DE19845126A1

DE19845126A1 - Verfahren zur Tropfenbildung

Info

Publication number: DE19845126A1
Application number: DE1998145126
Authority: DE
Inventors: Martin Reuter
Original assignee: Marco Systemanalyse und Entwicklung GmbH
Current assignee: Marco Systemanalyse und Entwicklung GmbH
Priority date: 1998-09-30
Filing date: 1998-09-30
Publication date: 2000-04-06
Also published as: AU6198599A; WO2000018501A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Tropfenbildung wird eine Substanz durch eine Führung bewegt, die in mechanische Schwingungen versetzt wird, wodurch die Substanz am Auslaß in Tropfenform abgeschüttelt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren oder eine Vorrichtung zur Tropfenbildung, insbesondere von schwer zerstäubbaren Substanzen.

Das Verpressen von pulverförmigen Substanzen ist ein Produktionspro zeß, der u. a. in der pharmazeutischen Industrie sowie in der keramischen Industrie eine wichtige Rolle spielt. Im pharmazeutischen Bereich ist das Preßprodukt zumeist eine fertige Tablette, während auf dem Gebiet der Keramik das Verpressen der Ausgangsstoffe eine Vorstufe des nachfolgen den Sinterprozesses ist. Im Preßling sollen verschiedene feste Stoffe in einem wohldefinierten Verhältnis gut vermischt vorliegen. Um hierbei auch bei kleinen Mengen das Verhältnis der Mischungsbestandteile in engen Toleranzen halten zu können, müssen die Stoffe zu sehr kleinen Partikeln mit Dimensionen von einigen µm zermahlen sein. Es ist jedoch schwierig, staubartige Pulver verlustfrei zu handhaben und dabei eine Entmischung zu vermeiden. Ferner ergeben viele Mischungen auch bei hohen Preßdrücken ohne Zugabe von Bindemitteln keinen in sich haft fähigen Preßling. Auch lassen sich sehr feinkörnige Pulver wegen hoher Reibungskräfte an den Kornoberflächen kaum porenfrei zu einem homo genen Körper verpressen.

Aus diesen Gründen wird nach dem Feinmahlen und Vermischen bei der artigen Prozessen ein Zwischenprozeß, nämlich das Granulieren, einge schaltet. Ziel dieses Prozesses ist ein gut rieselfähiges Pulver mit Körnern in der Dimension von einigen 1/10-mm, in denen bereits das gewünschte Stoffverhältnis vorliegt. Hierbei wird durch Bindemittel erreicht, daß kornartige Agglomerate (Sekundärkorn) gebildet werden.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Granulierverfahren, wie beispielsweise Sprühgranulieren, Pelletieren, Komprimierungsgranulieren oder Extrudieren bekannt, die verschiedene Vor- und Nachteile aufweisen.

Sowohl auf dem Gebiet der Keramikherstellung wie auch im Bereich der Pharmazie gibt es Mischungen, die sich nur unter großen Schwierigkeiten oder überhaupt nicht granulieren lassen. Ein Beispiel aus der Pharmazie ist eine Mischung aus Stärke, hohem Milchzuckeranteil, organischem Bindemittel und Wirkstoffen. Hierbei wird sowohl aus Wirtschaftlichkeits gründen wie auch um eine Entmischung zu vermeiden, der Wasseranteil so gering wie möglich gehalten. Als Ergebnis erhält man eine pastenartige Suspension, die sich rheopex verhält. Mit Rheopexie bezeichnet man bei zähen Flüssigkeiten die Erscheinung, daß bei Zunahme von Scher spannungen (z. B. durch Anwendung von Druck oder Rühren) das Fließ vermögen abnimmt. Der gegenteilige Effekt ist bei thixotropen Flüssigkei ten der Fall. Der Effekt der Rheopexie ist insbesondere bei Suspensionen mit hoher Konzentration von Makromolekülen oder feinen Teilchen zu beobachten. Hierbei wurde festgestellt, daß Druck oder Bewegung zu einer Verdrängung der Flüssigkeitskomponente aus den Zwischenräumen zwischen den Teilchen führt, was einen Anstieg der inneren Reibung bewirkt. So ist es beispielsweise bei der oben erwähnten, wasserarmen Mischung nicht möglich, die Paste durch feine Düsenkanäle zu drücken.

Ein Fließen der Masse wird grundsätzlich nur als langsamer Vorgang unter dem Einfluß von Schwerkraft beobachtet.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen insbesondere schlecht oder gar nicht aus Düsen zu zerstäubende, insbesondere rheopexe Flüssigkeiten in einem kontinuierlichen Prozeß zu Tropfen geformt werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.

Erfindungsgemäß wird die wegen der Oberflächenspannung zum Zerteilen in kleine Tröpfchen erforderliche Energie nicht durch Druck, sondern mittels mechanischer Vibration eingebracht. Erfindungsgemäß wird die Substanz zur Tropfenbildung durch eine Führung bewegt, die mit einem Einlaß und einem Auslaß versehen ist, wobei die Führung direkt oder indirekt in mechanische Schwingungen versetzt wird, so daß die Substanz am Auslaß in Tropfenform abgeschüttelt wird. Insbesondere durch hoch frequente Schwingungsanregung läßt sich die Führung bzw. der Auslaß der Führung stark positiv und negativ beschleunigen, so daß die zum Zerteilen der Substanz in kleine Tropfen erforderliche Energie eingebracht werden kann.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung, den Zeichnungen sowie den Unteransprüchen beschrieben.

Nach einer ersten vorteilhaften Ausführungsform können die mechani schen Schwingungen im Bereich des Einlasses in die Führung eingeleitet werden. Dies hat den Vorteil, daß die Führung selbst, die eine bestimmte Erstreckung aufweist, als Hebel wirkt, so daß insgesamt die Führung als Schwingungskörper eingesetzt werden kann, wodurch sich der Hub am Auslaß vergrößern läßt.

Auch ist es vorteilhaft, wenn die Führung um eine Achse schwingt, die etwa rechtwinklig zu einer Längserstreckung der Führung verläuft. Insbesondere wenn diese Achse im Bereich des Einlasses vorgesehen ist, wirkt die gesamte Führung als elastischer Schwingungskörper.

Eine Schwingungsfrequenz in der Größenordnung von etwa 0,5 bis 5 kHz hat sich als vorteilhaft herausgestellt. Hierbei ließen sich im Bereich des Auslasses Hübe zwischen 0,5 und 1 mm bei Anregungsfrequenzen zwischen 2 kHz und 1 kHz erzeugen.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Führung sich verjüngend ausgebildet ist, da in diesem Fall die Substanz unter dem Einfluß der Schwerkraft langsam aus der Führung herausbewegt werden bzw. herausströmen kann. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Substanz in der Führung lediglich mittels Schwerkraft bewegt wird, da dies den Eigen schaften der rheopexen Substanzen entgegenkommt. Prinzipiell fließen diese Substanzen unter Ultraschalleinwirkung besser. Es läßt sich also auch Ultraschall zur Unterstützung des Fließens einsetzen. Grundsätzlich ist es natürlich auch möglich, Substanzen durch die Führung zu pumpen.

Um die erfindungsgemäß erzeugten Tropfen zu einem Granulat zu ver arbeiten, können die gebildeten Tropfen in einen heißen Luftstrom gege ben werden, wodurch aus diesen Granulatkörner gebildet werden.

Als ein besonders vorteilhafter Schwingungserzeuger hat sich ein piezoelektrisches Antriebselement herausgestellt, insbesondere ein Antriebselement, das aufgrund seines Aufbaus ein Kippmoment erzeugt. Besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist ein Aktuatorelement, wie es in dem deutschen Patent 196 46 511.7 beschrieben ist. Der Inhalt dieses Patents wird hiermit ausdrücklich zum Gegenstand der Offenbarung dieser Anmeldung gemacht.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand vor teilhafter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform zur Tropfenerzeugung;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungs form zur Tropfenerzeugung; und

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des Austritts einer Führung.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform zur Tropfenbildung, insbesondere für rheopexe Substanzen. Bei dieser Aus führungsform ist eine Führung in Form eines sich verjüngenden Rohres 10 vorgesehen, das beidseitig abgeflacht ist. Die Austrittsöffnung 12 des Rohres 10 ist somit schlitzartig ausgebildet.

Das Rohr 10 ist an einem Antriebskopf 14 befestigt, in den eine Zuführ leitung 16 mündet. Durch die Zuführleitung 16 kann die gewünschte Substanz in den Antriebskopf 14 geführt werden. Von dort fließt die Substanz in den Einlaß des Rohres 10 und von dort zur Austrittsöffnung 12 des Rohres 10.

Der Antriebskopf 14 ist über ein piezoelektrisches Antriebselement 18 mit einer Grundplatte 20 verspannt, wobei als Spannmittel zwei Bolzen 22 dienen. Durch Ansteuern des Antriebselementes 18 mit einer Wechsel spannung kontrahieren sich die beiden Teilstapel 18a und 18b des An triebselementes 18 abwechselnd gegensinnig, wodurch auf den Antriebs kopf 14 ein Kippmoment ausgeübt wird. Diese Kippbewegung wird auf das Führungsrohr 10 übertragen, so daß die Austrittsöffnung 12 bzw. der Auslaß 12 in der dargestellten Pfeilrichtung in Schwingung versetzt wird. Durch die Längserstreckung des Führungsrohres 10 wird dabei der erreichbare Hub im Bereich der Austrittsöffnung 12 vergrößert.

Um schwer zerstäubbare, insbesondere rheopexe Substanzen in Tropfen form zu bringen, wird die Zuführleitung 16 mit einem Vorratsgefäß ver bunden, wodurch die Masse unter dem Einfluß von Schwerkraft langsam durch die Zuführleitung 16 und das Führungsrohr 10 quillt. Durch Ansteuern des Antriebselementes 18 mit einer hochfrequenten Wechsel spannung im Bereich von 0,5 bis 5 kHz wird das Führungsrohr 10 in Kippschwingungen versetzt, wodurch im Bereich der Austrittsöffnung 12 einzelne Tropfen 24 abgeschüttelt werden.

Die Zuführleitung 16 kann elastisch mit dem Antriebskopf 14 verbunden sein oder aufgrund dünner Wandstärke in sich elastisch sein, so daß eine Schwingungsübertragung auf die Zuführleitung 16 vermieden ist.

Die Größe der entstehenden Tropfen läßt sich durch den Öffnungsquer schnitt, die Schwingungsfrequenz, der Hub, der feuchte Gehalt sowie die Länge des Führungsrohres und durch die Gestaltung des Öffnungsrandes der Austrittsöffnung 12 beeinflussen.

Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung der Austrittsöffnung 12' einer alternativen Ausführungsform eines Führungsrohres 10'. Wie zu erkennen ist, ist dort der Austrittsrand mit Zähnen 26', 28' versehen, wobei die Zähne 26' auf einer Seite der schlitzartigen Austrittsöffnung 12' versetzt zu den Zähnen 28' auf der anderen Seite der Austrittsöffnung 12' ange ordnet sind, d. h. die Zähne stehen auf Lücke. Durch eine derartige Ausge staltung läßt sich der Wirkungsgrad bei der Tröpfchenbildung erhöhen.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vor richtung, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Bei dieser Ausführungsform ist die Führung für die Substanz als Rinne 11 ausgebildet, die an ihrer Oberseite offen ist und an ihrem vorderen Ende eine Austrittsöffnung 12 bildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das vordere Ende der Rinne 11 bzw. die Austrittsöffnung 12 ebenfalls in Pfeil richtung in Kippschwingungen versetzt, indem das Antriebselement 18 hochfrequent angesteuert wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Zuführung ebenfalls durch eine Zuführleitung 16 über den Messerkopf 14. Alternativ ist es jedoch auch möglich, die Substanz durch einfaches Austropfen aus einem Gefäß in die Rinne zu führen, damit am Ende der Rinne die Substanz in Tropfen abgeschüttelt werden kann. Auch ist es möglich, die Austrittsöffnung 12 der Rinne vergleichbar zu der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform zu gestalten.

Um für eine Granulatbildung feuchte, rundliche Partikel mit einem Durchmesser von ca. 100 µm bis 300 µm zu erhalten, können die erfin dungsgemäß erzeugten Tropfen in heißer Luft in relativ kurzer Flugstrecke so getrocknet werden, daß sie als festes Agglomerat am Boden des Trocknungsturms auftreffen. Bei einem Austrittsquerschnitt von wenigen mm² bei einer Vibrationsfrequenz in der Größenordnung von 1 kHz bis 5 kHz können Amplituden von einigen 0,1 bis 2 mm erreicht werden.

Bezugszeichenliste

10

,

10

' Führungsrohr

11

Rinne

12

,

12

' Austrittsöffnung

14

Antriebskopf

16

Zuführleitung

18

Antriebselement

18

a,

18

b Teilstapel

20

Grundplatte

22

Bolzen

24

Tropfen

26

',

28

' Zähne

Claims

1. Verfahren zur Tropfenbildung, insbesondere von schwer zerstäub baren Substanzen, wobei

- die Substanz durch eine Führung bewegt wird, die mit einem Einlaß und einem Auslaß versehen ist; und
- die Führung direkt oder indirekt in mechanische Schwingungen versetzt wird, so daß die Substanz am Auslaß in Tropfenform abgeschüttelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Schwingungen im Bereich des Einlasses in die Führung eingeleitet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung um eine Achse in Schwingung versetzt wird, die etwa rechtwinklig zu einer Längserstreckung der Führung verläuft.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Schwingungen eine Schwingungsfrequenz in der Größenordnung von etwa 0,5 bis 10 kHz aufweisen.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß in Schwingungen mit einer Amplitude von etwa 0,1 bis 5 mm versetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz in der Führung sich verjüngend geführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz in der Führung mittels Schwerkraft bewegt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz in der Führung mittels Schwerkraft und/oder Pumpen und/oder Ultraschall bewegt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine rheopexe Substanz verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gebildeten Tropfen in einen heißen Luftstrom gegeben werden, wodurch aus diesen Granulatkörner gebildet werden.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schwingungserzeuger zumindest ein piezoelektrisches Antriebs element verwendet wird.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vor stehenden Ansprüche mit

- einer Führung (10, 10', 11), die einen Substanzeinlaß und einen Substanzauslaß (12, 12') aufweist; und
- einen der Führung zugeordneten Schwingungserzeuger (18).

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung (10, 10', 11) sich verjüngend ausgebildet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Substanzauslaß (12') mit Tropfenbildungselementen, insbeson dere Zacken oder Zähnen (26', 28'), versehen ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungserzeuger ein piezoelektrisches Antriebselement (18) ist, insbesondere ein Antriebselement, das ein Kippmoment erzeugt.