer
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pommersheim Rainer filed Critical Pommersheim Rainer
Publication of EP1292385A1 publication Critical patent/EP1292385A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J13/00—Colloid chemistry, e.g. the production of colloidal materials or their solutions, not otherwise provided for; Making microcapsules or microballoons
    • B01J13/02—Making microcapsules or microballoons
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K9/00—Medicinal preparations characterised by special physical form
    • A61K9/48—Preparations in capsules, e.g. of gelatin, of chocolate
    • A61K9/50—Microcapsules having a gas, liquid or semi-solid filling; Solid microparticles or pellets surrounded by a distinct coating layer, e.g. coated microspheres, coated drug crystals
    • A61K9/5089—Processes

Definitions

  • the invention relates to a method and to a plant for the production of micro-membrane capsules on an industrial scale, for use in food technology, biotechnology, the chemical and / or pharmaceutical industry and medicine.
  • Such capsules consist of a preferably spherical core which contains the immobilized substance or living cells or microorganisms and which can be surrounded by a shell which completely surrounds this core.
  • yeast immobilized in alginate spheres for bottle fermentation in the production of sparkling wine This means that the time-consuming, manual shaking of the yeast deposit can be replaced by the rapid sinking of the beads in the champagne bottle.
  • a disadvantage of these immobilizates, however, is the fact that yeast growth from the beads cannot always be prevented.
  • the German laid-open specification DE 3836894 AI describes a method and an apparatus which can be used to produce such alginate beads.
  • a suspension is formed from the microorganisms to be immobilized and the alginate base material, which is then dripped into a precipitation bath. This is done via capillaries, which are set in vibration.
  • the process described here can also be used to produce larger amounts of capsules, the immobilisates obtained are not suitable for including chemical substances due to the lack of an additional capsule membrane. The cells cannot grow out of the capsules either.
  • the PCT application PCT / CH96 / 00097 describes a similar process for the production of microcapsules which, in contrast to the above-mentioned production process, enables the beads to be prepared under sterile conditions, that is to say mainly provides capsules for the medical field.
  • the immobilisates obtained with the device described here have the same shortcomings as those in the above method.
  • Cell growth cannot be guaranteed and chemical compounds such as proteins (enzymes) cannot be kept in the capsules.
  • Patent specification P 43 12 970.6 describes a membrane capsule which is suitable for immobilizing enzymes and proteins, but also living cells.
  • the core which contains the immobilizate, surrounded by a multilayer shell, each of these layers imparting a certain property to the entire shell.
  • the shell polymers Through the advantageous choice of the shell polymers, the permeability of the membrane can be reduced so that enzymes also remain in the capsule, while the much smaller substrates and products can pass through the membrane. So far, however, these capsules can only be produced on a laboratory scale, i.e. in small quantities.
  • the invention has for its object to provide a method and an associated system that or that makes it possible for the first time to manufacture micro-membrane capsules in large quantities, that is, on an industrial scale.
  • the solution of the disclosure of the invention is carried out with a method according to claim 1 and a system according to claim 26.
  • the manufacturing process according to the invention is therefore divided into two sections, namely the shaping and the coating.
  • the material to be encapsulated is suspended or dissolved in a basic solution, preferably sodium alginate.
  • a basic solution preferably sodium alginate.
  • This basic material suspension or solution is then conveyed into a coating reactor via a suitable device. This can either be done with compressed air, but pumps, screw conveyors etc. can also be used. This suspension or solution is then added dropwise to a precipitation bath.
  • Ball shaped This can be done either by complexing with a polyvalent salt solution as in the case of the alginate, or by changing physical parameters such as e.g. Temperature.
  • a polyvalent salt solution as in the case of the alginate, or by changing physical parameters such as e.g. Temperature.
  • Liquid drops thus form the gel and enclose the material to be encapsulated.
  • capillaries can be used in which the drop is torn off by an air stream, as in F. Lim and A. Sun in Science; Volume 210, pages 908-910, year 1980. This gives capsule sizes between approx. 200 ⁇ m and approx. 2 mm with a very narrow size distribution.
  • several nozzles are arranged on a nozzle plate incorporated in the reactor.
  • Another usable method for droplet generation is that described in patent application DE 3836894.
  • Several capillaries are vibrated here, which leads to the liquid jets being broken down into individual drops. Such nozzle plates can be introduced into the reactor.
  • the capsules obtained here also have a diameter between approximately 200 ⁇ m and approximately 2 mm, the productivity being significantly higher than in the case of the above-mentioned nozzles, but with a much broader size distribution.
  • Very small particles in the range from approx. 20 ⁇ m to approx. 200 ⁇ m, are obtained by spinning on a turntable.
  • the flight cone of the drops must be taken into account when designing the reactor, so that they get into the precipitation bath and do not get caught on the walls.
  • the resulting gel particles are coated by immersing them in the respective coating solutions.
  • These are dilute aqueous solutions of polymers with anionic or cationic groups such as chitosan, polyvinylpyrrolydone, polyethyleneimine, carbocymethyl cellulose, alginate, polyacrylic acid, etc., which form so-called polyelectrolyte complex layers on the capsule surface.
  • polymers with anionic or cationic groups such as chitosan, polyvinylpyrrolydone, polyethyleneimine, carbocymethyl cellulose, alginate, polyacrylic acid, etc.
  • the manufacturing process takes place at approx. 25 ° C and atmospheric pressure. Nevertheless, a temperature control option can be provided for the reactors to heat the liquids up to approx. 65 ° C or to cool them down to approx. 5 ° C if necessary.
  • Fig. La; 1b; 2a: 2b; 3a; and 3c show several exemplary embodiments of the method and the associated plants for the large-scale production of membrane capsules.
  • 3a and 3b show variants of a plant which only works with one reactor and in which, as shown in FIG. 3b, all the reagents used in the process can initially be present as concentrates.
  • a suspension of the material to be encapsulated and the basic material solution is first prepared and poured into the pressure vessel GS.
  • the vessel is pressurized (approx. 8-10 bar), whereby the suspension is pressed into the corresponding reactor via the open valve V.
  • This can be FR or R depending on the system.
  • the vessel GS can be additionally ventilated by means of an additional valve BV, which is shown in some embodiments according to the invention.
  • the liquid must be transported using compressed air so that the material to be encapsulated is not damaged. However, other gentle systems such as suitable pumps or screw conveyors can also be used.
  • the suspension is broken down into individual drops using a suitable device. Due to the precipitation reagent into which the drops fall, they gel into gel particles. The size of the resulting particles depends on the dropletisation process used.
  • the volume flow of the basic material suspension is regulated via RV.
  • the precipitation reagent can get from the storage vessel FB into the reactor FR or R in different ways. Since the liquid is introduced tangentially in all cases, the gel particles are swirled, so that additional stirring is not necessary.
  • the suction tube must be provided with a filter so that no capsules are sucked in.
  • the solutions can be tempered by means of the heat exchanger WT1 or WT.
  • the precipitation reagent is conveyed into the shaping reactor FR by opening the valve V17, V19, and V22 and by pumping via the pump P1.
  • V17 and VI9 are closed and V20 is opened, whereby the solution circulates in a circle.
  • the solution is pumped back to FB by closing V22 and opening V21 and V18.
  • the beads are then washed with DI water by closing V18 and V21 and by opening V15, V19 and V22, which, like the precipitation reagent, is first circulated by means of an analog valve position and then by closing V22 and opening V21 and V16 Part is pumped out again.
  • the gel particles formed are then conveyed as an aqueous suspension into the coating reactor BR by gravity by opening the ball valve KHL.
  • this method step takes place analogously to that in FIG. 1 a, but here the 2-way valves VI9 and V20 or V21 and V22 from FIG. 1 a have been replaced by correspondingly arranged 3-way valves V15 and V12 , V17 and V18 or V15 and V16 from la correspond to valves V13 and V14 or V8 and Vll.
  • this first method step proceeds according to the invention in the embodiment shown in FIG. 3a. V15 and VI6; V17 and V18; V19 and V20; V21 and V22 from the system shown in FIG.
  • FIGS. 1b and 2b. represented variants can thanks to the presence of two pumps (Pl and P2) the precipitation reagent with the appropriate position of the valves V13 and V14 in Fig. lb or V10 and Vll in Fig. 2b, ⁇ during the entire first step of the process from the reservoir FB to Reactor FR can be pumped back and forth to FB. Since the precipitation bath in FR is constantly renewed in this way, the active substance concentration in the precipitation bath remains almost constant during this entire first process step. After a few minutes of curing time, the beads are also washed with di-water in the variants shown here by switching the valves V13 and V14 (Fig. Lb) or V10 and Vll (Fig. 2b). Thanks to the two pumps Pl and P2, the reaction vessel can always be supplied with new water and does not have to be circulated as in the variants shown in FIGS. 1a, 2a and 3a.
  • the embodiment shown in Fig. 3b does not work with ready-to-use solutions but with concentrates that have to be diluted first.
  • the filter F and the valve V10 by means of the pump P via the Mixing chamber MK and the heat exchanger WT di-water passed into the reaction vessel R.
  • V8 is closed and V9 is opened so that the water circulates in a circle.
  • the quantity of concentrate corresponding to the desired final concentration is then metered in from V4.
  • the suspension in reaction vessel R is then dripped from GS.
  • the beads remain in the reactor R after they have hardened.
  • the second process step, coating takes place.
  • this is done by rinsing the capsules alternately with a cationic and an anionic, dilute polymer solution. Wash steps are provided in between.
  • the 'particles are each exposed to the solutions for a few minutes, which can be pumped back into the Vorratsbereheat. It is important that the capsules are kept in a kind of fluidized bed during the entire process, so that the membrane can form all around. This can be done by means of special agitators, or, as shown in the present explanations, by tangentially introducing the solutions at a relatively high speed, which should be several meters per second at the pipe outlet opening.
  • the liquids can be tempered via the appropriate heat exchangers WT2 or WT.
  • the finished membrane capsules are washed and rinsed out of the reaction vessel.
  • a drying step can then be carried out, whereby the water is removed from the capsules.
  • the selected drying process is largely determined by the material enclosed in the capsules.
  • the first coating reagent, the polycation 1 is conveyed from the storage vessel PK1 into the coating reactor BR by opening the valve V3, V23, and V26 and by pumping via the pump P2. After reaching a corresponding level in BR, V3 and V23 are closed and V24 is opened, whereby the solution circulates in a circle.
  • the solution is pumped back to PKI by closing V26 and opening V25 and V4.
  • the beads are then washed with di-water by closing V4, V24 and V25 and by opening VI, V23 and V26, which, like the precipitation reagent, is first circulated through an analog valve position and then by closing VI, V23 and V26 and opening V2, V24 and V26 is pumped out again.
  • the reactor BR is then rinsed in an analog circuit with the detergent solution from the storage tank E, and then with the first polyanion from the container PA1, which is followed by 2-3 washing steps.
  • the reactor is then supplied from the PK2 vessel with the second polycationic solution, which is then pumped back there.
  • this method step takes place analogously to that in FIG. 1a, but here the coating is carried out in the same vessel R as the shaping. 3a corresponds to V17 and V18, V23 and V24 from la, or V19 and V20, V25 and v26 from FIG.
  • the finished capsules are rinsed out of the reactor by opening the KH ball valve.
  • the coating reagents can always be pumped back and forth from the storage containers to the reactor BR during the entire process step if the valves are in the appropriate position. Since the coating baths in BR are constantly renewed in this way, the active substance concentrations in the reactor remain almost constant during this entire process step.
  • the valves VI and V2 are opened and V15, 17 and V16 are switched accordingly.
  • the pump P4 pushes the liquid into the reactor P3 and returns it to the storage tank.
  • the liquid level in BR is set via the corresponding control of the two pumps.
  • FIGS. 2a and 2b do not work with ready-to-use solutions but with concentrates which first have to be diluted.
  • filter F and valve V10 FIG. 2a) or V9 (FIG. 2b) by means of pump P2 (FIG. 2a) or P3 (FIG. 2b) passed through the mixing chamber MK and the heat exchanger WT2 di-water into the reaction vessel R.
  • pump P2 FIG. 2a
  • P3 FIG. 2b
  • V7 is closed and V9 (Fig. 2a) or V8 (Fig. 2b) opened so that the water circulates in a circle.
  • the amount of polycation 1 concentrate corresponding to the desired final concentration is then metered in via VI from PKl and the solution is circulated.
  • V9 (FIG. 2a) or V8 (FIG. 2b) is opened and V10 (FIG. 2a) or V9 (FIG. 2b) is changed over and the solution is discarded.
  • the reactor BR is again filled with water via V7 and the detergent is removed from the vessel E and then discarded.
  • the beads are washed around with the other coating solutions, the concentrates of PA1 (polyanion 1), PK2 (polycation 2) etc. being metered in.
  • the capsules are rinsed out by opening KH2 after the coating has been completed.
  • the coating process takes place analogously to the explanations given in FIGS. 2a and 2b.
  • the difference is that coating is carried out in the same vessel R in which the dropletization (shaping) of the suspension has previously taken place.
  • V4, V5, V6, V7 from Fig. 2a. correspond to the valves V5, V6, V7, V8.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Manufacturing Of Micro-Capsules (AREA)

Abstract

The invention relates to a method and a facility for industrial scale production of MICROMEMBRANE capsules for immobilizing active ingredients, proteins, live cells and/or microorganisms. According to the invention, the material dissolved in a base material or in suspended form that is to be encapsulated is fed from a reservoir into a reactor, wherein drops are produced from said material and balls are formed by precipitating said drops. The balls enclose the material and are then in turn coated by repeated rinsing in the same and/or different vessel.

Description

Verfahren und Anlage zur Herstellung von Mikromembrankapseln Process and plant for the production of micro-membrane capsules
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Anlage zur Herstellung von Mikromembrankapseln im großtechnischen Maßstab, für den Einsatz in der Lebensmitteltechnik, der Biotechnologie, der chemischen und/oder pharmazeutischen Industrie sowie der Medizin. Derartige Kapseln bestehen aus einem vorzugsweise kugelförmigen Kern, der den immobilisierten Stoff oder lebende Zellen oder Mikroorganismen enthält und der von einer Hülle umgeben sein kann, die diesen Kern vollständig umschließt.The invention relates to a method and to a plant for the production of micro-membrane capsules on an industrial scale, for use in food technology, biotechnology, the chemical and / or pharmaceutical industry and medicine. Such capsules consist of a preferably spherical core which contains the immobilized substance or living cells or microorganisms and which can be surrounded by a shell which completely surrounds this core.
In der technologischen Praxis aber auch in der Medizin ist es häufig erforderlich Stoffe aber auch lebende Zellen zu immobilisieren. Auf diese Weise kann deren Handhabbarkeit verbessert werden was zu einer deutliche Kostenreduktion führt. Manchmal ist es aber auch der einzige Weg, gewisse Wirkstoffe oder lebende Zellen einsetzen zu können. Eine bekannte Methode hierfür ist die Mikroverkapselung.In technological practice, but also in medicine, it is often necessary to immobilize substances as well as living cells. In this way, their manageability can be improved, which leads to a significant reduction in costs. Sometimes it is the only way to use certain active ingredients or living cells. A known method for this is microencapsulation.
Um Zellen, Enzyme oder auch andere Substanzen verkapseln zu können werden sie einer flüssigen, zumeist wasserlöslichen Grundsubstanz beigemischt, die dann durch geeignete Vorrichtungen vertropft wird. Die gebildeten Tropfen werden ausgehärtet und schließen den in ihnen gelösten oder suspendierten Stoff oder die Zellen mit ein. Dies kann entweder durch ein Vernetzten in einem Fällbad oder durch Änderung physikalischer Parameter wie z.B. Temperatur erfolgen. Die so gebildeten Kügelchen deren Durchmesser in einem Bereich von einigen Mikrometern bis einigen Millimetern liegt, können anschließend beschichtet werden. In der Fachliteratur wurden Verfahren beschrieben, die in Kügelchen immobilisierte Mikroorganismen wie z.B. Hefen einsetzen. So beschreibt z.B. G.Troost et.al. (G.Troost et. al. Sekt, Schaumwein, Perlwein, Stuttgart 1995) in Alginat- Kugeln immobilisierte Hefe zur Flaschengärung bei der Schaumweinherstellung. Hierdurch kann das zeitaufwendige, manuelle Abrütteln des Hefedepots durch das rasche Absinken der Kügelchen in der Sektflasche ersetzt werden. Nachteilig bei diesen Immobilisaten ist allerdings die Tatsache, daß ein Auswachsen der Hefen aus den Kügelchen nicht immer verhindert werden kann.In order to be able to encapsulate cells, enzymes or other substances, they are mixed with a liquid, mostly water-soluble base substance, which is then dripped by suitable devices. The drops formed are hardened and include the substance or cells dissolved or suspended in them. This can be done either by crosslinking in a precipitation bath or by changing physical parameters such as temperature. The spheres thus formed, the diameter of which is in the range from a few micrometers to a few millimeters, can then be coated. Methods have been described in the specialist literature which use microorganisms such as yeasts immobilized in beads. For example, G.Troost et.al. (G.Troost et. Al. Sekt, Schaumwein, Perlwein, Stuttgart 1995) yeast immobilized in alginate spheres for bottle fermentation in the production of sparkling wine. This means that the time-consuming, manual shaking of the yeast deposit can be replaced by the rapid sinking of the beads in the champagne bottle. A disadvantage of these immobilizates, however, is the fact that yeast growth from the beads cannot always be prevented.
11
In der deutschen Offenlegungsschrift DE 3836894 AI wird ein Verfahren sowie eine Vorrichtung beschreiben, das bzw. die zur Herstellung derartiger Alginat-Kügelchen verwendet werden kann. Hier wird aus den zu immobilisierenden Mikroorganismen und dem Alginat-Grundstoff eine Suspension gebildet, die anschließend in ein Fällbad eingetropft wird. Dies geschieht über Kapillaren, die in Schwingung versetzt werden. Obwohl das hier dargestellte Verfahren auch zur Herstellung größerer Mengen Kapseln verwendet werden kann, sind sie erhaltenen Immobilisate durch das Fehlen einer zusätzlichen Kapselmembran nicht dazu geeignet chemische Substanzen einzuschließen. Auch kann ein Auswachsen der Zellen aus den Kapseln nicht verhindert werden.The German laid-open specification DE 3836894 AI describes a method and an apparatus which can be used to produce such alginate beads. A suspension is formed from the microorganisms to be immobilized and the alginate base material, which is then dripped into a precipitation bath. This is done via capillaries, which are set in vibration. Although the process described here can also be used to produce larger amounts of capsules, the immobilisates obtained are not suitable for including chemical substances due to the lack of an additional capsule membrane. The cells cannot grow out of the capsules either.
Die PCT Anmeldung PCT/CH96/00097 beschreibt ein ähnliches Verfahren zur Herstellung von Mikrokapseln, das im Unterschied zum o.g. Herstellungsprozess eine Zubereitung der Kügelchen unter sterilen Bedingungen ermöglicht, also hauptsächlich Kapseln für den medizinischen Bereich liefert. Die Immobilisate, die man mit der hier beschriebenen Vorrichtung erhält, weisen jedoch die gleichen Mängel auf, wie die bei dem obigen Verfahren. Auch hier kann ein Auswachsen der Zellen nicht gewährleistet werden und chemische Verbindungen wie z.B. Proteine (Enzyme) können nicht in der Kapseln gehalten werden.The PCT application PCT / CH96 / 00097 describes a similar process for the production of microcapsules which, in contrast to the above-mentioned production process, enables the beads to be prepared under sterile conditions, that is to say mainly provides capsules for the medical field. However, the immobilisates obtained with the device described here have the same shortcomings as those in the above method. Here too one can Cell growth cannot be guaranteed and chemical compounds such as proteins (enzymes) cannot be kept in the capsules.
F. Lim und A. Sun beschreiben in „Science; Band 210, Seiten 908-910; Jahrgang 1980 eine Kapsel mit einer semipermeablen Membran zur Immobilisierung von lebenden Zellen bei der der Kapselkern aus einer einzigen Schicht eines Ply-1-Lysin / Alginatkomplexes umgeben ist. Bei diesen Kapseln wird eine Austreten der Zellen aus dem Kapselkern verhindert. Diese Membrankapsel eignet sich wegen ihrer relativ geringen mechanischen Stabilität nicht zum Einsatz in technischen Prozessen. Auch können darin keine Moleküle von der Größe eines Enzyms oder kleiner eingeschlossen werden, da die Membran dafür durchlässig ist.F. Lim and A. Sun describe in “Science; Volume 210, pages 908-910; Born in 1980, a capsule with a semipermeable membrane for immobilizing living cells in which the capsule core is surrounded by a single layer of a ply-1-lysine / alginate complex. With these capsules, the cells are prevented from escaping from the capsule core. Because of its relatively low mechanical stability, this membrane capsule is not suitable for use in technical processes. Also, no molecules the size of an enzyme or smaller can be included because the membrane is permeable to it.
In der Patentschrift P 43 12 970.6 wird eine Membrankapsel beschrieben, die zur Immobilisierung von Enzymen und Proteinen, aber auch lebenden Zellen geeignet ist. Hier ist der Kern, der das Immobilisat enthält mit einer mehrlagigen Hülle umgeben, wobei jede dieser Lagen der gesamten Hülle eine gewisse Eigenschaft verleiht. Über die vorteilhafte Wahl der Hüllenpolymere kann die Durchlässigkeit der Membran so verringert werden, dass auch Enzyme in der Kapsel bleiben, währen die viel kleineren Substrate und Produkte die Membran passieren können. Diese Kapseln können aber bislang nur im Labormaßstab, also in kleinen Mengen hergestellt werden.Patent specification P 43 12 970.6 describes a membrane capsule which is suitable for immobilizing enzymes and proteins, but also living cells. Here is the core, which contains the immobilizate, surrounded by a multilayer shell, each of these layers imparting a certain property to the entire shell. Through the advantageous choice of the shell polymers, the permeability of the membrane can be reduced so that enzymes also remain in the capsule, while the much smaller substrates and products can pass through the membrane. So far, however, these capsules can only be produced on a laboratory scale, i.e. in small quantities.
Ausgehend vom bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine dazugehörige Anlage zu schaffen, daß bzw. die es erstmals ermöglicht, Mikro-Membran-Kapseln in großen Mengen, also großtechnisch herzustellen. Die Lösung der Augabe der Erfindung erfolgt mit einem Verfahren nach Patentanspruch 1 sowie einer Anlage gemäß Patentanspruch 26.Starting from the known prior art, the invention has for its object to provide a method and an associated system that or that makes it possible for the first time to manufacture micro-membrane capsules in large quantities, that is, on an industrial scale. The solution of the disclosure of the invention is carried out with a method according to claim 1 and a system according to claim 26.
Der erfindungsgemäße Herstellungsprozeß gliedert sich demnach in zwei Abschnitte, nämlich der Formgebung und der Beschichtung.The manufacturing process according to the invention is therefore divided into two sections, namely the shaping and the coating.
Während der Formgebung wird das zu verkapselnde Material in einer Grundstofflösung, vorzugsweise Natriumalginat suspendiert oder gelöst. Diese GrundstoffSuspension oder - lösung wird danach in dann über eine geeignete Vorrichtung in einem Beschichtungsreaktor befördert. Dies kann entweder durch Druckluft erfolgen, es können aber auch Pumpen, Förderschnecken usw. verwendet werden. Aus dieser Suspension oder Lösung werden dann durch Eintropfen in ein FällbadDuring shaping, the material to be encapsulated is suspended or dissolved in a basic solution, preferably sodium alginate. This basic material suspension or solution is then conveyed into a coating reactor via a suitable device. This can either be done with compressed air, but pumps, screw conveyors etc. can also be used. This suspension or solution is then added dropwise to a precipitation bath
Kügelchen geformt. Dies kann entweder durch Komplexieren mit einer mehrwertigen Salzlösung wie im Falle des Alginats erfolgen, oder durch die Änderung physikalischer Parameter wie z.B. Temperatur. Beim Eintauchen ins Fällbad wird derBall shaped. This can be done either by complexing with a polyvalent salt solution as in the case of the alginate, or by changing physical parameters such as e.g. Temperature. When immersed in the precipitation bath, the
Flüssigkeitstropfen somit zum Gel und schließt das zu verkapselnde Material ein.Liquid drops thus form the gel and enclose the material to be encapsulated.
Zum Vertropfen der Flüssigkeit können je nach gewünschter Größe, Produktivität und Größenverteilung mehrere Verfahren eingesetzt werden. So könne z.B. Kapillaren verwendet werden, bei denen der Tropfen über einen Luftstrom abgerissen wird, wie bei F. Lim und A. Sun in Science; Band 210, Seiten 908- 910, Jahrgang 1980 beschrieben. Man erhält so Kapselgrößen zwischen ca. 200 μm und ca. 2 mm mit einer sehr engen Größenverteilung. Um eine ausreichende Produktivität zu sichern sind mehrere Düsen auf einer in der Reaktor eingearbeiteten Düsenplatte angeordnet. Ein weiteres nutzbares Verfahren zur Tropfenerzeugung ist jenes, das in der Patentanmeldung DE 3836894 beschrieben wird. Hier werden mehrere Kapillaren in Schwingung versetzt, was zu einem Zerteilen der Flüssigkeitsstrahlen in Einzeltropfen führt. Derartige Düsenplatten können in den Reaktor eingebracht werden. Die erhaltene Kapseln haben auch hier Durchmesser zwischen ca. 200 μm und ca. 2 mm, wobei die Produktivität deutlich höher als bei den o.g. Düsen ist, jedoch bei einer viel breiteren Größenverteilung.Depending on the desired size, productivity and size distribution, several methods can be used to drop the liquid. For example, capillaries can be used in which the drop is torn off by an air stream, as in F. Lim and A. Sun in Science; Volume 210, pages 908-910, year 1980. This gives capsule sizes between approx. 200 μm and approx. 2 mm with a very narrow size distribution. To ensure sufficient productivity, several nozzles are arranged on a nozzle plate incorporated in the reactor. Another usable method for droplet generation is that described in patent application DE 3836894. Several capillaries are vibrated here, which leads to the liquid jets being broken down into individual drops. Such nozzle plates can be introduced into the reactor. The capsules obtained here also have a diameter between approximately 200 μm and approximately 2 mm, the productivity being significantly higher than in the case of the above-mentioned nozzles, but with a much broader size distribution.
Sehr kleine Partikel, im Bereich von ca. 20 μm bis ca. 200 μm erhält man, durch Abschleudern auf einem Drehteller. Hier muß jedoch bei der Ausgestaltung des Reaktors der Flugkegel der Tropfen berücksichtigt werden, damit diese ins Fällbad gelangen und nicht an den Wänden hängen bleiben.Very small particles, in the range from approx. 20 μm to approx. 200 μm, are obtained by spinning on a turntable. Here, however, the flight cone of the drops must be taken into account when designing the reactor, so that they get into the precipitation bath and do not get caught on the walls.
Die Beschichtung der so entstandene Gelpartikel erfolgt durch deren Eintauchen in die jeweiligen Beschichtungslösungen. Dies sind verdünnte wäßrige Lösungen von Polymeren mit anionischen bzw. kationischen Gruppen wie z.B. Chitosan, Polyvinylpyrrolydon, Polyethylenimin, Carbocymethylcellulose, Alginat, Polyacrylsäure usw. die auf der Kapseloberfläche sogenannte Polyelektrolytkomplex-Schichten bilden. Durch wiederholtes Eintauchen der Partikel in diese Lösungen werden, mehrere Lagen der Kapselhülle gebildet. Um während der Beschichtung ein Verkleben der Kügelchen zu verhindern und somit eine optimale Membranausbildung zu gewährleisten, müssen diese in Schwebe gehalten werden. Dies kann erfindungsgemäß durch Rühren mit speziellen Rührwerken, sogenannten Visco-Jet Rührern erfolgen, man kann aber auch die Beschichtungsreagenze in tangential, mit hoher Geschwindigkeit in den Reaktor einleiten, so daß ähnlich einem Hydrozyklon eine Bewegung der Flüssigkeit erreicht wird, die die Kapseln verwirbelt. Zusätzlich kann zwischendurch mit einem geeigneten Detergenz gewaschen werden. Die erforderlichen Beschichtungs- bzw. Waschlösungen befinden sich in Vorratstanks und können entweder gebrauchsfertig oder als Konzentrat vorliegen.The resulting gel particles are coated by immersing them in the respective coating solutions. These are dilute aqueous solutions of polymers with anionic or cationic groups such as chitosan, polyvinylpyrrolydone, polyethyleneimine, carbocymethyl cellulose, alginate, polyacrylic acid, etc., which form so-called polyelectrolyte complex layers on the capsule surface. By repeatedly immersing the particles in these solutions, several layers of the capsule shell are formed. In order to prevent the beads from sticking during the coating and thus to ensure optimal membrane formation, they must be kept in suspension. This can be done according to the invention by stirring with special agitators, so-called Visco-Jet stirrers, but it is also possible to introduce the coating reagents into the reactor tangentially and at high speed, so that a movement of the liquid which swirls the capsules is achieved, similar to a hydrocyclone. In addition can be washed in between with a suitable detergent. The required coating or washing solutions are in storage tanks and can either be ready for use or as a concentrate.
Der Herstellungsprozeß läuft bei ca. 25° C und atmosphärischen Druck ab. Trotzdem kann eine Temperiermöglichkeit für die Reaktoren vorgesehen werden um bei Bedarf die Flüssigkeiten bis auf ca. 65° C erwärmen, bzw. sie bis auf ca. 5° C abkühlen zu können.The manufacturing process takes place at approx. 25 ° C and atmospheric pressure. Nevertheless, a temperature control option can be provided for the reactors to heat the liquids up to approx. 65 ° C or to cool them down to approx. 5 ° C if necessary.
Die Fig. la; 1b; 2a: 2b; 3a; und 3c zeigen mehrere Ausführungsbeispiele des Verfahrens sowie der dazugehörenden Anlagen zur großtechnischen Herstellung von Membran-Kapseln.Fig. La; 1b; 2a: 2b; 3a; and 3c show several exemplary embodiments of the method and the associated plants for the large-scale production of membrane capsules.
Bei den in den Fig. la und 1b dargestellten Anlagen, liegen alle Lösungen in den Vorratsbehältern gebrauchsfertig also in verdünnter Form vor. Es wird in zwei getrennten Reaktoren, einer für die Formgebung und einer für die Beschichtung gearbeitet.In the systems shown in FIGS. 1 a and 1 b, all of the solutions in the storage containers are ready for use, ie in a diluted form. It works in two separate reactors, one for shaping and one for coating.
Bei den Anlagen der Fig. 2a und 2b., die ebenfalls zwei Reaktoren haben, wird nur das Fällreagenz in verdünnter Form gelagert, während die Beschichtungsreagenzien als Konzentrate, die nachträglich verdünnt werden vorliegen.2a and 2b., Which also have two reactors, only the precipitation reagent is stored in dilute form, while the coating reagents are present as concentrates which are subsequently diluted.
Fig. 3a und 3b zeigen Varianten einer Anlage, die nur mit einem Reaktor arbeitet und bei der wie in Fig. 3b dargestellt, sämtliche im Prozeß eingesetzten Reagenzien vorerst als Konzentrate vorliegen können.3a and 3b show variants of a plant which only works with one reactor and in which, as shown in FIG. 3b, all the reagents used in the process can initially be present as concentrates.
Natürlich sind auch weitere Varianten denkbar, die aus Kombinationen der in den Abbildungen dargestellten Anlagenschemen bestehen. Die Ausführungen mit zwei Reaktoren zeichnen sich durch eine höhere Produktivität aus, da die Beschichtung der Kügelchen durchgeführt werden kann, während die Vertropfung der Flüssigkeit, also die Formgebung weiterläuft.Of course, other variants are also conceivable, which consist of combinations of the system diagrams shown in the figures. The designs with two reactors are characterized by higher productivity, since the beads can be coated while the dropletization of the liquid, i.e. the shaping, continues.
Die Varianten mit einem Reaktor haben demzufolge eine geringere Produktivität, sind jedoch einfacher und vom apparativen Aufwand her günstiger auszuführen.The variants with one reactor therefore have lower productivity, but are simpler and less expensive to implement.
Bei allen beschriebenen Ausführungen wird erst einmal eine Suspension aus zu verkapselndem Material und Grundstofflösung zubereitet und in das Druckgefäß GS eingefüllt. Durch Öffnen von des Ventils RV wird das Gefäß mit Druck (ca. 8-10 bar) beaufschlagt, wodurch die Suspension über das geöffnete Ventil V in den entsprechenden Reaktor gepreßt wird Dies kann je nach Anlage FR oder R sein. Durch ein zusätzliches Ventil BV, das in einigen erfindungsgemäßen Ausführungen eingezeichnet ist, kann das Gefäß GS zusätzlich belüftet werden. Der Transport der Flüssigkeit mittels Druckluft ist erforderlich, damit keine Schädigung des zu verkapselnden Materials auftritt. Es können aber auch andere schonende Systeme wie geeignete Pumpen oder Förderschnecken verwendet werden.In all of the versions described, a suspension of the material to be encapsulated and the basic material solution is first prepared and poured into the pressure vessel GS. By opening the valve RV, the vessel is pressurized (approx. 8-10 bar), whereby the suspension is pressed into the corresponding reactor via the open valve V. This can be FR or R depending on the system. The vessel GS can be additionally ventilated by means of an additional valve BV, which is shown in some embodiments according to the invention. The liquid must be transported using compressed air so that the material to be encapsulated is not damaged. However, other gentle systems such as suitable pumps or screw conveyors can also be used.
In dem entsprechenden Reaktor (FR oder R) wird die Suspension über eine geeignete Vorrichtung in Einzeltropfen zerlegt. Durch das Fällreagenz in das die Tropfen dabei fallen, gelieren sie zu Gelpartikeln. Die Größe der entstehenden Partikel hängt von eingesetzten Vertropfungsverfahren ab. Der Volumenstrom der GrundstoffSuspension wird über RV geregelt. Das Fällreagenz kann je nach Ausführungsvariante auf unterschiedliche Weise aus dem Vorratsgefäß FB in den Reaktor FR oder R gelangen. Da das Einleiten der Flüssigkeit in allen Fällen tangential erfolgt, werden die Gelpartikel verwirbelt, so daß ein zusätzliches Rühren entfallen kann. Das Absaugrohr muss mit einem Filter versehen sein, so dass keine Kapseln mit angesaugt werden. Mittels des Wärmetauschers WT1 bzw. WT kann eine Temperierung der Lösungen erfolgen.In the appropriate reactor (FR or R), the suspension is broken down into individual drops using a suitable device. Due to the precipitation reagent into which the drops fall, they gel into gel particles. The size of the resulting particles depends on the dropletisation process used. The volume flow of the basic material suspension is regulated via RV. Depending on the variant, the precipitation reagent can get from the storage vessel FB into the reactor FR or R in different ways. Since the liquid is introduced tangentially in all cases, the gel particles are swirled, so that additional stirring is not necessary. The suction tube must be provided with a filter so that no capsules are sucked in. The solutions can be tempered by means of the heat exchanger WT1 or WT.
In der in Fig. la dargestellten Ausführung wird das Fällreagenz durch Öffnen des Ventils V17, V19, und V22 und durch Pumpen über die Pumpe Pl in den Formgebungsreaktor FR befördert. Nach Erreichen eines entsprechenden Füllstandes in FR wird V17 und VI9 geschlossen und V20 geöffnet, wodurch die Lösung im Kreis zirkuliert. Nachdem die gebildeten Gelpartikel einige Minuten Aushärtezeit im Fällbad verbracht haben, wird die Lösung durch Schließen von V22 und Öffnen von V21 und V18 nach FB zurückgepumpt. Anschließend werden die Kügelchen durch Schließen von V18 und V21 und durch Öffnen von V15, V19 und V22 mit Di-Wasser gewaschen das ähnlich dem Fällreagenz durch eine analoge Ventilstellung erst einmal im Kreis geführt und dann durch Schließen von V22 und Öffnen von V21 und V16 zum Teil wider abgepumpt wird. Die gebildeten Gelpartikel, werden anschließend als wäßrige Suspension durch Öffnen des Kugelhahns KHl durch die Schwerkraft in den Beschichtungsreaktor BR befördert.In the embodiment shown in FIG. 1 a, the precipitation reagent is conveyed into the shaping reactor FR by opening the valve V17, V19, and V22 and by pumping via the pump P1. After reaching a corresponding level in FR, V17 and VI9 are closed and V20 is opened, whereby the solution circulates in a circle. After the gel particles formed have spent a few minutes in the precipitation bath, the solution is pumped back to FB by closing V22 and opening V21 and V18. The beads are then washed with DI water by closing V18 and V21 and by opening V15, V19 and V22, which, like the precipitation reagent, is first circulated by means of an analog valve position and then by closing V22 and opening V21 and V16 Part is pumped out again. The gel particles formed are then conveyed as an aqueous suspension into the coating reactor BR by gravity by opening the ball valve KHL.
In der in Fig. 2a dargestellten erfindungsgemäßen Ausführung geschieht dieser Verfahrensschritt analog zu dem in la, jedoch wurden hier die 2-Wege-Ventile VI9 und V20 bzw. V21 und V22 aus la durch entsprechend angeordnete 3-Wege-Ventile V15 bzw. V12 ersetzt. V17 und V18 bzw. V15 und V16 aus la entsprechen hier die Ventile V13 und V14 bzw. V8 und Vll. Ebenfalls analog zu der in Variante- la dargestellten Anlage verläuft erfindungsgemäß dieser erste Verfahrensschritt bei der in Fig. 3a dargestellten Ausführung. V15 und VI6; V17 und V18; V19 und V20; V21 und V22 aus der in la dargestellten Anlage entsprechen hier die Ventilpaare VI und V2; V15 und V16; V17 und V18; V19 und V20. Da die Variante in Fig. 3a mit einem einzigen Reaktionsgefäß R arbeitet entfällt hier das Ausspülen der Kapseln in den Beschichtungsreaktor . Das Waschwasser wird hier nach Beendigung der Aushärtung der gebildeten Gelkugeln komplett abgepumpt, da die Beschichtung im gleichen Gefäß durchgeführt wird.In the embodiment according to the invention shown in FIG. 2a, this method step takes place analogously to that in FIG. 1 a, but here the 2-way valves VI9 and V20 or V21 and V22 from FIG. 1 a have been replaced by correspondingly arranged 3-way valves V15 and V12 , V17 and V18 or V15 and V16 from la correspond to valves V13 and V14 or V8 and Vll. Likewise analogous to the system shown in variant 1a, this first method step proceeds according to the invention in the embodiment shown in FIG. 3a. V15 and VI6; V17 and V18; V19 and V20; V21 and V22 from the system shown in FIG. 1 a correspond to valve pairs VI and V2; V15 and V16; V17 and V18; V19 and V20. Since the variant in FIG. 3a works with a single reaction vessel R, there is no need to rinse out the capsules in the coating reactor. The wash water is completely pumped out here after the hardening of the gel balls formed, since the coating is carried out in the same vessel.
Bei den in den Fig. lb und Fig. 2b. dargestellten Varianten kann dank des Vorhandenseins zweier Pumpen (Pl und P2) das Fällreagenz bei entsprechender Stellung der Ventile V13 und V14 in Fig. lb bzw. V10 und Vll in Fig. 2b, ■ während des gesamten ersten Verfahrensschrittes immer neu aus dem Vorratsbehälter FB zum Reaktor FR hin und auch wieder nach FB zurückgepumpt werden. Da auf diese Weise das Fällbad in FR dauernd erneuert wird, bleibt während dieses gesamten ersten Verfahrensschrittes die Wirkstoffkonzentration im Fällbad nahezu konstant. Nach einigen Minuten Aushärtezeit werden auch bei den hier dargestellten Varianten die Kügelchen durch Umlegen der Ventile V13 und V14 (Fig. lb) bzw. V10 und Vll (Fig. 2b) mit Di-Wasser gewaschen wobei das Reaktionsgefäß dank der beiden Pumpen Pl und P2 mit immer neuem Wasser versorgt werden kann und nicht im Kreis geführt werden muß wie bei den in Fig. la, 2a und 3a dargestellten Varianten.In the case of FIGS. 1b and 2b. represented variants can thanks to the presence of two pumps (Pl and P2) the precipitation reagent with the appropriate position of the valves V13 and V14 in Fig. lb or V10 and Vll in Fig. 2b, ■ during the entire first step of the process from the reservoir FB to Reactor FR can be pumped back and forth to FB. Since the precipitation bath in FR is constantly renewed in this way, the active substance concentration in the precipitation bath remains almost constant during this entire first process step. After a few minutes of curing time, the beads are also washed with di-water in the variants shown here by switching the valves V13 and V14 (Fig. Lb) or V10 and Vll (Fig. 2b). Thanks to the two pumps Pl and P2, the reaction vessel can always be supplied with new water and does not have to be circulated as in the variants shown in FIGS. 1a, 2a and 3a.
Die in Fig. 3b dargestellte Ausführungsvariante arbeitet nicht mit gebrauchsfertigen Lösungen sondern mit Konzentraten, die erst verdünnt werden müssen. Zu diesem Zweck wird vor dem Beginn des Eintropfens über das Ventil V8 , den Filter F und das Ventil V10 mittels der Pumpe P über die Mischkammer MK und den Wärmetauscher WT Di-Wasser in das Reaktionsgefäß R geleitet. Bei entsprechendem Füllstand wird V8 geschlossen und V9 geöffnet, so daß das Wasser im Kreis zirkuliert. Danach wird über V4 aus FB die der gewünschten Endkonzentration entsprechende Menge an Konzentrat zudosiert. Danach wird aus GS die Suspension im Reaktionsgefäß R vertropft. Wie schon bei der in Fig. 3a dargestellten Ausführung beschrieben, verbleiben die Kügelchen auch hier nach ihrer Aushärtung im Reaktor R.The embodiment shown in Fig. 3b does not work with ready-to-use solutions but with concentrates that have to be diluted first. For this purpose, before the beginning of the dropping in via the valve V8, the filter F and the valve V10 by means of the pump P via the Mixing chamber MK and the heat exchanger WT di-water passed into the reaction vessel R. With the appropriate level, V8 is closed and V9 is opened so that the water circulates in a circle. The quantity of concentrate corresponding to the desired final concentration is then metered in from V4. The suspension in reaction vessel R is then dripped from GS. As already described for the embodiment shown in FIG. 3a, the beads remain in the reactor R after they have hardened.
Nachdem die Kügelchen ausgehärtet sind, erfolgt der zweite Verfahrensschritt, die Beschichtung. Bei allen erfindungsgemäßen Ausführungen geschieht dies durch Umspülen der Kapseln abwechselnd mit einer kationischen und einer anionischen, verdünnten Polymerlösung. Dazwischen sind Waschschritte vorgesehen. Die' Partikel werden jeweils einige Minuten den Lösungen ausgesetzt, die wieder in die Vorratsbehäter zurückgepumpt werden kann. Wichtig ist daß die Kapseln während des gesamten Vorgang in einer Art Fließbett, also in Schwebe gehalten werden, so daß sich die Membran rundherum ausbilden kann. Dies kann mittels spezieller Rührwerke geschehen, oder wie in den vorliegenden Ausführungen eingezeichnet, durch tangentiales Einleiten der Lösungen mit relativ hoher Geschwindigkeit, die an der Rohraustrittsöffnung mehrere Meter pro Sekunde betragen soll. Über die entsprechenden Wärmetauscher WT2 bzw. WT können die Flüssigkeiten temperiert werden. Nach beendeter Beschichtung werden die fertigen Membrankapseln gewaschen und aus dem Reaktionsgefäß ausgespült. Anschließend kann ein Trocknungsschritt erfolgen wodurch den Kapseln das Wasser entzogen wird. Das gewählte Trocknungsverfahren wird maßgeblich vom in den Kapseln eingeschlossenen Material bestimmt . In der in Fig. la dargestellten Ausführung wird das erste Beschichtungsreagenz, das Polykation 1 durch Öffnen des Ventils V3, V23, und V26 und durch pumpen über die Pumpe P2 aus dem Vorratsgefäß PKl in den Beschichtungsreaktor BR befördert. Nach Erreichen eines entsprechenden Füllstandes in BR wird V3 und V23 geschlossen und V24 geöffnet, wodurch die Lösung im Kreis zirkuliert. Nachdem die gebildeten Gelpartikel einige Minuten im Beschichtungsbad verbracht haben, wird die Lösung durch Schließen von V26 und Öffnen von V25 und V4 nach PKl zurückgepumpt. Anschließend werden die Kügelchen durch Schließen von V4, V24 und V25 und durch Öffnen von VI, V23 und V26 mit Di-Wasser gewaschen, das ähnlich dem Fällreagenz durch eine analoge Ventilstellung erst einmal im Kreis geführt und dann durch Schließen von VI, V23 und V26 und Öffnen von V2, V24 und V26 wieder abgepumpt wird. Durch Schalten der entsprechenden Ventile wird danach in einem analogen Kreislauf der Reaktor BR mit der Detergenzlösung aus dem Vorratstank E gespült, und danach mit dem ersten Polyanion aus dem Behälter PA1, wonach 2-3 Waschschritte folgen. Anschließend wird der Reaktor aus dem Gefäß PK2 mit der zweiten polykationischen Lösung versorgt, die dann auch wieder da hin zurückgepumpt wird. Dieser Prozeßablauf wird so lange in gleicher Weise mit den entsprechenden Reagenzien . aus den Vorratsbehältern PA2 (zweites Polyanion) bzw. PA3 ( drittes Polyanion) wiederholt bis die gewünschte Membran aufgebaut ist. Danach werden, die Membrankapseln durch Öffnen des Kugelhahns KH2 aus dem Reaktor gespült.After the beads have hardened, the second process step, coating, takes place. In all embodiments according to the invention, this is done by rinsing the capsules alternately with a cationic and an anionic, dilute polymer solution. Wash steps are provided in between. The 'particles are each exposed to the solutions for a few minutes, which can be pumped back into the Vorratsbehäter. It is important that the capsules are kept in a kind of fluidized bed during the entire process, so that the membrane can form all around. This can be done by means of special agitators, or, as shown in the present explanations, by tangentially introducing the solutions at a relatively high speed, which should be several meters per second at the pipe outlet opening. The liquids can be tempered via the appropriate heat exchangers WT2 or WT. When the coating is complete, the finished membrane capsules are washed and rinsed out of the reaction vessel. A drying step can then be carried out, whereby the water is removed from the capsules. The selected drying process is largely determined by the material enclosed in the capsules. In the embodiment shown in FIG. 1 a, the first coating reagent, the polycation 1, is conveyed from the storage vessel PK1 into the coating reactor BR by opening the valve V3, V23, and V26 and by pumping via the pump P2. After reaching a corresponding level in BR, V3 and V23 are closed and V24 is opened, whereby the solution circulates in a circle. After the gel particles formed have spent a few minutes in the coating bath, the solution is pumped back to PKI by closing V26 and opening V25 and V4. The beads are then washed with di-water by closing V4, V24 and V25 and by opening VI, V23 and V26, which, like the precipitation reagent, is first circulated through an analog valve position and then by closing VI, V23 and V26 and opening V2, V24 and V26 is pumped out again. By switching the corresponding valves, the reactor BR is then rinsed in an analog circuit with the detergent solution from the storage tank E, and then with the first polyanion from the container PA1, which is followed by 2-3 washing steps. The reactor is then supplied from the PK2 vessel with the second polycationic solution, which is then pumped back there. This process is carried out in the same way with the appropriate reagents. Repeat from the storage containers PA2 (second polyanion) or PA3 (third polyanion) until the desired membrane is built up. The membrane capsules are then rinsed out of the reactor by opening the ball valve KH2.
In der in Fig. 3a dargestellten erfindungsgemäßen Ausführung geschieht dieser Verfahrensschritt analog zu dem in la, jedoch wird hier die Beschichtung im gleichen Gefäß R wie die Formgebung durchgeführt. In 3a entspricht V17 und V18, V23 und V24 aus la, bzw. V19 und V20 , V25 und v26 aus Fig. la. Nach beendeter Beschichtung werden die fertigen Kapseln durch Öffnen des Kugelhahns KH aus dem Reaktor gespült.In the embodiment according to the invention shown in FIG. 3a, this method step takes place analogously to that in FIG. 1a, but here the coating is carried out in the same vessel R as the shaping. 3a corresponds to V17 and V18, V23 and V24 from la, or V19 and V20, V25 and v26 from FIG. When the coating is complete, the finished capsules are rinsed out of the reactor by opening the KH ball valve.
Bei den in der Fig. lb. dargestellten Variante können dank des Vorhandenseins zweier Pumpen (P3 und P4) die Beschichtungsreagenzien bei entsprechender Stellung der Ventile während des gesamten Verfahrensschrittes immer neu aus den Vorratsbehältern zum Reaktor BR hin und auch wieder zurückgepumpt werden. Da auf diese Weise die Beschichtungsbäder in BR dauernd erneuert werden, bleiben während dieses gesamten Verfahrensschrittes die Wirkstoffkonzentrationen im Reaktor nahezu konstant. Um den Reaktor BR beispielsweise mit dem kationischen Reagenz PKl zu versorgen wird das Ventil VI und V2 geöffnet und V15, 17 und V16 entsprechend umgestellt. Die Pumpe P4 schiebt die Flüssigkeit in den Reaktor P3 führt sie wieder in Vorratstank zurück. Der Flüssigkeitsstand in BR wird über die entsprechende Steuerung der beiden Pumpen eingestellt. Durch das Öffnen und Schließen der jeweiligen Ventile in der entsprechenden Reihenfolge wird auch hier derIn the Fig. Lb. represented variant, thanks to the presence of two pumps (P3 and P4), the coating reagents can always be pumped back and forth from the storage containers to the reactor BR during the entire process step if the valves are in the appropriate position. Since the coating baths in BR are constantly renewed in this way, the active substance concentrations in the reactor remain almost constant during this entire process step. In order to supply the reactor BR with the cationic reagent PK1, for example, the valves VI and V2 are opened and V15, 17 and V16 are switched accordingly. The pump P4 pushes the liquid into the reactor P3 and returns it to the storage tank. The liquid level in BR is set via the corresponding control of the two pumps. By opening and closing the respective valves in the appropriate order, the
Beschichtungsreaktor mit den Beschichtungsreagenzien aus ECoating reactor with the coating reagents from E
(Detergenz), PA1 (Polyanion 1), PK2 (Polykation 2) usw. versorgt. Durch Öffnen von KH2 werden nach beendeter(Detergent), PA1 (polyanion 1), PK2 (polycation 2) etc. By opening KH2 you will be finished
Beschichtung die Kapseln ausgespült.Coating rinsed out the capsules.
Die in Fig. 2a und Fig. 2b dargestellte Ausführungsvarianten arbeiten nicht mit gebrauchsfertigen Lösungen sondern mit Konzentraten, die erst verdünnt werden müssen. Zu diesem Zweck wird vor dem Beginn des ersten Beschichtungsvorganges über das Ventil VI , den Filter F und das Ventil V10 (Fig. 2a) bzw. V9 (Fig. 2b) mittels der Pumpe P2 (Fig. 2a) bzw. P3 (Fig. 2b) über die Mischkammer MK und den Wärmetauscher WT2 Di-Wasser in das Reaktionsgefäß R geleitet. Bei entsprechendem Füllstand wird V7 geschlossen und V9 (Fig. 2a) bzw. V8 (Fig. 2b) geöffnet, so daß das Wasser im Kreis zirkuliert. Danach wird über VI aus PKl die der gewünschten Endkonzentration entsprechende Menge an Polykation 1 Konzentrat zudosiert und die Lösung im Kreis geführt. Nach Ablauf der Verweilzeit in der ersten Beschichtungslösung wird V9 (Fig. 2a) bzw. V8 (Fig. 2b) geöffnet und V10 (Fig. 2a) • bzw. V9 (Fig. 2b) umgestellt, und die Lösung verworfen. Danach wird der Reaktor BR wider mit Wasser über V7 befüllt und das Detergenz aus dem Gefäß E und anschließend verworfen. In gleicher Weise erfolgt des Umspülen der Kügelchen mit den anderen Beschichtungslösungen wobei die Konzentrate aus PA1 (Polyanion 1) , PK2 (Polykation 2) usw. zudosiert werden. Durch Öffnen von KH2 werden nach beendeter Beschichtung die Kapseln ausgespült.The embodiment variants shown in FIGS. 2a and 2b do not work with ready-to-use solutions but with concentrates which first have to be diluted. For this purpose, before the start of the first coating process via valve VI, filter F and valve V10 (FIG. 2a) or V9 (FIG. 2b) by means of pump P2 (FIG. 2a) or P3 (FIG. 2b) passed through the mixing chamber MK and the heat exchanger WT2 di-water into the reaction vessel R. With the appropriate level, V7 is closed and V9 (Fig. 2a) or V8 (Fig. 2b) opened so that the water circulates in a circle. The amount of polycation 1 concentrate corresponding to the desired final concentration is then metered in via VI from PKl and the solution is circulated. After the dwell time in the first coating solution has expired, V9 (FIG. 2a) or V8 (FIG. 2b) is opened and V10 (FIG. 2a) or V9 (FIG. 2b) is changed over and the solution is discarded. Then the reactor BR is again filled with water via V7 and the detergent is removed from the vessel E and then discarded. In the same way, the beads are washed around with the other coating solutions, the concentrates of PA1 (polyanion 1), PK2 (polycation 2) etc. being metered in. The capsules are rinsed out by opening KH2 after the coating has been completed.
In der in Fig. 3b dargestellten erfindungsgemäßen Variante läuft der Beschichtungsvorgang analog zu dem in den Fig. 2a und 2b angeführten Ausführungen ab. Der Unterschied besteht darin, daß hier im gleichen Gefäß R beschichtet wird in dem vorher die Vertropfung (Formgebung) der Suspension stattgefunden hat. V4, V5, V6, V7 aus Fig. 2a. entsprechen hier die Ventile V5, V6, V7, V8. In the variant according to the invention shown in FIG. 3b, the coating process takes place analogously to the explanations given in FIGS. 2a and 2b. The difference is that coating is carried out in the same vessel R in which the dropletization (shaping) of the suspension has previously taken place. V4, V5, V6, V7 from Fig. 2a. correspond to the valves V5, V6, V7, V8.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Herstellung von Mikromembrankapseln zur Immobilisierung von chemischen Wirkstoffen, Proteinen, lebenden Zellen und/oder Mikroorganismen im großtechnischen Maßstab, dadurch gekennzeichnet, dass das zu verkapselnde Material in einer in einem1. A process for the preparation of micro-membrane capsules for immobilizing chemical agents, proteins, living cells and / or microorganisms on an industrial scale, characterized in that the material to be encapsulated in one
Grundstoff gelösten oder suspendierten Form aus einem Vorratsbehälter in einen Reaktor befördert wird, wo daraus Tropfen erzeugt und durch deren Fällung Kugeln gebildet werden, die das Material einschließen und die ihrerseits anschließend im gleichen und/oder einem weiteren Gefäß durch wiederholtes Umspülen beschichtet werden.Raw material dissolved or suspended form is conveyed from a storage container into a reactor, from which drops are generated and balls are formed by their precipitation, which enclose the material and which in turn are subsequently coated in the same and / or another vessel by repeated rinsing.
2. Verfahren nach Anspruch 1 g e k e n n z e i c h n e t d u r c h, mehrere oder alle der folgenden Schritte, die auch mehrmals wiederholt werden können:2. The method as claimed in claim 1, several or all of the following steps, which can also be repeated several times:
Lösen oder Suspendieren des zu verkapselnden Materials in einem Grundstoff - Vertropfen dieser Grundstoff-Suspension oderDissolving or suspending the material to be encapsulated in a base material - dropletization of this base material suspension or
Lösungsolution
Fällen der TropfenCases of drops
Spülen und Suspendieren der durch Fällung entstandenen Kügelchen in einer WaschflüssigkeitRinse and suspend the precipitates in a washing liquid
Umspülen der Kügelchen mit einer polykationischen Polymerlösung und Ausbilden einer kationischen Ladung auf der Kugeloberfläche Waschen der Kügelchen mit einer Waschflüssigkeit - Waschen der Kügelchen mit einer Detergenzlösung - Umspülen der Kügelchen mit einer polyanionischen Polymerlösung und Ausbilden einer anionischen Ladung auf der KugeloberflächeFlushing the beads with a polycationic polymer solution and forming a cationic charge on the surface of the ball Wash the beads with a washing liquid - Wash the beads with a detergent solution - Rinse the beads with a polyanionic polymer solution and form an anionic charge on the surface of the beads
Spülen und Suspendieren der durch Fällung * entstandenen Kügelchen in einerRinse and suspend the precipitates * in one
Waschflüssigkeit Trocknen der KügelchenWashing liquid drying the beads
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Grundstoff ein löslicher Naturstoff oder Kunststoff ist.3. The method of claim 1 and 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the base material is a soluble natural material or plastic.
4. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Grundstoff eine Keramik oder ein Wachs ist.4. The method according to claim 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the base material is a ceramic or a wax.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Grundstoff durch ein mechanisches Hilfsmittel, vorzugsweise eine Förderschnecke oder eine Pumpe in eine Vorrichtung zur Tropfenerzeugung befördert wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, that the base material is conveyed into a device for droplet generation by a mechanical aid, preferably a screw conveyor or a pump.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Grundstoff pneumatisch in eine Vorrichtung zur Tropfenerzeugung befördert wird. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the base material is conveyed pneumatically into a device for generating drops.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Vorrichtung zur Tropfenbildung Teil eines Reaktionsgefäßes ist7. The method according to any one of claims 1 to 6, so that the device for droplet formation is part of a reaction vessel
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass aus dem Grundstoff durch Vibration, durch einen Luftstrom, durch eine Rotationsbewegung (Zentrifugalkräfte) und/oder durch Emulgieren Tropfen gebildet werden.8. The method according to any one of claims 1 to 7, so that drops are formed from the base material by vibration, by an air stream, by a rotational movement (centrifugal forces) and / or by emulsification.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die gebildeten Tropfen chemisch, z.B. durch den Einfluss von Salzen gefällt werden.9. The method according to any one of claims 1 to 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the drops formed chemically, e.g. be precipitated by the influence of salts.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die gebildeten Tropfen physikalisch, z.B. durch Temperaturänderung gefällt werden.10. The method according to any one of claims 1 to 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the drops formed physically, e.g. be precipitated by temperature change.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die gefällten Tropfen das zu immobilisierende Material enthalten.11. The method according to any one of claims 1 to 10, such that the precipitated drops contain the material to be immobilized.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die gefällten Tropfen in dem Fällbad in Schwebe gehalten werden.12. The method according to any one of claims 1 to 11, so that the precipitated drops are kept in suspension in the precipitation bath.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die gefällten Tropfen in dem Fällbad durch Rühren in Schwebe gehalten werden.13. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized in that the precipitated drops in the precipitation bath are kept in suspension by stirring.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die gefällten Tropfen in dem Fällbad durch die Fließgeschwindigkeit des umgebenden Mediums in Schwebe gehalten werden.14. The method according to any one of claims 1 to 11, so that the precipitated drops are kept in suspension in the precipitation bath by the flow rate of the surrounding medium.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die gefällten Tropfen durch Umspülen mit geeigneten Polymerlösungen beschichtet werden.15. The method according to any one of claims 1 to 14, so that the precipitated drops are coated by rinsing with suitable polymer solutions.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die gefällten Tropfen während des Beschichtens in Schwebe gehalten werden16. The method according to any one of claims 1 to 15, d a d u r c h g e k e n e z e i c h n e t that the precipitated drops are kept in suspension during coating
17. Verfahren nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die gefällten Tropfen während des Beschichtens durch Rühren in Schwebe gehalten werden.17. The method according to claim 16, so that the precipitated drops are kept in suspension during the coating by stirring.
18. Verfahren nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die gefällten Tropfen während des Beschichtens durch die Fließgeschwindigkeit des umgebenden Mediums in Schwebe gehalten werden.18. The method according to claim 16, so that the precipitated drops are kept in suspension by the flow rate of the surrounding medium during the coating.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die beschichteten Kügelchen eine Hülle aufweisen, die den Kern und somit das verkapselte Material vollständig umschließt.19. The method according to any one of claims 1 to 18, characterized in that the coated beads have a shell, which completely encloses the core and thus the encapsulated material.
20. Verfahren nach Anspruch 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Hülle der beschichteten Kügelchen aus einer oder mehreren radial angeordneten Schichten besteht.20. The method of claim 19, so that the envelope of the coated spheres consists of one or more radially arranged layers.
21. Verfahren nach Anspruch 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass Schichten der Hülle Bereiche unterschiedlicher Dichte sein können. „21. The method according to claim 20, so that layers of the shell can be regions of different densities. "
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die beschichteten Kügelchen ungetrocknet, also feucht gelagert und verwendet werden.22. The method according to any one of claims 1 to 21, that the coated beads are stored and used undried, that is to say moist, in a moist manner.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die beschichteten Kügelchen gefriergetrocknet werden.23. The method according to any one of claims 1 to 21, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the coated beads are freeze-dried.
24. Verfahren nach Anspruch 1 bis 21, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die beschichteten Kügelchen luftgetrocknet werden.24. The method according to claim 1 to 21, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the coated beads are air dried.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die zum Fällen und/oder Beschichten eingesetzten25. The method according to any one of claims 1 to 24, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that used for felling and / or coating
Lösungen entweder als Konzentrate oder gebrauchsfertig, in verdünnter Form verwendet werden. Solutions either as concentrates or ready to use, in diluted form.
26. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass sie mindestens folgende Haupt omponenten aufweist:26. Installation for carrying out the method according to one of the preceding claims, that a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that it has at least the following main components:
- Vorratsbehälter für den Grundstoff und das zu immobilisierende Material (GS)- Storage container for the basic material and the material to be immobilized (GS)
- Vorratsbehälter für das Fällbad (FB)- Reservoir for the precipitation bath (FB)
- Vorratsbehälter für eine Waschlösung vorzugsweise Detergenz (E)- Storage container for a washing solution, preferably detergent (E)
- Vorratsbehälter für die Beschichtungspolymere (PKl, PK2, PA1, PA2, PA3)- Storage containers for the coating polymers (PKl, PK2, PA1, PA2, PA3)
- Reaktionsgefäß für die Vertropfung und Fällung der Grundstofflösung oder -Suspension (FR, R)- Reaction vessel for dropletization and precipitation of the basic solution or suspension (FR, R)
- Reaktionsgefäß für die Beschichtung der gefällten Kügelchen (BR, R)- reaction vessel for coating the precipitated beads (BR, R)
- Vorrichtung zum Trocknen der beschichteten Kügelchen- Device for drying the coated beads
- Wärmetauscher zum Temperieren der Reaktionsgefäße (WT1, WT2, WT)- Heat exchanger for tempering the reaction vessels (WT1, WT2, WT)
- Pumpen (Pl, P2, P) und Ventile (VI, V2,...) zum Befüllen und Entleeren der- Pumps (Pl, P2, P) and valves (VI, V2, ...) for filling and emptying the
Reaktionsgefäße, sowie Kugelhähne (KHl, KH2, KH) und eine Mischkammer (MK) .Reaction vessels, as well as ball valves (KHl, KH2, KH) and a mixing chamber (MK).
27. Anlage nach Anspruch 26, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ihre Komponenten gemäß Fig. la angeordnet und/oder miteinander verbunden sind.27. System according to claim 26, so that its components are arranged and / or connected to one another as shown in FIG.
28 . Anlage nach Anspruch 26, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ihre Komponenten gemäß Fig. lb angeordnet und/oder miteinander verbunden sind. 28 Installation according to claim 26, characterized in that its components are arranged according to FIG. 1b and / or are connected to one another.
29. Anlage nach Anspruch 26, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ihre Komponenten gemäß Fig. 2a angeordnet und/oder miteinander verbunden sind.29. System according to claim 26, so that its components are arranged and / or connected to one another according to FIG. 2a.
30. Anlage nach Anspruch 26, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ihre Komponenten gemäß Fig. 2b angeordnet und/oder miteinander verbunden sind.30. System according to claim 26, so that its components are arranged and / or connected to one another according to FIG. 2b.
31. Anlage nach Anspruch 26, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ihre Komponenten gemäß Fig. 3a angeordnet und/oder miteinander verbunden sind.31. The system as claimed in claim 26, so that its components are arranged and / or connected to one another according to FIG. 3a.
32. Anlage nach Anspruch 26, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ihre Komponenten gemäß Fig. 3b angeordnet und/oder miteinander verbunden sind. 32. System according to claim 26, so that its components are arranged and / or connected to one another according to FIG. 3b.
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