DE2725849C3

DE2725849C3 - Vorrichtung zur Herstellung von kugelförmigen Teilchen

Info

Publication number: DE2725849C3
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: 1980-11-13
Also published as: DE2725849A1; CH629115A5; DE2725849B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von kugelförmigen Teilchen mit einem Durchmesser zwischen 50 und 2500 μηι und engem Kornspektrum aus niedrigschmelzenden Substanzen oder aus in Wasser oder organischen Lösungsmitteln gelösten, dispergierten oder emulgierten Stoffen durch Umwandlung der Flüssigkeiten in Tropfen und Verfestigung zu kugelförmigen Teilchen, bestehend aus einem Vorratsbehälter für die Ausgangsflüssigkeit, einer darunter befindlichen Ausflußdüse zur Tropfenerzeugung, einem Vibratorsystem und einem Fallrohr mit Sammelbehälter für die verfestigten Teilchen. Solche 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 therapeutischen Zwecke ist die Anwendung einer Vielzahl von Wirkstoffen mit unterschiedlicher Konzentration in der Trägersubstanz möglich. Aber auch die Trägersubstanzen können einem breiten Spektrum von Stoffen, meist organisch-chemischen Verbindungen, angehören und unterschiedliche Eigenschaften haben. Da viele Wirkstoffe bereits in geringsten Mengen wirksam sind, besteht neben dem Bedarf an großen Kügelchen von etwa 1000 μπι auch ein solcher an kleinen Kügelchen von 300—400 μΐη, jeweils mit 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—500μg), besteht die Forderung nach einer Vorrichtung zur Herstellung von uniformen kugelförmigen Teilchen mit großem Durchsatz aus niedrigschmelzenden Substanzen oder aus in Wasser oder organischen Lösungsmitteln gelösten Stoffen.

Die bisher verwendeten Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung kugelförmiger Teilchen sind für den genannten Verwendungszweck wenig geeignet So ist bei den Verfahren zur Herstellung von Metallkügelchen, z. B. von Schrotkörnern durch Abtropfen einer Schmelze durch ein Sieb, zwar ein hoher Durchsatz gewährleistet, die Kugelgestalt und ein enges Kornspektrum sind jedoch unbefriedigend. 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 den;n Flüssigkeiten versprüht werden. Beispielsweise ist die Sprühtrocknung ungeeignet, um Teilchen definierter Größe mit engem Kornspektrum zu erzeugen.

Das einfache Abtropfen einer Flüssigkeit aus einer Düse oder Kapillare führt zwar zu uniformen Tropfen bzw. kugelförmigen Teilchen, ist aber im allgemeinen auf die Erzeugung relativ großer Teilchen beschränkt. Außerdem können solche Vorrichtungen große Durchsätze von beispielsweise 1000 bis 2000 und mehr Teilchen je Sekunde nicht erzielt werden.

Die DE-PS 8 63 660 beschreibt eine Vorrichtung zur Herstellung von Granulaten durch Ausfließenlassen einer geschmolzenen Masse durch ein Sieb, das durch eine Vibrationseinrichtung in Schwingungen versetzt wird. Mit dieser Vorrichtung erhält man aber weder eine gleichmäßige Tropfengröße noch eine exakte Kugelform.

Weiterhin ist eine Vorrichtung bekannt (DE-OS 15 42 093), bei der gleich große Teilchen erzeugt werden können durch Einbringen eines periodisch gestörten Flüssigkeitsstrahls in ein strömendes Gas, wobei die periodische Störung durch einen Schallrüssel hervorgerufen wird, der einen zentralen Düsenkanal enthält. Mit dieser Vorrichtung lassen sich allerdings keine exakten Kugelformen herstellen, die Tropfengröße ist nicht exakt einstellbar und der Flüssigkeitsstrom neigt im Schallrüssel bei der Verarbeitung von Suspensionen und Emulsionen zur Entmischung.

In der GB-PS 12 66 874 wird zur Herstellung von Granalien die über einem Düsenkopf stehende Schmelze durch eine eingetauchte Schwingplatte in Schwingungen versetzt, die senkrecht zur Düsenachse verlaufen. Eine gleichmäßige Tropfenbildung ist mit dieser Vorrichtung nicht zu erreichen.

In der US-PS 29 68 833 wird eine Vorrichtung zur Herstellung von Granalien aus Ammoniumnitrat beschrieben, bestehend aus einem Sprühturm und einer vibrierenden Düsenplatte. Auch hier ist eine gleichmäßige Tropfenbildung nicht erreichbar.

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Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Herstellung von kugelförmigen Teilchen mit einem Durchmesser zwischen 50 und 2500 μπι und engem Kornspektrum aus niedrigschmelzenden Substanzen oder aus in Wasser oder organischen Lösungsmitteln gelösten, dispergierten oder emulgierten Stoffen durch Umwandlung der Flüssigkeiten in Tropfen und Umwandlung zu kugelförmigen Teilchen zu finden, 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, die hohe Durchsätze, eine gleichmäßige Teilchengröße und eine möglichst exakte Kugelform ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Vorratsbehälter über einen flexiblen, elastischen nicht unterbrochenen Schlauch mit engem Querschnitt mit der Ausflußdüse verbunden ist, wobei der Schlauch von der Metallführung eines elektromagnetischen Vibratorsystems umgeben ist und ohne Ausbildung eines Hohlraumes auf der Innenseite der Ausflußdüse eng anliegt und das elektromagnetische Vibratorsystem zur Erzeugung uniformer Tropfen mit einem Zylinderkörper und einer Stellschraube ausgestattet ist

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist schematisch in der Abbildung dargestellt Die Vorrichtung besteht aus einem Vorratsbehälter (1), einer Feindosiereinrichtung (4), beispielsweise aus einem Bohrfutter, einer Ausflußdüse (9), die mit dem Vorratsbehälter (1) durcn eine Schlauchleitung (5) verbunden ist, einem elektromagnetischen 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 zweckmäßigerweise doppelwandig ausgeführt und isoliert, um ihn über Zu- (13) und Abführungsleitungen (15) mit einem Heizmedium thermostatisieren zu können. Dadurch wird erreicht, daß Schmelzen flüssig gehalten werden und daß die für die Tropfenerzeugufig günstigste Viskosität eingestellt werden kann. Der Vorratsbehälter (1) ist beispielsweise bis 5 bar druckfest ausgeführt und zur Verarbeitung von Emulsionen und Dispersionen mit einem Schneckenrührer (2) versehen. Die Welle (17) ist gasdicht durch den Behälterdeckel (16) geführt und wird über ein stufenlos regelbares Getriebe mit einem Motor angetrieben. Die Umdrehungszahl ist zwischen 10 und 1500 Umdrehungen pro Minute einstellbar. Der Schneckenrührer (2) reicht bis an den untersten Punkt des konisch zulaufenden Behäiterbodens (18) und verhindert durch die Rührbewegung auch geringfügiges Absetzen dispergierter Stoffe. Mit diesem Schneckenrünrer ist es beispielsweise schon bei 250 Upm möglich, Schmelzsuspensionen homogen zu halten.

Am Bodenablauf 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 Querschnit' ι -ogen ist. Der enge Rohrund Schlauchquerschnin von U,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 Flieiigeschwindigkeit im Schlauch sollte wenigstens 1 cm/s betragen und 1 m/s nicht überschreiten, w^:il sonst die Tropfenbil-

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65 dung gestört wird. Gleichzeitig bewirkt eine hohe Fließgeschwindigkeit, 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. Der Schlauch ist an beiden Enden so befestigt, daß keine toten Ecken und Winkel vorhanden sind, in denen sich Feststoffe absätzen oder Gasblasen ansammeln können, die zu Verstopfungen oder Funktionsstörungen führen. 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 vorhanden ist. Bei dieser Anordnung besteht die geringste Verstopfungsgefahr bei Verwendung von Suspensionen mit hohem Feststoffanteil. 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 Schlauchquerschnittes die Durchflußmenge feinreguliert wird. Die Grobeinstellung erfolgt mittels Preßluftdruckes auf den Vorratsbehälter (1), der über einen Feindruckregler und eine Gaszuführung (12) gesteuert wird.

Ein wesentlicher Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht aus dem elektromagnetischen Vibratorsystem (6), das auf der einen Seite eine mechanische Anpreßvorrichtung (7) und im Zentrum 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 Stirnfläche, 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 Frequenz 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 Einstellschraube (19) präzise abgestimmt, und zwar so, daß je Schwingung ein diskreter Tropfen entsteht, 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

Schmelzsuspensionen unterschiedlicher Zähigkeit und anderer Theologischer 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 Kunststoffschlauch (5) auf der gesamten Länge durch einen Warmluftstroni 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 Hz 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 unterschiedlichen Fallgeschwindigkeiten 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 Kornspektrurns 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—30 cm unterhalb der Ausflußdüse (9) befindet und durch den die diskreten Tropfen nach Ausbildung der ICugelform fallen. Sie besteht aus zwei Kammern. Der Preßluftstrom aus der ersten Kammer wirkt zentral auf den Teilchenstrom 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 verhindert 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 besonderem Vorteil, wenn zur Verfestigung der Tropfen zu sphärischen Teilchen diese einen Kühlkanal

ίο durchfallen.

Der Kühlkanal besteht bei Substanzen mit Schmelzpunkten oberhalb 50⁰C im einfachsten Fall aus einer beispielsweise 2 m langen Luftfallslrecke von Raumtemperatur. Insbesondere bei großen Tropfen und

!5 niedrigen Schmelzpunkten nahe Raumtemperatur ist der Kühlkanal vorzugsweise ein 2 bis 4 m langes, senkrecht stehendes, bis auf -25°C gekühltes 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 30⁰C 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 Fallrohrs (14) das Reaktionsmedium gas- oder dampfförmig über eine oder mehrere Düsen eingeführt wird.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhält man Teilchen aus niedrigschmelzenden Substanz, die exakte Kugelform und ein enges Kornspektrum besitzt und mit hohem Durchsatz herstellbar sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Herstellung von kugelförmigen Teilchen mit einem Durchmesser zwischen 50 und 2500 μπι und engem Kornspektrum aus niedrigschmelzenden Substanzen oder aus in Wasser oder organischen Lösungsmitteln gelösten, dispergierten oder emulgieren Stoffen, durch Umwandlung der Flüssigkeiten in Tropfen und Verfestigung zu kugelförmigen Teilchen, bestehend aus einem Vorratsbehälter für die Ausgangsflüssigkeit, einer darunter befindlichen Ausflußdüse zur Tropfenerzeugung, einem Vibratorsystem und einem gegebenenfalls mit Gasdüsen bestückten Fallrohr mit Sammelbehälter für die verfestigten Teilchen, dadurch gekennzeichnet, daßd£rVorratsbehälter (1) über einen flexiblen, elastischen, nicht unterbrochenen Schlauch (5) mit engem Querschnitt mit der Ausflußdüse (9) verbunden ist, wobei der Schlauch (5) von der Metallführung des elektromagnetischen Vibratorsystems (6) umgeben ist und ohne Ausbildung eines Hohlraumes auf der Innenseite der Ausflußdüse (9) dicht anliegt und das elektromagnetische Vibratorsystem (6) zur Erzeugung uniformer Tropfen mit einem Zylinderkörper (7) und einer Stellschraube (19) ausgestattet ist.

2. Vorrichtung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als flexible Schlauchverbindung (5) zwischen Vorratsbehälter (1) und Ausflußdüse (9) ein wärmebeständiger Polyäthylen- oder Silikonschlauch mit einem Querschnitt von 0,5 bis 3 mm lichter Weite verwendet wird und dessen Querschnitt mittels einer Feindosiereinrichtung (4) feinregulierl werden kann.

3. 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 Tropfen in Fallrichtung beschleunigt.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Teil des Fallrohres (14) gekühlt ist.