ES2950630T3

ES2950630T3 - Conjunto de flujo cruzado y método para la producción controlada de gotas por emulsificación de membrana

Info

Publication number: ES2950630T3
Application number: ES18826775T
Authority: ES
Inventors: Bruce Williams; Sam Trotter; Richard Holdich; David Palmer; David Hayward
Original assignee: Micropore Tech Ltd
Current assignee: Micropore Tech Ltd
Priority date: 2017-11-13
Filing date: 2018-11-13
Publication date: 2023-10-11
Anticipated expiration: 2038-11-13
Also published as: EP3710146A1; PT3710146T; CO2020006470A2; KR102617763B1; BR112020009421A2; JP7370331B2; EP3710146B1; CN111670068A; SG11202003884QA; DK3710146T3; CA3080392A1; KR20200085834A; WO2019092461A1; FI3710146T3; IL274402A; US20200368699A1; JP2021502249A; HUE062426T2; CN111670068B; MX2020004887A

Abstract

Se describe un aparato de flujo cruzado para producir una emulsión o dispersión dispersando una primera fase en una segunda fase; comprendiendo dicho aparato de flujo cruzado: - un manguito tubular exterior (2) provisto de una primera entrada (3) en un primer extremo (4); una salida de emulsión (5); y una segunda entrada (7), distal e inclinada con respecto a la primera entrada; - una membrana tubular provista de una pluralidad de poros y adaptada para colocarse dentro del manguito tubular (2); y - opcionalmente un inserto adaptado para ubicarse dentro de la membrana tubular, comprendiendo dicho inserto un extremo de entrada y un extremo de salida, estando cada uno de los extremos de entrada y de salida provistos de una región achaflanada; la región achaflanada está provista de una pluralidad de orificios y una placa de bifurcación. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Conjunto de flujo cruzado y método para la producción controlada de gotas por emulsificación de membrana

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un nuevo conjunto de flujo cruzado para la producción controlada de gotas mediante emulsificación de membrana.

Más particularmente, la presente invención se refiere a un nuevo conjunto de flujo cruzado para la producción controlada de gotas mediante emulsificación de membrana, que proporciona gotas con un buen coeficiente de variación (CV) a alto rendimiento o flujo (litros por metro cuadrado por hora o L/m2/h o LMH).

Antecedentes de la invención

Los aparatos y métodos para generar emulsiones de aceite en agua o de agua en aceite; o emulsiones múltiples, tales como agua-aceite-agua y aceite-agua-aceite; o dispersiones de cápsulas de pequeño tamaño que contengan sólidos o fluidos, tienen una importancia económica considerable. Tales aparatos y métodos se utilizan en una variedad de industrias, por ejemplo, para generar cremas, lociones, productos farmacéuticos, por ejemplo, microcápsulas para productos farmacéuticos de liberación retardada, pesticidas, pinturas, barnices, pastas para untar y otros alimentos.

En varios casos, es deseable encerrar partículas en una cubierta de otra fase, tal como una pared o material de cubierta (microcápsulas), para producir una barrera para que el ingrediente se disuelva fácilmente o reaccione demasiado rápido en su aplicación. Uno de tales ejemplos es un producto farmacéutico de liberación retardada.

En muchas aplicaciones es deseable emplear una gota o dispersión de tamaño razonablemente consistente.

Únicamente a modo de ejemplo, en el caso de un producto farmacéutico de liberación controlada, un tamaño de microcápsula consistente estrecho puede dar como resultado una liberación predecible del producto encapsulado; mientras que una amplia distribución de tamaño de gotas puede dar como resultado una liberación rápida indeseable del producto de las partículas finas (debido a su alta relación área superficial/volumen) y una liberación lenta de las partículas más grandes. Sin embargo, se entenderá que en algunas circunstancias puede ser deseable tener una distribución controlada del tamaño de microcápsulas.

Las técnicas actuales de fabricación de emulsiones utilizan sistemas que comprenden agitadores y homogeneizadores. En tales sistemas, se fuerza una dispersión de dos fases con gotas grandes a través de una región de alto cizallamiento cerca del agitador, o a través de válvulas y boquillas para inducir turbulencia y, por lo tanto, romper las gotas en gotas más pequeñas. Sin embargo, no es posible controlar fácilmente los tamaños de gota logrados y el intervalo de tamaño de los diámetros de gotas suele ser grande. Esto es consecuencia del grado fluctuante de turbulencia que se encuentra en estos sistemas y la exposición de las gotas a un campo de cizallamiento variable.

Cuando se fabrican dispersiones en las que se produce un semisólido, existen desventajas adicionales debido al comportamiento de flujo altamente no newtoniano del sistema en el que los agitadores de alta velocidad solo son efectivos a distancias próximas al agitador. Las caídas de presión son altas con los homogeneizadores y la productividad es baja, debido a la naturaleza de la alta viscosidad aparente de estos sistemas. Por ende, el consumo de energía también es alto. También, tales dispositivos no funcionan bien cuando el resto a dispersar es un gel, o un líquido de fraguado, o si contiene sólidos. El equipo puede resultar dañado por dichos productos.

En los últimos años, ha habido mucho interés de investigación en la generación de emulsiones utilizando membranas de microfiltro. La solicitud de patente internacional n.° WO 01/45830 describe un aparato para dispersar una primera fase en una segunda fase usando una membrana giratoria.

La patente estadounidense n.° 4.201.691 describe un aparato para generar una dispersión de múltiples fases en donde el fluido que se inyecta en la fase continua inmiscible pasa a través de zonas de medios porosos para crear las gotas de dispersión dentro de la fase continua inmiscible.

La Solicitud de Patente Internacional n.° WO2012/094595 describe un método de producir perlas de polímero esferoidales que tienen un tamaño uniforme que se prepara polimerizando gotas de monómero de tamaño uniforme formadas al dispersar una fase de monómero polimerizable sobre una membrana de flujo cruzado en una fase acuosa.

Como puede verse a partir de la Figura del documento WO2012/094595, los orificios en la membrana tienen forma cónica o cóncava. Una desventaja de la forma del orificio cónico o cóncavo es que la fuerza de corte experimentada por la gota puede carecer de consistencia.

Pedro S. Silva, y col., "Azimuthally Oscillating Membrane Emulsification for Controlled Droplet Production", Revista AIChE 2015 Vol. 00, n.° 00; describe un sistema de emulsificación de membrana que comprende una membrana metálica tubular que se hace oscilar azimutalmente periódicamente en una fase continua de flujo transversal suave.

Sin embargo, todos los métodos mencionados comprenden sistemas móviles, que requieren la agitación del sistema o el uso de una membrana accionada mecánicamente u oscilada.

En algunos de los sistemas de la técnica anterior se pueden producir gotas con un buen coeficiente de variación (CV), pero solo a un flujo relativamente bajo (litros por metro cuadrado por hora o LMH) de la fase dispersa.

Asimismo, en la mayoría de los sistemas conocidos, la productividad puede mejorarse mediante la recirculación de la emulsión. Sin embargo, es probable que la recirculación provoque daños por gotas dentro de la bomba y otros accesorios presentes en el sistema, lo que conduce a un control deficiente sobre la distribución del tamaño de las gotas.

La solicitud de patente internacional n.° WO 2014/006384 divulga un aparato para dispersar una primera fase en una segunda fase, que comprende una membrana con una pluralidad de aberturas, estando el aparato dispuesto para recibir una primera fase que contiene un líquido y para recibir una segunda fase para generar una emulsión a través de la salida de la primera fase a la segunda fase a través de la pluralidad de aberturas; y un refinador dispuesto para recibir la emulsión de la membrana para romper las gotas de la primera fase en la emulsión.

La solicitud de patente internacional n.° WO 97/36674 describe un aparato que comprende una membrana formada por una pluralidad de segmentos en los que al menos un segmento tiene forma tubular y diámetro divergente a lo largo de la longitud del tubo; junto con medios para proporcionar una fase continua circulante, medios para proporcionar una fase discontinua y una fuente de presión para forzar la fase discontinua a través de la membrana.

Sumario de la invención

Por lo tanto, existe la necesidad de un sistema y un método de producción que proporcione gotas que posean un buen coeficiente de variación (CV) mientras que logran un alto flujo (LMH) a una concentración deseable. Un sistema o método de este tipo será ventajoso cuando se produzcan gotas a gran escala.

Por lo tanto, de acuerdo con un primer aspecto de la invención, se proporciona un aparato de flujo cruzado (1) para producir una emulsión o dispersión dispersando una primera fase en una segunda fase; comprendiendo dicho aparato de flujo cruzado (1):

un manguito tubular exterior (2) provisto de una primera entrada (3) en un primer extremo (4); una salida de emulsión (5); y una segunda entrada (7), distal e inclinada con respecto a la primera entrada (3);

una membrana tubular (26) provista de una pluralidad de poros y adaptada para colocarse dentro del manguito tubular (2); y

un inserto (10) adaptado para ubicarse dentro de la membrana tubular (26), comprendiendo dicho inserto (10) un extremo de entrada y un extremo de salida, estando cada uno del entrada y del extremo de salida provisto de una región achaflanada; la región achaflanada está provista de una pluralidad de orificios y una placa de bifurcación.

La emulsificación de membrana de flujo cruzado utiliza el flujo de la fase continua para separar las gotas de los poros de la membrana.

La posición de la salida de la emulsión puede variar dependiendo de la dirección del flujo de la fase dispersa, es decir, desde el interior de la membrana hacia el exterior o desde el exterior de la membrana hacia el interior. Si el flujo de la fase dispersa es desde el exterior de la membrana hacia el interior, la salida de la emulsión estará generalmente en un segundo extremo del manguito tubular. Si el flujo de la fase dispersa es desde el interior de la membrana hacia el exterior, la salida de la emulsión puede ser una ramificación lateral o al final.

En un aspecto de la invención, el aparato de flujo cruzado incluye un inserto como se describe aquí y la primera entrada es una primera entrada de fase continua y la segunda entrada es una entrada de fase dispersa; de tal forma que la fase dispersa viaja desde el exterior de la membrana tubular hacia el interior.

Cuando hay un inserto y la membrana tubular está colocada dentro del manguito exterior, el espacio entre el inserto y la membrana tubular puede variar, dependiendo del tamaño de gota deseado, etc. Por lo general, el inserto se ubicará centralmente dentro de la membrana tubular, de tal forma que el espacio entre el inserto y la membrana comprenderá un anillo, de dimensiones iguales o sustancialmente iguales en cualquier punto alrededor del inserto. Por tanto, por ejemplo, la separación puede ser de aproximadamente 0,05 a aproximadamente 10 mm (distancia entre la pared exterior del inserto y la pared interior de la membrana), de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 10 mm, de aproximadamente 0,25 a aproximadamente 10 mm, o de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 8 mm, o de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 6 mm, o de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 5 mm, o de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 4 mm, o de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 3 mm, o de aproximadamente de 0,5 a aproximadamente 2 mm, o de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 1 mm.

Cuando la membrana tubular se coloca dentro del manguito exterior, el espacio entre la membrana tubular y el manguito exterior puede variar, dependiendo del tamaño de gota deseado, etc. Por lo general, la membrana tubular se ubicará centralmente dentro de la manguito exterior, de tal forma que el espacio entre la membrana y el manguito comprenderá un anillo, de dimensiones iguales o sustancialmente iguales en cualquier punto alrededor de la membrana tubular. Por tanto, por ejemplo, la separación puede ser de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 10 mm (distancia entre la pared exterior de la membrana y la pared interna del manguito), o de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 8 mm, o de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 6 mm, o de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 5 mm, o de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 4 mm, o de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 3 mm, o de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 2 mm, o de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 1 mm.

En una realización alternativa de la invención, el inserto es cónico, de tal forma que la separación entre el inserto y la membrana tubular pueda ser divergente a lo largo de la longitud de la membrana. La separación y la cantidad de divergencia variaron, dependiendo del gradiente del inserto cónico, el tamaño de gotas deseado, distribución de tamaño, etc. El experto en la materia entenderá que dependiendo de la dirección de la conicidad, el espacio entre el inserto y la membrana tubular puede ser divergente o convergente a lo largo de la membrana. El uso de un inserto cónico puede ser ventajoso porque una conicidad adecuada puede permitir que el cizallamiento se mantenga constante para una formulación particular y un conjunto de condiciones de flujo. Por tanto, el inserto cónico se puede usar para controlar la variación en el tamaño de la gota como resultado de cambios en las propiedades del fluido, tales como la viscosidad, a medida que aumenta la concentración de la emulsión a lo largo de su recorrido a lo largo de la membrana.

En una realización alternativa de la invención, el aparato de flujo cruzado puede comprender más de una membrana tubular ubicada dentro del manguito tubular exterior, es decir, una pluralidad de membranas tubulares. Cuando se proporciona una pluralidad de membranas tubulares, cada membrana puede tener opcionalmente un inserto, como se describe en el presente documento, ubicado en su interior. Se puede agrupar una pluralidad de membranas como un grupo de membranas colocadas una al lado de la otra. Deseablemente, las membranas no están en contacto directo entre sí. Se entenderá que el número de membranas puede variar dependiendo de, entre otras cosas, la naturaleza de las gotas a producir. Por tanto, únicamente a modo de ejemplo, cuando una pluralidad de membranas tubulares está presente, el número de membranas puede ser de 2 a 100.

La segunda entrada inclinada provista en el manguito tubular exterior comprenderá por lo general una ramificación del manguito tubular y puede ser perpendicular al eje longitudinal del manguito tubular. La posición de la ramificación o segunda entrada puede variar y puede depender del plano de la membrana. Por ejemplo, si, en uso, el eje de la membrana está en un plano vertical, entonces la ramificación o segunda entrada puede ubicarse en la parte superior o inferior del aparato de flujo cruzado; y también puede depender de si la fase dispersa es más o menos densa que la fase continua. Una disposición de este tipo puede ser ventajosa porque al comienzo de la inyección, la fase dispersa puede desplazar constantemente a la fase continua, en lugar de tender a mezclarse debido a las diferencias de densidad. En una realización, la posición de la ramificación o segunda entrada será sustancialmente equidistante de la entrada y la salida, aunque el experto en la materia entenderá que la ubicación de esta segunda entrada puede variar. También está dentro del alcance de la presente invención que se proporcione más de una entrada de ramificación. Por ejemplo, el uso de una ramificación doble puede permitir adecuadamente el sangrado de la fase continua durante el cebado, el lavado para la limpieza o el drenaje/ventilación para la esterilización.

Los extremos de entrada y salida del manguito exterior estarán por lo general provistos de un conjunto de sello. Aunque los conjuntos de sellos en los extremos de entrada y salida del manguito exterior pueden ser iguales o diferentes, preferiblemente cada uno de los conjuntos de sellado es el mismo. Los sellos de junta tórica normales implican que la junta tórica se comprima entre las dos caras en las que se requiere el sello, en una variedad de geometrías. Las juntas tóricas disponibles comercialmente se proporcionan con diferentes opciones de ranura con dimensiones estándar. Cada conjunto de sello comprenderá una férula tubular provista de una brida en cada extremo. Una primera brida, ubicada en el extremo adyacente al manguito exterior (cuando está acoplado) puede estar provisto de un rebaje interno circunferencial que actúa como asiento para un sello de junta tórica. Cuando el sello de junta tórica está en su lugar, el sello de junta tórica está adaptado para ubicarse alrededor del extremo del inserto (cuando está presente) y dentro de un rebaje en el manguito exterior para sellar contra fugas de fluido desde dentro de cualquiera de los elementos del aparato de flujo cruzado. Sin embargo, el sello de junta tórica utilizado en la presente invención está diseñado para permitir un ajuste flojo cuando la membrana se desliza a través de las juntas tóricas. Esta disposición es ventajosa porque evita dos posibles problemas durante la instalación del tubo de membrana:

(1) la posibilidad de aplastar el tubo de membrana fino durante la instalación; y

(2) la posibilidad de que el tubo de membrana fino corte la superficie curva de la junta tórica.

Con el sello de junta tórica utilizado en la presente invención, cuando las férulas de los extremos se sujetan en el manguito exterior, aprietan los lados de las juntas tóricas, lo que hace que se deformen y presionen sobre la superficie exterior de la membrana tubular y la superficie interior del manguito, para formar un sello. Esto requiere un cuidadoso dimensionamiento y tolerancias.

Sin embargo, el experto en la materia entenderá que pueden utilizarse adecuadamente otros medios para hacer el sello, por ejemplo, usar un accesorio roscado apretado a un par particular que evitaría la necesidad de tolerancias estrechas; o sujetar piezas a una fuerza particular seguida de soldadura (lo que puede ser particularmente adecuado cuando se utiliza un aparato de flujo cruzado de plástico).

El diámetro interno de la membrana tubular puede variar. En particular, el diámetro interno de la membrana tubular puede variar dependiendo de si está presente o no un inserto. Por lo general, el diámetro interno de la membrana tubular será bastante pequeño. En ausencia de un inserto, el diámetro interno de la membrana tubular puede ser de aproximadamente 1 mm a aproximadamente 10 mm, o de aproximadamente 2 mm a aproximadamente 8 mm, o de aproximadamente 4 mm a aproximadamente 6 mm. Cuando la membrana tubular está diseñada para usarse con un inserto, el diámetro interno de la membrana tubular puede ser de aproximadamente 5 mm a aproximadamente 50 mm, o de aproximadamente 10 mm a aproximadamente 50 mm, o de aproximadamente 20 mm a aproximadamente 40 mm, o de aproximadamente 25 mm a aproximadamente 35 mm. Un mayor diámetro interno de la membrana tubular sólo puede ser capaz de someterse a una menor presión de inyección. El límite superior del diámetro interno de la membrana tubular puede depender de, entre otras cosas, el espesor del tubo de la membrana, ya que el cilindro debe poder hacer frente a la presión de inyección externa y si es posible perforar orificios consistentes a través de ese espesor. La cámara dentro de la membrana cilíndrica normalmente contiene el líquido en fase continua.

En contraste con la emulsificación de membrana usando membranas oscilantes, en la presente invención la membrana, el manguito y el inserto son generalmente estacionarios.

Como se describe en el presente documento, las membranas de la técnica anterior, tales como las descritos en el documento WO2012/094595, comprenden poros en la membrana que tienen forma cónica o cóncava. Un ejemplo es que los poros de la membrana se pueden perforar con láser. Los poros de la membrana perforados con láser o los orificios pasantes serán sustancialmente más uniformes en el diámetro de poro, forma de poro y profundidad de poro. El perfil de los poros puede ser importante, por ejemplo, es preferible un borde bien definido y afilado alrededor de la salida del poro. Puede ser deseable evitar un camino complicado (como los resultados de las membranas sinterizadas) para minimizar el bloqueo, reducir las presiones de alimentación (véase resistencia mecánica) y mantener un caudal uniforme de cada poro. Sin embargo, como se expone en el presente documento, está dentro del alcance de la presente invención usar poros en los que el orificio interno no sea circular (por ejemplo, ranuras rectangulares) o contorneado (por ejemplo, de diámetro cónico o escalonado para minimizar la caída de presión).

En la membrana, los poros pueden estar separados uniformemente o pueden tener un paso variable. Como alternativa, los poros de la membrana pueden tener un paso uniforme dentro de una fila o circunferencia, pero un paso diferente en otra dirección.

En la membrana, la forma de los poros puede ser sustancialmente tubular. Sin embargo, está dentro del alcance de la presente invención proporcionar una membrana con poros uniformemente ahusados. Dichos poros ahusados uniformemente pueden ser ventajosos porque su uso puede reducir la caída de presión a través de la membrana y aumentar potencialmente el rendimiento/flujo. También está dentro del alcance de la presente invención proporcionar una membrana en la que el diámetro sea esencialmente constante, pero el taladro interno no es circular (por ejemplo, ranuras rectangulares) o contorneado (por ejemplo, diámetro cónico o escalonado para minimizar la caída de presión), proporcionando poros con una alta relación de aspecto.

La porosidad superficial de la membrana puede depender del tamaño de poro y puede ser de aproximadamente el 0,001 % a aproximadamente el 20 % del área superficial de la membrana; o del 0,01 % al 20 %, o del 0,1 % al 20 %, o del 1 % al 20 %, o del 2 % al 20 %, o del 3 % al 20 %, o de aproximadamente el 4 % a aproximadamente el 20 %, o de aproximadamente el 5 % a aproximadamente el 20 %, o de aproximadamente el 5 % a aproximadamente el 10 %.

La disposición de los poros puede variar dependiendo de, entre otras cosas, un tamaño de poro, rendimiento, etc. Por lo general, los poros pueden estar en una disposición modelada, que puede ser una disposición cuadrada, triangular, lineal, circular, rectangular o de otro tipo. En una realización, los poros están en una disposición cuadrada. Al utilizar el efecto de "empuje" como se describe en el presente documento, los efectos de borde de poro pueden ser significativos, particularmente a un rendimiento/flujo más bajo, es decir, el "empuje" puede ser efectivo solo a un flujo universal más alto cuando todos los poros están activos. En consecuencia, el rendimiento/flujo requerido puede lograrse con un número menor de poros.

Se entenderá que el aparato de la invención; y, en particular, la membrana, puede comprender materiales conocidos, tales como vidrio; cerámica; metal, por ejemplo, acero inoxidable o níquel; polímero/plástico, tal como un fluoropolímero; o silicio. El uso de metales, tales como acero inoxidable o níquel, o polímero/plástico, tal como un fluoropolímero es ventajoso porque, entre otras cosas, el aparato y/o las membranas pueden someterse a esterilización, utilizando técnicas de esterilización convencionales conocidas en la técnica, incluida la radiación gamma cuando proceda. El uso de polímero/material plástico, tal como un fluoropolímero, es ventajoso porque, entre otras cosas, el aparato y/o la membrana pueden fabricarse utilizando técnicas de moldeo por inyección conocidas en la técnica.

Como se describe en el presente documento, se incluye un inserto en la membrana para facilitar una distribución uniforme del flujo.

Cuando un inserto está presente, la placa de bifurcación se puede adaptar para dividir el flujo de la fase continua o la fase dispersa en varias ramificaciones. Que la placa de bifurcación divida la fase continua o la fase dispersa dependerá de la dirección del flujo de la fase continua, es decir, si la fase continua fluye a través de la primera entrada o la segunda entrada. Aunque el número de placas de bifurcación puede variar, el número seleccionado debe ser adecuado para lograr una distribución uniforme del flujo y (en el extremo de salida de la emulsión) no debe tener un cizallamiento excesivo. Preferentemente, cuando el inserto está presente, la placa de bifurcación es una placa de bifurcación o una placa de bifurcación triple para proporcionar un flujo de fase continuo uniforme dentro de la región anular entre el inserto y la membrana. Más preferiblemente, la placa de bifurcación es una placa de bifurcación triple.

El número de orificios provistos en el inserto puede variar dependiendo de la tasade inyección, etc. Por lo general el número de orificios puede ser de 2 a 6. Preferiblemente, el número de orificios es tres.

La región achaflanada del inserto es ventajosa porque permite centrar el inserto cuando se encuentra en posición dentro de la membrana. La circunferencia externa de los extremos del inserto tiene una tolerancia mínima con el diámetro interno de la membrana tubular. Esto permite centrar con precisión el inserto, proporcionando así un espacio anular constante que conduce a un corte constante. Por lo general, la región achaflanada comprenderá un chaflán poco profundo, lo que es ventajoso porque nivela la distribución del flujo y permite el uso de orificios en el inserto con un área de sección transversal mayor que la que se podría lograr si el flujo simplemente entrara a través de orificios paralelos al eje del inserto. Esto mantiene baja la velocidad del fluido y, por lo tanto, minimiza las pérdidas de presión no deseadas y el cizallamiento en la salida. La distancia entre el inicio de los orificios y el inicio de la región porosa de la membrana tubular permite establecer una distribución uniforme de velocidad. La dimensión radial del inserto se selecciona para proporcionar una profundidad anular para proporcionar un cierto cizallamiento para los caudales elegidos. La dimensión axial está diseñada para dar generalmente un área de orificio combinada que es mayor que el área anular y el área del tubo de entrada/salida.

La uniformidad del tamaño de las gotas se expresa en términos del coeficiente de variación (CV):

donde a es la desviación estándar y p es la media de la curva de distribución de volumen.

El aparato de la presente invención es ventajoso porque, entre otras cosas, permite preparar gotas con un CV de aproximadamente el 5 % a aproximadamente el 50 %, o de aproximadamente el 5 % a aproximadamente el 40 %, o de aproximadamente el 5 % a aproximadamente el 30 %, o de aproximadamente el 5 % a aproximadamente el 20 %, por ejemplo, de aproximadamente el 10 % a aproximadamente el 15 %.

El aparato de la presente invención es más ventajoso porque es capaz de combinar un CV de gota controlado, como se describe en el presente documento, con un alto rendimiento/flujo en un sistema estacionario, es decir, un sistema que no está agitado, por ejemplo, por agitación, oscilación de membrana, por pulsación, y similares.

Por tanto, de acuerdo con este aspecto de la invención, se proporciona además un aparato de flujo cruzado para producir una emulsión dispersando una primera fase en una segunda fase; siendo dicho aparato de flujo cruzado capaz de tener un rendimiento/flujo de aproximadamente 1 a aproximadamente 106 LMH, preparar gotas con un CV de aproximadamente el 5 % a aproximadamente el 50 %, o de aproximadamente 10 a aproximadamente 105 LMH, o de aproximadamente de 100 a aproximadamente de 104 LMH, o de aproximadamente de 100 a aproximadamente de 103 LMH. De acuerdo con un aspecto alternativo de la invención, el rendimiento/flujo puede ser de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 103 LMH, o de aproximadamente de 1 a aproximadamente de 102 LMH, o de aproximadamente 1 a aproximadamente 10 LMH. Tales velocidades de flujo bajas son generalmente adecuadas para su uso con una fase dispersa viscosa.

El proceso de emulsificación de la membrana consiste en producir una emulsión, o dispersión, por lo general emplea cizallamiento en la superficie de la membrana para separar las gotas de líquido de la fase dispersa de la superficie de la membrana, después de lo que se dispersan en la fase continua inmiscible. Un cizallamiento superficial alto en la superficie de la membrana es apropiado para la formación de dispersiones y emulsiones finas, pero un cizallamiento superficial bajo, o ninguno en absoluto, es apropiado para la formación de gotas de líquido más grandes. En ausencia de cizallamiento superficial, se cree normalmente que la fuerza para separar la gota de la superficie de la membrana es la flotabilidad, lo que contrarresta la fuerza capilar - la fuerza que retiene la gota en la superficie de la membrana.

Sin embargo, Kosvintsev informó (Kosvintsev, S.R., 2008. Emulsificación de membrana: tamaño de gota y uniformidad en ausencia de cizallamiento superficial. Revista de Membrane Science, 313 (1 - 2), pág. (182 - 189.) que hay evidencia observacional que sugiere que hay una fuerza adicional que causa el desprendimiento de los poros de la membrana, esta fuerza es aplicable cuando hay una gran cantidad de gotas en la superficie de la membrana, lo que hace que las gotas se deformen de su forma esférica preferida. Esta fuerza se conoce como la fuerza de "empujar para separar" o "empuje".

Por ende, para el modelado del tamaño de gota dispersa y la comprensión, hay una fuerza adicional debido a la presencia de gotas vecinas, que deforman las gotas de su estado de mínima energía y esférico y da lugar a una fuerza de empuje después de la que las gotas alcanzan su estado de mínima energía cuando vuelven a una forma esférica, después del desprendimiento. En una membrana altamente regular, puede ser que la presencia de esta fuerza adicional ayude a producir gotas de tamaño más uniforme.

De acuerdo con otro aspecto de la invención, se proporciona un método de preparar una emulsión usando un aparato como el que se describe en el presente documento.

El uso del aparato es adecuado para la producción de productos y usos de "alta tecnología", por ejemplo, en resinas de cromatografía, partículas de diagnóstico médico, vehículos de fármacos, alimentos, saborizantes, fragancias y encapsulación de los mencionados, es decir, en campos donde existe la necesidad de un alto grado de uniformidad en el tamaño de las gotas, y por encima del umbral de 10 |_im por debajo del que podría usarse un simple flujo cruzado con recirculación de la dispersión para generar las gotas. Las gotas de líquido obtenidas usando el aparato de la presente invención podrían volverse sólidas a través de procesos ampliamente conocidos de polimerización, gelificación o coacervación (separación de fases líquido-líquido impulsada electrostáticamente) dentro de la emulsión formada.

La presente invención se describirá ahora únicamente a modo de ejemplo, con referencia a las figuras adjuntas, en las que:

la Figura 1(a) es una vista en sección transversal de un manguito tubular y la Figura 1(b) es una vista en planta del manguito;

la Figura 2 es una vista en perspectiva de un inserto;

la Figura 3 es una vista en sección transversal a lo largo de la línea B-B;

la Figura 4 es una vista en primer plano de un extremo del inserto;

la Figura 5(a) es una vista en perspectiva de una férula de sello y la Figura 5(b) es una vista en sección transversal de una férula de sello;

la Figura 6 es una vista en perspectiva de un aparato de flujo cruzado desmontado;

la Figura 7 es una vista en sección transversal de un manguito tubular con membrana e inserto en el sitio; y la Figura 8 es una vista en primer plano de un extremo del manguito tubular con una membrana y un inserto en el sitio.

Haciendo referencia a las Figuras 1(a) y 1(b), un aparato de flujo cruzado 1 para, producir una emulsión o dispersión, comprende un manguito tubular exterior 2 provisto de una primera entrada 3 en un primer extremo 4, una salida de emulsión 5 en un segundo extremo 6; y una segunda entrada 7 distal e inclinada con respecto a la primera entrada 3. Cada uno de los extremos 4 y 6 está provisto de una brida 8 y 9.

Con referencia a las Figuras 2 a 4, un inserto 10 comprende una varilla longitudinal 11 con un primer y segundo extremos huecos achaflanados 12 y 13. Cada uno de los extremos achaflanados 12 y 13 comprende una superficie achaflanada 14 y 15 y cada superficie achaflanada está provista de tres orificios 16a y 16b (no mostrados 16c); y 17a, 17b y 17c. Internamente, cada achaflanado 12 y 13 está provisto de una placa de bifurcación triple 18a (no mostrada) y 18b que comprende aletas 19a, 19b y 19c.

Haciendo referencia a las Figuras 5(a) y 5(b), una férula de sello 20, está adaptada para colocarse en cada extremo 4 y 6 del manguito tubular 2. La férula de sello 20 comprende un cilindro 21 con una brida 22 en un extremo 23 y una protuberancia 24 que actúa como asiento para un sello de junta tórica 25 (no mostrado). En uso, la brida 23 está adaptada para acoplarse con las bridas 8 y 9 del manguito 2.

Haciendo referencia a la Figura 6, un aparato de flujo cruzado desmontado 1 comprende un manguito tubular exterior 2, una membrana 26 y un inserto 10. Cada extremo 4 y 6 del manguito 2 está provisto de una férula de sello 20 y 20a y un sello de junta tórica 25 y 25a.

Haciendo referencia a las Figuras 7 y 8, un aparato de flujo cruzado ensamblado 1 comprende un manguito exterior 2, con una membrana 26 ubicada dentro del manguito 2; y un inserto 10 ubicado dentro de la membrana 26. El inserto 10 está ubicado centralmente dentro de la membrana 26 y cada extremo 26a y 26b de la membrana 26 está sellado por una junta tórica 25 y 25a que está comprimida por la férula de sello 20 y 20a.

En uso, en la realización mostrada, una fase continua pasará a través de los orificios 16a y 16b (no se muestra 16c) en el extremo de entrada 4 del manguito 2 y a través de un espacio 27 entre el inserto 2 y la membrana 26. Una fase dispersa pasará a través de la segunda entrada ramificada 7 ya través de la membrana 26 hacia el espacio 27 para contactar con la fase continua para formar una emulsión o dispersión. Dicha emulsión o dispersión saldrá del aparato de flujo cruzado 1 por el extremo de salida 6.

El experto en la materia entenderá que esta es una realización de la presente invención. Aunque no se ilustra aquí, se entenderá que el flujo puede ser en sentido contrario al descrito, por ejemplo, la fase dispersa se puede introducir en el extremo de entrada del manguito y la fase continua se puede introducir en la segunda entrada ramificada. Tales realizaciones adicionales deben considerarse dentro del alcance de la presente invención.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un aparato de flujo cruzado (1) para producir una emulsión o dispersión dispersando una primera fase en una segunda fase; comprendiendo dicho aparato de flujo cruzado (1):

un inserto (10) adaptado para ubicarse dentro de la membrana tubular (26), comprendiendo dicho inserto (10) un extremo de entrada y un extremo de salida, caracterizado por que cada uno de los extremos de entrada y el extremo de salida está provisto de una región achaflanada,

estando la región achaflanada provista de una pluralidad de orificios y una placa de bifurcación.

2. Un aparato de flujo cruzado (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la membrana tubular (26) está ubicada centralmente dentro del manguito exterior (2), de tal forma que el espacio entre la membrana (26) y el manguito (2) comprende un anillo, de dimensiones iguales o sustancialmente iguales en cualquier punto alrededor de la membrana tubular (26).

3. Un aparato de flujo cruzado (1) de acuerdo con la reivindicación 2, en donde la separación es de aproximadamente 0,05 a aproximadamente 10 mm.

4. Un aparato de flujo cruzado (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el inserto (10) es cónico.

5. Un aparato de flujo cruzado (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la membrana tubular (26) está ubicada centralmente dentro del manguito exterior (2), de tal forma que el espacio entre la membrana (26) y el inserto (10) comprende un anillo, de dimensiones iguales o sustancialmente iguales en cualquier punto alrededor del inserto (10).

6. Un aparato de flujo cruzado (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el diámetro interno de la membrana tubular (26) es de aproximadamente 1 mm a aproximadamente 10 mm.

7. Un aparato de flujo cruzado (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el aparato de flujo cruzado (1) comprende una pluralidad de membranas tubulares (26).

8. Un aparato de flujo cruzado (1) de acuerdo con la reivindicación 7, en donde cada membrana (26) tiene un inserto (10) ubicado en su interior.

9. Un aparato de flujo cruzado (1) de acuerdo con las reivindicaciones 7 u 8, en donde una pluralidad de membranas (26) está agrupada como un grupo de membranas (26) colocadas una al lado de la otra.

10. Un aparato de flujo cruzado (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los extremos de entrada y salida (4 y 6) del manguito exterior (2) están por lo general provistos de un conjunto de sello.

11. Un aparato de flujo cruzado (1) de acuerdo con la reivindicación 10, en donde el conjunto de sello comprende una férula tubular (20) provista de una brida (22) en cada extremo.

12. Un aparato de flujo cruzado (1) de acuerdo con la reivindicación 11, en donde una primera brida (22) ubicada en el extremo adyacente al manguito exterior (2) (cuando está acoplado) está provista de un rebaje interno circunferencial que actúa como asiento para un sello de junta tórica (25) en donde el sello de junta tórica (25) permite un ajuste flojo cuando la membrana se desliza a través de la junta tórica (25).

13. Un aparato de flujo cruzado (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los poros de la membrana están perforados con láser.

14. Un aparato de flujo cruzado de acuerdo con (1) la reivindicación 13, en donde los poros de la membrana tienen un diámetro de poro, forma de poro y profundidad de poro sustancialmente uniformes.

15. Un aparato de flujo cruzado (1) de acuerdo con la reivindicación 14, en donde los poros de la membrana están separados por lo general uniformemente.

16. Un aparato de flujo cruzado (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15, en donde los poros tienen un diámetro de aproximadamente 1 |_im a aproximadamente 100 |_im.

17. Un aparato de flujo cruzado (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16, en donde la forma de los poros es sustancialmente tubular.

18. Un aparato de flujo cruzado (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 17, en donde la distancia entre los poros es de aproximadamente 1 |_im a aproximadamente 1000 |_im.

19. Un aparato de flujo cruzado (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 13 a 17, en donde la porosidad superficial de la membrana puede ser de aproximadamente el 0,001 % a aproximadamente el 20 % del área superficial de la membrana.

20. Un aparato de flujo cruzado (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 19, en donde los poros están en una disposición modelada.

21. Un aparato de flujo cruzado (1) de acuerdo con la reivindicación 20, en donde la disposición modelada es una disposición cuadrada, triangular, lineal, circular o rectangular.

22. Un aparato de flujo cruzado (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la membrana comprende un material seleccionado entre vidrio; cerámica; metal; polímero/plástico o silicio.

23. Un aparato de flujo cruzado (1) de acuerdo con la reivindicación 22, en donde la membrana comprende un metal, tal como acero inoxidable.

24. Un aparato de flujo cruzado (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la placa de bifurcación es una placa de bifurcación o una placa de bifurcación triple (18a).

25. Un aparato de flujo cruzado (1) de acuerdo con la reivindicación 24, en donde el número de orificios proporcionados en el inserto (10) es de 2 a 6.

26. Un aparato de flujo cruzado (1) de acuerdo con la reivindicación 24, en donde la región achaflanada del inserto (10) comprende un achaflanado poco profundo.

27. Un aparato de flujo cruzado (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el aparato es capaz de un rendimiento de 1 a 106 LMH.

28. Un método de preparar una emulsión utilizando un aparato (1) de acuerdo con la reivindicación 1.

29. Un método de acuerdo con la reivindicación 28, en donde el aparato de flujo cruzado (1) comprende una pluralidad de membranas tubulares (26).

30. Un método de acuerdo con la reivindicación 28, en donde se preparan gotas con un CV de aproximadamente el 5 % a aproximadamente el 50 %.