EP3408015A1 - Verfahren zum herstellen von emulsionen - Google Patents

Verfahren zum herstellen von emulsionen

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EP3408015A1
EP3408015A1 EP17706142.1A EP17706142A EP3408015A1 EP 3408015 A1 EP3408015 A1 EP 3408015A1 EP 17706142 A EP17706142 A EP 17706142A EP 3408015 A1 EP3408015 A1 EP 3408015A1
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EP
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emulsion
collision
bar
liquid streams
room
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Bernd BAUMSTÜMMLER
Hermann Schirra
Akif Emre TÜRELI
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Instillo GmbH
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Instillo GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing emulsions.
  • Emulsions are understood below to mean both colloidal emulsions and industrial emulsions, the latter differing from the colloidal emulsions by considerably larger particle dimensions in the micrometer range.
  • Emulsions are formed when two or more immiscible liquids are mixed together.
  • One of these liquids is usually water-soluble and the other is a lipophilic liquid which is immiscible with water.
  • either water-in-oil emulsions or oil-in-water emulsions can be prepared.
  • a disadvantage of emulsions is their instability, which relies on physicochemical mechanisms such as gravity separation, flocculation, coalescence, and Ostwald ripening.
  • oil-in-water emulsions the most common cause of instability is gravity separation in the form of creaming, which occurs due to the lower density of the oil particles.
  • Emulsions with a Oltröpfchen tend to go over in a short time in two separate phases, while at a Oltröpfchen pertain of less than 1 ⁇ increases the stability of the emulsion with decreasing Oltröpfchen stands.
  • a four times greater energy input is necessary to reduce the oil droplet size by 50%, which limits the minimum oil droplet size achievable.
  • due to the energy input there is a risk of a temperature rise to temperatures above 70 ° C, at which a destruction of the emulsifiers may occur.
  • the limiting factors are the pore size of the membranes used and the pressure resulting from the viscosity of the oil phase.
  • a microjet reactor corresponding to EP 1 165 224 B1 being used.
  • Such a microjet reactor has at least two opposing nozzles, each with associated pump and supply line for spraying each of a liquid medium in a reactor chamber enclosed by a reactor chamber to a common collision point, wherein a first opening is provided in the reactor housing, through which a gas, a evaporating liquid, a cooling liquid or a cooling gas for maintaining the gas atmosphere inside the reactor, in particular at the collision point of the liquid jets, or for cooling the resulting products can be introduced, and provided a further opening for removing the resulting products and excess gas from the reactor housing is.
  • a gas, an evaporating liquid or a cooling gas is maintained to maintain a gas atmosphere in the interior of the reactor, in particular at the point of collision introduced the liquid jets, or for cooling the resulting products and the resulting products and excess gas through an opening from the reactor housing by pressure on the gas inlet te or by under pressure on the product and gas outlet side away.
  • a solvent / non-solvent precipitation for example as described in EP 2 550 092 A1
  • a dispersion of the precipitated particles is obtained. With such a reactor, it is possible to generate particularly small particles.
  • a solvent / nonsolvent precipitation means that a substance is dissolved in a solvent and collides as a liquid jet with a second liquid jet, wherein the solute is precipitated again.
  • a disadvantage of solvent / Nonsolvent precipitation is the fact that the dissolved and reprecipitated substance is particulate in the solvent-Nonsolvent mixture after precipitation. In this case, the solvent content causes that for many particles time-dependent Ostwald ripening sets, which causes a growth of the particles.
  • a device for emulsifying at least two liquids which comprises an emulsion reactor having an outlet for removing the emulsion resulting from the mixing of the liquids and in which a plurality of for injection to substantially a common Collision point aligned nozzles is provided, each nozzle is associated with a respective supply line and a pump which pumps a liquid from an associated tank through the supply line in the emulsion reactor.
  • the object of the invention is therefore to provide a novel process for the preparation of emulsions, which also enables the preparation of asymmetric emulsions.
  • This object is achieved in that in a first step at least one pre-emulsion of at least two immiscible liquids is generated and then in a second step at least two liquid streams of the at least one pre-emulsion are pumped through separate openings with a defined diameter to flow rate of the liquid streams of more than 10 m / s and that the liquid streams meet at a collision point in a room.
  • emulsions namely the asymmetric emulsions in which the oil and the water phase are not present in a ratio of 1: 1
  • This pre-emulsion is then introduced in the form of two liquid streams into a device in which both streams of liquid meet at a collision point in a space, for example a microjet reactor.
  • a homogeneous emulsion Due to the collision of the liquid streams at high flow rates, which forms a plate-shaped collision plate in the collision point, a homogeneous emulsion is achieved with an oil droplet size of less than 1 ⁇ due to the kinetic energy, which is also very stable accordingly. There is no further input of energy, e.g. Shear forces needed. It can be carried out in the aqueous phase at temperatures between 0 ° C and 100 ° C, preferably at temperatures between room temperature and 70 ° C, more preferably at temperatures between room temperature and 50 ° C.
  • the pressure of the liquid jets is between 5 and 5,000 bar, preferably between 10 and 1,000 bar, and more preferably between 20 and 500 bar.
  • the diameter of the openings is identical or different and 10 to 5,000 ⁇ , preferably 50 to 3,000 ⁇ and particularly preferably 100 to 2,000 ⁇ . It is possible to work with openings of different diameters, for example, on one side of an opening with a diameter of 100 ⁇ and on the other side of an opening with a diameter of 300 ⁇ . Of course, the diameter of the openings on both sides can be the same.
  • the flow rate of the liquid streams after the nozzle are identical or different and more than 20 m / s, preferably more than 50 m / s and more preferably more than 100 m / s.
  • one of the liquid streams may have a higher flow rate than the other liquid stream, for example on the one hand 50 m / s and on the other hand 100 m / s. Again, it is possible that the flow rates of both liquid streams are equal.
  • the flow rate of the liquid streams after the nozzle can reach 500 m / s or 1,000 m / s.
  • the distance between the openings is less than 5 cm, preferably less than 3 cm, and more preferably less than 1 cm.
  • Belonging to the invention is also that the space is filled with gas or applied.
  • Gas in particular inert gas or inert gas mixtures, but also reactive gas can be supplied through a gas inlet in the room. It is preferred that the gas pressure in the space is 0.05 to 30 bar, preferably 0.2 to 10 bar, and more preferably 0.5 to 5 bar.
  • the droplet size can be influenced.
  • a solvent is introduced through a further inlet into the room.
  • propylene glycol may be introduced as a further solvent through the further inlet into the room.
  • An embodiment of the invention is that during the collision in the room, a pressure of less than 100 bar, preferably less than 50 bar and more preferably less than 20 bar prevails.
  • microjet reactor is used to carry out the process.
  • Such a microjet reactor is known from EP 1 165 224 Bl.
  • the droplet size of the emulsion is dependent on the system and operating parameters, in particular the nozzle size in the microjet reactor and the pump pressure of the pumping pumps for the two fluid streams.
  • the customary use of microjet reactors in the method according to the invention by the collision energy no precipitation reactions are caused in the microjet reactor, but emulsions are formed.
  • the emulsion produced is encapsulated.
  • the produced and possibly encapsulated emulsion is provided with a surface modification.
  • Examples 1 to 4 show the effects of variation of individual parameters, while Examples 5 to 21 contain examples of possible encapsulation processes.
  • the effect of the gas pressure was examined by colliding a liquid flow of oil and a liquid flow of water containing lecithin under different gas pressures in a space in which gas having different gas pressures was introduced through a gas inlet.
  • the oil was pumped at a flow rate of 50 ml / min and the aqueous phase at a flow rate of 250 ml / min.
  • the oil droplet size was determined by DLS. In all cases, an oil droplet size of less than 500 nm was achieved. The results show that the oil droplet size decreases with increasing gas pressure.
  • the influence of the diameter of the orifices was determined by testing different orifice diameters while using an oil flow rate of 50 ml / min and a water flow rate of 250 ml / min and the gas pressure was 2 bar.
  • the oil and water phases were pre-emulsified and pumped through the two inlets into a closed cycle to determine the influence of the number of cycles on oil droplet size within the emulsion.
  • a flow rate of 250 ml / min and a gas pressure of 2 bar prevailed in the room.
  • the oil droplet size within the emulsion thus decreases with the number of cycles.
  • An essential oil to be encapsulated is emulsified at a flow rate of 67 g / min in the microjet reactor with an aqueous Na-caseinate solution (22.4 mg / ml) at a flow rate of 200 g / min in the microjet reactor.
  • this emulsion is processed at a flow rate of 200 g / min against an aqueous xanthan gum solution (0.25%) at 25 g / min.
  • the oppositely charged side groups of the protein and the polysaccharide are attached to each other. Lowering the pH to pH 4 with 10% citric acid enhances this interaction, creating microcapsules.
  • the microcapsules are 50-100 ⁇ large.
  • An essential oil to be encapsulated is emulsified at a flow rate of 50 g / min in the microjet reactor into an aqueous whey protein isolate solution at a flow rate of 200 g / min. After the addition of 20% maltodextrin as carrier material, the emulsion is spray-dried. Drying produces a powder containing microencapsulated essential oil.
  • Example 7 Melt Dispersion / Matrixyer Encapsulation
  • a fragrance to be encapsulated (15-30%) is dissolved at 85 ° C in melted Compritol AO 888.
  • This oil phase is emulsified at 68 ml / min into a 20 ° C cold aqueous Tween 20 solution (0.5-1.5%) at 200 ml / min. Due to the rapid cooling of the fat, emulsion formation directly causes particle formation and matrix encapsulation of the fragrance.
  • the microcapsules are on average 5 ⁇ (0.5% Tween 20) or 2 ⁇ (1.5% Tween 20).
  • a fragrance to be encapsulated (15-30%) is dissolved at 85 ° C in melted Compritol AO 888.
  • This oil phase is emulsified at 68 ml / min into a 20 ° C cold gum arabic solution (2.5%, 200 ml / min). Due to the rapid cooling of the fat, particle formation occurs directly after emulsion formation.
  • Modification of these microcapsules is accomplished by processing this melt dispersion (200 ml / min) in the microjet reactor against a 50 ° C gelatin solution (2.5%, 150 g / min). By lowering the pH to pH 4 with 10% citric acid, the ionic interactions are intensified and gelled by cooling.
  • a hydrophilic polyalcohol (active substance) to be encapsulated is added to an aqueous ammonia solution (1%) (water phase) and in the MIR reactor against an emulsifier-containing (polyethyl-alkyl-polymethylsiloxane) 1% encapsulation solution (TEOS) Isoparaffin (oil phase) processed.
  • TEOS emulsifier-containing (polyethyl-alkyl-polymethylsiloxane) 1% encapsulation solution (TEOS) Isoparaffin (oil phase) processed.
  • the encapsulating material is formed by hydrolysis of the precursors.
  • the capsules can be separated by simple sedimentation or Zentrifugati on and are between 5 and 10 ⁇ large.
  • the method given in FIG. 1 is applied to a TEOS-containing encapsulation solution with the modification that the concentration of the emulsifier used has been reduced to 50% or 25% of the original concentration.
  • the microcapsules obtained are larger than those obtained according to Example 1.
  • the method given in Figure 1 is applied to another encapsulation chemistry.
  • a 20%) solution of an aqueous active substance to be encapsulated containing 10 meq H 2 of the encapsulation component HMDA is processed in MJR against a 1% emulsifier solution in isoparaffin.
  • the emulsion thus obtained is made by adding 40 meq COC1 a 20% Trimesoyl chloride solution cured in Isopar.
  • the resulting capsules are 2 to 30 ⁇ large.
  • Example 17 The procedure given in Example 17 is followed with the modification that capsule hardening is carried out by means of trimesoyl chloride solution in situ by continuous introduction of the solution into the reactor chamber via the fifth opening of the MJR reactor.
  • the resulting capsules have approximately the same properties as obtained according to Example 9.
  • Example 5 The procedure given in Example 5 is applied to oil-soluble encapsulants.
  • An oil-soluble active ingredient to be encapsulated is placed in a 20% solution of the encapsulating material (OTMS) in isoparaffin and mixed at room temperature for 5 minutes by stirring.
  • the solution thus obtained is processed in the MJR reactor at a process pressure of 40 bar against a 2% aqueous emulsifier solution.
  • the result is a stable homogeneous emulsion, the addition of the catalyst dibutyltin laurate (0.5%), the curing of the capsules which can be separated after curing by centrifugation or sedimentation.
  • Example 19 The procedure given in Example 19 is used with the modification that the capsule hardening by means of dibutyltin laurate takes place in situ by continuous introduction of the solution into the reactor chamber via the fifth opening of the MJR reactor.
  • the resulting capsules have approximately the same properties as obtained according to Example 19.
  • Example 21 Melt Dispersion / Matrix Encapsulation: Example 21:
  • Step 1
  • Step 2b (as an alternative to step 2a):
  • Step 3b (as an alternative to step 3a):
  • pre-emulsion a warm non-solvent
  • This pre-emulsion is introduced into the MJR on the right and left with a flow rate ratio of 1: 1.
  • the loaded polymer is microscopically precipitated.
  • Step 3c (as an alternative to step 3a or step 3b):
  • the modified melt is mixed with a portion of the heated non-solvent to reduce melt viscosity.
  • the mixture is precipitated with the cold residual non-solvent in the MJR process precipitating the polymer beads.

Abstract

Um ein neues Verfahren zum Herstellen von Emulsionen zu schaffen, bei dem mit möglichst geringem Energieeintrag möglichst kleine, homogene Öltröpfchen geschaffen werden können, wird vorgeschlagen, daß mindestens zwei Flüssigkeitsströme von miteinander nicht mischbaren Flüssigkeiten durch getrennte Öffnungen mit definiertem Durchmesser gepumpt werden, um Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeitsströme von mehr als 10 m/s zu erreichen und daß die Flüssigkeitsströme an einem Kollisionspunkt in einem Raum aufeinandertreffen, wobei die entstehende Emulsion aus dem Raum durch einen Auslaß abgeleitet wird. Durch die Kollision der Flüssigkeitsströme mit hohen Fließgeschwindigkeiten, bei denen sich eine tellerförmige Kollisionsplatte im Kollisionspunkt ausbildet, wird aufgrund der kinetischen Energie eine homogene Emulsion mit einer Öltröpfchengröße von weniger als 1 μm erreicht, die entsprechend auch sehr stabil ist. Es wird hierzu kein weiterer Energieeintrag, wie z.B. Scherkräfte oder Hochdruck benötigt.

Description

BESCHREIBUNG
Verfahren zum Herstellen von Emulsionen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Emulsionen.
Unter Emulsionen werden nachfolgend sowohl kolloide Emulsionen als auch technische Emulsionen verstanden, wobei letztere sich von den kolloiden Emulsionen durch erheblich größere Partikeldimensionen im Mikrometerbereich unterscheiden.
Eine Vielzahl von Industriezweigen, beispielsweise die Nahrungsmittelindustrie, die Pharmaindustrie und die Kosmetikindustrie, verzeichnen einen hohen Bedarf an der Verkapselung, dem Schützen oder zielgerichteten Freisetzen hydrophober Substanzen, wie bioaktiven Lipiden, Geruchsstoffen, Antioxidantien und Pharmaka.
Emulsionen werden gebildet, wenn zwei oder mehr unmischbare Flüssigkeiten miteinander vermischt werden. Eine dieser Flüssigkeiten ist in der Regel wasserlöslich und die andere ist eine lipophile Flüssigkeit, die nicht mit Wasser mischbar ist. Je nach den Mischverhältnissen und dem verwendeten Oberflächenmodifikator können entweder Wasser-in-Öl-Emulsionen oder Öl-in-Wasser-Emulsionen hergestellt werden. Ein Nachteil von Emulsionen ist ihre Instabilität, die auf physikochemischen Mechanismen, wie Schwerkrafttrennung, Flockenbildung, Koaleszenz und Ostwald-Reifung beruht. In Öl-in-Wasser-Emulsionen ist der häufigste Grund für die Instabilität die Schwerkrafttrennung in Form des Auscremens („Creaming"), die aufgrund der niedrigeren Dichte der Ölpartikel auftritt.
Es gibt verschiedene konventionelle Verfahren zum Herstellen von Emulsionen. Diese Verfahren sind insbesondere Mischen mit hohen Scherkräften („high shear mixing", Rotor/Stator-Systeme), Hochdruckhomogenisation („high pressure homogenization"), Mikrofluidisierung („microfluidization"), Ultraschallhomogenisation („ultrasonic homoginazation") oder Membranemulsifikation („membrane emulsification"). Die meisten dieser Verfahren erfordern einen hohen Energieeintrag in das System, um die Tröpfchengröße der gebildeten Öltröpfchen zu kontrollieren. Dieser Energieeintrag kann auf unterschiedliche Weise erfolgen, beispielsweise durch Erhitzen, Scherkräfte, Druckerhöhung oder Druckabsenkung. Die Stabilität der Emulsion erhöht sich mit sinkender Tröpfchengröße. Emulsionen mit einer Oltröpfchengröße von mehr als 10 μιη tendieren dazu, in kurzer Zeit in zwei getrennte Phasen überzugehen, während bei einer Oltröpfchengröße von weniger als 1 μπι sich die Stabilität der Emulsion mit sinkender Oltröpfchengröße erhöht. Allerdings wird bei einer Öltröpchengröße von weniger als 1 μιη ein viermal größerer Energieeintrag notwendig ist, um die Oltröpfchengröße um 50 % zu reduzieren, was die erreichbare minimale Oltröpfchengröße beschränkt. Zudem besteht aufgrund des Energieeintrags die Gefahr eines Temperaturanstiegs auf Temperaturen über 70°C, bei denen eine Zerstörung der Emulgatoren eintreten kann.
Bei einer weiteren Technik, der Membranemulsikation („membrane emulsification") sind die limitierenden Faktoren die Porengröße der verwendeten Membranen und der Druck, der sich aufgrund der Viskosität der Ölphase ergibt.
Bei der Mikrofluidisierung sind auch unter Hochdruckbedingungen mehrere Durchläufe erforderlich, um die Oltröpfchengröße unter 1 μπι zu bringen. Da die Emulsionsbildung in Mikrokanälen erfolgt, ist das Blockieren dieser Mikrokanäle eines der häufigsten Probleme bei dieser Methode.
In der DE 10 2009 008 478 AI wird ein Verfahren beschrieben, in dem eine Solvent-/ Anti- Solvent-Fällung in Anwesenheit von oberflächenaktiven Molekülen erfolgt, wobei ein Mikrojetreaktor entsprechend der EP 1 165 224 Bl zum Einsatz kommt. Ein solcher Mikrojetreaktor weist mindestens zwei sich gegenüberliegende Düsen mit jeweils zugeordneter Pumpe und Zuführleitung zum Spritzen jeweils eines flüssigen Mediums in einen von einem Reaktorgehäuse umschlossenen Reaktorraum auf einen gemeinsamen Kollisionspunkt auf, wobei eine erste Öffnung in dem Reaktorgehäuse vorgesehen ist, durch die ein Gas, eine verdampfende Flüssigkeit, eine kühlende Flüssigkeit oder ein kühlendes Gas zur Aufrechterhaltung der Gasatmosphäre im Reaktorinneren, insbesondere im Kollisionspunkt der Flüssigkeitsstrahlen, bzw. zur Kühlung der entstehenden Produkte einleitbar ist, und eine weitere Öffnung zum Entfernen der entstehenden Produkte und von überschüssigem Gas aus dem Reaktorgehäuse vorgesehen ist. Es wird also über eine Öffnung in den Reaktorraum ein Gas, eine verdampfende Flüssigkeit oder ein kühlendes Gas zur Aufrechterhaltung einer Gasatmosphäre im Reaktorinneren, insbesondere im Kollisionspunkt der Flüssigkeitsstrahlen, bzw. zur Kühlung der entstehenden Produkte eingeleitet und die entstehenden Produkte und überschüssiges Gas durch eine Öffnung aus dem Reaktorgehäuse durch Überdruck auf der Gaseintritts sei te oder durch Unter druck auf der Produkt- und Gasaustrittsseite entfernt. Wenn in einem solchen Mikrojetreaktor eine Solvent/Nonsolvent- Fällung, beispielsweise wie in der EP 2 550 092 AI beschrieben, durchgeführt wird, erhält man eine Dispersion der gefällten Partikel. Mit einem solchen Reaktor gelingt es, besonders kleine Partikel zu generieren. Unter einer Solvent/Nonsolvent-Fällung versteht man in diesem Zusammenhang, daß ein Stoff in einem Solvent gelöst und als Flüssigkeitsstrahl mit einem zweiten Flüssigkeitsstrahl kollidiert, wobei der gelöste Stoff wieder gefällt wird. Nachteilig bei Solvent/Nonsolvent-Fällungen ist die Tatsache, daß sich der gelöste und wieder gefällte Stoff nach der Fällung partikulär in dem Solvent-Nonsolvent-Gemisch befindet. Dabei bewirkt der Solventanteil, daß sich bei vielen Partikeln zeitabhängig eine Ostwald-Reifung einstellt, die ein Wachstum der Partikel bewirkt.
Aus der DE 10 2009 036 537 B3 ist eine Vorrichtung zum Emulgieren von mindestens zwei Flüssigkeiten bekannt, die einen Emulsionsreaktor umfaßt, der einen Auslaß zur Entnahme der bei der Mischung der Flüssigkeiten entstehenden Emulsion und in dem eine Mehrzahl von zum Einspritzen auf im Wesentlichen einen gemeinsamen Kollisionspunkt ausgerichteten Düsen vorgesehen ist, wobei jeder Düse jeweils eine Zufuhrleitung und eine Pumpe zugeordnet ist, die jeweils eine Flüssigkeit aus einem zugeordneten Tank durch die Zuführleitung in den Emulsionsreaktor pumpt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein neues Verfahren zum Herstellen von Emulsionen zu schaffen, das auch die Herstellung asymmetrischer Emulsionen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einem ersten Schritt mindestens eine Voremulsion aus mindestens zwei miteinander nicht mischbaren Flüssigkeiten erzeugt wird und dann in einem zweiten Schritt mindestens zwei Flüssigkeitsströme der mindestens einen Voremulsion durch getrennte Öffnungen mit definiertem Durchmesser gepumpt werden, um Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeitsströme von mehr als 10 m/s zu erreichen und daß die Flüssigkeitsströme an einem Kollisionspunkt in einem Raum aufeinandertreffen. Da bei einer Vielzahl von Emulsionen, nämlich den asymmetrischen Emulsionen, bei denen die Öl- und die Wasserphase nicht im Verhältnis 1 : 1 vorliegen, hat es sich im Rahmen der Erfindung als vorteilhaft herausgestellt, zunächst aus der Öl- und der Wasserphase eine Voremulsion herzustellen. Dies kann beispielsweise über normale Rührprozesse, Ultraschallbehandlung, Ultraturrax, eine Dissolverscheibe, etc. erfolgen. Diese Voremulsion wird dann in Form von zwei Flüssigkeitsströmen in eine Vorrichtung eingeführt, in der beide Flüssigkeitsströme an einem Kollisionspunkt in einem Raum aufeinandertreffen, beispielsweise einen Mikrojetreaktor.
Durch die Kollision der Flüssigkeitsströme mit hohen Fließgeschwindigkeiten, bei denen sich eine tellerförmige Kollisionsplatte im Kollisionspunkt ausbildet, wird aufgrund der kinetischen Energie eine homogene Emulsion mit einer Öltröpfchengröße von weniger als 1 μιη erreicht, die entsprechend auch sehr stabil ist. Es wird hierzu kein weiterer Energieeintrag, wie z.B. Scherkräfte benötigt. Es kann in wässriger Phase bei Temperaturen zwischen 0°C und 100°C gearbeitet werden, vorzugsweise bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 70°C, besonders bevorzugt bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 50°C. Der Druck der Flüssigkeitsstrahlen beträgt zwischen 5 und 5.000 bar, vorzugsweise zwischen 10 und 1.000 bar und besonders bevorzugt zwischen 20 und 500 bar.
Da die Kollision in dem Raum erfolgt, besteht nicht die Gefahr eines Blockierens, wie dies der Fall bei Mikrokanälen ist. Über den Durchmesser der Öffnungen, die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeitsströme und die Temperatur kann die Öltröpfchengröße in der Emulsion beeinflußt werden. Die entstehende Emulsion wird durch den Auslaß aus dem Raum abgeleitet. Es liegt somit ein kontinuierlich arbeitendes Verfahren vor. Um möglichst kleine Öltröpfchengrößen zu erhalten, ist es möglich, eine bereits erhaltene Emulsion nochmals unter den gleichen Bedingungen durch beide Einlässe in den Raum zu leiten, was gegebenenfalls mehrfach wiederholt werden kann.
Es besteht auch die Möglichkeit, den Auslaß des Raumes mit dem Gaseinlaß eines zweiten Raumes zu verbinden, in dem weitere Flüssigkeitsströme in die gebildete Emulsion eingeleitet werden, beispielsweise um die Oberflächeneigenschaften der Emulsion zu verändern. Kollidieren zwei Flüssigkeitsströme, so schließen sie vorzugsweise einen Winkel von 180° ein, bei drei Flüssigkeitsströmen beträgt der Winkel vorzugsweise 120°, usw. Bei drei Flüssigkeitsströmen sind zwei Flüssigkeiten nicht miteinander mischbar, usw.
Es wird gemäß der Erfindung bevorzugt, daß der Durchmesser der Öffnungen identisch oder unterschiedlich ist und 10 bis 5.000 μπι, vorzugsweise 50 bis 3.000 μπι und besonders bevorzugt 100 bis 2.000 μπι beträgt. Es ist möglich, mit Öffnungen unterschiedlichen Durchmessers zu arbeiten, beispielsweise auf einer Seite einer Öffnung mit einem Durchmesser von 100 μπι und auf der anderen Seite einer Öffnung mit einem Durchmesser von 300 μπι. Selbstverständlich können auch die Durchmesser der Öffnungen auf beiden Seiten gleich sein.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeitsströme nach der Düse identisch oder unterschiedlich sind und mehr als 20 m/s, bevorzugt mehr als 50 m/s und besonders bevorzugt mehr als 100 m/s beträgt.
Auch hier kann einer der Flüssigkeitsströme eine höhere Fließgeschwindigkeit als der andere Flüssigkeitsstrom aufweisen, beispielsweise einerseits 50 m/s und andererseits 100 m/s. Auch hier ist es möglich, daß die Fließgeschwindigkeiten beider Flüssigkeitsströme gleich groß sind.
Die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeitsströme nach der Düse kann 500 m/s oder auch 1.000 m/s erreichen.
Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen den Öffnungen weniger als 5 cm, vorzugsweise weniger als 3 cm und besonders bevorzugt weniger als 1 cm.
Zur Erfindung gehörig ist auch, daß der Raum mit Gas gefüllt bzw. beaufschlagt wird.
Gas, insbesondere Inertgas oder Inertgasmischungen, aber auch Reaktivgas kann durch einen Gaseinlaß in dem Raum zugeführt werden. Es wird bevorzugt, daß der Gasdruck in dem Raum 0,05 bis 30 bar, bevorzugt 0,2 bis 10 bar und besonders bevorzugt 0,5 bis 5 bar beträgt.
Auch über den Gasdruck kann die Tröpfchengröße beeinflußt werden.
Es kann sinnvoll sein, das Gas vor seinem Eintritt in den Raum zu erhitzen oder abzukühlen, um die Temperatur in dem Raum zu beeinflussen.
Weiterhin liegt es im Rahmen der Erfindung, daß ein Lösemittel durch einen weiteren Einlaß in den Raum eingeleitet wird.
Beispielsweise kann Propylenglykol als weiteres Lösemittel durch den weiteren Einlaß in den Raum eingeleitet werden.
Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß während der Kollision in dem Raum ein Druck von weniger als 100 bar, bevorzugt von weniger als 50 bar und besonders bevorzugt von weniger als 20 bar herrscht.
Es ist auch möglich, die Flüssigkeitsströme und/oder die entstehende Emulsion durch einen Wärmetauscher zu führen, um die Temperatur der Flüssigkeitsströme vor der Kollision bzw. die der Emulsion nach der Kollision zu kontrollieren.
Schließlich liegt es im Rahmen der Erfindung, daß ein Mikrojetreaktor zur Durchführung des Verfahrens verwendet wird.
Ein solcher Mikrojetreaktor ist aus der EP 1 165 224 Bl bekannt.
Durch die im Mikrojetreaktor angewandte Methode der Kollision der Strahlen unter erhöhtem Druck ist die Tropfengröße der Emulsion abhängig vom System und Betriebsparametern, insbesondere der Düsengröße im Mikrojetreaktor und dem Pumpendruck der fördernden Pumpen für die beiden Flüssigkeitsströme. Im Gegensatz zu der üblichen Anwendung von Mikrojetreaktoren werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die Kollisionsenergie in dem Mikrojetreaktor keine Fällungsreaktionen hervorgerufen, sondern es werden Emulsionen ausgebildet.
Im Rahmen der Erfindung liegt auch, daß in einem weiteren Schritt die hergestellte Emulsion verkapselt wird.
Ebenfalls liegt es im Rahmen der Erfindung, daß in einem weiteren Schritt die hergestellte und eventuell verkapselte Emulsion mit einer Oberflächenmodifikation versehen wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Die Beispiele 1 bis 4 zeigen die Auswirkungen der Variation einzelner Parameter, während die Beispiele 5 bis 21 Beispiele für mögliche Verkapselungsverfahren enthalten.
Beispiel 1 : Auswirkung des Gasdrucks
Die Auswirkung des Gasdrucks wurde untersucht, indem ein Flüssigkeitsstrom von Öl und ein Flüssigkeitsstrom von Wasser, welches Lecithin enthält, unter verschiedenen Gasdrücken miteinander in einem Raum zur Kollision gebracht wurden, in dem über einen Gaseinlaß Gas mit unterschiedlichen Gasdrücken eingebracht wurde. Das Öl wurde mit einer Flußrate von 50 ml/min und die wässrige Phase mit einer Flußrate von 250 ml/min gepumpt. Die Öltröpfchengröße wurde über DLS bestimmt. In allen Fällen wurde eine Öltröpfchengröße von weniger als 500 nm erreicht. Die Ergebnisse zeigen, daß die Öltröpfchengröße mit zunehmendem Gasdruck abnimmt.
Druck (bar) Öltröpfchengröße (nm)
1 455
1,5 368
2 294
2,5 274 Es kann daraus gefolgert werden, daß der über den Gaseinlaß auf das System wirkende Druck einen direkten Einfluß auf die Oltröpfchengröße hat.
Beispiel 2: Auswirkung der Flußrate
Die Auswirkung der Flußrate wurde untersucht, indem verschiedene Flußraten für die Ölphase und die Wasserphase bei gleichbleibendem Verhältnis der Flußraten verwendet wurden. Ein Druck in dem Raum von 2 bar wurde bei allen Versuchen verwendet.
Die Oltröpfchengröße innerhalb der gebildeten Emulsion verringert sich somit mit steigenden Flußraten.
Beispiel 3 : Durchmesser der Öffnungen
Der Einfluß des Durchmessers der Öffnungen wurde bestimmt, indem verschiedene Öffnungsdurchmesser getestet wurden, während eine Ölflußrate von 50 ml/min und eine Wasserflußrate von 250 ml/min verwendet wurde und der Gasdruck 2 bar betrug.
Je kleiner der Öffnungsdurchmesser ist, desto kleiner ist die Oltröpfchengröße innerhalb der gebildeten Emulsion. Beispiel 4: Zahl der Zyklen
Die Öl- und die Wasserphase wurden voremulgiert und durch die beiden Einlässe in einen geschlossenen Zyklus gepumpt, um den Einfluß der Zahl der Zyklen auf die Öltröpfchengröße innerhalb der Emulsion zu ermitteln. Eine Flußrate von 250 ml/min und ein Gasdruck von 2 bar herrschten hierbei in dem Raum.
Die Öltröpfchengröße innerhalb der Emulsion nimmt somit auch mit der Zyklenzahl ab.
Verkapselung über einen Solvent/Non-Solvent-Prozeß: Beispiele 5 bis 8
Beispiel 5: Koazervation
Ein zu verkapselndes ätherisches Öl wird mit einer Flussrate von 67 g/min im Mikrojetreaktor mit einer wässrigen Na-Caseinat-Lösung (22,4 mg/ml) mit einer Flussrate von 200 g/min im Mikrojetreaktor emulgiert. Im nächsten Schritt wird diese Emulsion mit einer Flussrate von 200 g/min gegen eine wässrige Xanthan-Lösung (0,25%) mit 25 g/min prozessiert. In diesem Schritt lagern sich die gegenläufig geladenen Seitengruppen des Proteins und des Polysaccharids aneinander. Durch pH- Absenkung auf pH 4 mit 10%iger Zitronensäure wird dieses Interaktion verstärkt, wodurch Mikrokapseln entstehen. Die Mikrokapseln sind 50-100 μπι groß.
Beispiel 6: Trocknung
Ein zu verkapselndes ätherisches Öl wird mit einer Flussrate von 50 g/min im Mikrojetreaktor in eine wässrige Molkenproteinisolat-Lösung mit einer Flussrate von 200 g/min emulgiert. Nach der Zugabe von 20 % Maltodextrin als Trägermaterial wird die Emulsion sprühgetrocknet. Durch die Trocknung entsteht ein Pulver, welches mikroverkapseltes ätherisches Öl enthält.
Beispiel 7: Schmelzdispersion/Matrixyerkapselung
Ein zu verkapselnder Duftstoff (15-30 %) wird bei 85 °C in geschmolzenem Compritol AO 888 gelöst. Diese Ölphase wird mit 68 ml/min in eine 20 °C kalte wässrige Tween 20-Lösung (0,5-1,5 %) mit 200 ml/min emulgiert. Durch die rasche Abkühlung des Fetts kommt es direkt bei Emulsionsbildung zur Partikelbildung und somit Matrixverkapselung des Dufstoffs. Die Mikrokapseln sind im Durchschnitt 5 μιη (0,5 % Tween 20) bzw. 2 μιη (1,5 % Tween 20).
Beispiel 8: Schmelzdispersion mit modifizierter Oberfläche
Ein zu verkapselnder Duftstoff (15-30 %) wird bei 85 °C in geschmolzenem Compritol AO 888 gelöst. Diese Ölphase wird mit 68 ml/min in eine 20 °C kalte Gummi Arabicum-Lösung (2,5 %; 200 ml/min) emulgiert. Durch die rasche Abkühlung des Fetts kommt es direkt nach der Emulsionsbildung zur Partikelbildung.
Eine Modifizierung dieser Mikrokapseln wird vorgenommen, indem diese Schmelzdispersion (200 ml/min) im Mikrojetreaktor gegen eine 50°C warme Gelatine-Lösung (2,5 %; 150 g/min) prozessiert wird. Durch pH- Absenkung auf pH 4 mit 10%iger Zitronensäure werden die ionischen Wechselwirkungen verstärkt und durch Abkühlung geliert.
Reaktivverkapselung: Beispiele 9 bis 18
Beispiel 9:
Ein zu verkapselnder hydrophiler Polyalkohol (Aktivstoff) wird zu einer wässrigen Ammoniaklösung (1%) gegeben (Wasserphase) und im MIR - Reaktor gegen eine emulgatorhaltige (Polyethyeralkyl-polymethylsiloxan) 1% Verkapselungslösung (TEOS) in Isoparaffin (Ölphase) prozessiert. Bei gleicher Flussrate der beiden Lösungen (50:50) wird ein Prozessdruck vor den Düsen von 40 bar eingestellt.
Es entsteht eine stabile Emulsion, an deren Phasengrenzfläche sich das Verkapselungsmaterial durch Hydrolyse der Vorstufen ausbildet. Die Kapseln können durch einfache Sedimentation oder Zentrifugati on abgetrennt werden und sind zwischen 5 und 10 μπι groß.
Beispiele 10 und 11 :
Das in 1 angegebene Verfahren wird auf die Verkapselungsstoffe OTMS, PTMS angewendet. Bei gleichbleibender Flussrate besitzen die erhaltenen Mikrokapseln etwa gleiche Eigenschaften bei reduzierter Reaktionszeit.
Beispiele 12. 13. und 14:
Das in 1 angegebene Verfahren wird auf variable Flussraten angewendet. Durch Variation der Flussrate können Verhältnisse von disperser Phase (Aktivstoff) zu Ölphase von 30:70, 40:60 und 60:40 realisiert werden. Die Größe der erhaltenen Mikrokapseln steigt mit wachsendem Anteil an disperser Phase (Aktivstofflösung).
Beispiele 15 und 16.
Das in 1 angegebene Verfahren wird auf eine TEOS haltige Verkapselungslösung angewendet mit der Abwandlung, dass die Konzentration des eingesetzten Emulgators auf 50% bzw. 25% der Ursprungskonzentration reduziert wurde. Die erhaltenen Mikrokapseln sind größer als wie sie nach Beispiel 1 erzielt werden.
Beispiel 17:
Das in 1 angegebene Verfahren wird auf eine andere Verkapselungschemie angewendet. Eine 20%) Lösung eines zu verkapselnden wässrigen Aktivstoffs, die 10 meq H2 der Verkapselungskompente HMDA enthält wird im MJR gegen eine 1%> Emulgatorlösung in Isoparaffin prozessiert. Die so erhaltene Emulsion wird durch Zugabe von 40 meq COC1 einer 20% Trimesoyl chlorid - Lösung in Isopar ausgehärtet. Die erhaltenen Kapseln sind 2 bis 30 μιη groß.
Beispiel 18:
Das in Beispiel 17 angegebene Verfahren wird angewendet mit der Abwandlung, dass die Kapselhärtung mittels Trimesoylchlorid-Lösung in situ durch kontinuierlichen Eintrag der Lösung in die Reaktorkammer über die fünfte Öffnung des MJR - Reaktors erfolgt. Die erhaltenen Kapseln haben in etwa die gleichen Eigenschaften wie sie nach Beispiel 9 erhalten wurden.
Öllösliche Aktivstoffe: Beispiele 19 bis 20 Beispiel 19:
Das in Beispiel 5 angegebene Verfahren wird auf öllösliche Verkapselungsstoffe angewendet. Eine zu verkapselnder öllöslicher Aktivstoff wird in eine 20% Lösung des Verkapselungsmaterials (OTMS) in Isoparaffin gegeben und bei Raumtemperatur für 5 min durch Rühren gemischt. Die so erhaltene Lösung wird im MJR - Reaktor bei einem Prozessdruck von 40 bar gegen eine 2% wässrige Emulgatorlösung prozessiert. Es entsteht eine stabile homogene Emulsion, die durch Zugabe des Katalysators Dibutylzinnlaurat (0.5%) erfolgt die Härtung der Kapseln die nach Aushärtung mittels Zentrifugation oder Sedimentation abgetrennt werden können.
Beispiel 20:
Das in Beispiel 19 angegebene Verfahren wird angewendet mit der Abwandlung, dass die Kapselhärtung mittels Dibutylzinnlaurat in situ durch kontinuierlichen Eintrag der Lösung in die Reaktorkammer über die fünfte Öffnung des MJR - Reaktors erfolgt. Die erhaltenen Kapseln haben in etwa die gleichen Eigenschaften wie sie nach Beispiel 19 erhalten wurden.
Schmelzdispersion/Matrixverkapselung: Beispiel 21 Beispiel 21 :
Schritt 1 :
Aufschmelzen eines Polymeres (z.B. PEGs, Wachse, Fette, ...)
Durch Wahl des aufzuschmelzenden Stoffes kann somit entweder eine hydrophile oder eine oleophile Schmelze generiert werden.
Schritt 2a:
Einrühren der festen Aktivstoffe in die Schmelze (z.B. Tenside, Peroxo- Verbindungen, Enzyme, ...)
Schritt 2b (als Alternative zu Schritt 2a):
Einrühren der flüssigen Aktivstoffe in die Schmelze
Schritt 3a:
Überführen der modifizierten Schmelze in den MXR-Prozess unter Verwendung eines kalten Non-Solvents als zweiter Flüssigkeitsstrom unter Präzipitation von beladenen polymeren Mikrokugeln
Schritt 3b (als Alternative zu Schritt 3a):
Mischen der modifizierten Schmelze mit einem warmen Non-Solvent (Voremulsion). Diese Voremulsion wird rechts und links mit einem Flussratenverhältms von 1 : 1 in den MJR eingebracht. Unter Verwendung der kühlenden Wirkung des inerten Trägergases wird das beladene Polymer mikroskalig ausgefällt.
Schritt 3c (als Alternative zu Schritt 3a oder Schritt 3b):
Die modifizierte Schmelze wird zur Verringerung der Schmelzviskosität mit einem Teil des erwärmten Non-Solvents gemischt. Die Mischung wird mit dem kalten Rest-Non-Solvent im MJR-Prozess unter Ausfällung der Polymer-Kügelchen ausgefällt.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Herstellen von Emulsionen, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Schritt mindestens eine Voremulsion aus mindestens zwei miteinander nicht mischbaren Flüssigkeiten erzeugt wird und dann in einem zweiten Schritt mindestens zwei Flüssigkeitsströme der mindestens einen Voremulsion durch getrennte Öffnungen mit definiertem Durchmesser gepumpt werden, um Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeitsströme von mehr als 10 m/s zu erreichen und daß die Flüssigkeitsströme an einem Kollisionspunkt in einem Raum aufeinandertreffen.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Öffnungen identisch oder unterschiedlich ist und 10 bis 5.000 μπι, vorzugsweise 50 bis 3.000 μπι und besonders bevorzugt 100 bis 2.000 μπι beträgt.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeitsströme identisch oder unterschiedlich ist und mehr als 20 m/s, bevorzugt mehr als 50 m/s und besonders bevorzugt mehr als 100 m/s beträgt.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Öffnungen weniger als 5 cm, vorzugsweise weniger als 3 cm und besonders bevorzugt weniger als 1 cm beträgt.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum mit Gas gefüllt bzw. beaufschlagt wird.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdruck in dem Raum 0,05 bis 30 bar, bevorzugt 0,2 bis 10 bar und besonders bevorzugt 0,5 bis 5 bar beträgt.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas vor seinem Eintritt in den Raum erhitzt oder abgekühlt wird, um die Temperatur in dem Raum zu beeinflussen.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lösemittel durch einen weiteren Einlaß in den Raum eingeleitet wird.
9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß während der Kollision in dem Raum ein Druck von weniger als 100 bar, bevorzugt von weniger als 50 bar und besonders bevorzugt von weniger als 20 bar herrscht.
10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
Flüssigkeitsströme und/oder die entstehende Emulsion durch einen Wärmetauscher geführt werden, um die Temperatur der Flüssigkeitsströme vor der Kollision bzw. die der Emulsion nach der Kollision zu kontrollieren.
11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mikrojetreaktor zur Durchführung des Verfahrens verwendet wird.
12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in einem weiteren Schritt die hergestellte Emulsion verkapselt wird.
13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in einem weiteren Schritt die hergestellte und eventuell verkapselte Emulsion mit einer Oberflächenmodifikation versehen wird
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