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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und auf ein
mittels dieser Vorrichtungen ausführbares Verfahren zur Herstellung
von Eisperlen aus einem wässrigen
Gemisch, insbesondere von wirkstoffhaltigen Eisperlen, und auf die
Eisperlen selbst.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung sind einerseits Substanzen, die als Wirkstoffe
wie beispielsweise Insektizide oder Herbizide, die in größere Bereiche
der Umwelt ausgebracht werden sollen und die zur idealen Verteilung
aus der Luft auf den Erdboden oder Wasserflächen aufgetragen werden. Damit
die Wirkstoffe auf geeignete Weise verteilt werden können und
von der Luft aus gezielt am Zielort ausgebracht werden können, ist
es bekannt, den Wirkstoff auf ein Trägermedium auszubringen, der
entsprechend verteilbar ist. Die Erzeugung von Eisperlen aus dem
Trägermedium
mit dem Wirkstoff hat sich zum Erreichen dieses Zwecks als geeignet
erwiesen.
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Die
bisherige Herstellung von Eisperlen findet unter Verwendung von
Flüssigstickstoff
statt, was eine kostenintensive Herstellungsmethode ist, da große Anteile
des eingesetzten Flüssigstickstoffs
schon alleine wegen des erheblichen Temperaturgefälles zur
Umgebungstemperatur und insbesondere während der Ausführung des
Verfahrens aufgrund der durch die Eintragung der zu gefrierenden
Flüssigkeit
auftretenden Temperaturerhöhung
entweichen und daher große
Mengen an Flüssigstickstoff
zur Verfahrensführung
erforderlich sind. Die Genese des Stickstoffs bedarf erheblicher
Energiemengen, so dass der eigentlich errechenbare Energiebedarf
zum Gefrieren einer Trägermedium-Wirkstoffmischung,
die vielfach eine Wasser-Wirkstoffmischung sein kann, erheblich
vom tatsächlichen
Energiebedarf überschritten
wird.
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Die
Verwendung von Flüssigstickstoff
führt ferner
zum sehr raschen Ausfrieren des Eises und daher zur Konglomeratbildung
der Eiskügelchen
oder zum Auftreten von nicht perfekten, beispielsweise hohlen oder auf
andere Weise nicht ideal geformten Partikeln, sowie zu einer unbefriedigenden
Korngrößenverteilung
die entsprechend das homogene Ausbringen der Eispartikel erschwert.
Eine Verbesserung der Eisqualität
unter Verwendung der bekannten Verfahren mit dem Gefriermittel Stickstoff
könnte
durch eine drastische Reduktion der Ausstoßrate bei gleicher Stickstoffzufuhr
der Anlage erreicht werden, was insbesondere unter Berücksichtigung
der damit verbundenen Kostensteigerung und wegen der unbefriedigenden
Produktionsrate ungünstig ist.
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Ferner
birgt der Umgang mit Flüssigstickstoff
gewisse Gefahren und erfordert daher die Anwendung komplexer Sicherheitsmaßnahmen,
den Einsatz entsprechend geschulten Personals und die Erstellung
verfahrenstechnisch komplexer Vorrichtungen.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik wäre
es wünschenswert,
eine einfach und sicher handzuhabende Vorrichtung für die Erzeugung
von Eisperlen zu schaffen, die geeignet ist, ein unkompliziert durchzuführendes
und aus sicherheitstechnischen Aspekten geeignetes Verfahren bereitzustellen,
wobei es wieder wünschenswert
ist, Eisperlen für
unterschiedliche Anwendungszwecke fertigen zu können.
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Diese
Aufgabe wird mit einer Vorrichtung zur Herstellung wirkstoffhaltiger
Eisperlen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und weiter mit einem
entsprechenden Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst. Ferner
wird ein Eisperlenprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 25 offenbart.
Weiterbildungen der Vorrichtung, des Verfahrens und des Eisperlenprodukts
sind in den Unteransprüchen
ausgeführt.
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Eine
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Herstellung der Eisperlen aus einem wässrigen Gemisch umfasst eine
Vorrichtung mit einer Kühlvorrichtung,
die geeignet ist, eine hydrophobe Flüssigkeit auf eine Temperatur
herunterzukühlen,
die das Gefrieren des einzutragenden Gutes in der gewünschten
Zeit und in einem gewünschten
Grad ermöglicht,
sowie ein Aufnahmegefäß für die gekühlte hydrophobe
Flüssigkeit,
sowie eine an dem Aufnahmegefäß angeordnete
Pipettiervorrichtung. Diese Pipettiervorrichtung besteht im Wesentlichen
aus einem Gefäß für das wässrige Gemisch,
das zu Perlen gefroren werden soll; sie hat dazu in einer Seitenwand
oder im Boden Auslassröhrchen, über die
das wässrige
Gemisch in die hydrophobe Flüssigkeit
getropft wird: das Eintropfen wird erreicht, indem die Pipettiervorrichtung
so weit in das Aufnahmegefäß hineinragend
angeordnet ist – etwa
mittels einer Halterung – dass
die Enden der Auslassröhrchen
im Bereich von 10 cm oberhalb einer Oberfläche der hydrophoben Flüssigkeit
enden oder bis zu 0,5 cm tief in diese eintauchen. Dabei ist die
Vorrichtung so beschaffen oder weist eine zusätzliche Vorrichtung auf, dass
entweder die hydrophobe Flüssigkeit
fließt
und dabei herabtropfende Tröpfchen
mitnimmt, oder dass die Pipettiervorrichtung in Bezug auf den Behälter oder
umgekehrt der Behälter
mit der hydrophoben Flüssigkeit unter
der Pipettiervorrichtung bewegt wird, so dass die Tröpfchen von
dem Ende des Auslassröhrchens
abreißen und in das ruhende kalte Fluid fallen. Dabei
wird eine ideale Tröpfchenform
erhalten, wenn die tropfende Flüssigkeit,
die also wenigstens auf Grund des hydrostatischen Druckes aus den
Auslassröhrchen
getrieben wird, in die tiefkalte hydrophobe Flüssigkeit fällt, wodurch ideal geformte
Eisperlen gleichmäßig durchgefroren erhalten
werden, wenn sie eine vorgegebene Fließ- oder Sinkstrecke in der
hydrophoben Flüssigkeit
zurückgelegt
haben. Damit wird vorteilhaft ein einerseits ideal aus der Luft
verteilbares Produkt, etwa ein insektizidhaltiges Produkt geschaffen,
andererseits können
auf einfachste Weise gesunde Lebensmittelwirkstoffe in ein sympathisch
geformtes, gut portionierbares und lustig aussehendes Kindereis
eingebracht werden.
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Es
kann dabei genügen,
dass die hydrophobe Flüssigkeit
zum Ausfrieren wässeriger
Mischungen eine Temperatur von wenig unter 0°C hat, vorteilhaft können zum
Erreichen einer verbesserten Produktionsrate niedrigere Temperatur
des hydrophoben Mediums gewählt
werden.
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Die
Pipettiervorrichtung kann aus einem Guss, etwa aus Metall oder Kunststoff,
beschaffen sein, es ist auch möglich,
beliebige geeignete Gefäße mit einer
Vielzahl von Durchtrittsöffnungen
zu versehen und Kanülen
einzupassen.
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Das
Produkt, das sich ideal zum Ausbringen von Wirkstoffen aus der Luft
eignet, kann in einer großen Masse
fest gefrorener, formstabiler Eiskugeln in entsprechend isolierte
Behälter
aufgenommen und mittels entsprechender Streuvorrichtungen aus der
Luft verteilt werden.
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Abhängig von
der Beschaffenheit der hydrophoben Flüssigkeit hinsichtlich ihrer
Viskosität
in dem entsprechenden Temperatur bereich, kann es sich beispielsweise
um eine Erdölfraktion
wie Kerosin und Petroleum handeln, oder um ein pflanzliches Öl, das aus
toxikologischer Sicht unbedenklich auch zum Ausbringen in landwirtschaftlichen
oder fischwirtschaftlichen Bereichen geeignet ist, wie Leindotteröl, Leinöl oder Rapsöl. Alle Öle können im
Gemisch verwendet werden, wobei Rapsöl nur im Gemisch mit anderen Ölen, wie
etwa den vorgenannten, geeignet angewendet werden kann.
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Das
entscheidende Kriterium bei der Auswahl der hydrophoben Flüssigkeit
ist, dass diese eine ausreichend tiefe Temperatur einnehmen kann,
um ein wässriges
Wirkstoffgemisch kontinuierlich durchzufrieren, ohne durch zu tiefe
Temperaturen eine Viskosität
einzunehmen, die die Ausbildung der Kugelform der eingebrachten
zu gefrierenden Flüssigkeit
verhindert, oder die bewirkt, dass der Gefriervorgang schon vor
der Ausbildung der Kugelform so weit fortschreitet, dass unförmiges Eis
entsteht.
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Als
zu Eisperlen zu gefrierende Flüssigkeit
eignet sich vorliegend ein in Wasser gelöster, emulgierter oder in Form
von im Wasser als Schwebepartikel vorliegender Wirkstoff, der als
Insektizid, Herbizid, Fungizid, Dünge-, Boden- und/oder Wasserverbesserungsmittel
wirkt. Bekannte Insektizide die hierfür in Frage kommen, sind BTI
oder BS-Endotoxin.
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Falls
ein Lebensmittel geschaffen werden soll, kann ein Fruchtsaft ausgefroren
werden, der, wenn die hydrophobe Flüssigkeit ein wertvolles Pflanzenöl ist, durch
kaum schmeckbare gesunde Ölpartikel
umhüllt wird
und gerade in Form von Kindereis einen wertvollen Ernährungsbeitrag
leisten kann.
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Die
Kühlvorrichtung
kann mit dem Aufnahmegefäß für das Wirkstoffge misch
mittels einer Pumpe verbunden sein. Das Gefäß, in dem die hydrophobe Flüssigkeit
enthalten ist, weist einen Aufnahmeabschnitt auf, über den
es befüllt
wird und entsprechend einen Auslassabschnitt, in dem eine Entnahmevorrichtung
vorgesehen ist, die vorteilhaft dazu dient, die hydrophobe Flüssigkeit
und Eisperlen abzulassen. Dabei ist es möglich, auf einfache Weise eine
Auslassöffnung
vorzusehen, so dass das Produkt mit der hydrophoben Flüssigkeit
abfließt,
es ist jedoch auch möglich,
die entstandenen Eisperlen mit einer entsprechenden Absaugpumpe abzusaugen
oder sie mit einem Schöpfer
abzuschöpfen.
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Um
die Eisperlen von der hydrophoben Flüssigkeit zu trennen, kann eine
einfache mechanische Trennvorrichtung, wie ein Sieb oder eine Zentrifuge
oder eine Kombination beider Techniken vorgesehen werden, wobei
die überschüssige hydrophobe
Flüssigkeit
vorteilhaft zurückgewonnen
und nach entsprechender Kühlung
erneut in die Vorrichtung überführt werden
kann. Damit gestalten sich mit der vorliegend beschriebenen Vorrichtung
verwendbare Verfahren aus ökonomischer
Sicht sehr günstig,
da wenig Verlust an Kühlflüssigkeit
auftritt.
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Wie
vorstehend beschrieben, soll sich die hydrophobe Flüssigkeit
gegenüber
den verharrenden Auslassröhrchen
oder Kanülenspitzen
wegfließend
bewegen oder es wird eine Relativgeschwindigkeit zwischen der hydrophoben
Flüssigkeit
und den Kanülenspitzen
bzw. Auslassröhrchen
bereitgestellt, indem entweder die Kanülenspitzen bzw. Auslassröhrchen oder
der Behälter
mit der ruhenden hydrophoben Flüssigkeit
bewegt werden. In allen Fällen
sorgt die Relativbewegung dafür,
dass die Tropfen der zu gefrierenden Flüssigkeit separiert in die hydrophobe
Flüssigkeit
eintreten und eine Vereinigung von Tropfen zu größeren Gebilden ausgeschlossen
wird, und die Tropfen zu einzelnen Eisperlen gefrieren. Bei in die
hydrophobe Flüssigkeit
eingetauchten Kanülenspitzen
beeinflusst unter anderem die Relativgeschwindigkeit der hydrophoben
Flüssigkeit zu
den Kanülenspitzen
den Durchmesser der erzeugten Eisperlen. Im Falle der frei über der
Flüssigkeit
angeordneten Tropfvorrichtung entscheiden der Kanülendurchmesser,
der hydrostatische. Druck und die Größe und Ausformung der Abreißfläche an den
Kanülenspitzen über den
Durchmesser der Tropfen. Die kugelige Form selbst nimmt der Trop fen
in Abhängigkeit
von der Oberflächenspannung
naturgesetzlich an, wenn er nicht z. B. durch eine zu hohe Viskosität der hydrophoben
Flüssigkeit
oder durch zu große
Scherkräfte
in der Nähe
der Behälterwände bei
einem bewegten hydrophoben Fluid daran gehindert wird.
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Die
relative Bewegung der beiden Reaktionssubstanzen können vorteilhaft
durch zwei grundlegend unterschiedliche Reaktortypen erreicht werden:
Der
eine Reaktor besteht im Wesentlichen aus einem vertikal orientierten
Strömungsrohr,
das vorteilhaft isoliert sein kann oder das mittels einer Kühlvorrichtung
gekühlt
wird.
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Eine
zweite Reaktorform sieht die Gestaltung als Strömungskanal vor. Hier kann der
Strömungskanal entlang
seiner Haupterstreckungsrichtung eine Neigung aufweisen. Die Orientierung
des vertikalen Strömungsreaktors
oder des geneigten Strömungskanals
bewirkt bereits, dass die hydrophobe Flüssigkeit strömt; die
entsprechenden Mittel zur Beschleunigung der hydrophoben Flüssigkeit
sind im Falle des vertikalen Strömungsreaktors
in der Durchsatzmenge zu sehen, im Falle des Strömungskanals entscheidet bei
gegebener Durchsatzmenge die Neigung des Kanals über die Mächtigkeit des Fließquerschnittes
der hydrophoben Flüssigkeit
im Kanal, und somit über
die Fließgeschwindigkeit.
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Ferner
ist es möglich,
bei dem vertikal angeordneten Strömungsreaktor unmittelbar in
einen oberen Abschnitt, der als Aufnahmeabschnitt für das zuzuführende hydrophobe
Fluid dient, die Pipettiervorrichtung vorzusehen. Bei einem Strömungsreaktor
mit kreisförmigem
Querschnitt kann hierbei am oberen Ende des Rohres eine Schulter
vorgesehen sein, die einen Übergang
zu einem verbreiterten Rohrabschnitt als Aufnahmeabschnitt führt. Grundsätzlich ist
dies auch bei Reaktoren mit polygonalen Querschnitten möglich. In
diesen verbreiterten Rohrabschnitt kann nunmehr die Pipettiervorrichtung
eingebracht werden, wobei die Pipettiervorrichtung hinsichtlich
ihrer äußeren Kontur
an die Kontur des Aufnahmeabschnitts des Strömungskanals angepasst ist.
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In
einen zylindrischen Strömungsreaktor,
dessen Rohrquerschnitt sich an seinem Aufnahmeabschnitt sprunghaft
verbreitert, würde
entsprechend eine Pipettiervorrichtung mit ebenfalls zylindrischer
Form eingesetzt. Die Kanülen
können
dabei in die Wandung des zylindrischen Gefäßes so eingesetzt werden, dass
sie im Wesentlichen quer zur Längsachse
des Strömungsreaktors
stehen. Dabei ist es möglich,
mehrere Reihen an Kanülen
umlaufend und übereinander,
entsprechend auf Lücke,
an der Wandung des Pipettiervorrichtungsgefäßes vorzusehen.
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Die
Wandung des zylindrischen Gefäßes, welches
das wässrige
Wirkstoffgemisch enthält,
ist dabei von der äußeren Wandung
des Strömungsreaktors
soweit beabstandet, dass ein Ring als Trennring um das zylindrische
Wasser-Wirkstoffgefäß angeordnet
werden kann. Der Ring wird auf der Schulter des Strömungsreaktors
abgestützt,
wobei jedoch ein Ringspalt verbleibt. Das tiefgekühlte hydrophobe
Fluid kann nunmehr zwischen die Wandung des Trennrings und die äußere Wandung
in den entstandenen Einfüllraum
des Strömungsreaktors
eingefüllt
werden, und es fließt
unter dem Ringspalt entlang der Schulter, bis es bei dem verjüngten Abschnitt
des Strömungsreaktors
in Richtung der Entnahmevorrichtung abfließt.
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Die
in den Aufnahmeabschnitt des Strömungsreaktors
eingesetzte Pipettiervorrichtung ist mit ihrem Boden, gegebenenfalls
durch Abstandshalter, jedenfalls soweit über der Schulter abgestützt, dass
das unter dem Ringspalt durchströmende
hydrophobe Fluid das Gefäß mit der
Wasser-Wirkstoffmischung ungehindert unterfließen kann. Die im Wesentlichen
horizontal ausgerichteten Kanülenspitzen
erlauben damit dem aus den Kanülenspitzen
austretenden Wasser-Wirkstoffgemisch,
zunächst
eine Strecke von ca. 3 bis 7 cm in den Luftspalt zu fallen, ehe
sie auf das Öl
auftreffen. Der Luftspalt ist zwischen der äußeren Wandung des zylindrischen
Gefäßes und
der ringförmigen
trennenden Einlage bereitgestellt.
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Die
auf den hydrophoben Fluidstrom, der ein Ölstrom sein kann, auftreffenden
Tropfen verlassen den Strömungsreaktor,
der sich an seinem unteren Ende vorteilhaft trichterförmig verjüngen kann,
durch einen Auslassstutzen. Von dort kommend wird der die Eisperlen
enthaltende Strom der weiteren Behandlung zu geführt.
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Weitere
Ausführungsformen
sehen vor, dass eine Trennvorrichtung zum Abtrennen des Eisperlenprodukts
von der hydrophoben Flüssigkeit
unmittelbar an die Entnahmevorrichtung angeschlossen ist. Die als Strömungskanal
ausgebildete Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann eine gerade Form oder eine Ringform aufweisen. Dabei kann die
gerade Form als einfacher, nach oben offener Kanal gestaltet sein,
sie kann jedoch auch als Bandförderer
ausgeführt
sein.
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Der
Strömungskanal
kann ebenfalls aus ökonomischen
Gründen
entsprechend isoliert sein oder seine Wandung kann mit einer Kühlvorrichtung
gekoppelt sein.
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Durch
eine entsprechende Neigung des Strömungskanals werden auch hier
bereits ein Fließen
der hydrophoben Flüssigkeit
und damit die gewünschte
Relativgeschwindigkeit zwischen hydrophober Flüssigkeit und Kanülenspitzen
erreicht. Der Strömungskanal
wird an einem Ende mit eisgekühlten
hydrophoben Flüssigkeiten
beaufschlagt, an dem auch die Pipettiervorrichtung angeordnet ist.
An seinem anderen Ende weist der Strömungskanal eine Auslassöffnung auf,
die entsprechend mit einer Trennvorrichtung, wie einer Zentrifuge oder
einem Sieb, verbunden sein kann. Aufgrund dieser Ausführungsform
kann das in der Trennvorrichtung abgetrennte hydrophobe Medium zurückgewonnen
und nach entsprechender Kühlung
wieder in den Prozess zurückgeführt werden.
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Vorteilhaft
kann eine um ihre Längsachse
drehbare Platte als Stauvorrichtung im Fluidpfad zwischen Pipettiervorrichtung
und der Auslassvorrichtung angeordnet sein. Diese drehbare Platte
bewirkt, dass die ankommenden, sich im Gefrieren befindlichen Wasser-Wirkstoffgemischtropfen
unter die Oberfläche
der hydrophoben Flüssigkeit
abgetaucht werden. Aufgrund der hydrodynamischen Effekte berühren die
Tropfen die Platte nicht und werden nicht beschädigt, durch das Hinabführen in
eine größere Tiefe
der hydrophoben Flüssigkeit wird
jedoch das weitere Durchfrieren gefördert.
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Das
mit den Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ausführbare
Verfahren sieht grundsätzlich
vor, dass eine hydrophobe Flüssigkeit
mittels einer entsprechenden Kühlvorrichtung
auf eine abhängig
von den Eigenschaften der ausgewählten
hydrophoben Flüssigkeit
und der zu gefrierenden Flüssigkeit sowie
der gewünschten
Prozessdauer geeignete Temperatur, die in jedem Fall unter 0°C liegt,
gekühlt
wird, ehe sie in das Aufnahmegefäß gefüllt wird,
das entsprechend ein Strömungsreaktor
oder ein Strömungskanal sein
kann. Dabei ist der zum Kühlen
der hydrophoben Flüssigkeit
benötigte
Energieaufwand gering, verglichen mit dem Energieaufwand für die Bereitstellung
von Stickstoff für
Verfahren zur Herstellung ähnlicher
Produkte.
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Parallel
dazu wird das wässrige
Wirkstoffgemisch in das Pipettiergefäß gegeben, wobei, da die Kanülen nicht
gesperrt sind, durch das alleinige Wirken der Schwerkraft das wässrige Wirkstoffgemisch
tropfenweise über
die Kanülen
in die hydrophobe Flüssigkeit überführt werden
kann. Die Tropfgeschwindigkeit lässt
sich dabei über
die Austrittsöffnung
und/oder den hydrostatischen Druck bestimmen.
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Je
nach Anordnung der Kanülenspitzen
oberhalb der Oberfläche
der hydrophoben Flüssigkeit
oder unterhalb der Oberfläche
derselben legen die Tropfen dabei einen Fallweg in der Luft zurück. Sobald
die Tropfen die Flüssigkeit
berühren,
beginnen sie auszufrieren und beginnen, auf der Oberfläche des
hydrophoben Mediums zu treiben oder aufzuschwimmen, da je nach Temperatur
desselben die spezifischen Dichte sehr nahe bei derjenigen des ausfrierenden
Materials liegen kann.
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Bei
nicht eingetauchten Kanülen
bleiben die Tropfen bei den horizontal orientierten Reaktoren auf
dem kalten hydrophoben Medium liegen und gefrieren zunächst nur
an ihrer Unterseite. Vorteilhafter Weise werden sie bei einer Ausführungsform
der Vorrichtung, die die drehbar gelagerte Platte vorsieht, unter
die Oberfläche gezwungen,
wohingegen bei einem vertikal orientierten Strömungsrohr ein Sog, der durch
die kontinuierliche Durchströmung
des Reaktors entsteht, die Tropfen mit nach unten zieht, so dass
das weitere Ausfrieren erfolgt. Nach dem Zurücklegen einer entsprechenden
Fließstrecke
ist die Bildung eines perlenförmi gen
Eisprodukts aus dem wässrigen
Wirkstoffgemisch abgeschlossen. Dann verlassen kugelig gefrorene
Tropfen den Reaktor zusammen mit dem hydrophoben Medium, respektive
mit dem Öl,
durch die Auslauföffnung.
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Nunmehr
kann das Gemisch aus hydrophober Flüssigkeit und den Eisperlen
entnommen werden, indem entweder ein Ablassen aus dem Kanal oder
dem Strömungsreaktor
erfolgt, oder indem, was lediglich den Strömungskanal betrifft, der auch
ringförmig
ausgeführt
sein kann, ein Abschöpfen
oder Absaugen mit entsprechenden Vorrichtungen erfolgt.
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Die
abgetrennten Eisperlen können
ihrer Verwendung zugeführt
werden, während
die abgetrennte überstehende
hydrophobe Flüssigkeit
erneut auf Prozesstemperatur heruntergekühlt und am Aufnahmeabschnitt
dem Aufnahmegefäß zugeführt wird.
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Vorteilhaft
sind die entstehenden Eisperlenprodukte kugelrund, homogen durchgefroren
und lassen sich in Abhängigkeit
des Kanüleninnendurchmessers
bezüglich
ihrer Größe einstellen.
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Die
erfindungsgemäßen Vorrichtungen
zur Herstellung der Eisperlen können
eine Strömung
der hydrophoben Flüssigkeit
durch entsprechende Bereitstellung einer Neigung der Aufnahmegefäße schaffen,
es ist jedoch auch möglich,
dass der Behälter
für die
hydrophobe Flüssigkeit
operativ mit Antriebsmitteln gekoppelt ist, so dass der Behälter selbst
in Bewegung versetzt wird, unter der Pipettiervorrichtung vorbeibewegt wird,
wodurch die aus den Kanülen
austretenden Tropfen vereinzelt in die hydrophobe Flüssigkeit
eintropfen und gefrieren zu lassen. Durch die ruhende Flüssigkeit
können
vorteilhaft Scherkräfte
im Bereich der Behälterwände vermieden
werden, und die gesamte Breite des Behälters mit Tropfen beaufschlagt
werden.
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Der
Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der
Beschreibung. Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen
von Ausführungsbeispielen
der Erfindung.
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1a zeigt
eine frontale Längsschnittsansicht
einer als vertikal angeordneter Strömungsreaktor ausgebildeten
Vorrichtung zur Herstellung der erfindungsgemäßen Eisperlen,
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1b zeigt
eine perspektivische Längsschnittsansicht
des Strömungsreaktors
aus 1a,
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1c zeigt
schematisch einen Ausschnitt der Pipettiervorrichtung, die in dem
Aufnahmebereich des Strömungsreaktors
aus 1a angeordnet ist,
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2a zeigt
eine perspektivische Seitenansicht einer als Strömungskanal ausgebildeten erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Herstellung von Eisperlen,
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2b zeigt
schematisch das Strömungsverhalten
der Fluide der Vorrichtung aus 2a,
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3 zeigt
eine perspektivische Draufsicht auf eine als Ring-Strömungskanal
ausgebildete Vorrichtung zur erfindungsgemäßen Erzeugung der Eisperlen,
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4 zeigt
eine als Bandreaktor ausgebildete erfindungsgemäße Vorrichtung in einer schematischen Seitenansicht.
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Es
wird darauf verwiesen, dass der Begriff „Reaktor” im Folgenden als ein Gefäß verstanden
werden soll, in dem eine Reaktion wie die Änderung eines Aggregatszustands
einer Flüssigkeit
abläuft.
Geeignete Reaktoren umfassen einen als Kanal ausgeführten Strömungsreaktor,
der ein den Ausführungen
als geneigter Kanal oder „Rutsche”, als Förderband
oder als sich drehender Ringreaktor, sozusagen als „Karussell” beschrieben
ist. Ein weiterer geeigneter Reaktor ist ein vertikales Strömungsrohr.
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Unter
dem wässrigen
Wirkstoff-Gemisch wird entweder eine wirkstoffhaltige wässrige Flüssigkeit
verstanden, die eine als Insektizid, Herbizid, Fungizid, als Düngemittel,
als Boden- oder Wasserverbesserungsmittel wirkende Substanz in Wasser
gelöst
enthält.
Vorliegend besonders interessierende Wirkstoffe sind Insektizide,
die in Bacillus Thuringiensis Israelensis (BTI) oder Bacillus Sphaericus
(BS-Endotoxin) enthalten sind; oder es ist ein Lebensmittel wie
ein Fruchtsaft gemeint. Grundsätzlich
ist es vorteilhaft, wenn es sich bei der zu gefrierenden Flüssigkeit
um Wasser bzw. um Wasser mit darin gelösten oder darin emulgierten
oder in Wasser schwimmenden oder schwebenden Stoffen handelt, welche
die Gefriereigenschaften des Wassers nicht wesentlich verändern, so
dass die hydrophobe Flüssigkeit,
die als Gefriermedium für
das wässrigen
Wirkstoff-Gemisch eingesetzt wird, eine Temperatur aufweisen kann,
die möglichst
wenig unter 0°C
aufweisen muss, um das gewünschte
Eisperlen-Produkt zu schaffen.
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Es
kann sich zur Erreichung einer verbesserten Produktionsrate als
geeignet erweisen, das Verfahren bei einer niedrigeren Temperatur
des hydrophoben Mediums auszuführen;
eine Temperatur von etwa –12°C hat sich
bei den beschriebenen wässrigen
Wirkstoff-Gemischen und einer Eisperlengröße von etwa 3,5 mm (Durchschnitt),
die für
das Streuen der Perlen aus der Luft vorteilhaft ist, bewährt. Je
nach Tropfengröße, die die
Perlengröße bestimmt,
der Zusammensetzung der zu gefrierenden Flüssigkeit oder der gewünschten
Geschwindigkeit des Gefriervorganges können deutlich tiefere Temperaturen
erforderlich sein.
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Die
in dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Einsatz kommende hydrophobe Flüssigkeit muss immer eine Viskosität aufweisen,
welche es der zu gefrierenden Flüssigkeit
erlaubt, die Kugelform einzunehmen. Ferner ist es vorteilhaft, wenn
die Flüssigkeit
einfach und günstig
zu beschaffen ist. Es kann sich bei der hydrophoben Flüssigkeit
um Erdölfraktionen
handeln, beispielsweise um Kerosin und Petroleum, auch um Motoröl oder Hydrauliköl, die selbst
bei sehr niedrigen Temperaturen eine niedrige Viskosität aufweisen.
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Geeignet
sind auch einige pflanzliche Öle,
die auf Grund dessen, dass sie nicht toxisch sind, auch in der Natur
ausgebracht werden können,
oder die sogar verzehrgeeignet sind. Zu beachten ist, das Öle, die
bereits bei Raumtemperatur oder darunter liegenden Temperaturen
zähflüssig oder
gar ausgehärtet
sind, wie Palmöl,
nicht geeignet sind, wohingegen als besonders geeignete pflanzliche Öle Leindotteröl und Leinöl aufgefunden
wurden. Auch Rapsöl
eignet sich, jedoch nur bedingt, da es auf Grund seiner Viskosität nur im
Gemisch mit den vorgenannten Ölen
auf geeignete Weise eingesetzt werden kann.
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Grundsätzlich sind
die erfindungsgemäßen Vorrichtungen
dazu geeignet, wirkstoffhaltige Eisperlen herzustellen. Dazu ist
es erforderlich, dass zur Erzielung einer Produktgruppe des Nichtlebensmittelbereichs ein
Wirkstoff wie beispielsweise BTI, vorzugsweise in Wasser gelöst, gemischt
oder emulgiert wird, damit der Wirkstoff samt der Trägerflüssigkeit
zu Perlen beziehungsweise kugelförmigen
Eispartikeln gefroren wird. Derartige Eisperlen, die homogen durchgefroren
sind und über
einen gewünschten
Durchmesser verfügen,
wobei eine Charge hergestellter Eisperlen insgesamt bezüglich der
Eisperlendurchmesser homogen sein soll, sind dazu geeignet, mittels
Luftfahrzeugen wie beispielsweise Hubschraubern, die über geeignete
Ausgabevorrichtungen verfügen,
auf der Erdoberfläche
ausgebracht zu werden. Hier ist beispielsweise an die Ausgabe des Insektizids
BTI, gelöst
in Wasser und zu Eisperlen gefroren, auf Gewässeroberflächen wie bestimmten Bereichen
der Rheinauen gedacht, um zu einem entsprechend geeigneten Zeitpunkt
Schnakenlarven zu vernichten.
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Eine
Lebensmittelproduktgruppe kann als wässriges Gemisch einen Fruchtsaft
enthalten, oder eine Fruchtsaftmischung, eine Fruchtsirup- oder
Nektarmischung oder eine zum Verzehr als Eis geeignete Grundkomponente,
die dann durch die Herstellung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
und das nicht vollständige
Abtrennen der hydrophoben Flüssigkeit
einen Film derselben aufweist; dies kann ausgenutzt werden, indem
ein wertvolles Lebensmittelöl
im Herstellungsprozess verwendet wird und der am Produkt anhaftende Rest
als Nahrungsergänzungsmittel,
etwa wegen enthaltener Omega-3-Fettsäuren, dient.
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Derartige
Eisperlen können
mit gewünschten
Größen als
homogen geformte und durchgefrorene Partikel mittels einer Vorrichtung
hergestellt werden, die eine Pipettiervorrichtung umfasst, wobei
vorliegend unter Pipettiervorrichtung nicht eine Bürette mit
einer einzigen Pipette zu verstehen ist, sondern ein Gefäß, das einstückig gefertigt
sein kann und eine Vielzahl sich verjüngender Auslass röhrchen in
einer Gefäßwandung
aufweist, oder das aus einem Gefäß hergestellt
wurde, an dessen Wandung eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen
vorgesehen sind, in die die Kanülen
dicht eingepasst worden sind. Grundsätzlich ist es denkbar, auf
Kanülen
zu verzichten und lediglich Löcher
von maximal 1,0 mm Durchmesser in den Boden der Pipettiervorrichtung
vorzusehen.
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Wird
nun eine Flüssigkeit,
wie vorliegend das wässrige
Wirkstoffgemisch, aus der die Eisperlen hergestellt werden sollen,
in das Gefäß gefüllt, so
gelangen Tropfen über
eine Vielzahl von Kanülenspitzen
der Kanülen
aus dem Gefäß. Dabei
kann es sich bei der Wandung sowohl um eine Seitenwand als auch
um den Boden des Gefäßes handeln;
dies hängt
davon ab, wie die Pipettiervorrichtung in Bezug zu einem weiteren Gefäß angeordnet
ist. Bei diesem weiteren Gefäß handelt
es sich um ein Aufnahmegefäß für eine hydrophobe Flüssigkeit.
Diese hydrophobe Flüssigkeit
wird mittels einer Kühlvorrichtung
vorgekühlt,
wobei sie auf eine Temperatur im Bereich von 0°C bis –30°C, vorteilhaft von –5°C bis –30°C, besonders
vorteilhaft auf eine Temperatur im Bereich von –12°C bis –18°C, heruntergekühlt wird.
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Nunmehr
wird die Pipettiervorrichtung derart über dem Aufnahmegefäß beziehungsweise
an dem Aufnahmegefäß für die hydrophobe
Flüssigkeit
angeordnet, dass die aus dem Pipettiergefäß hervorstehenden Kanülenspitzen
so in Richtung des Aufnahmegefäßes für die hydrophobe
Flüssigkeit
weisen, dass sie entweder bis zu 0,5 cm in die Flüssigkeit
eintauchen oder bis zu 10 cm oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche angeordnet
sind, so dass die Tropfen einen Weg von ca. 10 cm, vorteilhaft jedoch
nicht mehr als 5 cm in der Luft zurücklegen, ehe sie auf die Oberfläche der
hydrophoben Flüssigkeit
auftreffen. Die Kühlvorrichtung
ist mit dem Aufnahmegefäß für die hydrophobe
Flüssigkeit
unter Berücksichtigung
eines möglichen
kurzen Weges über
eine Zuführvorrichtung
verbunden.
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Der
gesamte Prozess ist bei allen Anlagenvarianten ein kontinuierlicher
Vorgang, der stets unter Verwendung einer Pumpe betrieben wird,
die üblicherweise
dauerhaft während
der Prozessführung
läuft.
Dabei besteht keine direkte Verbindung zwischen Pumpe und Reaktor,
vielmehr läuft
das Öl
während
der Ab trennung des Eises kontinuierlich in einen offenen Auffangbehälter, aus
dem ebenfalls das Öl
aus der Zentrifuge läuft. Aus
diesem Behälter
saugt die Pumpe das nun durch den Prozess erwärmte Öl und pumpt es durch den Wärmetauscher
der Kältemaschine
zurück
in den Reaktor.
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Die
Stelle, an der die hydrophobe Flüssigkeit
im Aufnahmegefäß zugeführt wird,
wird nachfolgend auch als Aufnahmeabschnitt bezeichnet. Entsprechend
dem Aufnahmeabschnitt, an dem die hydrophobe Flüssigkeit zugeführt wird,
gibt es auch einen Auslassabschnitt; hierunter ist der Teil des
Aufnahmegefäßes zu verstehen,
an dem eine Entnahmevorrichtung für die hydrophobe Flüssigkeit
und das Eisperlenprodukt, das von der hydrophoben Flüssigkeit
mitgeführt
wird, vorgesehen ist. Eine einfache Entnahmevorrichtung kann aus
einer Öffnung
entstehen, an die sich entsprechend ein Stutzen- oder Schlauchstück zur Überführung des Produkts
mitsamt der hydrophoben Flüssigkeit
in abwärts
gelegene weitere Verarbeitungsvorrichtungen erstreckt; es ist jedoch
auch denkbar, dass eine Absaugpumpe vorgesehen ist, mit der das
von hydrophober Flüssigkeit
geführte
Eisperlenprodukt abgesaugt wird, auch eine einfache Vorrichtung
nach Machart einer Schöpfkelle
ist denkbar. Zwischen dem Aufnahmeabschnitt und dem Auslassabschnitt
befindet sich ein Strömungsabschnitt.
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Wenn
das wässrige
Wirkstoffgemisch aus der Pipettiervorrichtung über die Kanülen die Kanülenspitzen in Tropfenform verlässt, und,
entweder unmittelbar oder nach Zurücklegen eines Fallwegs in der
Luft, in die hydrophobe, eiskalte Flüssigkeit eindringt und somit
einen Fluidpfad zurücklegt,
beginnen die Tropfen mit dem Eindringen in die hydrophobe Flüssigkeit
auszufrieren und der Vorgang des Durchfrierens wird beim Zurücklegen
eines Fließwegs
in der hydrophoben Flüssigkeit
abgeschlossen.
-
Der
Einsatz eines vertikal stehenden Strömungsreaktors ist besonders
günstig,
da dieser sich geschickt mit der Pipettiervorrichtung verbinden
lässt.
Um die Pipettiervorrichtung auf geeignete Weise an dem als Strömungsreaktor
ausgebildeten Aufnahmegefäß anzuordnen,
kann der vertikal angeordnete Strömungsreaktor, der einen kreisförmigen oder
polygonalen Querschnitt haben kann, an sei nem oberen Ende einen
größeren Öffnungsquerschnitt
aufweisen, als es der Rohrquerschnitt in einem mittleren Bereich
ist. Der Übergang zwischen
den beiden voneinander abweichenden Rohrquerschnitten wird durch
eine Schulter realisiert, die horizontal verläuft oder eine Neigung von bis
zu 15° aufweisen
kann. In diesen verbreiterten Öffnungsquerschnitt kann
die Pipettiervorrichtung so angeordnet werden, dass die aus der
Pipettiervorrichtung herausweisenden Kanülenspitzen, die im Übrigen horizontal
in mehreren Reihen umlaufend an der Gefäßwand des Pipettierungsgefäßes angeordnet
sein können,
um mindestens 5 mm, eher bis zu 5 cm von der Wandung des Strömungsreaktor
beabstandet sind. Das Gefäß kann auf
der Schulter des Strömungsreaktors
abgestützt
sein.
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Weiter
ist vorgesehen, in den Spalt, der sich zwischen der vertikalen Wandung
des Pipettiergefäßes und
der vertikalen Strömungsreaktorwand
ergibt, eine Trennvorrichtung wie einen Trennring, der auf der Schulter
punktuell abgestützt
sein kann, äquidistant
zur Strömungreaktorwand
und umlaufend um das Pipettiergefäß angeordnet ist, wobei zwischen
den Kanülenspitzen
und der den Kanülenspitzen
zugewandten Seite der Trennvorrichtung ein Luftspalt bereitgestellt
ist, wohingegen zwischen der Trennvorrichtung und der Strömungsreaktorwand
ein Raum zum Einfüllen
des kalten Fluids verbleibt. Dieses unterströmt eine auf der Schulter abgestützten Kante
der Trennwand, die dort zumindest eine Spalte offen lässt. Die
Höhe dieser
Trennwand ist zumindest so hoch, dass sie sich über die höchst liegende Öffnung einer
Kanülenspitze
hinaus erstreckt. Die auf den hydrophoben Fluidstrom, der ein Ölstrom sein
kann, auftreffenden Tropfen wollen zunächst absinken, werden aber
mit Einsetzen des Gefriervorgangs spezifisch leichter. Gleichgültig ob
sie nun je nach Temperatur und damit der Dichte der hydrophoben
Flüssigkeit
im Medium treiben oder emporsteigen würden, werden sie beim vertikalen
Reaktor mit dem Ölstrom
in die Tiefe gezogen, wobei sie weiter gefrieren. Sie verlassen den
Strömungsreaktor,
der sich an seinem unteren Ende vorteilhaft trichterförmig verjüngen kann,
durch einen Auslassstutzen. An diesem Stutzen kann ein Schlauch
oder ein Rohr angeschlossen sein mit dem man den die Eisperlen enthaltenden
Strom der weiteren Behandlung zuführen kann. Mit der Länge des
Schlauches oder Rohres kann man die Verweildauer der Eisperlen in dem
hydrophoben Medium verlängern,
um etwa ein besseres Ausfrieren zu erreichen.
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Vorteilhaft
lassen sich diese Vorrichtungen mit zylindrischen Elementen realisieren,
so dass die Trennwand als Ring ausgebildet um das Pipettiergefäß herum
angeordnet ist. In diesem Fall weisen die Pipettenspitzen des ebenfalls
zylindrischen Pipettiergefäßes radial
in Richtung des Trennrings.
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Es
ist anzumerken, dass auch im Vertikalreaktor, wie in anderen geeigneten
Reaktortypen, Scherkräfte
an der Innenwand des Rohres und auch an der ringförmig konzentrisch
angeordneten Tropfen-Aufgabe-Fläche
auftreten. Diese wirken sich nicht nachteilig auf die Gestalt der
Eisperlen aus: Was die Scherkräfte
an der Rohrinnenwand anbelangt, so zeigen die Tropfen offenbar keine
Neigung beim Absinken so weit nach außen zu driften, dass sie hier
beeinträchtigt
würden.
Bei der Tropfen-Aufgabe verhalten sich so, dass sich die Tropfen
durch die Scherkräfte
am Boden der Aufgabefläche
und bei der Umlenkung von der horizontalen in die vertikale Bewegungsrichtung
verformen. Sobald sie dann durch die Durchströmung mitgenommen werden und
im vertikalen Bereich des Reaktors absinken, nehmen sie dort die
Kugelform ein.
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Ferner
ist es grundsätzlich
wichtig, dass die Temperatur der hydrophoben Flüssigkeit geeignet gewählt wird:
Ist das Medium zu kalt, so beginnt der Gefriervorgang sofort beim
Auftreffen der Tropfen auf das Medium, und die Verformung wird konserviert.
Als ideale Temperatur hat sich bei Verwendung von Pflanzenöl der Temperaturbereich
von –12°C bis –14°C herausgestellt.
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Ferner
ist es günstig,
wenn an der senkrechten Außenwand
des Reaktors im Bereich der Aufgabe der hydrophoben Flüssigkeit
und der Tropfen eine Überlaufleitung
angebracht ist, die zu dem Ansauggefäß führt, aus welcher die Pumpe
das Öl
entnimmt und dem Wärmetauscher
zuführt.
Damit entbindet man sich der Notwendigkeit eine sehr genaue Balance
zwischen der Aufgabemenge und der Abflussmenge einstellen zu müssen.
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Durch
diese Gestaltung der Vorrichtung ist es nunmehr möglich, dass das
auf die gewünschte
Temperatur gekühlte Öl in den
Spalt zwischen Strömungsreaktor
und Trennwand eingefüllt
wird, so dass es unter dem Spalt der Trennwand, respektive dem Ringspalt
hindurch und über
die Schulter in Richtung des verjüngten Rohrquerschnitts fließt. Dabei
verbleibt ein Luftraum zwischen den Öffnungen der Kanülenspitzen
und der Oberfläche
der hydrophoben Flüssigkeit,
so dass die Tropfen in dem Spalt, der sich zwischen der Pipettiergefäßwand und
der Trennwand bildet, herabfallen und auf die hydrophobe Flüssigkeitsoberfläche auftreffen
können,
wobei die unmittelbar einfrierenden Wasser-Wirkstoffgemischtropfen
von der fließenden
hydrophoben Flüssigkeit
mitgenommen und entlang dem vertikalen Strömungsweg des Strömungsreaktors
geführt
werden.
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Beim
Durchlaufen dieses Fluidpfads erfolgt ein homogenes Durchfrieren
der Tropfen, so dass diese, wenn sie an dem Auslassabschnitt des
Strömungsreaktors
ankommen, perfekt kugelig geformt und durchgefroren sind.
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Eine
geeignete Ausführungsform
des Strömungsreaktors
sieht vor, dass dieser an seinem Auslassabschnitt trichterförmig verjüngt ist
und der Trichter in einen Auslassstutzen mündet. Diese trichterförmige Verjüngung ist
bei zylindrischen Strömungsreaktoren
ebenso möglich
wie bei Strömungsreaktoren,
die einen polygonalen Querschnitt aufweisen.
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Ferner
kann zur Verringerung der Fließgeschwindigkeit
der hydrophoben Flüssigkeit
der Auslassquerschnitt der Auslassöffnung entsprechend klein gewählt werden
und es ist möglich,
den sich an die Auslassöffnung
anschließenden
Stutzen horizontal oder auf andere Weise gebogen oder abgeknickt
zu führen.
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Ein
vergleichbares Ergebnis hinsichtlich der Erzielung der gewünschten
Eisperlenprodukte lässt
sich mit einem Aufnahmegefäß erzielen,
das als Strömungskanal
ausgestaltet ist, wobei der Strömungskanal
entlang seiner Haupterstreckungsrichtung eine Neigung aufweisen
kann. Grundsätzlich
kann der Kanal als einfaches Halbrohr ausgeführt sein, auch einfache kastenförmige Ausführungen
sind möglich.
Dabei ist stets eine Pumpe an der Vorrichtung angeordnet und das Öl läuft bereits
durch die kontinuierliche Beschickung ab, selbst wenn die Rut sche
horizontal gelagert ist. Die Relativgeschwindigkeit von Öl zu Kanülen hat
sich mit 5 cm pro Sekunde als ideal erweisen, eine Neigung ist dann
nicht zwingend erforderlich.
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Beim
Förderband
stellt das Band durch seine mitdrehenden Seitenwände (Wellband) das Reaktorgefäß dar. Bandgeschwindigkeit
und Aufgabemenge an Öl
werden so balanciert, dass die Filmdicke bzw. Mächtigkeit gleich bleibt, und
das Öl
sich nach der Aufgabe am Kopfende in Relation zum Band nicht bewegt.
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Bei
dieser Gestaltung des Aufnahmegefäßes kann die Pipettiervorrichtung
als Kasten ausgestaltet sein, wobei die Kanülen in einer Bodenseite des
nach oben zumindest teilweise geöffneten
und mit entsprechenden Vorratsgefäßen verbundenen Kasten, so
angeordnet sind, dass die Pipettenspitzen senkrecht zur Flüssigkeitsoberfläche stehen
und entweder in diese eintauchen oder etwa 3 cm bis 10 cm, vorteilhaft
5 cm über
der Flüssigkeitsoberfläche angeordnet
sind.
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Die
Kanülen
können
auch so gestaltet sein, dass die Kanülenspitzen leicht abgeknickt
gestaltet sind, so dass die Linie, die sich zwischen dem Knick der
Kanüle
und der Kanülenspitzenöffnung bildet,
zu der Flüssigkeitsoberfläche einen
Winkel von 0 bis 30°,
vorteilhaft von ca. 15° ausbildet.
Die aus dem Pipettiergefäß über die
Kanülen
geführten
und aus den Kanülenspitzen
austretenden Tropfen fallen nunmehr wenige Zentimeter durch die
Luft und treffen dann auf den Strom der hydrophoben Flüssigkeit
auf. Dort werden sie mitgerissen, bis sie am Ende des Strömungskanals über eine
Entnahmevorrichtung entnommen werden, was im Wesentlichen auch mit
der Abführung
eines entsprechenden Anteils an hydrophober Flüssigkeit verbunden ist.
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Da
der Strömungskanal
sowohl eine gerade Form als auch eine Ringform aufweisen kann, wobei
die Ringform nicht geeignet ist, bezüglich der Horizontalen geneigt
zu sein und insofern der Anordnung einer Pumpvorrichtung zum Bewegen
der hydrophoben Flüssigkeit
bedarf oder einer Vorrichtung zum Bewegen des Strömungskanals
oder der Pipettiervorrichtung, kann auch die Entnahmevorrichtung
abhängig
von der Gestalt des Strömungskanals
unterschiedlich ausgestal tet sein: so kann es sich bei der Entnahmevorrichtung,
insbesondere bei der geraden, geneigten Form des Strömungskanals
als hinreichend erweisen, lediglich einen Ablaufstutzen am Ende
des Kanals vorzusehen, über
den die hydrophobe Flüssigkeit
samt dem mitgeführten
Eisperlenprodukt ausgelassen wird. Es kann jedoch auch geeignet
sein, gerade in der ringförmigen
Ausführungsform,
die Eisperlen aus der hydrophoben Flüssigkeit abzuschöpfen oder
mittels einer entsprechenden Absaugvorrichtung abzusaugen.
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Allgemein
lässt sich
zu dem geneigten und als ”Rutsche” ausgebildeten
Kanal, bei dem ein horizontal orientierter Kanal vom Kälte übertragenden
hydrophoben Medium durchströmt
wird, das am Aufnahmeabschnitt bzw. Kopfende aufgegeben wird und
das den Reaktor zusammen mit den gefrorenen Eisperlen am Auslassabschnitt
oder Fußende
verlässt.
Es ist anzu merken, dass die zu gefrierende Flüssigkeit nahe dem Kopfende
mittels der Pipettiervorrichtung zugegeben wird, weil der Strömungsweg
erforderlich ist, damit der Gefrierprozess kontinuierlich stattfinden
kann, und damit die Tropfen während
des Gefriervorgangs separiert bleiben.
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Bei
zunehmender Tropffrequenz sollte die Strömungsgeschwindigkeit entsprechend
erhöht
werden, um die Separierung der gefrierenden Tropfen zu gewährleisten.
Die Strömungsgeschwindigkeit
und die Mächtigkeit
des hydrophoben Mediums im Kanal kann durch die Aufgabemenge des
Mediums pro Zeiteinheit, durch Aufstauen, durch Neigung des Kanals
(positiv und negativ), und durch die Kombination dieser Methoden
gesteuert werden. Die notwendige Verweildauer der Tropfen in dem
Kälte übertragenden
Medium muss durch die entsprechende Länge des Kanals ermöglicht werden.
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Es
ist zu beachten, dass ein Wärmeeintrag
in das hydrophobe Medium durch das Durchlaufen des Wärmetauschers
kompensiert werden muss.
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Auf
Grund der laminaren Strömung
sollte sichergestellt sein, dass ein noch nicht mit einer stabilisierenden
Eishülle
umgebener Tropfen nicht in Bereiche des Kanals gelangt, wo die aus
den Unterschieden in der Strömungsgeschwindig keit
resultierenden Scherkräfte
größer sind
als die Kräfte,
die die Kugelbildung bewirken, da ansonsten eine Verformung während des
Gefriervorganges eintritt. Diese Bereiche sind naturgemäß nahe des
Kanalbodens und der Kanalwände
zu finden. Daher kann die Verformung verhindert werden, indem die
Auslassenden der Kanülen
wenige Millimeter tief in das hydrophobe Medium eingetaucht werden und
indem außerdem
die randständigen
Kanülen
um wenigstens 3 cm von der Strömungskanalwand
beabstandet werden; ferner sollte die eine Mächtigkeit des Übertragungsmediums
im Kanal wählt,
die gewährleistet,
dass die Tropfen bevor sie eine stabilisierende Eishülle haben,
nicht in den Tiefenbereich absinken bzw. gar den Kanalboden berühren, wo
die Scherkräfte
zu Verformungen führen.
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Bei
der Verwendung von Pflanzenöl
als Übertragungsmedium
wirkt es sich für
den weiteren Weg der entlang des Strömungskanals durchfrierenden
Eisperlen günstig
aus, dass sich ihr spezifisches Gewicht durch das Gefrieren verringert,
und die Eisperlen, je nach Temperatur des Pflanzenöls, in der
Schwebe bleiben, bzw. sogar aufschwimmen. Werden niederviskose Mineralöle bzw.
synthetische Öle
als hydrophobes Medium genommen, so müsste auf Grund der hohen Absinkgeschwindigkeit
der Tropfen in diesen Ölen
so sollte eine deutlich niedrigere Temperatur des Öles gewählt als
diese für
Pflanzenöle
bei ansonsten gleichbleibenden Prozessparametern gewählt werden
müsste;
alternativ könnt
eine größere Mächtigkeit
des Ölstroms,
oder eine Kombination von beidem gewählt werden.
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Die
Eisrutsche ist daher eine Vorrichtungsvariante, die insbesondere
für die
Verwendung von Pflanzenölen
als hydrophobem Medium geeignet ist; der Vorteil der Rutsche ergibt
sich aus ihrem simplen Aufbau und der einfachen Prozessführung.
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Ein
Vorteil des vertikalen Reaktors besteht darin, dass dort keine störenden Scherkräfte auftreten
und dass keine große
exponierten Oberfläche
des hydrophoben Mediums vorliegt, die, wenn die Produktion nicht im
Kühlhaus
erfolgt, gut isoliert werden sollte um neben den energetischen Aspekten
auch zu berücksichtigen, dass
an der Oberfläche
des hydrophoben Mediums Kondensation von Luftfeuchtigkeit und damit
eine Anreicherung von Wasser erfolgen kann.
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Alle
Ausführungsformen
der Reaktoren haben jedoch gemeinsam, dass sie stromabwärts der
Entnahmevorrichtung mit einer Trennvorrichtung gekoppelt sein können, um
das Eisperlenprodukt von der hydrophoben Flüssigkeit zu trennen. Eine derartige
Trennvorrichtung kann eine Zentrifuge oder auch ein Sieb sein.
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Besonders
vorteilhaft kann die abgetrennte Flüssigkeit erneut gekühlt werden,
indem sie unmittelbar aus dem Abtrenngefäß der Kühlvorrichtung überführt wird,
von dort kann sie in das Verfahren rückgeführt werden, indem sie mittels
einer entsprechenden Schlauch- oder Leitungsverbindung am Aufnahmeabschnitt
des entsprechenden Aufnahmegefäßes wieder
zugeführt
wird.
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Wenn
ein ringförmiger
oder ein gerader Strömungskanal
gewählt
wird, so hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn eine Stauvorrichtung
im Strom der hydrophoben Flüssigkeit
vorgesehen ist, wobei die Stauvorrichtung im Bereich von ca. zwei
Dritteln bis der Hälfte
des durch den Strömungskanal
bereitgestellten Fließwegs
der hydrophoben Flüssigkeit
angeordnet ist. Bei der Stauvorrichtung kann es sich um eine einfache
Platte handeln, deren Form der Querschnittskontur des Kanals angepasst
ist. Die Platte ist mittels einer Achse an den Seitenwänden des
Kanals befestigt und rotiert in Strömungsrichtung. Durch diese
Platte wird bewirkt, dass der fließende Strom hydrophober Flüssigkeit
die auf die Platte zukommenden, im Gefrieren befindlichen Tropfen
zum Abtauchen zwingt. Dabei berühren
die Tropfen aufgrund einer durch die hydrodynamischen Effekte erzeugten
Stauwelle an der Unterkante der Platte diese nicht direkt, sondern
werden durch die Stauwelle nach unten gezwungen, so dass das Ausfrieren
in Kugelform nicht behindert wird.
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Die
Tropfen werden damit in eine tieferliegende Schicht der hydrophoben
Flüssigkeit
gezwungen und können
auf geeignete Weise ohne verformt zu werden beim Zurücklegen
der verbleibenden Fließstrecke
ausfrieren.
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Bei
dem Eiskarussell, das alternativ ebenfalls eingesetzt werden kann,
bewegt sich das ganze Gefäß mit dem
darin ruhenden hydrophoben Medium unter der außerhalb des Gefäßes, z.
B. an einem Stativ befestigten Pipettiervorrichtung, der ebenso
angeordneten Aufgabevorrichtung für das hydrophobe Medium und
der Produktentnahmevorrichtung hindurch. Diese Funktionsweise gilt
für das
Karussell, welches sich um eine zentrale Achse dreht, wie auch für das Förderband,
das mit seinem Wellrand einen sich bewegenden Kanal darstellt, in
dem das hydrophobe Medium bis zum Verlassen des Bandes an dessen
Auslassende Fußende
ruht. Der Vorteil dieser beiden Varianten besteht darin, dass hier
keine Scherkräfte
auftreten, da sich das hydrophobe Medium im Kanal nicht bewegt.
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Am
Ausgang des jeweiligen Reaktors, aus dem das Öl/Eis-Gemisch kontinuierlich
austritt, werden die Eisperlen vorteilhafterweise durch Abtropfen
möglichst
weitgehend vom Öl
getrennt, bevor sie der Zentrifuge zugeführt werden. Um diesen Vorgang
in die Kontinuität
des Gesamtprozesses einzufügen,
kann das aus dem Reaktorabfluss austretende Öl/Eis-Gemisch in ein schräg gestelltes
Rohr geleitet werden, das durch viele Schlitze durchbrochen sein
kann und sich langsam um seine Längsachse
dreht. Ein großer
Teil des Öls
fließt durch
die Schlitze ab und läuft
in den unter dem Rohr positionierten Auffangbehälter, aus dem die Pumpe das Öl über den
Wärmetauscher
zurück
zum Reaktor pumpt. Somit ist der Kreislauf geschlossen. Die Eisperlen gelangen
nach dem Durchlaufen des Abtropfrohres in die Zentrifuge. Das hier
abgeschleuderte Öl
fließt
ebenfalls in den Auffangbehälter.
Nach dem Abschleudern bleibt eine geringe Ölmenge am Eis haften. An einem Kilo
Eisperlen verbleiben etwa 10 Gramm Öl. Die so der Anlage entzogene Ölmenge wird
ständig
aus einem Vorratsbehälter
ergänzt.
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Anders
als auf konventionelle Weise mittels Stickstoff hergestellte Eisperlen
zeigt das erfindungsgemäße Produkt
eine homogene und kugelige Struktur, alle Kugeln, die aus Kanülen mit
gleichem Innendurchmesser austreten gelassen wurden, weisen im Wesentlichen
einen gleichen Durchmesser auf, was das Produkt für die Ausbringung
mittels Luftverkehrsmitteln über
Land oder Wasser besonders geeignet macht, da damit die Streuwirkung
optimiert werden kann.
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Die
Wahl der Austrittsöffnung
der Kanülenspitzen
bestimmt die Größe der Kugeldurchmesser;
bekannte Kanülen
werden üblicher
Weise über
ihren Außendurchmesser
klassifiziert und für
das vorliegende Verfahren kommen insbe sondere Kanülen mit
Außendurchmessern
von 1 mm bis 8 mm in Frage, wobei sich ein Außendurchmesser von 1,2 mm als
ideal erweisen hat.
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Die 1a, 1b, 2a, 3 und 4 zeigen
Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Vorrichtungen. 1a zeigt
den Längsschnitt
eines vertikal angeordneten Strömungsreaktors 2,
der in seinem mittleren Abschnitt 2'' verjüngt ist
und einen Strömungsabschnitt 2' bereitstellt.
Der Strömungsreaktor 2 breitet sich
oberhalb seines Strömungsabschnitts 2'' über eine umlaufende Schulter 13 in
einen Aufnahmeabschnitt 2',
an dem die Aufgabe der hydrophoben, eisgekühlten Flüssigkeit erfolgt. Der Aufnahmeabschnitt 2' des zylindrisch
gestalteten Strömungsreaktors 2 ist
von der zentral angeordneten Pipettiervorrichtung 3 durch
einen Trennring 14 getrennt. Der Trennring 14 sitzt
punktuell auf der Schulter 13 auf und ist um einen nicht
durchgängigen
Ringspalt 14' von
der Schulter 13 beabstandet. Diese Anordnung ist ebenfalls
in 1b gezeigt. Die Pipettiervorrichtung 3,
die das Gefäß 4 umfasst,
in dessen Wandung 4' zwei
nebeneinander angeordnete, umlaufende Reihen um Kanülen 5 angeordnet
sind, ist ebenfalls oberhalb der Schulter 13 angeordnet,
und, was figurativ nicht gezeigt ist, auf dieser beabstandet festgelegt.
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Grundsätzlich kann
die Pipettiervorrichtung auch mittels einer Halterung in der gezeigten
Position gehalten werden und muss dann nicht von der Schulter 13 abgestützt werden.
Der Strömungsreaktor 2 verjüngt sich
an seinem Auslassende im trichterförmigen Sammler 6,
der in einen Auslassstutzen 7 mündet. Mittels eines Flansches 21 kann
der Strömungsreaktor
positioniert und gehalten werden.
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Wie
aus 1c deutlich wird, die das in 1a stricheliert
markierende Detail A zeigt, ist das Gefäß 4 der Pipettiervorrichtung 3 so
an dem Bereich 2' des
Strömungsreaktors 2 positioniert,
dass ein Luftspalt 15' zwischen
einem Boden des Gefäßes 4 und
der Oberfläche 20' einer fließenden hydrophoben
Flüssigkeit 20 verbleibt.
Die eisgekühlte
hydrophobe Flüssigkeit 20 wird,
wie durch Pfeil b gezeigt, in einen Ringspalt 15 zwischen
dem Trennring 14 und der äußeren Reaktorwand des Aufnahmeabschnitts 2'' eingefüllt. Durch den Ringspalt 14' strömt die Flüssigkeit,
wie weiter angezeigt wird durch Pfeil b, über die Schulter 13 in
den verjüngten
Abschnitt 2'' des Strömungsreaktors.
Die Flüssigkeit 11,
die in die Pipettiervorrichtung 3 eingefüllt ist, tritt über die
Kanülenspitzen
der Kanülen 5 aus
und fällt
tropfenweise in den Luftspalt 15' zwischen der äußeren Gefäßwand und dem Trennring 14 herab
und trifft nach etwa 5 cm Fallhöhe
auf die Oberfläche 20' der hydrophoben
Flüssigkeit
auf.
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Nunmehr
beginnt das Ausfrieren des wässrigen
Wirkstoffgemischs 11 zu Eisperlen 11', die von der strömenden hydrophoben
Flüssigkeit
mitgerissen und, dem Strömungsweg
a, b folgend, in die Tiefe gezogen werden, wo sie sich, wie in 1a und 1b gezeigt,
im Sammler 6 sammeln können,
ehe sie über
den Auslassstutzen 7 ausgelassen werden.
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Die
weitere Aufarbeitung erfolgt völlig
analog zu der Aufarbeitung der in 2a, 3 und 4 gezeigten
Ausführungsformen
der Vorrichtung, die vorliegend in 2a als
langgestreckter Strömungskanal 102 gestaltet
ist.
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Während in 2a eine
einfache kastenförmige
Rinne als Strömungskanal 102 eingesetzt
wird, ist in 4 mit ein Bandförderer gezeigt,
der eine Vorrichtung darstellt, in der das hydrophoben Medium ruht,
während
der Wellenrand einen sich bewegenden Kanal darstellt.
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3 zeigt
den Strömungskanal
in einer ringförmigen
Ausführungsform,
dort bewegt sich das ganze Gefäß mit dem
darin ruhenden hydrophoben Medium der außerhalb des Gefäßes angeordneten
Pipettiervorrichtung hinweg.
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Die
Ausführungsformen
der 2a, 4 und 3 weisen
einen Aufnahmeabschnitt 102' des
Aufnahmegefäßes auf,
an dem mittels einer Zuführleitung 19,
siehe 3 und 4 aus entsprechenden Kühlvorrichtungen
das auf ca. –5
bis ca. –30°C gekühlte hydrophobe
Fluid in das Aufnahmegefäß gefüllt wird.
Die Zuführleitung
ist in 2a nicht gezeigt. Unmittelbar
am Aufnahmeabschnitt 102' ist
die Pipettiervorrichtung 3 angeordnet, die vorliegend aus
einem kastenförmigen
Gefäß 4 besteht,
aus dessen Bodenseite, die vorliegend auch als Wandung verstanden
wird, eine Vielzahl von in Reihen angeordneter Kanülen 5 erstrecken.
Die Kanülen 5 sind
dabei in einem Neigungswinkel zur Oberfläche der hydrophoben Flüssigkeit
befestigt.
-
Das
in den Vorrichtungen der 2a, 4 und 3 gezeigte
Prinzip, das dem Verfahren der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt,
ist in 2b auf einfache Weise verdeutlicht:
Die Pipettiervorrichtung 3 weist an ihrer Bodenseite angeordnete
Kanülen 5 auf
und ist mit einem wässrigen
Wirkstoffgemisch 11 befüllt. Wenn
zuviel wässriges
Wirkstoffgemisch 11 in das Gefäß 4 gegeben wurde,
so kann der Überschuss über den Ablaufstutzen 19' ablaufen. Das
wässrige
Wirkstoffgemisch wird in Tropfen 11' ausgegeben und fällt auf
die Oberfläche 20' der hydrophoben
Flüssigkeit,
hier nicht näher
zeichnerisch dargestellt. Die unmittelbar bei Berührung der
Oberfläche 20' mit dem Einfrieren
beginnenden Tropfen ändern
ihren Aggregatszustand und bilden allmählich Eisperlen 11', die mit dem
Strom, siehe Pfeil b, geführt
werden.
-
2b verdeutlicht
außerdem
das Prinzip der Stauplatte 17, die, wie in 2a gezeigt,
entlang ihrer Längsachse
A-A durch eine Drehachse 17' an
den Seitenwänden
des Strömungskanals 102 so
befestigt ist, dass sie in die hydrophobe Flüssigkeit hineinragt. Dabei
wird durch die sich drehende Stauplatte die Oberfläche 20' abgesenkt,
indem die Flüssigkeit
unter die Stauplatte 17 gedrückt wird. Mit der entstehenden
Stauwelle werden die noch nicht vollständig durchgefrorenen Eisperlen 11' in die Tiefe
und unter die Oberfläche 20' der hydrophoben
Flüssigkeit
gezwungen, so dass sie weiterhin homogen ausfrieren.
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Wie
in 2a und 4 gezeigt, kann das in der hydrophoben
Flüssigkeit
enthaltene Eisperlenprodukt durch den Auslassstutzen 7 aus
dem Strömungskanal 102 entnommen
werden.
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4 macht
die weitere Aufarbeitung deutlich. Der Eisperlen enthaltene Flüssigkeitsstrom
wird in eine als Trennvorrichtung dienende Zentrifuge 16 geführt, die
von einem Aufnahmegefäß 16' umgeben ist.
Die abgetrennte hydrophobe Flüssigkeit
wird mittels einer Zuführleitung 15 unmittelbar
in die Kühlvorrichtung 18 zurückgeführt, wo
sie nach weiterer, beziehungsweise erneuter Kühlung auf die gewünschte Temperatur
mittels der Zuführleitung 19 am
Aufnahmeabschnitt 2' in
das Aufnahmegefäß gegeben
wird. Nach dem ersten Zentrifugiervorgang kann in einer zweiten
Zentrifuge 16, falls erforderlich, eine Nachtrennung erfolgen.
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Schließlich zeigt 3 den
ringförmig
ausgestalteten Strömungskanal 102,
an dessen Aufnahmeabschnitt 2' ebenfalls eine Vorrichtung zur
Beaufschlagung des Aufnahmegefäßes, hier
der kreisförmigen
Rinne, mit eisgekühlter
hydrophober Flüssigkeit
erfolgt. Die Flüssigkeit
wird in der Kühlvorrichtung 18 auf
die gewünschte
Temperatur gebracht und über
die Zuführleitung 19 in
den Aufnahmeabschnitt überführt. Unmittelbar stromabwärts des
Auslassstutzens, der sich an die Zuführleitung 19 anschließt, ist
eine ebenfalls kastenförmig ausgestaltete
Pipettiervorrichtung 3 angeordnet, die, wie zu sehen ist,
nach oben offen ist. Der ringförmig
ausgestalteten Strömungskanal
wird bewegt, während
hydrophobe Medium ruht, bis nach zurücklegen eines Kreises der Vorrichtung
die hydrophobe Flüssigkeit
mit den inzwischen entstandenen Eisperlen die Absaugvorrichtung
passiert und über
den Absaugstutzen 8 abgesaugt und unmittelbar in eine Zentrifugiervorrichtung 16 zum Abtrennen
der hydrophoben Flüssigkeit überführt wird.
-
Damit
ist es möglich,
dass mit den erfindungsgemäßen Vorrichtungen
in großen
Mengen Eisperlen erzeugt werden können. Die Partikel sind dabei
homogen durchgefroren, ideal kugelig und die in einem Batch produzierten
Eisperlen weisen im Wesentlichen gleiche Durchmesser auf.
-
Das
Produkt dieser Qualität
lässt sich
erhalten, weil eine relative Geschwindigkeitsdifferenz zwischen hydrophober
Flüssigkeit
und den Kanülen,
welche das wässrige
Wirkstoffgemisch austropfen lassen, durch in Bewegung setzen entweder
der Flüssigkeit
oder der Kanülen
bereitgestellt wird, und sich daher die frierenden Kügelchen
dicht aneinander gereiht von den Kanülen ablösen und sich unter die Flüssigkeitsoberfläche zu senken
beginnen. Sobald die Perlen geerntet werden, indem sie abgeschöpft oder
abgesiebt oder auf andere Weise abgetrennt werden, erweist es sich
auch hierbei als vorteilhaft, eine hydrophobe Flüssigkeit, wie eine Erdölfraktion
oder ein Pflanzenöl
zu verwenden, da diese Substanzen eine Trennung der Eisperlen voneinander
durch Zentrifugieren oder Abschleudern bei Temperaturen unterhalb
0°C erlauben.
Die hydrophoben Medien sind bei den herrschenden Temperaturen gefahrlos
handhabbar, selbst Kerosin und Petroleum. Weiter ist das Verfahren
besonders vorteilhaft, da nach Abtrennen des Produkts eine Rezyklierung
des hydrophoben Mediums möglich
ist, was das Verfahren aus ökologischer
und ökonomischer
Sicht vorteilhaft gestaltet. BEZUGSZEICHENLISTE
| 1 | Vorrichtung
zur Herstellung von wirkstoffhaltigen Eisperlen |
| 2 | Aufnahmegefäß Strömungsreaktor |
| 2', 2'', 2''' | Aufnahmeabschnitt,
Strömungsabschnitt,
Auslassabschnitt |
| 3 | Pipettiervorrichtung |
| 4 | Gefäß für wässriges
Wirkstoffgemisch |
| 4' | Gefäßwandung |
| 5, 5' | Kanüle/Auslassröhrchen,
Auslassende |
| 6 | Trichterförmige Sammlervorrichtung |
| 7 | Entnahmevorrichtung |
| 8 | Absaugstutzen |
| 9 | Rückführung |
| 10 | Eisperlen |
| 11 | Wässriges
Wirkstoffgemisch |
| 13 | Schulter |
| 14 | Trennring |
| 14' | Ringspalt |
| 15 | Einfüllraum |
| 15' | Luftspalt |
| 16 | Zentrifuge |
| 16' | Aufnahmegefäß |
| 17, 17' | Stauplatte,
Drehachse |
| 18 | Kühlvorrichtung |
| 19 | Zuführleitung |
| 19' | Ablaufstutzen |
| 20 | Hydrophobe
Flüssigkeit |
| 20' | Oberfläche |
| 21 | Flansch |
| 102 | Aufnahmegefäß Strömungskanal |
| 102', 102'', 102''' | Aufnahmeabschnitt,
Strömungsabschnitt,
Auslassabschnitt |
| a,
b | Fluidpfad
von Wirkstoffgemisch, hydrophober Flüssigkeit |