Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung monodisperser Mikropartikel

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung monodisperser Mikropartikel mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Bei dem Verfahren wird eine Lösung, insbesondere eine wässrige Polymerlösung, eine Suspension oder eine Emulsion unter Verwendung eines Druckzerstäubers zerstäubt und anschließend getrocknet.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Herstellung monodisperser Mikropartikel, wobei die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.

Stand der Technik

Monodisperse Partikel bzw. monodisperse Pulver werden beispielsweise in der Pharma-, Lebensmittel- und Kosmetikindustrie sowie in einer Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen in der Forschung und Entwicklung eingesetzt. Die Herstellung derartiger Partikel erfolgt häufig durch Sprühtrocknung. Bei der Sprühtrocknung wird eine Lösung, eine Suspension oder eine Emulsion in feine Tropfen zerstäubt und anschließend getrocknet.

Ein einfacher Sprühtrockner ist beispielhaft der Offenlegungsschrift DT 24 07 616 AI zu entnehmen. Er umfasst einen zylinderförmigen Trockenraum mit wenigstens einer Sprühdüse. Die Sprühdüse weist ein erstes Rohr auf, über welches eine Lösung oder Suspension in den Trockenraum einbringbar ist. Das erste Rohr ist von einem zweiten Rohr umgeben, mittels dessen Heißluft in den Trockenraum einführbar ist. Der über die Sprühdüse eingeführte Heißluftstrom besitzt eine hohe Geschwindigkeit, so dass die über das erste Rohr eingebrachte Flüssigkeit vom Heißluftstrom zerstäubt wird und sich innig mit der Heißluft vermischt. Um zu verhindern, dass sich noch nicht vollständig getrocknete Teilchen an der Zylinderwand des Trockenraums absetzen, werden zusätzlich tangential ausgerichtete Luftströme durch ein den Trockenzylinder umgebendes Rohrsystem in den Trockenraum eingeführt, die innen schraubenförmig entlang der Zylinderwand fließen. Das im Trockenraum getrocknete Gut wird anschließend einem Zyklon zugeführt, in dem die Teilchen von der überschüssigen Luft getrennt werden.

Sollen sehr feine Teilchen, so genannte Mikropartikel, erzeugt werden, muss die Lösung, Suspension oder Emulsion sehr fein zerstäubt werden. Denn die Größe der Partikel hängt von der Größe der beim Zerstäuben erzeugten Tropfen ab.

Mikropartikel in Form sehr feiner Pulver kommen beispielsweise in additiven Fertigungsverfahren, insbesondere in 3D-Druckverfahren, wie beispielsweise das selektive Laserschmelzen, das selektive Lasersintern oder das Elektronenstrahlschmelzen, zum Einsatz. Darüber hinaus setzt die Pharma- oder Kosmetikindustrie Mikropartikel als Träger von Wirkstoffen ein. Dabei können die Mikropartikel die Wirkstoffe einschließen, so dass eine verzögerte Abgabe des Wirkstoffs erfolgt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung sehr feiner Partikel mittels Sprühtrocknen zu vereinfachen. Ferner sollen bevorzugte Anwendungen für derart hergestellte Partikel angegeben werden.

Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Herstellung monodisperser Mikropartikel wird eine Lösung, insbesondere eine wässrige Polymerlösung, eine Suspension oder eine Emulsion unter Verwendung einer Sprühdüse zerstäubt und anschließend getrocknet. Erfindungsgemäß wird die Lösung, Suspension oder Emulsion mittels der Sprühdüse, die eine in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers hubbeweglich aufgenommene Düsennadel zum Freigeben und Verschließen mindestens einer im Düsenkörper ausgebildeten Einspritzöffnung aufweist, unter Hochdruck in einen Trockenraum eingespritzt.

Beim Einspritzen unter Hochdruck wird ein sehr feiner Spraynebel erzeugt, der aus kleinsten Tröpfchen besteht. Werden die erzeugten Tröpfchen getrocknet, entstehen feine, sphärische, monodisperse Partikel. Der Hochdruck fördert somit die Herstellung von Mikropartikeln bzw. sehr feiner Pulver. Ferner können Medien zerstäubt werden, die eine vergleichsweise hohe Viskosität besitzen. Hierbei kann es sich insbesondere um komplexe Flüssigkeiten, wie beispielsweise wässrige Polymerlösungen, handeln.

Unter Hochdruck wird vorliegend ein Druck verstanden, der oberhalb 200 bar, vorzugsweise oberhalb 300 bar liegt und bis zu 2000 bar oder mehr, beispielsweise 2500 bar betragen kann. Derart hohe Drücke ermöglichen die Erzeugung von Tröpfchen, die eine mittlere Tröpfchengröße von beispielsweise 2 μηη bis 100 μηη aufweisen, wobei die Tröpfchengröße im Wesentlichen der Größe der herzustellenden Partikel entspricht. Bevorzugt beträgt die mittlere Tropfengröße weniger als 40 μηη, weiterhin vorzugsweise weniger als 20 μηη. Um dies zu erreichen, sollte der Druck bevorzugt deutlich oberhalb 1000 bar liegen.

Derart hohe Drücke werden regelmäßig bei der Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs erreicht. Hierbei finden Einspritzventile Einsatz, die eine in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers hubbeweglich aufgenommene Düsennadel zum Freigeben und Verschließen mindestens einer im Düsenkörper ausgebildeten Einspritzöffnung aufweisen. Zur Vereinfachung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher vorgeschlagen, dass ein Einspritzventil für Kraftstoff, insbesondere für Dieselkraftstoff, als Sprühdüse verwendet wird.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die Größe und/oder Verteilung der Mikropartikel über die Größe und/oder die Form der mindestens einen Einspritzöffnung eingestellt wird. Denn Größe und/oder Form der Einspritzöffnung bestimmen die Tröpfchengröße, so dass hierüber auch die Partikelgröße einstellbar ist. Entsprechend können Sprühdüsen mit unterschiedlichen Düsengeometrien vorgehalten werden, so dass durch Austausch der Sprühdüse Partikel unterschiedlicher Größe herstellbar sind. Alternativ oder ergänzend kann die Größe und/oder Verteilung der Mikropartikel durch Veränderung des Einspritzdrucks eingestellt werden. Auf diese Weise können unter Verwendung einer einzigen Sprühdüse unterschiedlich große Partikel hergestellt werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Sprühdüse und damit die Düsengeometrie vorgegeben sind. Ferner alternativ oder ergänzend kann die Größe und/oder Verteilung der Mikropartikel durch Veränderung der Einspritzmenge und/oder des Einspritzmusters eingestellt werden.

Bevorzugt werden nach dem Einspritzen der Lösung, Suspension oder Emulsion in den Trockenraum die erzeugten Tröpfchen in der Schwebe gehalten bis sie getrocknet sind. Das heißt, dass die Tröpfchen vor ihrer Trocknung nicht in Kontakt mit einer Wand des Trockenraums gelangen. Dadurch wird vermieden, dass sich die Tröpfchen an der Wand des Trockenraums niederschlagen.

Die Lösung, Suspension oder Emulsion kann unmittelbar oder mittelbar über eine Mischkammer in den Trockenraum eingebracht werden. Da die Einbringung unter hohem Druck erfolgt, ist der Einsatz von Heißluft oder Druckluft zum Zerstäuben der Flüssigkeit entbehrlich. Die Lösung, Suspension oder Emulsion kann somit unmittelbar in den Trockenraum eingespritzt werden. Erfolgt die Einbringung der Lösung, Suspension oder Emulsion in den Trockenraum mittelbar über eine Mischkammer, kann ein weiteres Medium zugegeben werden, und zwar bevor die Lösung, Suspension oder Emulsion in den Trockenraum gelangt. Der hohe Impuls der Hochdruckeinspritzung in die Mischkammer führt zu einer optimalen Durchmischung der Medien, selbst dann, wenn diese als schwer mischbar gelten.

Die Mischkammer ist vorzugsweise in einem mit dem Düsenkörper der Sprühdüse verbundenen Adapter ausgebildet. Dadurch ist sichergestellt, dass die gewünschte Durchmischung erreicht wird, bevor die Lösung, Suspension oder Emulsion in den Trockenraum gelangt. Um den Adapter einfach reinigen zu können, wird vorgeschlagen, dass dieser lösbar mit dem Düsenkörper der Sprühdüse verbunden ist. Die lösbare Verbindung besitzt ferner den Vorteil, dass der Adapter in Abhängigkeit vom jeweiligen Medium, das zugegeben werden soll, ausgetauscht werden kann. Bevorzugt wird die Lösung, Suspension oder Emulsion in der Mischkammer mit einer Flüssigkeit und/oder einem pulverförmigen Feststoff, insbesondere einem Additiv, einem Füllstoff und/oder einem Farbstoff, vermischt. Der pulverförmige Feststoff kann beispielsweise ein Wirkstoff sein, so dass Mikropartikel herstellbar sind, die diesen Wirkstoff umschließen. Die Mikropartikel bilden demnach sphärische Träger für den Wirkstoff aus. Der pulverförmige Feststoff kann auch ein Farbpigment und/oder ein fer- romagnetisches Material sein, das die Funktion eines Tracers besitzt. Vorzugsweise wird der pulverförmige Feststoff als Nanopartikel zugeführt, so dass das Trägermaterial den Feststoff zu umhüllen vermag.

Vorteilhafterweise werden die monodispersen Mikropartikel unmittelbar nach ihrer Herstellung in einem additiven Fertigungsverfahren weiterverarbeitet. Auf diese Weise können die bei der additiven Fertigung eingesetzten Mikropartikel unmittelbar vor Ort und in der erforderlichen Menge hergestellt werden. Damit entfallen Transport- und Lagerkosten.

Bei dem additiven Fertigungsverfahren kann es sich insbesondere um ein SD- Druckverfahren entsprechend der eingangs genannten Verfahren handeln (selektives Laserschmelzen, selektives Lasersintern, Elektronenstrahlschmelzen). Bevor die getrockneten Mikropartikel in einem additiven Fertigungsverfahren weiterverarbeitet werden, können Partikel einer bestimmten Größe selektiert werden, so dass nur diese weiterverarbeitet werden.

Darüber hinaus wird eine Vorrichtung zur Herstellung monodisperser Mikropartikel vorgeschlagen, die zum Zerstäuben einer Lösung, Suspension oder Emulsion eine Sprühdüse und zum Trocknen der zerstäubten Lösung, Suspension oder Emulsion einen Trockenraum umfasst. Erfindungsgemäß weist die Sprühdüse eine in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers hubbeweglich aufgenommene Düsennadel zur Steuerung mindestens einer im Düsenkörper ausgebildeten Einspritzöffnung auf, mittels welcher die Lösung, Suspension oder Emulsion unter Hochdruck den Trockenraum einspritzbar ist. Die Einspritzung unter Hochdruck führt zu einer sehr feinen Zerstäubung der Lösung, Suspension oder Emulsion, so dass kleinste Tröpfchen ausgebildet werden, die wiederum die Herstellung sehr kleiner Partikel bzw. sehr feiner Pulver ermöglichen. Unter Hochdruck wird vorliegend ein Druck verstanden, der oberhalb 200 bar, vorzugsweise oberhalb 300 bar liegt und bis zu 2000 bar oder mehr, beispielsweise 2500 bar betragen kann.

Derart hohe Drücke werden regelmäßig bei der Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs erreicht. Hierbei finden Einspritzventile Einsatz, die eine in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers hubbeweglich aufgenommene Düsennadel zum Freigeben und Verschließen mindestens einer im Düsenkörper ausgebildeten Einspritzöffnung aufweisen. Vorzugsweise ist daher die Sprühdüse als Einspritzventil analog einem Einspritzventil für die Einspritzung von Kraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff, ausgeführt.

Vorteilhafterweise ist die Einspritzöffnung im Bereich einer Düsenspitze des Düsenkörpers und/oder koaxial zu einer Längsachse A des Düsenkörpers angeordnet. Der Sprühstrahl kann auf diese Weise optimal in den Trockenraum eingebracht werden, wobei die Form und/oder Größe der Einspritzöffnung die Größe der hierbei erzeugten Tröpfchen bestimmt. Alternativ oder ergänzend kann die Einspritzöffnung oder - bei einer Mehrlochdüse - die mindestens eine weitere Einspritzöffnung seitlich in der Düsenspitze angeordnet sein. Die seitliche Anordnung ermöglicht eine Variation des Spraybildes, wobei vorzugsweise mehrere Einspritzöffnungen ggf. in unterschiedlichen Größen und/oder Formen in der Düsenspitze ausgebildet werden.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die im Düsenkörper ausgebildete Einspritzöffnung in eine Mischkammer mündet, die in einem mit dem Düsenkörper verbundenen Adapter ausgebildet ist und über mindestens eine im Adapter ausgebildete weitere Einspritzöffnung mit dem Trockenraum verbunden ist. In der Mischkammer kann der Lösung, Suspension oder Emulsion ein weiteres Medium beigemischt werden, wobei es sich insbesondere um eine Flüssigkeit und/oder einen pulverförmigen Feststoff handeln kann. Somit können mittels der Vorrichtung monodisperse Mikropar- tikel hergestellt werden, die mit einem Wirkstoff dotiert sind und/oder als Tracer dienende Nanopartikel umschließen. Bevorzugt ist der Adapter lösbar mit dem Düsenkörper verbunden, um die Reinigung des Adapters zu vereinfachen und/oder den Austausch des Adapters zu ermöglichen.

Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass der Vorrichtung zur Herstellung monodisperser Mikropartikel eine Vorrichtung zur additiven Fertigung nachgeschaltet ist. Die bei der additiven Fertigung eingesetzten Mikropartikel können auf diese Weise vor Ort und in der jeweils erforderlichen Menge hergestellt werden. Damit entfallen Transport- und Lagerkosten. Bei der Vorrichtung zur additiven Fertigung kann es sich insbesondere um einen 3D-Drucker handeln, da beim 3D-Drucken oftmals feine Kunststoffpulver zum Einsatz gelangen. Diese können dann mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung gleich vor Ort hergestellt werden.

Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet sind, werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Sprühdüse für eine erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch eine modifizierte Sprühdüse für eine erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 3 einen schematischen Längsschnittschnitt durch eine Sprühdüse mit

Adapter für eine erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung monodisperser

Mikropartikel mit einer Vorrichtung zur additiven Fertigung. Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Die in der Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 10 zur Herstellung monodisperser Mikroparti- kel 1 umfasst eine Sprühdüse 2 und einen Trockenraum 7. Mittels der Sprühdüse 2 ist eine Lösung, Suspension oder Emulsion unter Hochdruck in den Trockenraum 7 einspritzbar. Die Sprühdüse 2 umfasst hierzu eine Düsennadel 5, die zum Freigeben und Verschließen mindestens einer Einspritzöffnung 6 in einer Hochdruckbohrung 3 eines Düsenkörpers 4 hubbeweglich aufgenommen ist. Der Aufbau der Sprühdüse 2 ent- spricht damit dem Aufbau eines Einspritzventils, wie es zur Einspritzung von Kraftstoff, insbesondere von Dieselkraftstoff, in den Brennraum eines Verbrennungsmotors eingesetzt wird. Hierbei werden ebenfalls hohe Einspritzdrücke erreicht.

Die Einspritzung der Lösung, Suspension oder Emulsion unter Hochdruck in den Trockenraum 7 ermöglicht die Herstellung sehr feiner Partikel bzw. sehr feiner Pulver. Die Lösung, Suspension oder Emulsion wird dabei zunächst als Spray 16 in den Trockenraum 7 eingetragen. Im Trockenraum 7 erfolgt die Trocknung des Sprays 16, so dass Mikropartikel 1 ausgebildet werden. Der Übergang vom Spray 16 zu den getrockneten Mikropartikeln 1 ist in der Fig. 1 durch eine gestrichelte Linie angedeutet.

Die Sprühdüse 2 der Fig. 1 weist eine Einspritzöffnung 6 auf, die im Bereich einer Düsenspitze 11 angeordnet ist, und zwar koaxial zu einer Längsachse A des Düsenkörpers 4. Alternativ oder ergänzend kann mindestens eine Einspritzöffnung 6 auch seitlich in der Düsenspitze 11 angeordnet werden. Eine solche Sprühdüse 2 ist beispielhaft in der Fig. 2 dargestellt.

Eine Weiterbildung einer Sprühdüse 2 für eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zeigt die Fig. 3. Hier ist der Düsenkörper 4 mit einem Adapter 9 verbunden, in dem eine Mischkammer 8 ausgebildet ist, in welche die Einspritzöffnung 6 mündet. Über eine weitere Einspritzöffnung 12, die im Adapter 9 ausgebildet ist, ist die Mischkammer 8 mit dem Trockenraum 7 verbunden. Der Eintrag in den Trockenraum 7 erfolgt demnach mittelbar über die Mischkammer 8, und zwar nachdem die einzuspritzende Lösung, Suspension oder Emulsion mit einem weiteren Medium vermischt worden ist. Bei dem weiteren Medium kann es sich insbesondere um eine weitere Flüssigkeit und/oder ei- nen pulverförmigen Feststoff handeln. Das weitere Medium gelangt in die Mischkammer 8 über eine Medienzuführung 14, die vorliegend seitlich im Adapter 9 ausgebildet ist. In der Mischkammer 8 wird aufgrund der Hochdruckeinspritzung eine optimale Durchmischung der Medien erreicht, und zwar bevor die Medien in den Trockenraum 7 gelangen. Um den Austausch des Adapters 9 zu ermöglichen, ist dieser bevorzugt lösbar mit dem Düsenkörper 4 verbunden.

In der Fig. 4 ist eine Vorrichtung 10 zur Herstellung monodisperser Mikropartikel 1 in Kombination mit einer Vorrichtung 13 zur additiven Fertigung dargestellt. Die mittels der Vorrichtung 10 hergestellten monodispersen Mikropartikel 1 können somit unmittelbar weiterverarbeitet werden. Die Mikropartikel 1 werden vorliegend aus einer Polymerschmelze hergestellt, die auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt und der Sprühdüse 2 zugeführt wird. Dabei wird die Polymerschmelze mit Hochdruck beaufschlagt, so dass die Einspritzung in den Trockenraum 7 unter Hochdruck erfolgt, und zwar vorzugsweise gemeinsam mit der Einspritzung eines Schutzgases. Zur Beimischung des Schutzgases kann der Einspritzöffnung 6 der Sprühdüse 2 ein Adapter 9 analog der Fig. 3 vorgelagert sein. Beim Eintragen in den Trockenraum 7 wird die Polymerschmelze zerstäubt, so dass ein Spray 16 entsteht, das im Trockenraum 7 trocknet. Das getrocknete Gut wird aus dem Trockenraum 7 einem Zyklon 15 zugeführt, um Mikropartikel 1 gleicher Größe abzuscheiden. Über eine Rohrverbindung 17 gelangen dann die mittels der Vorrichtung 10 hergestellten Mikropartikel 1 zur Vorrichtung 13, wobei es sich um einen 3D-Drucker handelt. Dort werden die Mikropartikel 1 mittels einer Zuführeinrichtung 18 einer Druckkammer 19 zugeführt und in einem selektiven Laserschmelzverfahren unter Zuhilfenahme eines Lasers 20 schichtweise aufgebaut und zu einem Werkstück 21 verschmolzen.