DE2725849A1

DE2725849A1 - Vorrichtung zur herstellung von kugelfoermigen teilchen

Info

Publication number: DE2725849A1
Application number: DE19772725849
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl Chem Kadner; Gerald Kunschke
Original assignee: Hobeg Hochtemperaturreaktor Brennelement GmbH
Current assignee: Hobeg Hochtemperaturreaktor Brennelement GmbH
Priority date: 1977-06-08
Filing date: 1977-06-08
Publication date: 1978-12-21
Also published as: DE2725849C3; CH629115A5; DE2725849B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur herstellung von
sphärischen Teilchen mit einem Durchmesser zwischen 50 und 2500 /um aus Stoffen mit niedrigen Schmelzpunkten oder aus in Wasser oder organischen Lösungsmitteln gelösten Substanzen, die in Tropfen umgewandelt und verfestigt werden.
Diese Stoffe können als Trägermaterialien für pharmazeutische Wirkstoffe dienen und sollen zu diesem Zweck wegen der geforderten definierten Abgaberate des Wirkstoffes zweckmässigerweise Kugelform haben. Für die verschiedensten therapcutischen ecke ist die Anwendung einer Vielzahl von Wirkstoffen mit unterschiedlicher Konzentration in der Trägersubstanz möglich. Aber auch die Trägersubstauzen können einem breiten Spektrum von Stoffen, meist organisch-chmischen Verbindungen, angehörcn und unterschiedliche Sigenschaften haben. Da viele Wirkstoffe bereits in geringsten Mengen wirksam sind, besteht neben dem Bedarf an grossen Kügclchen von etwa 1000 /um auch ein solcher an kleinen Kügelchen von 300 - 400 /um, jeweils Init unterschiedlichen Wirkstoffgehalten beispielsweise zwischen 1 und 10 Gew.%.
Da die Dichte der Trägermaterialien meist sehr niedrig ist und bei oder unter 1 g/cm3 liegt, und kugelförmige Teilchen der geforderten kleinen Durchmesser somit nur wenig wiegen (Bereich 10 - 500 µg), besteht die Forderung nach einer Vorrichtung zur Ilerstcllung von uniformen kugelnförmigen Teilchen mit grossen Durchsatz aiis niedrigsehmelzenden Substanzen oder aus in Wasser oder organischen Lösungsmitteln gelösten Stoffen.
Die bisher verwendeten Verfahren und Vorri cht'ngen zur Herstellung kugelförmiger Teilchen sind für den genannten Verwendungszweck wenig geeignet. So ist bei den Verfahren zur Herstellung von Metallkügelchen, z.B. von Schroticörnern durch Abtropfen einer Schmelze durch ein Sieb, zwar ein hoher Durchsatz gewährleistet, die Kugelgestalt und ein enges Kornspektrum sind jedoch ungefriedigend. Ausserdem ist diese Anordnung nicht anwendbar, wenn die Forderung besteht, Tropfen durch chemische Umwandlung zu kugelförmigen Teilchen zu verfestigen. Im Prinzip gilt das gleiche für Anordnungen und Vorrichtungen, bei denen Flüssigkeiten versprüht werden. Beispielsweise ist die Sprühtrocknung ungeeignet, um Teilchen definierter Grösse mit engem Kornspektrum zu erzeugen.
Das einfache Abtropfen einer Flüssigkeit aus einer Diise oder Kapillare führt zwar zu uniformen Tropfen bzw. kugelförmigen Teilchen,ist aber im allgemeinen auf die Erzeugung relativ grosser Teilchen beschränkt. Ausserdem können mit solchen Vorrichtungen grosse Durchsätze von beispielsweise 1000 bis 2000 und mehr Teilchen je Sekunde nicht erzielt werden.
Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Herstellung von kugelförmigen Teilchen mit einem Durchmesser zwischen 50 und 2500 µm und engem Kornspektrum aus niedrigschmelzenden Substanzen oder aus in Wasser oder organischen Lösungsmitteln gelösten dispergierten oder emulgierten Stoffen zu finden, die hohe Durdisätze, eine gleichmässige Teilehengrösse und eine möglichst exakte Kugelform ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch Verwendung einer Vorrichtung gelöst, die im wesentlichen aus einem Vorratsbchälter für dle Ausgangsflüssigkeit, einer darunter befindlichen Ausflussdüse zur Tropfenerbeugung und einen gegebenenfalls mit (asdiisen bestückten Fa allrohr mit Sammelbehälter für die verfestigten Teilchen besteht, wobei erfindungsgemäss der Vorratsbehälter über einen flexiblen elastischen Schlauch mit engem Querschnitt, der von der Metallführung eines elektromagnetischen Vibratorsystems umgeben ist, mit der Ausflussdüse verbunden ist und der zwischen Vorratsbehälter und Ausflussdüse ununterbrochene Schlauch sich ohne Ausbildung eines Hohlraumes auf der Innenseite der Ausflussdiise eng anlegen muss.
Eine besonders vorteilhafte Ausfiihrungsform der erfindungsemässen Vorrichtung ist schematisch in der Abbildung dargestellt.
Die Vorrichtung besteht aus einem Vorratsbehälter (1), einer Feindosiereinrichtung (4), beispielsweise aus einem Rohrfutter, einer Ausflussdüse (9), die mit dem Vorratsbehälter (1) durch eine Schlauchleitung (5) verbunden ist, einem elektron1agnetisehen Vibratorsystem (6) und einem mit einer Luftstrahldüse (11) versehenen Fallrohr (14) als Verfestigungsstrecke mit einem Auffangbehälter für die sphärischen Teilchen.
Der Vorratsbehälter (1) für die in Kugeln umzuwandelnden Substanzen ist zwecltmässigerweise doppelwandig ausgeftilirt und isoliert, um ihn über Zu- (13) und Abführungsleitungen (15) mit einem Heizmediums thermostatisieren zu können. Dadurch wird crreicht, dass Schmelzen flüssig gehalten werden und dass die für die Tropfenerzeugung günstigste Viskosität eingestellt werden kann. Der Vorratsbehälter (1) ist beispielsweise bis 5 bar druckfest ausgefiihrt und zur Verarbeitung von Emulsionen und Dispersionen mit einem Schneckenrührer (2) versehen. Die Welle (17) ist gasdicht durch den Behälterdeckel (16) geffihrt und wird über ein stufenlos regelbares Getriebes mit einem Motor angetriel)en.
Die Umdrehungszahl ist zwischen 10 und 1500 Umdrehungen pro Minute einstellbar. Der Schneckenrührer (2) reicht bis an den untersten Punkt des konisch zulaufenden Behälterbodens (18) und verhindert durch die Rührbewegung auch geringfügiges Absetzen dispergiertcr Stoffe. Mit diesem Schneekenrührer ist es beispielsweise schon bei 250 Upm möglich, Schmelzsuspensionen homogen zu halten.
Am Badenablauf des Vorratsbehälters (1) befindet sich eine Kanüle (3) von 1 bis 3 mm Innendurchmesser und 0,5 mm Wandstärke, über die ein flexibler Schlauch (5) von engem Querschnitt gezogen ist. Der enge Rohr- und Schlauchquerschnitt von 0,5 bis 3 mm ist erforderlich, um eine ausreichende Fliessgeschwindigkeit in den Bereichen zu erzeugen, die von der Rührwirkung nicht mehr erfasst werden, um Sedimentations- und Verstopfungserscheinungen zu verhindern. Die Fliessgeschwindigkeit im Schlauch solltc wenigstens 1 cm/s betragen und 1 m/'s nicht überschreiten, weil sonst die Tropfenbildung gestört wird. Gleichzeitig bewirkt eine hohe Flie ssgeschwiudigkei t, dass Luftblasen, die ebenfalls ungünstigen Einfluss auf die Tropfenbildung ausüben, sich nicht ansammeln können.
Die Schlauchleitung (5) stellt die Verbindung zwischen Kanüle (3) und Ausflussdüse (9) her und besteht vorzugsweise aus einem flexiblen, wärmebeständigen Kunststoff. I)er Schlauch ist an beiden Enden so befestigt, dass keine toten Ecken und Winkel vorhallden sind, in denen sich Feststoffe absetzen oder Gasblasen ansammeln können, die zu Verstopfungen oder Iunktionsstörungen fiihren.
Als besonders zweckmässig hat es sich erwiesen, dass der flexible Schlauch zwischen der Kanüle (3) des Vorratsbehälterbodens (17) und der Ausflussdüse (9) innerhalb der Metallführung des Vibratorsystems (6) in einem ununterbrochenen Stück verhanden ist. Bei dieser Anordnung besteht die geringste Verstopfungsgefahr bei Verwendung von Suspensionen mit hohem Fcststoffanteil. Um ein Verstopfen der Düse (9) beim Verarbeiten von Schmelzen zu verhindern, wird die Flüssigkeit durch den Wärmetauscher (10) vor der Düse gegebenenfalls nochmals temperiert.
Um Verstopfungen auch bei kleinsten Durchflüssen von 1 ml/min zu vermeiden, wurde als Absperrorgan für den Volumenstrom am Vorratsbehälterausgang vorteilhafterweise eine Schlauchquetschvorrichtung in Form eines Bohrfutters (4) mit drei oder vier Backen verwendet, mit dem durch Änderung des Schlaucliquer schni ttes die Durchflussmenge feinreguliert wird. Die Grobeinstellung erfolgt mittels Pressluftdruckes auf den Vorratsbehälter (1), der über einen Feindruckregler und einer Gaszuführung (12) gesteuert wird.
Ein wesentlicher Teil der erfindungsgemässen Vorrichtullg besteht aus dem elektromagnetischen Vibratorsystem (6), das auf der einen Seite eine mechanische Anpressvorrichtung (7) und imZentrum den flexiblen Kunststoffschlauch (5) enthält, durch den die in Tropfen umzuwandelnde Flüssigkeit fliesst. Über ein Netzgerät mit Verstärkerteil wird ein Elektromagnet zu Schwingungen angeregt, die vom Weicheisenkern direkt auf den Schlauch übertragen werden. Die mechanische Anpressvorrichtung (7) besteht im wesentlichen aus einem Zylinderkörper mit planer Stirnflache, die gegen den Schlauch (5) drückt. Die Feineinstellung des Druckes erfolgt mittels einer Schraube (19), die Arretierung durch eine weitere Schraube (8).
Durch die auf die Schlauchwand übertragenen Schwingungen wird die durch den Schlauch fliessende Flüssigkeit in Schwingungen versetzt, wodurch der aus der Düse (9) ausfliessende Flüssigkeitsstrahl im Gleichmass der Schwingungen Tropfen bildet. Erfindungsgemäss lässt sich die lvrequenu. je nach Bedarf zwischen 50 und 2500 hertz regeln und unabhängig davon auch die Amplitude.
Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung werden asymmetrische Schwingungen in Sinus- oder Sägezahnform erzeugt und transversal auf die Schlauchwand übertragen. Dabei fliesst die Flüssigkeit mit konstanter Geschwindigkeit durch den Schlauch (5) und aus der Düse (9) aus.
Die Anpresskraft an den Schlauch wird mittels Rinsiellschrauoe (19) präzise abgestimmt, und zwar so, dass je Schwingung ein diskreter Tropfen entstaht, was mit Hilfe einer Stroboskoplampe visuell kontrolliert werden kann. Unter diesen Bedingungen werden mit Hilfe der erfindungsgemässen Vorrichtung sowohl aus Lösungen und Emulsionen als auch aus Lösungs- und Sehmelzsuspensionen unterschiedlicher Zähigkeit und anderer rheologischer Eigenschaften je nach Bedarf unterschiedlich grosse, jedoch diskrete Tropfen gleichen Durchmessers und durch anschliessende Verfestigung uniforme kugelförmige Teilchen mit hohem Durchsatz erzeugt.
Bei Schmelzen mit Erstarrungspunkten oberhalb Raumtemperatur hat es sich als zweckmässig erwiesen, den flexiblen Xunststoffschlauch (5) auf der gesamten Länge durch einen Warmluftstrom zu beheizen.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn zur Beschleunigung der diskreten Tropfen in Fallrichtung eine Luftstrahldüse (11) am Fallrohr (19) angebracht wird, um ein Zusammenschmelzen oder -kleben während des Fallens zu vermeiden. Insbesondere bei hohen Frequenzen über 1000 IIz ist der Tropfenabstand sehr klein und beträgt nur etwa 1 mm und weniger. Geringe Störungen in Fallrichtung der Teilchen, z.B. durch Falschluft Querströmungen oder Turbulenzen, führen zu unterschiedliclieii Fallgesetiwindigkeiten und damit zum Zusammenschmelzen oder -kleben. Diese Erscheinung tritt praktisch immer bei längeren Fallstrecken auf, vorwiegend jedoch bei grossen Teilchen aus Schmelzen mit niedrigen Erstarrungspunkten, und hat eine starke Verbreiterung des Kornspektrums zur Folge. Dieser Nachteil wurde überraschenderweise durch die Anwendung der genannten Luftstrahldüse (11) beseitigt.
Die Luftstrahldüse (11) ist ein Hohlzylinder, der sich im Abstand von etwa 2 bis 30 cm unterhalb der Allsflussdüse (9) befindet und durch den die diskreten Tropfen nach Ausbildung der Kugelform fallen. Sie besteht aus zwei Kammern. Der Pressluftstrom aus der ersten Kammer wirkt zentral auf den Teilehenstrom in Fallrichtung ein, saugt ihn an und erteilt jedem Kügelchen eine vertikale Beschleunigung und vergrössert dadurch deren Abstand.
Der Pressluftstrom aus der zweiten Kammer bildet einen Mantelstrom um die Tropfenkette, richtet sie lotrecht aus und vcrhindert ein seitliches Ausbrechen der Teilchen. Durch Kühlung der Luft lässt sich der Erstarrungsvorgang bei Schmelzen beschleunigen.
Bei Schmelzen, die durch Wärmeentzug erstarren, ist es von besonderei Vorteil, wenn zur Verfestigung der Tropfen zu sphärischen Teilchen diese einen Kühlkanal durchfallen.
Der Kühlkanal besteht bei Substanzen mit Schmelzpunkten oberhalb 50°C im einfachsten Fall aus einer beispielsweise 2 m langen Luftfallstrecke von Raumtemperatur, Insbesondere bei grossen Tropfen und niedrigen Schmelzpunkten nahe Raumtemperatur ist der Klihikanal vorzugsweise ein 2 bis 4 m langes, senkrecht stehendes, bis auf -250C gekehltes Rohr von 10 - 40 cm Durchmesser.
In einer gekühlten Vorlage, beispielsweise in einer Tiefkühltruhe, werden die festen, kugelförmigen Teilchen aufgefangen.
Experimente haben ergeben, dass die Temperaturdifferenz zwischen Erstarrungstemperatur der Schmelze und der Kühltemperatur wenigstens 30°C betragen sollte. Vorteilhaft ist auch die Erzeugung einer leichten Turbulenz im Kühlkanal durch Ansaugen von Kaltluft am oberen Rohrende mittels Gebläse.
Bei Flüssigkeiten, die durch chemische Reaktionen verfestigt werden, ist es vorteilhaft, wenn im unteren Teil des Fallrohres (14) das Reaktionsmedium gas- oder dampfförmig über eine oder mehrere Düsen eingeführt wird.
L e e r s e i t e

Claims

Vorrichtung zur Herstellung von kugelförmigen Teilchen.

PATENTANSPRÜCHE Gl Vorrichtung zur Herstellung von kugelförmigen Teilohen mit einem Durchmesser zwischen 50 und 2500 µm und engem Kornspektrum aus niedrigschmelzenden Substanzen oder aus in Wasser oder organischen Lösungsmitteln gelösten, dispergierten oder emulgierten Stoffen, gegebenenfalls mit Zusatzstoffen in gelöster, emulgierter oder dispergierter Forn, durch Umwandlung der Schmelzen bzw. Flüssigkeiten in Tropfen und Verfestigung zu sphärischen Teilchen, im wesentlichen bestehend aus einem Vorratsbehälter für die Ausgangsflüssigkeit, einer darunter befindlichen Ausflussdüse zur Tropfenerzeugung und einem gegebenenfalls mit Gasdüsen bestückten Fallrohr mit Sammelbehälter für die verfestigten Teilchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsbehälter (1) über einen i?exiblen, elastischen Schlauch (5) mit engem Querschnitt, der von der MetailfUhrung eines elektromagnetischen Vibratorsystems(6) umgeben ist, mit der Ausflussdüse (9) verbunden ist, wobei der zwischen Vorratsbehälter (1) und Ausflussdüse (9) nicht unterbrochene Schlauch (5) ohne Ausbildung eines Hohlraumes auf der Innenseite der Ausflussdüse (9) dicht anliegen muss, und dass die Schlauchwand mit Hilfe eines elektromagnetischen Vibratorsystems (6) in Schwingungen versetzt wird, die sich auf die strömende Flüssigkeit übertragen, und die Erzeugung unifomcr Tropfen durch den Anpressdruek des Zylinderkörpers (7) auf die Schlauchwand mittels Stellschraube (19) gesteuert und mittels Stroboskoplampe visuell kontrolliert wird, so dass die Tropfenzahl je Sekunde mit der eingestellten Frequenz übereinstimmt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsbehälter (1) mit einer Gaszuführungsleitung (12) zur Ausbildung eines konstanten Überdrucks versehen, zwecks Temperierung; der Flüssigkeit doppelwandig ausgeführt und mit Zu- (13) und Abführungsleitungen (15) für das Ileizmedium versehen ist.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsbehälter (1) mit einem Schneckenriihrer (2) versehen ist, der im Bereich von 10 bis 1500 Umdrehungen pro Minute regelbar ist.
4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als flexible Schlauchverbindung (5) zwischen Vorratsbehälter (1) und Ausflussdüse (9) ein wärmebeständiger Polyäthylen- oder Sililçonschlauch mit engem Querschnitt von 0,5 bis 7 mm lichter Weite verwendet wird, dessen Querschnitt mittels einer Feindosiereinrichtung (4) feinreguliert werden kann.
5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des elektromagnetischen Vibratorsystems (6) zwischen 50 und 2500 Hz regelhar und unabhängig davon die Amplitude auf den eingestellten Volumenstrom abstimmbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Abstand von 2 bis 30 cm unterhalb der Ausflussdüse (9) eine Luftstrahldüse (11) am Fallrohr (14) angeordnet ist, die die diskreten Tropfen in Fallrichtung beschleunigt.
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gennzeichnet, dass die Luftstrahldüsc (11) als Hohlzylinder ausgebildet ist und aus zwei Kammern besteht, aus denen jeweils ein Gasstrom in Fallrichtung der Tropfen aus tritt.
8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, adurch gekennzeichnet, dass der untere Teil des Fallrohres (4) gekühlt ist.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekenr.-zeichnet, dass bei Flüssigkeitstropfen, die durch chemische Reaktion verfestigt werden, im unteren Teil des Fallrohres (14) das Reaktionsmedium gas- oder dampfförmig über eine oder mehrere Düsen eingeführt wird.