WO2005056169A1 - Method and device for producing monodispersed emulsions - Google Patents

Abstract

The invention relates to a method and device for producing monodispersed emulsions. The inventive device comprises a continuous phase supply (1) and a capillary (2) preferably a bundle of capillaries mainly disposed in a parallel direction to each other, a membrane wall permeable for a dispersion phase (4), a feeding space (3) for the continuous phase (5) which encompasses capillaries and is supplied with a pressure and a collecting tank (6) which the ends of the capillaries flow into.

Description

Verfahren undNorricfatung zur Erzeugung monodisperser EmulsionenProcess and standards for the production of monodisperse emulsions

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung monodisperser Emulsionen.The invention relates to a method and a device for producing monodisperse emulsions.

Emulsionen, d.h. Flüssig-Flüssig-Dispersionen, finden in vielen Bereichen Anwendung als End- oder Zwischenprodukte. Die Tropfengröße der Emulsion beeinflusst die relevanten Qualitätsmerkmale häufig in entscheidender Weise. Vielfach ist lediglich das Erzielen einer bestimmten mittleren Tropfengröße ausreichend; die Tropfengrößenverteilungen typischer, mit herkömmlichen Apparaten und Verfahren hergestellter Emulsionen, erstrecken sich dabei in der Regel über einen Bereich von ein bis zwei Zehnerpotenzen.Emulsions, i.e. Liquid-liquid dispersions are used in many areas as end or intermediate products. The drop size of the emulsion often has a decisive influence on the relevant quality characteristics. In many cases, only a certain average drop size is sufficient; The droplet size distributions of typical emulsions produced using conventional apparatus and processes generally extend over a range of one to two powers of ten.

In einigen Anwendungen ist es für das Erreichen der geforderten Produkteigenschaften darüber hinaus aber erforderlich, Tropfen sehr einheitlicher Größe mit nur wenigen Prozent Abweichung vom Mittelwert zu erzeugen. Ein nachträgliches Klassieren, wie bei dispersen Feststoffen, ist aufgrund der Deformierbarkeit der Tropfen und der oft nur geringen Dichteunterschiede der Phasen in Emulsionen nicht oder nur mit erheblichem Aufwand möglich. Zudem ist im Falle grobdisperser Systeme mit Tropfengrößen im Bereich einiger 100 μm die Handhabung zum Zweck der Aufarbeitung solcher Produkte aufgrund der geringen Dispersionsstabilität meist stark eingeschränkt.In some applications, however, to achieve the required product properties, it is also necessary to generate drops of a very uniform size with only a few percent deviation from the mean. Subsequent classification, as with disperse solids, is not possible or only possible with considerable effort due to the deformability of the drops and the often only slight differences in density of the phases in emulsions. In addition, in the case of coarsely disperse systems with droplet sizes in the range of a few 100 μm, handling for the purpose of processing such products is usually severely restricted due to the low dispersion stability.

Emulsionen werden meist erzeugt, indem man die disperse Phase mittels mechanischer Energie in der kontinuierlichen Phase verteilt und auf die gewünschte mittlere Tropfengröße zerkleinert und das System anschließend durch geeignete Additive stabilisiert. Beispiele für nach diesem Prinzip arbeitende Apparate sind Rührkessel, kontinuierlich betriebene Rotor- Stator- Anordnungen oder Hochdruck-Düsendispergiersysteme. Darüber hinaus existieren Verfahren, bei denen unmittelbar Tropfen der gewünschten Größe erzeugt werden und eine mechanische Weiterzerkleinerung entfällt. Hierzu zählen das Emulgieren mit Membranen bzw. mikrostrukturierten Systemen oder Strahlschneideverfahren. Die Gruppe der letztgenannten Verfahren hat den Nachteil, dass sich hohe Anteile an disperser Phase in der Regel nur im Bereich geringer Durchsätze erzielen lassen.Emulsions are usually produced by distributing the disperse phase in the continuous phase using mechanical energy and crushing it to the desired average drop size and then stabilizing the system with suitable additives. Examples of apparatuses operating on this principle are stirred tanks, continuously operated rotor-stator arrangements or high-pressure nozzle dispersion systems. In addition, there are processes in which drops of the desired size are produced immediately and mechanical further comminution is not required. This includes emulsifying with membranes or microstructured systems or jet cutting processes. The group of the latter methods has the disadvantage that high proportions of disperse phase can generally only be achieved in the range of low throughputs.

DüsendispergierungDüsendispergierung

Diese Systeme, meist als Hochdruckhomogenisatoren bezeichnet, sind vor allem geeignet, um sehr feϊnteilige Emulsionen im Bereich unterhalb von 10 μm herzustellen. Entsprechend dem zu Grunde liegenden Prinzip der Tropfenzerkleinerung durch hydrodynamische Effekte in der meist turbulenten Flüssigkeitsströmung werden keine monodispersen Systeme erhalten. Düsendisper^ giersysteme sind demnach mit dem Gegenstand der Erfindung nicht direkt vergleichbar (vergleiche SCHULTZ, S.; WAGNER, G.; ULRICH, J.: Hochdruckhomogenisation als ein Verfahren zur Emulsionsherstellung. Chem. Ing. Techn., 74(7); 2002. 901-909).These systems, usually referred to as high-pressure homogenizers, are particularly suitable for producing very fine-particle emulsions in the range below 10 μm. In accordance with the underlying principle of droplet size reduction due to hydrodynamic effects in the mostly turbulent liquid flow, no monodisperse systems are obtained. Nozzle dispersing systems are therefore not directly comparable with the subject matter of the invention (compare SCHULTZ, S .; WAGNER, G .; ULRICH, J .: High pressure homogenization as a process for the production of emulsions. Chem. Ing. Techn., 74 (7); 2002. 901-909).

Strahlschneidenjet cutting

Tropfen mit sehr enger Tropfengrößenverteilung lassen sich durch laminares Abtropfen erzeugen. Tropfengrößen von 0,5 bis 3 mm werden in technischen Anlagen, z.B. beim Prillen (Sprüherstarren) erzeugt. Die untere Tropfengrenze wird einerseits durch den Durchsatz, der bei gleichbleibender Tropfenfrequenz mit der dritten Potenz der Tropfengröße abnimmt, und andererseits durch den Bohrüngsdurchmesser der Düsenplatte begrenzt, der etwa gleich dem halben Tropfendurchmesser betragen muss. Bohrungen unterhalb 0,1 bis 0,5 mm neigen zu Verstopfungen, vor allem wenn nicht mit reinen Lösungen sondern mit hochviskosen Suspensionen gearbeitet wird.Drops with a very narrow drop size distribution can be produced by laminar dripping. Drop sizes of 0.5 to 3 mm are used in technical systems, e.g. generated when prilling (sprayer stare). The lower drop limit is limited on the one hand by the throughput, which decreases with the third power of the drop size at a constant drop frequency, and on the other hand by the bore diameter of the nozzle plate, which must be approximately equal to half the drop diameter. Bores below 0.1 to 0.5 mm tend to become blocked, especially when working with pure viscous suspensions rather than pure solutions.

Solche Abtrqpfsysteme, die i.d.R. durch Schwingungsanreger hinsichtlich der Gleichmäßigkeit der Tropfengrößen wie auch der Tropfenbildungsfrequenz verbessert werden können, werden angeboten z.B. van Fa. Brace (http://www.brace.de/index.sh.tml7deutschc06i26). Rieter (http://www.rieter-automatik.de/deutsch/Granuliersysteme/link2html), The Technology Partner- ship plc (Hertfordshire, UK), Fa. Inotech (http://www.motech.ch/products.htm, http ://www. inotech.ch index.htrh), u.a.Such draining systems, which are usually can be improved by vibration exciters with regard to the uniformity of the drop sizes as well as the drop formation frequency, e.g. van Fa. Brace (http://www.brace.de/index.sh.tml7deutschc06i26). Rieter (http://www.rieter-automatik.de/deutsch/Granuliersysteme/link2html), The Technology Partnership plc (Hertfordshire, UK), Inotech (http://www.motech.ch/products.htm , http: // www.inotech.ch index.htrh), among others

Andere System arbeiten mit Piezotechnik (Fa. Voss Verfahrenstechnik GmbH, München). Diese können mit pneumatischen Zerstäubungseinheiten kombiniert werden, so dass Partikel mit mittleren Größen von weniger als 10 μm erreicht werden, allerdings mit weniger engen Tropfen- größenverteilungen. Für größere Durchsätze ist zudem ein hoher apparativer Aufwand notwendig, da für jede tropfenerzeugende Düse ein Piezoelement erforderlich ist.Other systems work with piezo technology (Voss Verfahrenstechnik GmbH, Munich). These can be combined with pneumatic atomization units so that particles with average sizes of less than 10 μm are achieved, but with less narrow droplet size distributions. For larger throughputs, a high outlay on equipment is also necessary, since a piezo element is required for each drop-generating nozzle.

Eine neue Entwicklung, bei dem ein austretender Strahl durch eine rotierende Schneideeinheit zerschnitten wird, liefert ebenfalls Tropfen mit enger Größenverteilung im Bereich oberhalb 0,1 mm bei relativ hohen Durchsätzen (Prof. Vorlop, Braunschweig). AU diese Systeme erzeugen die Tropfen allerdings in der Gasphase. Diese müssen anschließend in die Flüssigphase eingetaucht werden, wobei während des Durchtritts durch die Flüssigkeitsober- ^' fläche die Gefahr der Tropfenagglomeration oder -Zerkleinerung besteht, was die zunächst engen Tropfengrößenverteilungen mitunter erheblich verbreitert.A new development, in which an emerging jet is cut by a rotating cutting unit, also provides drops with a narrow size distribution in the range above 0.1 mm at relatively high throughputs (Prof. Vorlop, Braunschweig). AU these systems, however, generate the drops in the gas phase. This must then be immersed in the liquid phase, ^'area during passage through the variable liquid the risk of agglomeration or drops -Zerkleinerung is what the first narrow droplet size distributions, broadened sometimes substantially.

Emulgieren mit Membranen und mikrostrukturierten Systemen Beim Membranemulgieren strömt die zu dispergierende Phase durch die Poren einer mikroporösen Membran in die kontinuierliche Phase. An der Porenmündung entstehen einzelne Tropfen, die, z.B. durch ein Überströmen der Membran, periodisch abgelöst werden. In neueren Arbeiten werden an Stelle der meist unregelmäßig strukturierten Membranen auch speziell gefertigte, mikrostrύkturierte Bauteile mit definierten, einheitlichen Porenabmessungen verwendet.Emulsification with membranes and microstructured systems In membrane emulsification, the phase to be dispersed flows through the pores of a microporous membrane into the continuous phase. Individual drops are formed at the pore mouth, which, for example, by periodically overflowing the membrane. In recent work, instead of the mostly irregularly structured membranes, specially manufactured, microstructured components with defined, uniform pore dimensions are used.

Bei Verfahren diesen Typs wird die Tropfenbildung und damit -große vor allem durch die Geo- metrie der Poren sowie die Grenzflächeneigenschaften des Stoffsystems bestimmt. Enge Tropfengrößenverteilungen lassen sich daher nur unter Verwendung von Bauteilen mit entsprechend engverteilten Porengrößen erzeugen (siehe: SCHRÖDER, V.: Herstellen von Öl-in Wasser-Emulsionen mit mikroporösen Membranen. Shaker Verlag, Achen; 199. KOBAYASHI, I.; NAKAJIMA, M.; CHUN, K.; KIKUCHI, Y.; FUJITA, H.: Silicon array of elongated through- holes for monodisperse emulsion droplets. AIChE J., 48(8); 2002.1639-1644).In processes of this type, the formation and size of drops is primarily determined by the geometry of the pores and the interface properties of the material system. Narrow droplet size distributions can therefore only be produced using components with correspondingly narrow pore sizes (see: SCHRÖDER, V .: Production of oil-in-water emulsions with microporous membranes. Shaker Verlag, Achen; 199. KOBAYASHI, I .; NAKAJIMA, M .; CHUN, K .; KIKUCHI, Y .; FUJITA, H .: Silicon array of elongated through-holes for monodisperse emulsion droplets. AIChE J., 48 (8); 2002.1639-1644).

Zur Lösung des oben genannten Problems werdenTo solve the above problem

a) poröse Hohlfasern verwendet, die von einer Flüssigkeit axial, von einer zweiten, nicht mischbaren Flüssigkeit radial durch die poröse Wandung durchströmt werden. Im Inneren der Fasern wird dabei die erste Flüssigkeit in Form von Tropfen in der zweiten verteilt und es entsteht eine Emulsion.a) porous hollow fibers are used which are flowed through axially by a liquid, radially through the porous wall by a second, immiscible liquid. The first liquid is distributed in the form of drops in the inside of the fibers and an emulsion is formed.

b) Kapillaren mit einer breit verteilten Voremulsion durchströmt, bei der die mittlere Größe der Tropfen in der Größenordnung des Kapillarinnendurchmessers liegt.b) a large pre-emulsion flows through the capillaries, in which the mean size of the drops is of the order of the inside diameter of the capillary.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung feinteiliger monodisperser Dispersionen insbesondere des Typs der Öl in Wasser-Emulsion, mit den SchrittenThe invention relates to a method for producing finely divided monodisperse dispersions, in particular of the oil-in-water emulsion type, with the steps

Durchleiten der zu dispergierenden Phase durch eine oder mehrere parallele poröse Membrankapillaren,Passing the phase to be dispersed through one or more parallel porous membrane capillaries,

Einleiten der kontinuierlichen insbesondere wässrigen Phase durch die poröse Membranwand der Kapillare in einen ausgewählten Bereich der Kapillare unter Druck,Introducing the continuous, in particular aqueous, phase through the porous membrane wall of the capillary into a selected area of the capillary under pressure,

Ausströmenlassen des in der Kapillare gebildeten Tropfenstromes in einen mit der kontinu- ierlichen Phase gefüllten Auffangbehälter.Allow the drop stream formed in the capillary to flow out into a collecting container filled with the continuous phase.

In einem bevorzugten Verfahren ist die Oberfläche der Kapillare von der kontinuierlichen Phase benetzbar.In a preferred method, the surface of the capillary is wettable by the continuous phase.

Besonders bevorzugt ist die Kapillare eine Hohlfaser. In einem bevorzugten Verfahren beträgt die Druckdifferenz über der Membranwand mindestens 150 hPa.The capillary is particularly preferably a hollow fiber. In a preferred method, the pressure difference across the membrane wall is at least 150 hPa.

Die kontinuierliche Phase ist bevorzugt eine wässrige Phase insbesondere bevorzugt ausgewählt aus der Reihe: Wasser, wässrige Lösungen anorganischer sowie organischer Salze, saure oder basische wässrige Lösungen sowie wässrige Polymerlösungen.The continuous phase is preferably an aqueous phase, particularly preferably selected from the series: water, aqueous solutions of inorganic and organic salts, acidic or basic aqueous solutions and aqueous polymer solutions.

Die zu dispergierende Phase ist bevorzugt eine Ölphase insbesondere bevorzugt ausgewählt aus der Reihe: aliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffe, insbesondere langkettige Alkane und Alkohole sowie organisch gelöste Monomere oder Polymere.The phase to be dispersed is preferably an oil phase, particularly preferably selected from the series: aliphatic or aromatic hydrocarbons, in particular long-chain alkanes and alcohols, and organically dissolved monomers or polymers.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Erzeugung monodisperser Emulsionen und insbesondere- zur Durchführung des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens mindestens aufweisend eine Zuführung für die kontinuierliche Phase und eine Kapillare, bevorzugt ein Bündel von insbesondere parallel angeordneten Kapillaren mit einer für die zu dispergierende Phase durchlässigen Membranwand einen die Kapillare umgebenden Zuleitungsraum für die kontinuierliche Phase der mit Druck beaufschlagbar ist mit kontinuierlicher Phase und einem Auffangbehälter in den die Enden der Kapillaren münden.The invention also relates to a device for producing monodisperse emulsions and in particular for carrying out the method according to the invention described above, at least comprising a feed for the continuous phase and a capillary, preferably a bundle of capillaries, in particular arranged in parallel, with a membrane wall permeable to the phase to be dispersed a supply space for the continuous phase surrounding the capillary, which can be pressurized with a continuous phase and a collecting container into which the ends of the capillaries open.

Bevorzugt ist eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Kapillarinnenwand von der kontinuierlichen Phase benetzbar ausgebildet ist.A device is preferred which is characterized in that the capillary inner wall is designed to be wettable by the continuous phase.

Eine bevorzugte Form der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Kapillaren im Auffangbehälter einen schrägen Anschnitt aufweisen mit einem Anschnittwinkel von wenigstens 45° zum Kapillarquerschnitt.A preferred form of the device is characterized in that the ends of the capillaries in the collecting container have an oblique cut with a cut angle of at least 45 ° to the capillary cross-section.

Die kapillaren Hohlfasern sind besonders bevorzugt aus Polyethersulfon (PES) hergestellt.The capillary hollow fibers are particularly preferably made of polyethersulfone (PES).

Bei 'Wahl geeigneter Betriebsbedingungen sind die Tropfengrößen der an den Faser- bzw. Kapillarmündungen austretenden Emulsionen sehr eng verteilt. Durch Parallelisierung einer größeren Anzahl von Fasern/Kapillaren lässt sich das Prinzip auch mit hohen Produktdurchsätzen realisie- ren. Auch konzentrierte Emulsionen mit Dispersphasenanteilen von mehr als 50 % lassen sich in einfacher Weise herstellen.If suitable operating conditions are selected, the drop sizes of the emulsions emerging at the fiber or capillary orifices are very narrowly distributed. By parallelizing a large number of fibers / capillaries, the principle can also be implemented with high product throughputs. Even concentrated emulsions with disperse phase components of more than 50% can be produced in a simple manner.

Parallel in einem sog. Modul angeordnete Hohlfaser- oder Kapillarmembranen werden lumenseitig (faserinnenseitig) mit der zu dispergierenden Phase durchströmt. Das Membranmaterial ist so ausgewählt, dass es bevorzugt von der kontinuierlichen Phase benetzt wird. Diese wird vom Mantel- räum durch die poröse Membranwand ins Faserinnere gedrückt und verdrängt die zu dispergierende Phase von der Membranwand. Die eintretende Flüssigkeit stört die glatte Strangoberfläche, zerwellt diese und scluiürt den Strang der zu dispergierenden Phase immer weiter ein bis dieser schließlich zerfällt (Ansicht A). Bei ausreichender offenporiger Faserlänge (b) setzt sich das Einschnüren und Zerteilen solange fort, bis die entstehenden Gebilde eine stabilere Form (z.B. Tropfen oder Kapseln) erreicht haben. Die Tropfenbildung erfolgt also vollständig in der Faser. Anschließend wird die weiterhin einströmende kontinuierliche Phase an diesen runden Gebilden vorbeiströmen und lediglich deren Abstand zueinander vergrößern. Aus diesem Grund werden, unabhängig von der Porengrößenvertei- lung der Membran, weitgehend gleichgroße Tropfen erzeugt, deren Durchmesser im Bereich des Faserinnendurchmessers liegt (ideal: monodispers, real sollte die Emulsion eher als engdispers be- zeichnet werden) .Hollow fiber or capillary membranes arranged in parallel in a so-called module are flowed through on the lumen side (inside the fiber) with the phase to be dispersed. The membrane material is selected so that it is preferably wetted by the continuous phase. This is pressed from the jacket space through the porous membrane wall into the interior of the fiber and displaces the phase to be dispersed from the membrane wall. The incoming liquid disrupts the smooth surface of the strand, corrugates it and continues to break in the strand of the phase to be dispersed until it finally disintegrates (view A). If there is sufficient open-pore fiber length (b), the constriction and cutting continues until the resulting structures have reached a more stable shape (eg drops or capsules). The droplet formation takes place completely in the fiber. Subsequently, the continuous phase flowing in will flow past these round structures and only increase their distance from one another. For this reason, irrespective of the pore size distribution of the membrane, droplets of largely the same size are generated, the diameter of which is in the range of the inner diameter of the fiber (ideal: monodisperse, in reality the emulsion should rather be referred to as narrowly dispersed).

Nach dem Austritt aus den Faseröffhungen gelangen die Tropfen in eine Art Auffangbehälter (Bereich c). Gleichzeitig strömt kontinuierliche Phase zusammen mit den Tropfen in den Auffangbehälter, was einen zusätzlichen Vorzug dieses Dispergierungsverfahrens darstellt. Denn dadurch, dass die Tropfen bereits innerhalb der Fasern mit ausreichend kontinuierlicher Phase umgeben sind, muss diese beim Aufstieg der Dispersion im Bereich c nicht mehr von außen angeliefert werden. Hierdurch kann eine Verengung des aufsteigenden Tropfenstrangs und damit verbundene Koaleszenz von Tropfen wie sie bei herkömmlichen Verfahren zu beobachten ist, vermieden werden.After exiting the fiber openings, the drops enter a type of collecting container (area c). At the same time, the continuous phase flows together with the drops into the collecting container, which is an additional advantage of this dispersion process. Because the drops are already surrounded within the fibers with a sufficiently continuous phase, this no longer has to be delivered from the outside when the dispersion rises in area c. In this way, a narrowing of the ascending drop strand and the associated coalescence of drops, as can be observed in conventional methods, can be avoided.

Darüber hinaus bietet der Auffangbehälter die Möglichkeit, einen zusätzlichen Prozessschritt wie beispielsweise eine Polymerisation (z.B. Ionenaustauscherkugeln), eine Vernetzungsreaktion oder ein Fällungsbad nachzuschalten.In addition, the collecting container offers the possibility of adding an additional process step such as a polymerization (e.g. ion exchange balls), a crosslinking reaction or a precipitation bath.

Das Verfahrensprinzip ist anhand eines Systems illustriert, bei welchem die zu dispergierende Phase die geringere Dichte aufweist und daher nach oben aufsteigt. In gleicher Weise können aber auch engdisperse Tropfen eines dichteren Mediums in einer leichteren Kontiphase erzeugt werden. Diese würden sich dann nach unten durch das Modul bewegen und in einem unterhalb der Hohlfasern befindlichen Behältnis aufgefangen werden.The principle of the method is illustrated by means of a system in which the phase to be dispersed has the lower density and therefore rises upwards. In the same way, however, narrowly disperse drops of a denser medium can be generated in a lighter continuous phase. These would then move down through the module and be collected in a container located below the hollow fibers.

Strömungsvergleichmäßigung Bereich a:Flow equalization area a:

Dieser (Faser)Abschnitt, der von der zu dispergierenden Phase zuerst durchströmt wird, kann auch als Vergleichmäßigungsstrecke oder Widerstandsstrecke bezeichnet werden. Zum einen sind hier die Fasern eingeharzt, zum anderen soll durch eine konstruktive Maßnahme für die gleichmäßige Verteilung der zu dispergierenden Phase auf die einzelnen Fasern gesorgt werden. Unterschiedliche Volumenströme und damit ungleiche Betriebszustände innerhalb jeder Membran können zu einer Aufweitung der Tropfengrößenverteilung führen. Unbedingt zu vermeiden sind Rückströ- mungen der kontinuierlichen Phase, was zu nur einphasiger Durchströmung dieser Fasern sowie zu einer Durchmischung beider Phasen schon vor dem Eintritt ins Modul führen würde.This (fiber) section, through which the phase to be dispersed flows first, can also be referred to as an equalization section or resistance section. On the one hand, the fibers are resin-coated here, on the other hand, a constructive measure is to ensure that the phase to be dispersed is evenly distributed over the individual fibers. Different volume flows and thus unequal operating states within each membrane can lead to an expansion of the droplet size distribution. Backflows must be avoided of the continuous phase, which would lead to only single-phase flow through these fibers and to a mixing of both phases even before entering the module.

Eine Maßnahme, die Verteilung der zu dispergierenden Phase auf die Fasern zu vergleichmäßigen und somit eine zweiphasige Durchströmung jeder Faser zu gewährleisten, besteht in der Aufprä- gung eines Strömungswiderstandes vor der eigentlichen Dispergierungsstrecke (b). Für die konstruktive Umsetzung dieser Vergleichmäßigungsstrecke sind verschiedene Varianten denkbar:One measure to even out the distribution of the phase to be dispersed on the fibers and thus to ensure a two-phase flow through each fiber is to apply a flow resistance upstream of the actual dispersion section (b). Various variants are conceivable for the constructive implementation of this equalization section:

Eine Möglichkeit besteht im Aufpressen einer Membranfilterscheibe vor die Faseröffnungen. Durch geeignete Wahl des Materials (Permeabilität) kann der gewünschte Vordruckverlust einge- stellt werden. Eine mögliche Ausführung dieser Variante ist in Fig. 2 gezeigt.One possibility is to press a membrane filter disk in front of the fiber openings. The desired pre-pressure loss can be set by suitable choice of material (permeability). A possible embodiment of this variant is shown in FIG. 2.

Denkbar ist auch eine Verlängerung des eingeharzten Faserbereichs bzw. der Einlaufstrecke (Fig. 3, Variante A). Hierbei erzeugt die Strömung durchs Faserinnere vor dem Eintritt in die Dispergierungsstrecke (b) den nötigen Vordruckverlust. Verschließt man die Faseröffnungen wie in Fig. 3, (Variante B) dargestellt, so kann man durch Führung der zu dispergierenden Phase durch die poröse Membranwand einen Strömungswiderstand einstellen.An extension of the resin-coated fiber area or the inlet section is also conceivable (FIG. 3, variant A). The flow through the interior of the fiber creates the necessary pre-pressure loss before entering the dispersion section (b). If the fiber openings are closed as shown in FIG. 3 (variant B), a flow resistance can be set by guiding the phase to be dispersed through the porous membrane wall.

Dispergierungsstrecke b:Dispersion section b:

Dieser Abschnitt sollte ausreichend lang gewählt werden, so dass die Strangzerteilung zu Tropfen vollständig abgeschlossen ist. Gleichzeitig bietet die für dieses Verfahren bezeichnende Dispergie- rung innerhalb der Hohlfaser die Möglichkeit, etwaige beim Strangzerfall entstehende, sehr kleine Tropfen - sogenannte Satellitentropfen - aufgrund der schnelleren Aufstiegsgeschwindigkeit der größeren Tropfen wieder ,,einzufangen".(Koaleszenz).This section should be chosen long enough so that the strand division into drops is completely completed. At the same time, the dispersion within the hollow fiber, which is characteristic of this process, offers the possibility of "catching" any very small drops - so-called satellite drops - that occur during strand disintegration due to the faster ascent rate of the larger drops. (Coalescence).

Tropfenaustritt c;Drop exit c;

Eine nachträgliche Behandlung des Faserendes ist für das Gelingen des Verfahrens sehr entscheidend. Denn eine unbehandelte Faseröffnung führt zum Anhaften der dispersen Phase am Faserende und dadurch zu Störungen oder gar zum Versagen der Dispergierung. Dieser Effekt kann durch das Harz am Faserausgang noch weiter verstärkt werden. Eine Lösung stellt das schräge Anschneiden der Faserenden dar, wodurch ein Impuls auf die Tropfen beim Austritt verursacht wird, der von der Faser weggerichtet ist. Fig. 4 zeigt diesen Effekt an einer einzelnen, ins Auffangbehältnis frei eintauchenden Faser. BeispieleSubsequent treatment of the fiber end is very important for the success of the process. Because an untreated fiber opening leads to the adherence of the disperse phase to the fiber end and thus to disturbances or even failure of the dispersion. This effect can be further enhanced by the resin at the fiber exit. One solution is to cut the fiber ends at an angle, which causes an impulse on the drops at the exit, which is directed away from the fiber. Fig. 4 shows this effect on a single fiber freely immersed in the collecting container. Examples

Die Funktionstüchtigkeit des Verfahrens wurde anhand des Systems Wasser (kontinuierliche Phase) und Oktanol (disperse Phase) überprüft. Einen Betriebspunkt, bei welchem die Erzeugung einer engdispersen Emulsion reproduzierbar gelingt, kennzeichnen beispielsweise folgende Daten:The functionality of the process was checked using the water (continuous phase) and octanol (disperse phase) systems. The following data, for example, characterize an operating point at which the production of a narrowly disperse emulsion is reproducible:

Stoffsvstem:Stoffsvstem:

- kontinuierliche Phase: Wasser (auch Vorlage im Auffangbehältnis)- continuous phase: water (also present in the collecting container)

- zu dispergierende Phase: Oktanol- phase to be dispersed: octanol

Anlagenteile:System components:

- Fördereinheit für kontinuierliche Phase: frequenzgesteuerte Zahnradpumpe (Modell GT- G/6-19/D-SS/Q/D2D40-KOMPAKT), Gather Industrie GmbH- Conveyor unit for continuous phase: frequency controlled gear pump (model GT-G / 6-19 / D-SS / Q / D2D40-KOMPAKT), Gather Industrie GmbH

- Fördereinheit für disperse Phase: Spritzenpumpe (Perfusor fm, 871 382/0), B. Braun Melsungen AG- Conveyor unit for disperse phase: syringe pump (Perfusor fm, 871 382/0), B. Braun Melsungen AG

- Volumenstrommessung der kontinuierlichen Phase mittels Rotameter- Volume flow measurement of the continuous phase using rotameter

- Differenzdruckmanometer zur Bestimmung der Flüssigkeitsdrücke vor Moduleintritt- Differential pressure gauge for determining the liquid pressures before module entry

Modulausführung:Module version:

- handgefertigtes 10-Faser-Modul, Durchmesser: 40 mm, Länge 170 mm, Material: PMMA Kapillaren: hydrophile Hohlfasern, Micro PES^® 0.3/2, Innendurchmesser: 300 μm, Wandstärke: 100 μm, max. Porenweite: 0,6 μm, Membrana GmbH- Handmade 10-fiber module, diameter: 40 mm, length 170 mm, material: PMMA capillaries: hydrophilic hollow fibers, Micro PES ^® 0.3 / 2, inner diameter: 300 μm, wall thickness: 100 μm, max. Pore size: 0.6 μm, Membrana GmbH

- Einharzung: Polyurethan Elastocoat C 6782, Vosschemie GmbH- Resin: Polyurethane Elastocoat C 6782, Vosschemie GmbH

Betriebsbedingungen:Operating conditions:

- Volumenstrom der kontinuierlichen Phase: insges. 814 ml/h, wobei 8 Fasern durchströmt waren, d.h. 102 ml/h pro Faser im Mittel- Volume flow of the continuous phase: total 814 ml / h, with 8 fibers being flowed through, i.e. 102 ml / h per fiber on average

- Volumenstrom der dispersen Phase: insges. 30 ml/h, d.h. 3,75 ml/h pro Faser im Mittel- Volume flow of the disperse phase: 30 ml / h in total, i.e. 3.75 ml / h per fiber on average

- Überdruck der kontinuierlichen Phase vor dem Eintritt ins Modul: 200 mbar - Überdruck der dispersen Phase vor dem Moduleintritt: 60 mbar Betriebstemperatur: 20 - 25°C- Overpressure of the continuous phase before entering the module: 200 mbar - Overpressure of the disperse phase before entering the module: 60 mbar Operating temperature: 20 - 25 ° C

Ein Foto dieses Betriebspunktes ist in der folgenden Figur 5 gezeigt. Die Tropfengrößen wurden mit Hilfe eines Stroboskops ermittelt. Hierbei ergab sich ein mittlerer Tropfendurchmesser von etwa 500 μm. A photo of this operating point is shown in the following FIG. 5. The drop sizes were determined using a stroboscope. This resulted in an average drop diameter of approximately 500 μm.

Claims

Patentansprüche claims

1. Verfahren zur Erzeugung feinteiliger monodisperser Dispersionen insbesondere des Typs der Öl in Wasser-Emulsion, mit den Schritten1. A process for producing finely divided monodisperse dispersions, in particular of the oil-in-water emulsion type, with the steps

Durchleiten der zu dispergierenden Phase (4) durch eine oder mehrere parallele poröse Membrankapillaren (2),Passing the phase (4) to be dispersed through one or more parallel porous membrane capillaries (2),

Einleiten der kontinuierlichen, insbesondere wässrigen Phase (5) durch die poröse Membranwand der Kapillare (2) in einen ausgewählten Bereich der Kapillare (2) unter Druck,Introducing the continuous, in particular aqueous phase (5) through the porous membrane wall of the capillary (2) into a selected area of the capillary (2) under pressure,

Ausströmenlassen des in der Kapillare (2) gebildeten Tropfenstromes in einen mit der kontinuierlichen Phase (5) gefüllten Auffangbehälter (6). .Allow the drop stream formed in the capillary (2) to flow out into a collecting container (6) filled with the continuous phase (5). ,

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Kapillare (2) von der kontinuierlichen Phase benetzbar ist.2. The method according to claim 1, characterized in that the surface of the capillary (2) is wettable by the continuous phase.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillare (2) eine Hohlfaser ist.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the capillary (2) is a hollow fiber.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdifferenz über der Membranwand der Kapillare (2) mindestens 150 hPa beträgt4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the pressure difference across the membrane wall of the capillary (2) is at least 150 hPa

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die kontinuierliche Phase (5) eine wässrige Phase, bevorzugt ausgewählt aus der Reihe: Wasser, wässrige Lösungen anorganischer sowie organischer Salze, saure oder basische wässrige Lösungen sowie wässrige Polymerlösungen, ist.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the continuous phase (5) is an aqueous phase, preferably selected from the series: water, aqueous solutions of inorganic and organic salts, acidic or basic aqueous solutions and aqueous polymer solutions ,

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zu dispergierende Phase (4) eine Ölphase, bevorzugt ausgewählt aus der Reihe: aliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffe, insbesondere langkettige Alkane und Alkohole sowie organisch gelöste Monomere oder Polymere, ist.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the phase to be dispersed (4) is an oil phase, preferably selected from the series: aliphatic or aromatic hydrocarbons, in particular long-chain alkanes and alcohols and organically dissolved monomers or polymers.

7. Vorrichtung zur Erzeugung monodisperser Emulsionen insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mindestens aufweisend eine Zuführung (1) für die kontinuierliche Phase und eine Kapillare (2), bevorzugt ein Bündel von insbesondere parallel angeordneten Kapillaren (2) mit einer für die zu dispergierende Phase (4) durchlässigen Membranwand, einen die Kapillare umgebenden Zuleitungsraum (3) für die kontinuierliche Phase (5), der mit Druck beaufschlagbar ist, (5) und einem Auffangbehälter (6), in den die Enden der Kapillaren (2) münden.7. Device for producing monodisperse emulsions, in particular for carrying out the method according to one of claims 1 to 6, at least comprising a feed (1) for the continuous phase and a capillary (2), preferably a bundle of capillaries (2) arranged in particular with a for the phase to be dispersed (4) permeable membrane wall, a supply space surrounding the capillary (3) for the continuous phase (5) which can be pressurized (5) and a collecting container (6) into which the ends of the capillaries (2) open.

8. . Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarinnenwand von der kontinuierlichen Phase (5) benetzbar ausgebildet ist.8th. . Apparatus according to claim 7, characterized in that the capillary inner wall is designed to be wettable by the continuous phase (5).

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Kapillaren (2) im Auffangbehälter (6) einen schrägen Anschnitt aufweisen mit einem Anschnittwinkel von wenigstens 45° zum Kapillarquerschnitt.9. The device according to claim 7 or 8, characterized in that the ends of the capillaries (2) in the collecting container (6) have an oblique gate with a gate angle of at least 45 ° to the capillary cross-section.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die kapillaren Hohlfasern aus PES hergestellt sind. 10. Device according to one of claims 7 to 9, characterized in that the capillary hollow fibers are made of PES.