DE10058221A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Alginatkugeln mit großer Festigkeit - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Kugeln aus Alginat mit verschiedensten mechanischen und chemischen Eigenschaften, insbesondere jedoch Kugeln, die eine bestimmte Festigkeit aufweisen, um als Reinigungshilfsmittel Anwendung finden zu können. Erfindungsgemäß geschieht dies, indem eine Alginatlösung bildende Substanz mit einem Zusatz von 0,1 bis 30 Prozent Natriumalginatpulver, vorzugsweise 1 bis 6 Prozent und einer Viskosität von 1000 bis 10000 cP (centi Poise) beziehungsweise 1000 bis 10000 mPas versehen über den Druck des Eigengewichtes der Flüssigkeitssäule in einem Vorratsbehälter durch Öffnungen in einen Auffangbehälter geführt wird, dabei tröpfchenförmige Kugeln bildet, die weich in eine Ionenlösung fallen und dabei mit den Alginaten eine schwerlösliche Verbindung eingehen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Kugeln aus Alginat mit verschiedensten mechanischen und chemischen Eigenschaften, insbesondere jedoch solche Kugeln, die eine bestimmte Festigkeit aufweisen, um als Reinigungshilfsmittel Anwendung finden zu können.

Die bisher bekannten Alginate werden vor allem in der Lebensmittelindustrie, in der kosmetischen Industrie und in der Medizin eingesetzt. Alginatkugeln verwendet man z. B. zur Immobilisierung von Mikroorganismen (DE 196 32 031 C1) oder in der kosmetischen Industrie als Verdickungsmittel für Emulsionen. Die Anforderungen an die Alginatkugeln in bezug auf Aufbau, mechanische Festigkeit und chemische Beständigkeit sind dabei sehr unterschiedlich.

Für die bisherigen Verwendungszwecke zeigt DE 41 25 133 AI ein Verfahren zur Herstellung von Alginatkugeln auf. Dabei wird die Alginatlösung durch Schwingungserzeugung einer Düse verstopft und die Kugeln bleiben so lange frei beweglich in einem mit einer Ionenlösung befüllten Reaktor, bis sie die gewünschte Festigkeit erreicht haben. Vorteil dieses Verfahrens sind ein enges Kugelgrößenspektrum und die Beeinflussung der Aushärtung der Kugeln bis zu einem gewissen Grad. Bei der Verwendung der Alginatkugeln als Reinigungshilfsmittel ist aber ein enges Kugelgrößenspektrum nicht nötig. Bei der Verwendung als Hilfsmittel in Reinigungsprozessen wird vor allem Wert auf die mechanische Festigkeit und die chemische Beständigkeit gelegt. Deshalb kann das Verfahren zur Herstellung von Alginatkugeln in diesem Punkt vereinfacht werden. Es ist aber zwingend notwendig, daß die Alginatkugeln völlig durchgehärtet sind. Mit dem so genannten Verfahren erreicht man selbst bei völliger Aushärtung der Kugeln noch nicht die gewünschten Festigkeiten, um diese Kugeln als Reinigungshilfsmittel zu verwenden.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Alginatkugeln ist aus der FR-A 26 45 439 bekannt.

Bei diesem Verfahren wird eine Alginatlösung einer Düse zugeführt, von der die Alginatlösung in Tropfenform abgegeben wird, um anschließend in eine Calcium- Ionenlösung zu fallen. In der Calcium-Ionenlösung befindet sich ein Transportband, von dem die Tropfen aufgefangen und anschließend aus der Calcium-Ionenlösung heraustransportiert werden.

Da nicht immer sichergestellt ist, daß die Tropfen während der Fallstrecke in der Calcium- Ionenlösung in hinreichendem Umfang oberflächengehärtet sind, sind die aus der Calcium- Ionenlösung über das Transportband entnommenen Alginatkugeln als Reinigungsmittel ungeeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Alginatkugeln so weiterzuentwickeln, daß die Alginate kugelförmig ausgebildet und nicht abgeplattet, aber in ihrer Härte gegenüber den bisher vorgeschlagenen Lösungen durch eine wesentlich größere Dichte, höhere Werte aufweisen und somit einer erhöhten mechanischen Belastbarkeit, wie bisher bekannt, ausgesetzt werden können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, indem eine aufbereitete Alginatlösung systematisch in einer Vorrichtung unterschiedlichen chemischen und physikalischen Behandlungsschritten unterzogen wird.

Dabei befindet sich die Alginatlösung in einem Vorratsbehälter, aus dem durch eine oder mehrere Düsen diese Lösung in einen Auffangbehälter tropft. Dieses Tropfen der Alginatlösung erfolgt dabei aber nur allein aufgrund der Schwerkraft bzw. durch den Druck des Eigengewichtes der Flüssigkeitssäule der Alginatlösung im Vorratsbehälter. Die Größe der Kugeln ist hierbei über die Größe der Düsenöffnungen einstell- und vorwählbar. Die Alginattropfen fallen über eine kurze Fallstrecke von jedoch mindestens 30 cm in einen Auffangbehälter, der mit einer konzentrierten Ionenlösung gefüllt ist, die Ionen enthält, die mit den Alginaten eine schwerlösliche Verbindung eingehen. Die Tropfen formen sich beim Fall durch die Luft und beim Eintauchen in die niedrigviskose Ionen-lösung zu runden Kugeln.

Um später eine gewisse Festigkeit der Alginatkugeln zu erreichen, muß darauf geachtet werden, daß die Kugeln schon in diesem Stadium eine bestimmte Mindestfestigkeit haben. Dies wird erreicht durch die Einstellung einer je nach Anwendungsfall bestimmten Viskosität der Alginatlösung, die aber unter keinen Umständen unter 1000 cP (centi Poise) bzw. 1000 mpa.s liegen sollte. Die Einstellung der Alginatlösung auf je nach Anwendungsfall bestimmte Viskosität hat den Vorteil, daß eine beliebige Sorte Alginate eingesetzt werden kann, das heißt, niedrig-, mittel- und hochviskose Alginate.

Ein weiterer Faktor für die Erreichung der notwendigen Festigkeit in diesem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Auswahl und Verwendung von Ionen, die mit Alginaten eine schwerlösliche Verbindung eingehen.

Die in den Auffangbehälter eingtropften Alginatkugeln bleiben unbedingt bis zur vollständigen Aushärtung in der Ionenlösung.

Um ein Aufeinandertropfen der Kugeln in der Ionenlösung zu vermeiden, ist vorzugsweise der Auffangbehälter dementsprechend groß zu wählen. Durch das Eintropfen der Alginatlösung in die dünnflüssige Ionenlösung entstehen an der Oberfläche der Ionenlösung Schwingungen und Wellen, so daß die eingetropften Kugeln sich von der Eintropfstelle wegbewegen und ein Aufeinandertropfen verhindert wird. Die eingetropften Kugeln schwimmen zunächst an der Oberfläche der Ionenlösung. Beim Prozeß des Durchhärtens der Kugeln lagern sich immer weitere Ionen in die Kugeln ein, so daß diese Kugeln schwerer werden und somit zu Boden sinken. Ein Abplatten der Alginatkugeln wird somit verhindert. Damit ist sichergestellt, daß nur vollständig durchgehärtete Alginatkugeln der Ionen-lösung entnommen werden. Anschließend können die sogenannten Rohkugeln zum Beispiel mit einem Räumer aus dem Auffang- beziehungsweise Reaktionsbehälter getragen werden.

Eine weitere erfindungsgemäße Lösung ist vorzugsweise derart gestaltet, daß die Alginatlösung sich wiederum in einem separaten Vorratsbehälter befindet und von dort mittels ein oder mehrerer Pumpen durch Rohrleitungen in eine Rohrleitungsschlange transportiert wird.

Die Rohrleitungsschlange ist über ein oder mehreren Auffangbehälter, worin sich die Ionenlösung befindet, angeordnet. Die Rohrleitungsschlange ist nacheinander mit Düsenöffnungen versehen. Durch den Pumpendruck tritt die Alginatlösung durch die Düsen aus und tropft in die Ionenlösung.

Die Größe der sogenannten Rohkugeln ist hierbei über die Größe der Düsenöffnungen und den Flüssigkeitsdruck in der Rohrleitung bestimmbar. Die aus beiden Verfahrensvarianten erhaltenen Alginatkugeln werden zunächst aus der Ionenlösung entnommen und einem thermischen Trocknungsprozeß unterzogen. Das hat zur Folge, daß das in den Kugeln, enthaltene Wasser sich verflüchtigt.

Der Feuchtegehalt der Kugeln ist dabei auf mindestens 10% abzusenken. Die Kugeln schrumpfen dabei auf bis zu 20% ihrer ursprünglichen Größe. Die Struktur wird dabei verfestigt und die Härte der Alginatkugeln erhöht sich derart, daß die bisher bekannt gewordenen Härten bei Alginatkugeln weit überschritten werden. Die Zeit der thermischen Behandlung ist dabei direkt von der zur Trocknung gewählten Temperatur abhängig.

Es gilt, je höher die Temperatur bei der thermischen Behandlung gewählt wird, um so kürzer ist die Behandlungszeit. Es ist jedoch darauf zu achten, daß die Alginatkugeln keiner Temperatur oberhalb 200°C ausgesetzt werden, da die Struktur der Alginate und somit auch der Alginatkugeln dadurch zerstört wird.

Im anschließenden Behandlungsschritt werden die getrockneten Kugeln wieder mit destilliertem Wasser befeuchtet. Die Kugeln nehmen dabei wieder Wasser auf bis sie sich vollgesaugt haben und wieder circa 50% der ursprünglichen Größe der Rohalginatkugeln erreicht haben. Diese Kugeln zeichnen sich durch hohe Festigkeit und geringe Zerteilbarkeit aus und weisen eine Mischung aus plastischen und elastischen Verformungseigenschaften auf. Dies ist der Vorzug des Ergebnisses der erfindungsgemäßen Lösung gegenüber allen bisher bekannt gewordenen Lösungen.

Da Alginate aus Algen gewonnen werden, enthalten auch Alginatkugeln Spuren und geringe Rest von pflanzlichen Ölen und fetthaltigen Substanzen. Diesen ölhaltigen Substanzen wird erfindungsgemäß dadurch begegnet, indem die Alginatkugeln einer Nachbehandlung mit Benzoesäure unterzogen werden.

Die Kugeln werden in eine Benzoesäurelösung gegeben und circa 24 Stunden darin gelassen. Die Benzoesäurelösung entzieht den Kugeln die öligen Substanzen und bindet auch die Spuren von pflanzlichen Fetten, so daß diese auch bei starker mechanischer Beanspruchung der Alginatkugeln nicht mehr frei werden können. Alginatkugeln bestehen aus, wie schon beschrieben, Alginat, einem Algenrohstoff und sind somit biologisch abbaubar. Demzufolge sind Alginatkugeln auch anfällig für biologische Attacken von Mikroorganismen und Schimmelpilzen, was sich natürlich störend auf den Verwendungszweck bei der Raumreinigung auswirken kann.

Mit der Benzoesäurebehandlung wird gleichzeitig erreicht, daß die Alginatkugeln vor den biologischen Zersetzungsprozessen, zumindest eine bestimmte Zeit, geschützt sind, da Benzoesäure eine bakteriozide und fungizide Wirkung aufweist.

Die Extraktion der öligen Substanzen sowie der Spuren von pflanzlichen Fetten kann erfindungsgemäß auch mit Alkohol oder einem anderen Lösungsmittel erfolgen, wobei die Alginatkugeln dabei aber sehr hart und spröde werden, was einem späteren Einsatz als Reinigungshilfsmittel im Wege steht.

Für den späteren Verwendungszweck, nicht nur als Reinigungshilfsmittel, müssen Alginatkugeln mitunter in ihren Eigenschaften noch angepaßt werden. Dies kann bei Beeinflussung der Festigkeit durch Metallionen, Sulfate, Phosphate, Nitrate, Chloride, Alkohole und anderer Lösungsmittel geschehen.

Für den Einsatz der Alginatkugeln als Strahlmittel ist eine enorme Festigkeit und Härte notwendig. Dazu müssen die Alginatkugeln nach der Behandlung mit der Benzoesäure noch einer Behandlung mit konzentrierten Lösungen von Kupfer-, Blei, Barium- oder Eisenionen unterzogen werden. Die Kugeln müssen zum vollständigen durchreagieren mindestens 48 Stunden in der Lösung verbleiben. Man erhält dabei Alginatkugeln von solch extremer Härte und Festigkeit, so daß diese praktisch kaum zerteil- und zerstörbar sind.

In die Alginatkugeln lassen sich auch Farbstoffe einlagern, die keinen wesentlichen Einfluß auf die Festigkeitseigenschaften haben. Somit ist auch eine optische Unterscheidung der Alginatkugeln für verschiedene Verwendungszwecke möglich. Ein herauszustellender Vorteil bei der Verwendung der Alginatkugeln als Reinigungshilfsmittel beziehungsweise als Strahlmittel ist die Biologische Abbaubarkeit, die bei einer notwendigen Entsorgung keinerlei Probleme aufweisen sollte.

An ein Ausführungsbeispiel soll die erfindungsgemäße Lösung in Form einer schematischen Darstellung des Verfahrensablaufes näher erläutert werden. In einem Vorratsbehälter ist eine 3%ige Alginatlösung. Diese tropft durch 2,5 mm große Düsenöffnungen in einen Auffangbehälter mit einer 20%igen CaCl₂-Lösung. Die entstehenden Kugeln verbleiben bis zum Aushärten in der Lösung. Danach werden die Kugeln der Lösung entnommen und bei circa 180°C 1,5 Stunden getrocknet sowie anschließend mit destilliertem Wasser behandelt. Anschließend werden die Kugeln circa 24 Stunden in eine 0,5%ige Benzoesäurelösung gelegt.

Man erhält Alginatkugeln mit einem Durchmesser zwischen 2-3 mm, die sich unter Druck plastisch verformen, aber nicht zerstört werden mit einem Messer oder einem ähnlichen Gegenstand sind sie jedoch zerteilbar.

Claims (13)

1. Verfahren zur Herstellung von Alginatkugeln als Reinigungshilfsmittel aus einer Alginatlösung, die durch eine Düse in eine Ionenlösung tropft und bis zu gewünschten Verfestigung in der Ionenlösung im wesentlichen frei beweglich sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Alginatlösung bildende Substanz mit einem Zusatz von 0,1 bis 30 Prozent Natriumalginatpulver, vorzugsweise 1 bis 6 Prozent und einer Viskosität von 1000 bis 10.000 cP (centi Poise) beziehungsweise 1000 bis 10.000 mpa.s versehen über den Druck des Eigengewichtes der Flüssigkeitssäule in einem Vorratsbehälter durch Öffnungen in einem Auffangbehälter geführt wird, dabei tröpfchenförmige Kugeln bildet, die weich in eine Metallionenlösung fallen und dabei mit den Ionen eine schwerlösliche Verbindung eingehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Alginatlösung in einer Höhe von 0,1 bis 50 Prozent Zusatzstoffe, insbesondere Farbstoffe, Alkohole sowie organische und anorganische Lösungsmittel zugesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Alginatlösung Calciumcarbonat eingemischt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Metallionenlösung aus destilliertem H₂O mit mindestens 1 bis 70 Anteilen von Hundert Calciumclorid besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die tröpfchenförmigen Kugeln in eine 10 bis 20 prozentige Calciumcloridlösung fallen und so lange in der Lösung verblieben, bis diese in ihr absinken.

6. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die den Ionenlösungen entnommenen Alginatkugeln einer Trocknung durch thermische Behandlung unter Normaldruck in einem Temperaturbereich von 40 CC bis 200°C unterworfen werden.

7. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Alginatkugeln nach der Trocknung wieder befeuchtet werden, bis sie sich vollgesaugt und cirka 50 Prozent ihrer ursprünglichen Größe erreicht haben.

8. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß solche Stoffe oder Substanzen Metallionen, vorzugsweise der II, III, und IV Hauptgruppe sowie der I, II, IV, VII und VIII. Nebengruppe, Sulfate, Phosphate, Nitrate, Chloride, Alkohole (insbesondere Methanol und Ethanol), Lösungsmittel, anorganische oder organische Säuren, natürliche oder synthetische Farbstoffe anorganischer oder organischer Struktur enthalten.

9. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Alginatkugeln mit einer Lösung aus Ethanol und Wasser behandelt werden.

10. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Alginatkugeln mit einer wässrigen Lösung behandelt werden, die entweder Kupfer-, Blei-, Nickel-, Barium- oder Eisenionen enthalten.

11. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Alginatkugeln mit konzentrierten Lösungen von Kupfer-, Blei-, Nickel-, Barium- oder Eisenionen behandelt werden.

12. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Alginatkugeln mit einer 0,01 bis 5 prozentigen Benzoesäurelösung nach dem Trocknen oder der Zuführung von Zusatzstoffen in Verbindung gebracht werden.

13. Vorrichtung zur Herstellung von Alginatkugeln mit einem Vorratsbehälter für die Alginatlösung dadurch gekennzeichnet, daß einem oder mehreren Vorratsbehältern eine oder mehrere Pumpen sowie danach folgend eine oder mehrere mit Tropflöchern versehene Rohrleitungsschlangen nachgeschaltet sind.