Homogeiiiskr- und- Dispergiergerät
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Homo genisier-und Dispergiergerät zur Verarbeitung von Gemischen, welche mindestens eine flüssige Phase enthalten.
Es sind Apparate bekannt, mit denen Gemische, welche mindestens eine flüssige Phase aufweisen, homogenisiert oder dispergiert werden können. Diese Apparate weisen jedoch verschiedene Nachteile auf.
Bei den herkömmlichen Apparaten ist zur Erreichung der erforderlichen Homogenität von Dispersionen eine relativ grosse Zeit erforderlich, während zur Herstellung von Emulsionen relativ grosse Mengen an Emulgierungsmiltteln benötigt werden. Ferner besteht bei den bekannten Apparaten der Nachteil, dass oft Luft in das zu verarbeitende Produkt eingesaugt wird, was in gewissen Fällen, insbesondere in der pharmazeutischen Industrie, unerwünscht ist. Weitere Nachteile der bestehenden Apparate bestehen darin, dass sie starke Vibrationen erzeugen und dadurch die Verwendung emaillierter Behälter und gläserner Gefässe für das Produkt verunmöglichen, dass sie umständlich zu reinigen sind und einer besonderen Wartung (Schmierung usw.) bedürfen.
Die vorliegende Erfindung hat zum Zweck, ein Homogenisier und Dispergiergerät zu schaffen, das von den oben erwähnten Nach;teilen frei ist.
Das erfindungsgemässe Homogenisier- und Di spergiergerät ist dadurch gekennzeichnet, dass es in einem vertikalen Rohrstutzen in Abstand vom oberen Rand mindestens je eine nicht drehbare Statorplatte mit einer Vielzahl von Durchlassöffnungen und unmittelbar darunter je ein drehendes Werkzeug mit Pump- und Scherwirkung aufweist und in Abstand über dem oberen Rand oder am oberen Ende des Rohrstutzens eine quer zur Achse des Rohrstutzens gelegene Prallplatte vorgesehen ist.
Im folgenden sind spezielle Ausführungsformen des erfindungsgemässen Geräts beschrieben.
In der Zeichnung stellen dar:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines er findungsgemässen Geräts,
Fig. 2 bis 5 acht verschiedene Ausführungsformen eines Bestandteils (Statorplatte) des Geräts in Draufsicht,
Fig. 6 bis 11 acht verschiedene Ausführungsformen eines anderen Bestandteils (drehendes Werkzeug) des Geräts, wobei die Fig. 6 und 7 Draufsichten, die Fig. 8 bis 10 Seitenansichten und d die Fig. 11 eine teilweise im Schnitt gezeichnete Seitenansicht sind,
Fig. 12 bis 18 je sieben verschiedene Ausführungsformen eines dritten Bestandteils (Prallplatte) des Geräts im Schnitt,
Fig. 19 und 20 zwei verschiedene Ausführungsformen eines vierten Bestandteils (Rohrstutzen) des Geräts im Schnitt,
Fig.
21 eine Teilansicht einer speziellen Aus führungsform des Geräts, teilweise im Schnitt.
In Fig. 1 ist eine spezielle Ausführungsform des erfindungsgemässen Geräts mit einer besonderen Haltevorrichtung dargestellt.
An einem Stativ mit Stativfuss 1 und Stativstange 2 ist verstellbar ein Gehäuse 3 befestigt, das in seinem Inneren einen Elektromotor (nicht eingezeichnet) zum Antrieb des Geräts enthält. Im unteren Teil 3a des Gehäuses sind vier vertikale Haltestangen 4 befestigt.
Die Haltestangen 4 halten an ihrem unteren Ende eine Statorplatte 5 (im Schnitt schematisch) in Position, die ihrerseits einen Rohrstutzen 6 (im Schnitt) trägt. Parallel zu den Haltestangen 4 verläuft eine Antriebswelle 7, die durch die Statorplatte 5 hindurchgeführt ist, und an deren unterem Ende ein drehendes Werkzeug 8 (schematisch) mittels einer Mutter 15 gesichert ist. Das drehende Werkzeug 8 ist unmittelbar unter der Statorplatte 5 angeordnet und wird vom Elektromotor über die Antriebswelle 7 angetrieben. Oberhalb des Rohrstutzens 6 ist eine Prallplatte 9 angeordnet, welche Öffnungen (nicht dargestellt) besitzt, durch welche Haitestangen 4 und Antriebswelle 7 hindurchgeführt sind. Die Prallplatte 9 ist mittels eines Stabes 10 und einer Stellschraube
11 höhenverstellbar am unteren Teil 3a des Gehäuses 3 befestigt.
Die Statorplatte 5 ist mit Öffnungen oder Löchern versehen, die verschieden geformt und angeordnet sein können. In den Fig. 2 bis 5 sind verschiedene Ausführungsformen der Löcher in der Statorplatte dargestellt. Jede dieser Ausführungsformen besitzt 4 am Rande angeordnete Befestigungsöffnungen 12 zur Aufnahme der Enden der Haltestangen 4 und eine mittlere Öffnung 13 zur Durchführung der Antriebswelle 7. Jede der Fig. 2 bis 5 stellt zwei verschiedene Ausführungsformen der Statorplatte dar. Der untere Teil von Fig. 4 zeigt eine als Sieb ausgebildete Statorplatte. Der Rest dieser Figuren erklärt sich selbst und bedarf keiner weiteren Erläuterung.
Das drehende Werkzeug 8 ist so ausgebildet, dass es zugleich eine Pump- oder Saugwirkung von unten nach oben und eine Scherwirkung auf das zu behandelnde Gemisch ausüben kann. In den Fig. 6 bis
11 sind verschiedene Ausführungsformen des drehenden Werkzeugs dargestellt. Die Fig. 6 und 7 stellen insgesamt vier verschiedene Ausführungsformen des drehen den Werkzeugs in Draufsicht dar. Diese Werkzeuge bestehen aus in verschiedenen Formen gestanzten Platten. Die Platten weisen in der Mitte eine Öffnung 14 auf, mittels welcher die Platte auf die Antriebswelle 7 aufgeschoben werden kann. Die im wesentlichen radial verlaufenden Kanten der Platte, die beim Drehen des Werkzeugs (Pfeilrichtung) zu Vorderkanten 16 werden, sind in Drehrichtung von oben nach unten abgeschrägt.
Dadurch kann das drehende Werkzeug 8 in dieser Ausführungsform nicht nur eine Scher- und Schneide-, sondern auch eine Saugwirkung von unten nach oben auf das zu Ibe- handelnde Gemisch ausüben. Die in Fig. 8 dargestellte Ausführungsform des drehenden Werkzeugs weist eine Anzahl radial nach aussen stehender, vertikaler Flügel 17 auf, welche mit einem gemeinsamen zentralen Ring 18 fest verbunden sind. Dieser Ring 18 besitzt ein zentrales Loch und ist auf einen am unteren Ende der Antriebswelle 7 angebrachten Ge windebolzen 19 aufgeschoben und mittels einer Mutter 15 daran befestigt. Die Flügel 17 sind an ihrer Oberkante 20 entgegengesetzt zur Drehrichtung (Pfeil) umgebogen. Das Werkzeug von Fig. 8 besitzt auf Grund seiner Konstruktion im Betrieb eine starke Scherwirkung verbunden mit einer relativ schwachen Saugwirkung.
In Fig. 9 ist ein drehendes Werkzeug von der Seite dargestellt, das dem im oberen Teil von Fig. 6 gezeichneten ähnlich ist. Es besteht aus einem auf die Antriebswelle 7 aufgeschraubten Ring 21, an dem aussen eine Anzahl radialer rechteckförmiger Zähne 22 angebracht sind. Die Zähne 22 sind an ihrer beim Drehen (Pfeil) vorderen Kante 23 in Dreh richtung (Pfeil) von oben nach unten schräg angeschliffen. Das drehende Werkzeug von Fig. 10 besteht aus einer mit radialen, schräg gestellten Flügeln 24 bewehrten Hülse 25, welche auf die Antriebswelle 7 aufgeschraubt ist. Die Flügel 24 verlaufen in Drehrichtung (Pfeil) schräg von oben nach unten. Das drehende Werkzeug von Fig. 11 besteht aus einer an der Antriebswelle 7 festgeschraubten Platte 26, welche auf ihrer Unterseite über eine Anzahl Flügel 27 mit einer zweiten, parallelen Platte 28 fest verbunden ist.
Die Flügel 27 sind nahe der Peripherie der Platten 26, 28 angebracht und sind radial und schräg nach unten gestellt. Die Flügel 27 sind in Drehrichtung schräg von oben nach unten orientiert. Die erste Platte 26 weist zwischen Zentrum und Peripherie mehrere Öffnungen 29 und die zweite Platte 28 eine zentrale Öffnung 30 zum Durchtritt des zu behandelnden Gemisches auf.
In den Fig. 12 bis 18 sind verschiedene Ausführungen der Prallplatte 9 von Fig. 1 dargestellt. Bei allen Ausführungsformen sind Löcher 31 zur Durchführung der Haltestangen und der Antriebswelle vorhanden. Sämtliche Prallplatten sind, von den Löchern abgesehen, rotationssymmetrisch. Die Querschnittsformen der verschiedenen Ausführungen gehen aus den Figuren henor und bedürfen keiner weiteren Erläuterung. Die untere Oberfläche der Prallplatte kann glatt oder gerillt und gezahnt oder mit Karborundumpulver beklebt sein.
In Fig. 19 ist eine alternative Form des Rohrstutzens 6 von Fig. 1 im Querschnitt dargestellt.
Dieser Rohrstutzen weist unten eine konische Erweiterung 32 auf, während er in seinem oberen Teil 33 zylindrisch ist. Unmittelbar oberhalb der tXbergangs- stelle von der konischen zur zylindrischen Partie kommt die Statorplatte 5 zu liegen.
Fig. 20 stellt Rohrstutzen und Prallplatte einer Variante des erfindungsgemässen Geräts mit gedrängter Bauweise dar. Der Rohrstutzen hat dieselbe Form wie in Fig. 19, ausser dass er auch im oberen Teil 34, das heisst unmittelbar oberhalb der Statorplatte 5, konisch erweitert ist. An seinem oberen Ende ist der Rohrstutzen direkt mit der Prallplatte 35 fest verbunden. Rohrstutzen und Prallplatte 35 bilden somit in dieser Ausführungsform eine Art Gehäuse. Die Prallplatte 35 weist oben Öffnungen 36 zur Durchführung der Haltestäbe und der Antriebswelle auf. In ihrem oberen konisch erweiterten Teil besitzt der Rohrstutzen Auslassöffnungen 37 für das behandelte Gemisch.
In Fig. 21 ist eine weitere Ausführungsform der im Inneren des Rohrstutzens 6 angeordneten Teile des Geräts dargestellt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 1 skizzierten dadurch, dass sie ausser einer Statorplatte 5 und einem ersten drehenden Werkzeug 8a ein zweites drehendes Werkzeug 8b und eine mit Löchern versehene Eintrittsplatte 38 besitzt. Die Eintrittsplatte ist am unteren Ende des Rohrstutzens 6 befestigt und schliesst diesen nach unten ab. Das zweite drehende Werkzeug 8b ist an der verlängerten Antriebswelle 7, auf welche das erste drehende Werkzeug 8a aufgekeilt ist, mittels einer Mutter 39 befestigt. Das zweite drehende Werkzeug 8b liegt unmittelbar oberhalb der Eintrittsplatte 38.
Die beiden drehenden Werkzeuge 8a und 8b sind so beschaffen, dass sie beide im Betrieb (Drehung in Pfeilrichtung) eine Saugwirkung nach oben auf das zu behandelnde Gemisch ausüben. Dafür ist bei dem Beispiel von Fig. 21 durch das Umbiegen der oberen (Werkzeug 8a) bzw. der unteren (Werkzeug 8b) Flügelkanten 40 gesorgt.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Homo genisier-und Dispergiergeräte sei anhand des Ausführungsbeispiels von Fig. 1 erläutert. Die Statorplatte habe die im oberen Teil von Fig. 2 gezeigte Gestalt, und das drehende Werkzeug sei in der Form von Fig. 9 ausgeführt.
Die Haitestangen 4 werden so weit in das zu behandelnde Gemisch 41, das in dem Gefäss 42 enthalten ist, eingetaucht, dass der Rohrstutzen 6 ganz allseitig von dem Gemisch umgeben ist, und dass die Prallplatte 9 durch vertikales Verschieben des Stabes
10 noch bequem unte, rhalb die Oberfläche 43 des Gemisches 41 gebracht werden kann. Ist dies geschehen, so lässt man den Elektromotor laufen und versetzt das drehende Werkzeug in rasche Rotation. Die Tourenzahl liegt zwischen 3000 und 10 000 Ujmin. Durch die abgeschrägten Kanten 23 der radialen Zähne 22 des drehenden Werkzeugs (8, Fig. 1, Fig. 9) wird ein Teil des im Rohrstutzen 6 befindlichen Gemisches 41 erfasst und in eine spiralförmige, nach oben gerichtete Bewegung versetzt.
An den Rändern der Löcher 12a der Statorplatte (5, Fig. 1, Fig. 2 oberer Teil) wird die horizontale Komponente dieser Geschwindigkeit vernichtet und das Gemisch 41 strömt vertikal durch die Löcher 12a der Statorplatte hindurch nach oben (vergleiche Pfeile in Fig. 1). An der Prallplatte 9 wird die vertikal nach oben gerichtete Strömung des Ge misches 41 radial nach aussen und unten abgelenkt.
Durch die Saugwirkung am unteren Ende des Rohr stutzens 6 strömt das an der Prallplatte 9 abgelenkte Gemisch 41 entlang dem äusseren Rand des Gefässes
42 wieder nach unten und tritt am unteren Ende des Rohrstutzens 6 wieder in diesen ein. Es bildet sich somit ein rascher Kreislauf des zu behandelnden Ge mischs aus (vergleiche Pfeile in Fig. 1), welcher eine gleichmässige Behandlung aller Teile des Gemischs gewährleistet. Die eigentliche Dispergierung bzw.
Homogenisierung des Gemisches 41 kommt durch die am unteren Rand der abgeschrägten Kanten 23 des drehenden Werkzeugs 8 auftretende Scherwirkung, durch die zwischen der Oberseite des drehenden
Werkzeugs 8 und der Unterseite der Statorplatte 5 auftretende Quetschwirkung, durch die an der unteren
Kante der Öffnungen 1 2a der Statorplatte 5 auf tretende zweite Scherwirkung, im Verein mit der an der Prallplatte 9 auftretenden Prallwirkung zustande.
Die an der Prallplatte auftretende Wirkung kann noch dadurch modifiziert werden, dass man die Unterseite der Prallplatte mit Rillen und Zähnen oder mit einem Überzug von Karborundumpuiver versieht.
Es ist ohne weiteres ersichtlich, dass die vorstehend beschriebene Ausführungsform des erfindungsgemässen Geräts die Zwecke der Erfindung erfüllt bzw. von Iden erwähnten Nachteilen der vorbekannten Geräte frei ist. Durch die hohe Tourenzahl des drehenden Werkzeuges und durch die im ganzen Gemisch entstehende Zirkulation wird bei Dispersionen rasch die erforderliche Homogenität erreicht.
Die Kombination der verschiedenen Scher-, Quetschund Prallwirkungen ergibt einen grossen Zerteilungs- und Durchmischungsgrad der einzelnen Komponenten von zu emulgierenden Flüssigkeitsgemischen, wodurch kleinere Mengen an Emulgierungsmitteln erforderlich sind. Zudem kann das Gerät ohne weiteres zum Arbeiten in Vakuumgefässen eingerichtet werden. Da die wirkenden Elemente des Geräts auf engem Raum zusammengedrängt werden können (vergleiche auch Fig. 20), kann man relativ kleine Substanzmengen damit behandeln (z. B. Mengen bis zu 50 cm herab).
Das Gerät ist praktisch vibrationsfrei und ermöglicht deshalb die Verwendung gläserner und emaillierter Gefässe. Das Gerät lässt sich nach dem Gebrauch sehr einfach dadurch reinigen, dass man es einige Sekunden lang in einer Reinigungsflüssigkeit (warmes Wasser, Seifenlösung usw.) laufen lässt. Das Gerät besitzt absolut keine Schmier- und Wartungsteile. Das Gerät besitzt ferner den Vorteil, dass es nur wenig Platz und keine kostspielige Installation verlangt. Kleinere Ausführungsformen des Geräts können nach Gebrauch versorgt werden. Das Gerät ist zudem nicht an einen besonderen Behälter gebunden, sondern kann in irgendwelchen Gefässen, z. B. auch in Fässern, verwendet werden. Es sei jedoch erwähnt, dass die Form des verwendeten Behälters die Wirksamkeit des Geräts beeinflusst.
Im allgemeinen sind enge, zylindrische oder konische Gefässe vorzuziehen (günstige Strömungsverhältnisse).
Es versteht sich, dass mannigfache Abwandlungen der in den Figuren dargestellten Ausführungsformen möglich sind. So können beispielsweise anstelle einer einzigen Statorplatte mit drehendem Werkzeug, deren mehrere vorhanden sein, welche mit je einem drehenden Werkzeug zusammenwirken. Alle diese drehenden Werkzeuge sind dann auf der Antriebswelle aufgekeilt bzw. festgeschraubt.
Die Statorplatten und drehenden Werkzeuge können auswechselbar montiert sein, so dass man für jeden Verwendungszweck eine geeignete Kombination dieser Elemente in das Gerät einsetzen kann.
Ferner kann die Aufstellung des Geräts auf ver schiedene Weise erfolgen. So kann das Gerät bei spielsweise mit Traversen versehen sein, mittels deren man es auf dem Rand von Bottichen abstellen kann.
Schwerere Ausführungsformen können mit einer fest im Boden verankerten Stütze versehen sein! Natürlich kann das Gerät auch mit einem entsprechenden Gefäss zusammen zu einer kompakten Anlage ausgebaut wer den.