ITRM20090679A1

ITRM20090679A1 - REACTOR FOR THE PRECIPITATION OF MICRO AND NANO-PARTICLES

Info

Publication number: ITRM20090679A1
Application number: IT000679A
Authority: IT
Inventors: Alberto Brucato; Antonio Busciglio; Franco Grisafi; Lucia Lino; Francesca Scargiali
Original assignee: Univ Palermo
Priority date: 2009-12-23
Filing date: 2009-12-23
Publication date: 2011-06-24

Description

TITOLO: “Reattore per la precipitazione di micro e nano-particelle” TITLE: "Reactor for the precipitation of micro and nano-particles"

Campo dell’invenzione Field of the invention

La presente invenzione si riferisce a un reattore per la precipitazione di micro e nano-particelle provvisto di due cilindri concentrici con il cilindro interno rotante e quello esterno fisso. The present invention refers to a reactor for the precipitation of micro and nano-particles provided with two concentric cylinders with the inner cylinder rotating and the outer one fixed.

Stato della tecnica State of the art

La produzione di particelle di piccole dimensioni in un reattore di precipitazione si può ottenere quando la velocità di nucleazione prevale sulla velocità di accrescimento delle particelle, quindi in condizioni di elevata sovrassaturazione. Questa richiede a sua volta altissime velocità di miscelazione delle soluzioni reagenti e tempi di contatto estremamente contenuti. The production of small particles in a precipitation reactor can be obtained when the nucleation rate prevails over the growth rate of the particles, therefore in conditions of high supersaturation. This in turn requires very high mixing speeds of the reagent solutions and extremely short contact times.

Nella letteratura scientifica si riscontrano diversi tipi di reattore di precipitazione, che possono raggrupparsi in quattro categorie: In the scientific literature there are different types of precipitation reactors, which can be grouped into four categories:

- Reattori a cella di Taylor-Couette con meato largo (Barresi et al. 1999, Pagliolico et al., 1999; Marchisio et al.2001; Judat et al.2004); - Taylor-Couette cell reactors with large meatus (Barresi et al. 1999, Pagliolico et al., 1999; Marchisio et al. 2001; Judat et al. 2004);

- Reattori a getti collidenti (Marchisio et al.,2006), T-mixers (Gradl et al., 2006, Schwarzer e Peukert, 2002); - Colliding jet reactors (Marchisio et al., 2006), T-mixers (Gradl et al., 2006, Schwarzer and Peukert, 2002);

- Reattori batch e semibatch (Penicot et al., 1998; Petrova et al.,2008; Chen et al. - Batch and semibatch reactors (Penicot et al., 1998; Petrova et al., 2008; Chen et al.

1996, Philips et al.1999 e Uehara-Nagamine e Armenante 2001); 1996, Philips et al. 1999 and Uehara-Nagamine and Armenante 2001);

- Reattori "spinning disc" (Stoller et al.2009). - Spinning disc reactors (Stoller et al. 2009).

Nei processi industriali le precipitazioni si realizzano comunemente con reattori batch o semibatch agitati, nei quali la distribuzione delle dimensioni delle particelle può essere controllata mediante le condizioni di alimentazione. Nei processi con reattori semibatch l’alimentazione avviene immettendo la soluzione di un reagente in una soluzione premiscelata dell’altro reagente, oppure immettendo due soluzioni reagenti simultaneamente nel liquido di bulk del recipiente (double-jet, Wong et al., 2003). In industrial processes, precipitations are commonly achieved with stirred batch or semibatch reactors, in which the particle size distribution can be controlled by the feed conditions. In processes with semibatch reactors, the feeding takes place by placing the solution of one reagent in a premixed solution of the other reagent, or by placing two reagent solutions simultaneously in the bulk liquid of the vessel (double-jet, Wong et al., 2003).

Nei reattori a getti collidenti si hanno due o più flussi che collidono e si miscelano rapidamente l’uno con l’altro. Secondo la classificazione proposta in Liu and Fox (2006), i getti collidenti possono essere liberi, sommersi o confinati. Questi ultimi, in particolare, presentano la capacità di raggiungere tempi rapidi di miscelazione (se confrontati con altri stadi veloci del processo), consentendone così l’utilizzo in applicazioni quali la precipitazione di prodotti biochimici e il controllo della distribuzione delle dimensioni nella produzione di nano particelle contenenti composti attivi organici e copolimeri a blocchi. Marchisio et al. (2006) hanno utilizzato un reattore a getti collidenti con diametro del getto pari a 1 mm oppure a 2 mm, essendo le altre dimensioni caratteristiche multiple di tale diametro. Dai risultati sperimentali si evince che la dimensione media delle particelle d4,3(dove d4,3è la dimensione media delle particelle pesata sul loro volume) aumenta all’aumentare del numero di Damkohler e, in prima approssimazione, diminuisce all’aumentare del numero di Reynolds del getto. In colliding jet reactors there are two or more flows that collide and mix rapidly with each other. According to the classification proposed in Liu and Fox (2006), colliding jets can be free, submerged or confined. The latter, in particular, have the ability to achieve rapid mixing times (when compared with other fast stages of the process), thus allowing their use in applications such as the precipitation of biochemicals and the control of size distribution in the production of nano. particles containing organic active compounds and block copolymers. Marchisio et al. (2006) used a colliding jet reactor with a jet diameter equal to 1 mm or 2 mm, the other characteristic dimensions being multiple of this diameter. The experimental results show that the average size of the particles d4.3 (where d4.3 is the average size of the particles weighted by their volume) increases as the Damkohler number increases and, as a first approximation, decreases as the number of particles increases. Reynolds of the cast.

Il miscelatore a T è un tipo di reattore a getti collidenti, che consente di ottenere particelle sotto i 50 nm (Schwarzer e Peukert 2004), aumentando la portata (numero di Reynolds), oppure aumentando il livello di sovrassaturazione. La dimensione media decresce con l’intensità della miscelazione da valori maggiori di 200 a minori di 40 nm. I risultati ottenuti si spiegano anche con il fatto che i reattori utilizzati sono quasi dei reattori a canale stretto (“narrow channel”), grazie alle dimensioni caratteristiche dell’ordine del millimetro. Inoltre, i fenomeni di agglomerazione dei nano precipitatori possono essere controllati cambiando la composizione della sospensione in cui avviene la precipitazione (Schwarzer e Peukert - 2002), arrivando anche a stabilizzare le particelle contro l’agglomerazione. The T-mixer is a type of colliding jet reactor, which allows to obtain particles below 50 nm (Schwarzer and Peukert 2004), by increasing the flow rate (Reynolds number), or by increasing the level of supersaturation. The average size decreases with the intensity of mixing from values greater than 200 to less than 40 nm. The results obtained are also explained by the fact that the reactors used are almost "narrow channel" reactors, thanks to the characteristic dimensions of the order of a millimeter. In addition, the agglomeration phenomena of the nano precipitators can be controlled by changing the composition of the suspension in which the precipitation occurs (Schwarzer and Peukert - 2002), even stabilizing the particles against agglomeration.

I reattori a canale stretto (narrow channel) sono caratterizzati da diametri equivalenti del canale al di sotto di 1 millimetro, e possono esser fatti da diversi substrati, dai metalli alle materie plastiche. Kockmann et al. (2008) hanno indagato la precipitazione del solfato di bario in diversi reattori con micromiscelatore a T, con dimensioni caratteristiche dell’ordine di centinaia di micrometri; i risultati indicano che il diametro medio delle particelle decresce quando Reynolds aumenta da 200 a 400. A numeri di Reynolds più elevati, il processo di miscelazione si deteriora e il diametro cresce fino a un limite superiore di circa 120 nm. Narrow channel reactors are characterized by equivalent channel diameters below 1 millimeter, and can be made from different substrates, from metals to plastics. Kockmann et al. (2008) investigated the precipitation of barium sulphate in different reactors with T-shaped micromixer, with characteristic dimensions of the order of hundreds of micrometers; the results indicate that the mean particle diameter decreases as Reynolds increases from 200 to 400. At higher Reynolds numbers, the mixing process deteriorates and the diameter grows to an upper limit of approximately 120 nm.

I reattori a cella di Taylor-Couette presentano invece gradienti di velocità e velocità di dissipazione dell’energia meccanica relativamente uniformi, nella direzione assiale. Aumentando la velocità di rotazione del cilindro interno la velocità media di dissipazione dell’energia e il micromixing aumentano significativamente; anche la dispersione assiale aumenta con la velocità di rotazione, ed è quindi possibile cambiare le caratteristiche del macromixing passando da un sistema vicino a un plug flow a un sistema ben miscelato (Pagliolico et al., 1999). Soprattutto il flusso turbolento del reattore Taylor-Couette combina i vantaggi di un’intensa miscelazione locale con quelli della piccola dispersione assiale. Barresi (1999), Pagliolico (1999), Marchisio (2001) e Judat (2004) hanno ottenuto diametri medi d4,3delle particelle prodotte compresi fra 4 e 15 �m. The Taylor-Couette cell reactors, on the other hand, have relatively uniform speed gradients and mechanical energy dissipation rates, in the axial direction. By increasing the rotation speed of the internal cylinder, the average speed of energy dissipation and micromixing increase significantly; also the axial dispersion increases with the rotation speed, and it is therefore possible to change the characteristics of macromixing passing from a system close to a plug flow to a well mixed system (Pagliolico et al., 1999). Above all, the turbulent flow of the Taylor-Couette reactor combines the advantages of intense local mixing with those of small axial dispersion. Barresi (1999), Pagliolico (1999), Marchisio (2001) and Judat (2004) obtained average diameters d4.3 of the particles produced between 4 and 15 �m.

Infine, i reattori “spinning disc” consentono una produzione continua di nano particelle con flusso elevato e con tempi di permanenza di qualche secondo, con un risparmio dei costi dei reattori e una riduzione dei fenomeni di agglomerazione. Le condizioni di micromixing sulla superficie dello spinning disc sono raggiunte più facilmente, quando la posizione di alimentazione è vicina al centro del disco. Per questo motivo i punti di alimentazione delle soluzioni reagenti si trovano di solito a una breve distanza radiale dal centro del disco e in posizione simmetrica, con sistemi a due punti di iniezione (TIS Baffi et al., 2002) o con sistemi ad iniettore multiplo (multiple injector systems o MIS). Se localmente vengono superati valori di concentrazione critici, le nano particelle, una volta formate, tendono a formare agglomerati (Cao, 2004), con la conseguenza di frequenti cicli di spegnimento e di pulizia del reattore. Finally, spinning disc reactors allow a continuous production of nano particles with high flow and residence times of a few seconds, with a saving in reactor costs and a reduction in agglomeration phenomena. Micromixing conditions on the spinning disc surface are more easily achieved when the feed position is close to the center of the disc. For this reason the feeding points of the reagent solutions are usually located at a short radial distance from the center of the disc and in a symmetrical position, with two-point injection systems (TIS Baffi et al., 2002) or with multiple injector systems. (multiple injector systems or MIS). If critical concentration values are locally exceeded, the nanoparticles, once formed, tend to form agglomerates (Cao, 2004), with the consequence of frequent shutdown and cleaning cycles of the reactor.

Considerando i suddetti reattori, essi presentano i seguenti svantaggi: Considering the aforementioned reactors, they have the following disadvantages:

- I comuni reattori Taylor Couette presentano un meato largo con δ/Ri = 0,2 ÷ 0,5 (dove δ è la differenza tra il raggio interno Redel cilindro esterno ed il raggio esterno Ridel cilindro interno) e dimensioni delle particelle ottenibili tra 4 e 15 µm, pertanto tali reattori non permettono di ottenere particelle nanometriche e di massimizzare la micromiscelazione, favorendo inoltre la dispersione assiale; - I reattori a getti collidenti e T mixers presentano una geometria che non consente di controllare accuratamente il processo di precipitazione e la dimensione finale delle particelle; - Common Taylor Couette reactors have a large meatus with δ / Ri = 0.2 ÷ 0.5 (where δ is the difference between the internal radius Redel external cylinder and the external radius Ridel internal cylinder) and particle sizes obtainable between 4 and 15 µm, therefore these reactors do not allow to obtain nanometric particles and to maximize the micromixing, also favoring axial dispersion; - The colliding jet reactors and T mixers have a geometry that does not allow to accurately control the precipitation process and the final size of the particles;

- I reattori “spinning disc” presentano una geometria comunque troppo complessa e costosa, ed anche di difficile scalabilità. - The “spinning disc” reactors have a geometry that is in any case too complex and expensive, and also difficult to scale.

Allo stato della tecnica appartengono, inoltre, diversi apparati individuati come reattori Taylor-Couette, nei quali è stata anche affrontata la problematica della presenza dei cosiddetti vortici di Taylor. In particolare il sistema è composto da un elemento cilindrico esterno fisso ed un elemento interno rotante, concentrico al cilindro esterno e di sezione poligonale equilatera o non equilatera. Il rapporto tra il gap massimo ed il gap minimo tra i due elementi è compreso tra 1,2 e 3. Il dispositivo potrebbe sostituire i reattori Taylor Couette classici, per evitare la presenza dei cosiddetti vortici di Taylor nel gap fra i due elementi, ed anche evitare la separazione dei componenti immessi, nel caso si abbia una differenza nella densità fra i componenti. Un esempio di questi apparati è descritto nel documento brevettuale US2008/0226513A1. Furthermore, various apparatuses identified as Taylor-Couette reactors belong to the state of the art, in which the problem of the presence of the so-called Taylor vortices has also been addressed. In particular, the system is composed of a fixed external cylindrical element and an internal rotating element, concentric to the external cylinder and with an equilateral or non-equilateral polygonal section. The ratio between the maximum gap and the minimum gap between the two elements is between 1.2 and 3. The device could replace the classic Taylor Couette reactors, to avoid the presence of the so-called Taylor vortices in the gap between the two elements, and also avoid the separation of the components entered, in case there is a difference in density between the components. An example of these apparatuses is described in the patent document US2008 / 0226513A1.

In particolare, il brevetto US2008/0226513A1 presenta un dispositivo da utilizzare come reattore e/o miscelatore, nei casi in cui le proprietà chimico-fisiche dei componenti risultino molto sensibili agli sforzi di taglio. L’obiettivo principale di questo dispositivo è di evitare la formazione di vortici di Taylor all’interno del meato tra i due elementi ed anche di miscelare sistemi (reagenti o non) in cui sono presenti componenti sensibili agli sforzi di taglio. Svantaggiosamente tale dispositivo presenta un meato a sezione variabile e relativamente ampia, non consentendo di massimizzare la micromiscelazione e favorendo la dispersione assiale. In particular, the patent US2008 / 0226513A1 presents a device to be used as a reactor and / or mixer, in cases where the chemical-physical properties of the components are very sensitive to shear stresses. The main objective of this device is to avoid the formation of Taylor vortices within the meatus between the two elements and also to mix systems (reactive or not) in which there are components sensitive to shear stress. Disadvantageously, this device has a meatus with a variable and relatively wide section, not allowing to maximize the micromixing and favoring axial dispersion.

Altri apparati industriali presentano un reattore Taylor-Couette per la polimerizzazione di monomeri. Il sistema è realizzato con una parete esterna fissa, un rotore concentrico interno, e almeno una sezione di ingresso per l’immissione del prodotto base ed una sezione di uscita per lo scarico del prodotto finale. Other industrial apparatuses have a Taylor-Couette reactor for the polymerization of monomers. The system is made with a fixed external wall, an internal concentric rotor, and at least one inlet section for the introduction of the basic product and an outlet section for the discharge of the final product.

Il prodotto di base è immesso a un’altezza più bassa dei due terzi dell’altezza della copertura del reattore e, durante la polimerizzazione, si presenta una modifica della viscosità cinematica v del mezzo di reazione. Un esempio di questi reattori è descritto nel documento brevettuale WO2008135211. The base product is placed at a height lower than two thirds of the height of the reactor cover and, during polymerization, a change in the kinematic viscosity v of the reaction medium occurs. An example of these reactors is described in the patent document WO2008135211.

Tale reattore è costituito da un elemento interno rotante di forma cilindrica, e un elemento esterno co-assiale di forma tronco-conica. Svantaggiosamente, il meato tra i due elementi è ampio ed a sezione variabile lungo l’asse del reattore, non consentendo di massimizzare la micromiscelazione e favorendo la dispersione assiale. This reactor consists of an internal rotating element of cylindrical shape, and an external co-axial element of frusto-conical shape. Disadvantageously, the meatus between the two elements is large and with a variable section along the axis of the reactor, not allowing to maximize the micromixing and favoring the axial dispersion.

E' quindi sentita l'esigenza di realizzare un innovativo reattore per la precipitazione di micro e nano-particelle che consenta di superare i suddetti inconvenienti. The need is therefore felt to realize an innovative reactor for the precipitation of micro and nano-particles which allows to overcome the aforesaid drawbacks.

Sommario dell’invenzione Summary of the invention

Scopo primario della presente invenzione è quello di realizzare un reattore di precipitazione che consenta di produrre particelle di dimensioni micro e nanometriche, in seguito a reazioni di precipitazione, e di ottenere elevata riproducibilità delle dimensioni finali delle particelle prodotte, con particolare riguardo alle nano-particelle. The primary purpose of the present invention is to realize a precipitation reactor which allows to produce particles of micro and nanometric dimensions, following precipitation reactions, and to obtain high reproducibility of the final dimensions of the particles produced, with particular regard to nano-particles. .

La presente invenzione, pertanto, si propone di raggiungere gli scopi sopra discussi realizzando un reattore di precipitazione per la precipitazione di micro o nanoparticelle che, conformemente alla rivendicazione 1, comprende The present invention therefore proposes to achieve the objects discussed above by realizing a precipitation reactor for the precipitation of micro or nanoparticles which, according to claim 1, comprises

- un primo cilindro ruotante; - a first rotating cylinder;

- un secondo cilindro fisso, coassiale ed esterno a detto primo cilindro; - a second fixed cylinder, coaxial and external to said first cylinder;

- un meato di sezione costante definito da detti primo cilindro e secondo cilindro; - almeno due sezioni di ingresso, previste sulla superficie laterale del secondo cilindro e tra loro contrapposte, per l’immissione in detto meato di soluzioni contenenti reagenti per una reazione di precipitazione; - a meatus of constant section defined by said first cylinder and second cylinder; - at least two inlet sections, provided on the lateral surface of the second cylinder and opposite each other, for the introduction into said meatus of solutions containing reagents for a precipitation reaction;

- almeno una sezione di uscita per il prelievo delle micro o nanoparticelle precipitate; - at least one outlet section for the removal of the precipitated micro or nanoparticles;

in cui il meato è tale da soddisfare la seguente relazione δ/Ri<0,1, dove δ è l’ampiezza di detto meato ed Riè il raggio esterno di detto primo cilindro. in which the meatus is such as to satisfy the following relationship δ / Ri <0.1, where δ is the width of said meatus and Ri is the external radius of said first cylinder.

In particolare il reattore è caratterizzato da un meato tra i due cilindri di ampiezza dell’ordine dei decimi di millimetro, dalla velocità di rotazione dell’ordine della decina di migliaia di rpm, dalla possibilità di prevedere ingressi contrapposti, anche con una configurazione del tipo a stella, nonché dal prelievo dei prodotti (e/o di ulteriori immissioni di reagenti, diluenti, co/anti-solventi, antiaggreganti etc) a distanza regolabile rispetto all’ingresso. In particular, the reactor is characterized by a meatus between the two cylinders with an amplitude of the order of tenths of a millimeter, by the rotation speed of the order of tens of thousands of rpm, by the possibility of providing opposing inputs, even with a configuration of the type star, as well as the withdrawal of products (and / or further injections of reagents, diluents, co / anti-solvents, antiplatelet agents, etc.) at an adjustable distance from the inlet.

In una variante preferita sono previste quattro sezioni di ingresso, a due a due contrapposte. Comunque, possono anche essere vantaggiosamente previste “n” sezioni di ingresso, dove “n” è un numero pari superiore a quattro, a due a due contrapposte. In a preferred variant, four inlet sections are provided, two by two opposite each other. However, "n" input sections can also be advantageously provided, where "n" is an even number greater than four, two by two opposite each other.

Le sezioni di ingresso sono previste in prossimità di una prima estremità del reattore, mentre detta almeno una sezione di uscita è prevista in prossimità di una seconda estremità del reattore. Almeno una ulteriore sezione di uscita può essere prevista lungo l’estensione longitudinale del reattore, tra detta prima estremità e detta seconda estremità, preferibilmente ma non necessariamente in corrispondenza di una zona centrale del reattore. The inlet sections are provided in proximity to a first end of the reactor, while said at least one outlet section is provided in proximity to a second end of the reactor. At least one further outlet section can be provided along the longitudinal extension of the reactor, between said first end and said second end, preferably but not necessarily in correspondence with a central area of the reactor.

Vantaggiosamente il dispositivo dell’invenzione assicura una sostanziale uniformità della velocità di deformazione ( dvx/dy per sistemi monovarianti, dove vxè la velocità del fluido in direzione tangenziale alle superfici laterali dei cilindri e y è una direzione perpendicolare all’asse di rotazione del cilindro interno del reattore, direttamente legata agli sforzi di taglio dalla legge di Newton; per campi di moto<1D =>(<∇v ∇v T>) Advantageously, the device of the invention ensures a substantial uniformity of the deformation speed (dvx / dy for single-variant systems, where vx is the speed of the fluid in a tangential direction to the lateral surfaces of the cylinders and y is a direction perpendicular to the rotation axis of the internal cylinder of the reactor, directly related to shear stresses by Newton's law; for flow fields <1D => (<∇v ∇v T>)

tridimensionali la stessa grandezza diventa un tensore 2), alla qualeè direttamente legata la velocità di micromiscelazione. L’uniformità della velocità di deformazione, al variare dei parametri operativi (velocità di rotazione del cilindro interno, portate di alimentazione e disposizione degli ingressi dei reagenti e dei prelievi dei prodotti), consente di ottenere un controllo preciso delle dimensioni finali delle particelle prodotte e un’elevata scalabilità del reattore stesso. In tal modo si potrà realizzare uno scale-up affidabile, dalla scala di laboratorio a quella delle produzioni industriali. three-dimensional the same size becomes a tensor 2), to which the micromixing speed is directly linked. The uniformity of the deformation speed, as the operating parameters vary (rotation speed of the internal cylinder, feed rates and arrangement of the reagent inlets and product withdrawals), allows to obtain a precise control of the final dimensions of the particles produced and high scalability of the reactor itself. In this way it will be possible to achieve a reliable scale-up, from the laboratory scale to that of industrial production.

Un ulteriore aspetto dell’invenzione è rappresentato dal fatto che la configurazione con più ingressi/uscite permette anche di introdurre una portata ausiliaria di diluente in una predeterminata sezione del reattore, che “congela” la distribuzione di particelle ottenuta in quella data sezione. A further aspect of the invention is represented by the fact that the configuration with multiple inputs / outputs also allows the introduction of an auxiliary flow rate of diluent in a predetermined section of the reactor, which "freezes" the distribution of particles obtained in that given section.

Rispetto ai reattori a meato ampio, il dispositivo dell’invenzione consente di ottenere una miscelazione azimutale e radiale più intensa, contestualmente alla riduzione della macromiscelazione assiale, tutte caratteristiche che contribuiscono alla riduzione delle dimensioni del prodotto e al controllo delle stesse. Inoltre l’ingresso a stella, congiuntamente all’adozione di velocità di rotazione elevate, migliora l’ottenimento di elevate soprassaturazioni locali in corrispondenza degli ingressi. Compared to large meatus reactors, the device of the invention allows to obtain a more intense azimuth and radial mixing, at the same time as the reduction of the axial macromixing, all characteristics that contribute to the reduction of the size of the product and the control of the same. In addition, the star entry, together with the adoption of high rotation speeds, improves the achievement of high local oversaturations at the entrances.

Il controllo della velocità di rotazione del cilindro interno e delle portate in ingresso dei reagenti consente di ottenere elevata riproducibilità delle dimensioni finali delle particelle prodotte, con particolare riguardo alle nano-particelle. The control of the rotation speed of the internal cylinder and of the inlet flow rates of the reagents allows to obtain high reproducibility of the final dimensions of the particles produced, with particular regard to the nano-particles.

Il reattore dell’invenzione permette di ottenere particelle più piccole, ad esempio dell’ordine dei 200 nm, e la caratteristica del meato stretto massimizza la micromiscelazione e sfavorisce la dispersione assiale. The reactor of the invention allows to obtain smaller particles, for example of the order of 200 nm, and the characteristic of the narrow meatus maximizes the micro-mixing and disfavors the axial dispersion.

La presenza di un cilindro interno rotante aggiunge un parametro di controllo in più sul processo e sulla dimensione finale delle particelle. The presence of a rotating internal cylinder adds an extra control parameter on the process and the final particle size.

Il reattore dell’invenzione presenta, inoltre, un disegno costruttivo più semplice e di più facile scalabilità. The reactor of the invention also has a simpler and easier to scale construction design.

La presenza dei vortici di Taylor non è controindicata e si cerca di minimizzare la miscelazione assiale, favorendo tuttavia la micro miscelazione in ciascuna sezione trasversale. A tali fini il reattore dell’invenzione è caratterizzato da un meato “stretto” e di sezione costante con δ/Ri < 1/10. The presence of Taylor vortices is not contraindicated and an attempt is made to minimize axial mixing, however favoring micro mixing in each cross section. For these purposes, the reactor of the invention is characterized by a "narrow" meatus and constant section with δ / Ri <1/10.

La maggiore flessibilità operativa del reattore dell’invenzione è legata alla possibilità di agire sulle dimensioni del prodotto finale anche attraverso parametri operativi come la velocità di rotazione del cilindro interno e la posizione degli ingressi e delle uscite. The greater operational flexibility of the reactor of the invention is linked to the possibility of acting on the dimensions of the final product also through operating parameters such as the rotation speed of the internal cylinder and the position of the inlets and outlets.

Tale reattore presenta un notevole potenziale nell’ambito delle nano-tecnologie, in settori industriali quali la produzione di adesivi, di pigmenti, di catalizzatori, e la produzione di nano-particelle farmacologicamente attive con la possibilità di inglobare il principio attivo in "nano-carriers" funzionalizzati, al fine di eseguire un rilascio controllato del principio attivo, preferenzialmente nelle adiacenze del bersaglio desiderato. This reactor has a considerable potential in the field of nano-technologies, in industrial sectors such as the production of adhesives, pigments, catalysts, and the production of pharmacologically active nano-particles with the possibility of incorporating the active principle in "nano- carriers "functionalized, in order to perform a controlled release of the active principle, preferably in the vicinity of the desired target.

Le rivendicazioni dipendenti descrivono forme di realizzazione preferite dell’invenzione. The dependent claims describe preferred embodiments of the invention.

Breve descrizione delle figure Brief description of the figures

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di una forma di realizzazione preferita, ma non esclusiva, di un reattore illustrato a titolo esemplificativo e non limitativo, con l’ausilio delle unite tavole di disegno in cui: Further features and advantages of the invention will become more evident in the light of the detailed description of a preferred, but not exclusive, embodiment of a reactor illustrated by way of non-limiting example, with the aid of the accompanying drawing tables in which:

la Fig.1 rappresenta una vista in prospettiva del reattore secondo l’invenzione; la Fig. 2 rappresenta viste frontale, anteriore e posteriore del reattore secondo l’invenzione; Fig.1 represents a perspective view of the reactor according to the invention; Fig. 2 represents front, front and rear views of the reactor according to the invention;

la Fig.3 rappresenta una sezione trasversale del reattore dell’invenzione; Fig.3 represents a cross section of the reactor of the invention;

la Fig.4 rappresenta il dettaglio del meato del reattore dell’invenzione; Fig.4 represents the detail of the meatus of the reactor of the invention;

la Fig. 5 rappresenta il dettaglio in sezione della parte anteriore del reattore dell’invenzione; Fig. 5 represents the sectional detail of the front part of the reactor of the invention;

la Fig. 6 rappresenta il dettaglio in sezione della parte posteriore del reattore dell’invenzione. Fig. 6 represents the sectional detail of the rear part of the reactor of the invention.

Descrizione in dettaglio di una forma di realizzazione preferita dell’invenzione Con riferimento alle figure 1 - 6 è rappresentato una prima forma di realizzazione del reattore secondo l’invenzione, indicato globalmente con il riferimento numerico 1. Il reattore, oggetto della presente invenzione, comprende due cilindri coassiali 2, 3, di cui il cilindro interno 2 rotante ed il cilindro esterno 3 fisso, costruiti entrambi in acciaio inossidabile. Detailed description of a preferred embodiment of the invention With reference to Figures 1 - 6, a first embodiment of the reactor according to the invention is shown, globally indicated with the numerical reference 1. The reactor, object of the present invention, comprises two coaxial cylinders 2, 3, of which the internal cylinder 2 is rotating and the external cylinder 3 is fixed, both made of stainless steel.

Il cilindro esterno 3 può assumere qualsiasi dimensione, dettata dalle esigenze di produzione. Vantaggiosamente, per minimizzare la miscelazione assiale favorendo tuttavia la micromiscelazione in ciascuna sezione trasversale, la condizione progettuale da rispettare è δ/Ri<0,1, dove δ è la dimensione del meato o gap 4 fra i due cilindri 2, 3, pari a δ=Re-Ri ,Reè il raggio interno del cilindro esterno ed Riè il raggio esterno del cilindro interno. In particolare, ottimi risultati di micromiscelazione in ciascuna sezione trasversale del reattore sono stati ottenuti con un rapporto δ/Ricompreso tra 0,002 e 0,08, preferibilmente pari a 0,05. The external cylinder 3 can assume any size, dictated by the production requirements. Advantageously, in order to minimize axial mixing while favoring micro-mixing in each cross section, the design condition to be respected is δ / Ri <0.1, where δ is the dimension of the meatus or gap 4 between the two cylinders 2, 3, equal to δ = Re-Ri, Re is the inner radius of the outer cylinder and Ri is the outer radius of the inner cylinder. In particular, excellent micromixing results in each cross section of the reactor were obtained with a δ / Included ratio between 0.002 and 0.08, preferably equal to 0.05.

L’estensione longitudinale del reattore può invece essere scelta in un range pari a 3-100 volte il diametro del cilindro interno. The longitudinal extension of the reactor can instead be chosen in a range of 3-100 times the diameter of the internal cylinder.

In una variante preferita, il cilindro esterno 3 ha un diametro esterno compreso tra 16 e 22 mm ed un diametro interno compreso tra 12 e 18 mm, mentre il cilindro interno 2 ha un diametro esterno compreso tra 11 e 17 mm. In a preferred variant, the external cylinder 3 has an external diameter comprised between 16 and 22 mm and an internal diameter comprised between 12 and 18 mm, while the internal cylinder 2 has an external diameter comprised between 11 and 17 mm.

I due reagenti sono inseriti nel reattore tramite una pluralità di connessioni di ingresso 5 in modo alternato, preferibilmente in numero di quattro. Le connessioni di ingresso 5 sono poste ad una predeterminata distanza da una prima estremità 10 del reattore, collegata all’albero 7 del motore 8. La disposizione a stella delle quattro connessioni di ingresso 5 è stata scelta per permettere ai reagenti di venire rapidamente in contatto, in modo da ottenere valori elevatissimi di soprassaturazione iniziale, necessari per ottenere elevate velocità di nucleazione. In una variante preferita (Fig. 1) questa disposizione a stella prevede quattro connessioni di ingresso 5, posizionate in modo da definire una X, con due prime connessioni di ingresso 5 tra loro allineate lungo un primo asse e due seconde connessioni di ingresso 5 tra loro allineate lungo un secondo asse, preferibilmente perpendicolare al primo asse. The two reactants are inserted into the reactor through a plurality of inlet connections 5 alternately, preferably four in number. The inlet connections 5 are placed at a predetermined distance from a first end 10 of the reactor, connected to the shaft 7 of the motor 8. The star arrangement of the four inlet connections 5 has been chosen to allow the reactants to come into contact quickly , in order to obtain very high values of initial supersaturation, necessary to obtain high nucleation rates. In a preferred variant (Fig. 1) this star arrangement provides four inlet connections 5, positioned so as to define an X, with two first inlet connections 5 aligned with each other along a first axis and two second inlet connections 5 between they are aligned along a second axis, preferably perpendicular to the first axis.

Le connessioni di uscita 9 sono previste a circa metà dell’estensione longitudinale del reattore e/o ad una seconda estremità 10’ del reattore, opposta alla prima. Nell’esempio di Fig. 1 le connessioni di uscita 9 sono in numero di due e tra loro allineate e contrapposte, sia a circa metà dell’estensione longitudinale del reattore che in corrispondenza della seconda estremità 10’ del reattore. The outlet connections 9 are provided at about half of the longitudinal extension of the reactor and / or at a second end 10 'of the reactor, opposite the first. In the example of Fig. 1 the output connections 9 are two in number and aligned and opposed to each other, both at about half of the longitudinal extension of the reactor and at the second 10 'end of the reactor.

Le connessioni d’ingresso 5 e di uscita 9 sono filettate e possono essere utilizzate avvitando ad esse rispettivi tubi , ad esempio in acciaio inox, detti tubi aventi ad esempio un diametro interno di 1 mm e lunghezza di 30 mm, oppure chiuse con dei bulloni 11 quando non adoperate. The inlet 5 and outlet 9 connections are threaded and can be used by screwing respective pipes to them, for example in stainless steel, said pipes having for example an internal diameter of 1 mm and a length of 30 mm, or closed with bolts 11 when not used.

Ad esempio, nelle Figure 2 e 3, sono previste solo due connessioni di ingresso 5 attive, tra loro allineate e contrapposte, mentre le altre due connessioni 5 sono chiuse dai bulloni 11; ed è prevista una sola connessione di uscita 9 attiva in corrispondenza della seconda estremità 10’ del reattore. For example, in Figures 2 and 3, only two active inlet connections 5 are provided, aligned and opposed to each other, while the other two connections 5 are closed by the bolts 11; and there is only one output connection 9 active at the second end 10 'of the reactor.

Le posizioni delle connessioni di uscita 9 possono essere previste ovunque lungo l’asse longitudinale del reattore, per cui il prelievo delle microparticelle o nanoparticelle in uscita dal reattore e/o ulteriori immissioni di reagenti, diluenti, co/anti-solventi, antiaggreganti etc, possono essere effettuati a distanza regolabile rispetto alle connessioni di ingresso 5, poste invece in prossimità della prima estremità 10 del reattore. Le connessioni di uscita 9 possono essere previste sulla superficie laterale del cilindro 3 e/o su una superficie di base dello stesso cilindro 3. The positions of the outlet connections 9 can be provided anywhere along the longitudinal axis of the reactor, whereby the withdrawal of the microparticles or nanoparticles exiting the reactor and / or further inputs of reagents, diluents, co / anti-solvents, antiplatelet agents etc, they can be carried out at an adjustable distance with respect to the inlet connections 5, placed instead in proximity to the first end 10 of the reactor. The outlet connections 9 can be provided on the lateral surface of the cylinder 3 and / or on a base surface of the cylinder 3 itself.

Il reattore è chiuso sia anteriormente che posteriormente tramite mezzi di chiusura, ad esempio viti. A titolo di esempio, la Fig.5 mostra il dettaglio della vite anteriore 12 che è forata per permettere la fuoriuscita di una protuberanza 2’ del cilindro interno 2. La Fig. 6 mostra, invece, il dettaglio della vite posteriore 13. Si può anche notare che ai due estremi del reattore 1 sono alloggiati due cuscinetti a sfera 14 che hanno la funzione di ridurre l’attrito tra i due cilindri e mantenerli ben allineati. The reactor is closed both at the front and at the rear by means of closing means, for example screws. As an example, Fig. 5 shows the detail of the front screw 12 which is perforated to allow a protuberance 2 'of the internal cylinder 2 to come out. Fig. 6 shows, instead, the detail of the rear screw 13. It is possible to also note that at the two ends of the reactor 1 there are two ball bearings 14 which have the function of reducing the friction between the two cylinders and keeping them well aligned.

Il cilindro interno 2, mediante la protuberanza 2’, è collegato all’albero 7 di un motore elettrico 8 tramite un giunto 15, ad esempio un giunto a soffietto, rappresentato nella figura 2, che permette di tollerare piccoli disallineamenti tra l’asse del cilindro interno e l’asse dell’albero del motore elettrico. Il motore elettrico 8 viene controllato tramite un appropriato controllore digitale, che consente di variare la velocità di rotazione dell’albero motore 7, e quindi del cilindro interno 2, con elevata precisione al fine di ottenere un fine controllo delle dimensioni finali delle particelle prodotte. The internal cylinder 2, by means of the protuberance 2 ', is connected to the shaft 7 of an electric motor 8 by means of a joint 15, for example a bellows joint, shown in Figure 2, which allows to tolerate small misalignments between the axis of the inner cylinder and shaft axis of the electric motor. The electric motor 8 is controlled by an appropriate digital controller, which allows you to vary the rotation speed of the drive shaft 7, and therefore of the internal cylinder 2, with high precision in order to obtain a fine control of the final dimensions of the particles produced.

La precipitazione di particelle di dimensioni nanometriche all’interno del reattore di precipitazione dell’invenzione avviene approssimandosi il più possibile a un flusso a pistone (“plug flow”). Il reattore deve operare con portate di reagenti elevate, al fine di ridurre i tempi di permanenza delle particelle all’interno del reattore, ed elevate velocità di rotazione del cilindro interno, al fine di incrementare il grado di miscelazione azimutale e radiale. Tali condizioni operative consentono di ottenere elevati valori di soprassaturazione locale, tali da favorire i processi di nucleazione rispetto ai fenomeni di accrescimento e ottenere quindi particelle di dimensioni particolarmente modeste. The precipitation of nanometer-sized particles inside the precipitation reactor of the invention occurs by approximating as much as possible to a piston flow ("plug flow"). The reactor must operate with high reagent flow rates, in order to reduce the residence times of the particles inside the reactor, and high rotation speeds of the internal cylinder, in order to increase the degree of azimuth and radial mixing. These operating conditions allow to obtain high local supersaturation values, such as to favor nucleation processes with respect to growth phenomena and therefore to obtain particles of particularly modest size.

Il processo di precipitazione di microparticelle o nanoparticelle, oggetto della presente invenzione, mediante l’utilizzo del reattore appena descritto, comprende vantaggiosamente i seguenti stadi: The process of precipitation of microparticles or nanoparticles, object of the present invention, by using the reactor just described, advantageously includes the following stages:

a) avvio del motore elettrico 8; a) starting the electric motor 8;

b) raggiungimento di una predeterminata velocità di rotazione del cilindro interno 2 dell’ordine della decina di migliaia di rpm, mediante un opportuno controllore digitale che regola la velocità di rotazione dell’albero 7 del motore elettrico 8; c) immissione di soluzioni contenenti i reagenti, attraverso le connessioni di ingresso 5, con portate nell’ordine delle migliaia di ml/h. A tale scopo possono adoperarsi pompe, quali pompe ad infusione ad alta precisione; b) reaching a predetermined speed of rotation of the internal cylinder 2 of the order of tens of thousands of rpm, by means of an appropriate digital controller that adjusts the rotation speed of the shaft 7 of the electric motor 8; c) introduction of solutions containing the reagents, through the inlet connections 5, with flow rates in the order of thousands of ml / h. Pumps, such as high-precision infusion pumps, can be used for this purpose;

d) attesa di un tempo sufficiente affinché si abbia la certezza che il sistema abbia raggiunto lo stato stazionario (preferibilmente un tempo pari a cinque volte il tempo di permanenza della soluzione all’interno del reattore, calcolabile come il rapporto tra il volume del reattore e la portata volumetrica della soluzione); d) waiting for a sufficient time to be sure that the system has reached the steady state (preferably a time equal to five times the residence time of the solution inside the reactor, which can be calculated as the ratio between the reactor volume and the volumetric flow rate of the solution);

e) raccolta del prodotto ottenuto attraverso la o le connessioni di uscita 9. e) collection of the product obtained through the outlet connection (s) 9.

Può essere vantaggiosamente prevista l’immissione di una portata ausiliaria di un diluente attraverso almeno una ulteriore connessione di uscita 9 prevista lungo l’estensione longitudinale del reattore, tra la sua prima estremità 10 e la sua seconda estremità 10’, preferibilmente in corrispondenza di una zona centrale del reattore, in modo da “congelare” la distribuzione di particelle ottenuta in detta zona o sezione del reattore. An auxiliary flow rate of a diluent can be advantageously provided through at least one further outlet connection 9 provided along the longitudinal extension of the reactor, between its first end 10 and its second end 10 ', preferably at a central zone of the reactor, so as to "freeze" the distribution of particles obtained in said zone or section of the reactor.

Claims

CLAIMS 1. Precipitation reactor for the precipitation of micro or nanoparticles comprising - a first rotating cylinder (2); - a second fixed cylinder (3), coaxial and external to said first cylinder (2); - a meatus (4) of constant section defined by said first cylinder (2) and second cylinder (3); - at least two inlet sections (5), provided on the lateral surface of the second cylinder (3) and opposite each other, for the introduction into said meatus (4) of solutions containing reagents for a precipitation reaction; - at least one outlet section (9) for the removal of the precipitated micro or nanoparticles; in which the meatus (4) is such as to satisfy the following relationship δ / Ri <0.1, where δ is the width of said meatus (4) and Ri is the external radius of said first cylinder (2).

2. Reactor according to claim 1, wherein the value of δ / Ri is comprised between 0.002 and 0.08.

3. Reactor according to claim 1 or 2, in which at least four inlet sections (5) are provided, two by two opposite each other.

4. Reactor according to claim 3, in which “n” inlet sections (5) are provided, where “n” is an equal number greater than four, two by two opposite each other.

5. Reactor according to any one of the preceding claims, wherein said inlet sections (5) are provided in proximity to a first end (10) of the reactor.

6. Reactor according to claim 5, wherein said at least one outlet section (9) is provided in proximity to a second end (10 ') of the reactor.

7. Reactor according to claim 6, wherein at least one further outlet section (9) is provided along the longitudinal extension of the reactor, between said first end (10) and said second end (10 '), also suitable for an inlet an auxiliary flow rate of diluent.

8. Reactor according to claim 7, in which at least one further outlet section (9) is provided at a central area along the longitudinal extension of the reactor.

Reactor according to any one of the preceding claims, wherein the first rotating cylinder (2) is connected to an electric motor (8) by means of a joint (15).

10. Reactor according to claim 9, wherein said electric motor (8) is controlled by a digital controller to vary the speed of rotation of the first cylinder (2).