ITPR20120090A1 - Procedimento e apparato di omogeneizzazione con inversione flusso - Google Patents

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ITPR20120090A1 IT000090A ITPR20120090A ITPR20120090A1 IT PR20120090 A1 ITPR20120090 A1 IT PR20120090A1 IT 000090 A IT000090 A IT 000090A IT PR20120090 A ITPR20120090 A IT PR20120090A IT PR20120090 A1 ITPR20120090 A1 IT PR20120090A1
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Description

DESCRIZIONE
“Procedimento e apparato di omogeneizzazione con inversione flussoâ€
La presente invenzione ha per oggetto un procedimento ed un apparato di omogeneizzazione con inversione flusso.
L’arte nota citata in EP 0810025 A1 à ̈ considerata come la tecnica nota più vicina.
Il presente trovato si riferisce infatti al settore degli apparati per micronizzare fluidi, in particolare materiali scorrevoli contenenti particelle allo stato liquido, agglomerati o fibre, ovvero prodotti sostanzialmente liquidi e insolubili ma soggetti alla formazione di porzioni solide o comunque a densità diversa.
L'apparato di omogeneizzazione/micronizzazione (d’ora in poi i termini omogeneizzazione e micronizzazione saranno usati come sinonimi) comprende normalmente una pompa ad alta pressione e una valvola omogeneizzante avente, un ingresso connesso alla mandata della pompa per ricevere il fluido in pressione e un'uscita per il fluido in bassa pressione omogeneizzato.
La micronizzazione che si vuole ottenere consiste essenzialmente nella frantumazione di dette particelle, al fine di minimizzarne e uniformarne la dimensione.
Per giungere a tale scopo il fluido à ̈ fatto passare attraverso un passaggio forzato, di dimensioni ridotte, da una prima camera in alta pressione (connessa alla mandata della pompa) a una seconda camera (connessa all'uscita della valvola) micronizzante.
Tale passaggio à ̈ definito da una testa di passaggio solidale a un corpo valvola (e quindi fissa) attraversata dal fluido e da una testa d'urto mobile assialmente rispetto alla testa di passaggio. In particolare, il passaggio consiste in un'intercapedine definita tra la testa d'urto e la testina di passaggio.
Il fluido in alta pressione nella prima camera preme su una superficie della testa d'urto, esercitando su di essa una pressione che tenderebbe ad allargare il passaggio. Alla testa d'urto à ̈ applicato uno spintore, che esercita su di essa una forza in direzione assiale, per contrastare la pressione del fluido.
In tal modo, gestendo opportunamente l'azione dello spintore, à ̈ possibile mantenere la larghezza del passaggio a un valore desiderato sostanzialmente costante e comunque regolabile. Tale forza va determinata in funzione dei valori operativi di portata e di pressione dell’apparato omogeneizzante.
Pertanto il fluido, fluendo attraverso detto passaggio forzato dalla prima alla seconda camera, perde pressione e, al contempo, à ̈ accelerato secondo l’equazione della conservazione dell’energia. Tale accelerazione comporta una frammentazione delle particelle del fluido. Inoltre, à ̈ noto disporre un anello d'urto nella seconda camera, in modo da intercettare il fluido accelerato; così, il fluido colpisce l'anello d'urto ad alta velocità; ciò comportando un successivo contributo nella frammentazione delle particelle. L’anello d’urto altresì preserva dall’usura la camera ove avviene l’impatto.
In generale, si ha interesse a ottimizzare l'energia impegnata nel processo di omogeneizzazione. Ovvero, a parità di pressione applicata al fluido, si vuole ottenere il risultato migliore possibile per l'omogeneizzazione del fluido, nei termini descritti sopra, oppure a parità di risultato si cerca di diminuire l’energia (pressione) impiegata.
Nella tecnica nota sopra descritta, il prodotto passa sostanzialmente attraverso un toroide che tende ad allargarsi (cfr. figg. 1 e 2 della tecnica nota) e l’effetto omogeneizzante à ̈ dato dall’aumento della forza di taglio che incontra il prodotto passando dal canale centrale verso l’esterno del toroide.
Tuttavia, nella fase di omogeneizzazione e micronizzazione molta energia à ̈ sprecata inutilmente e tramutata in calore, causa di un intrinseca inefficienza degli apparati omogeneizzanti ad alta pressione.
Scopo del presente trovato à ̈ quello di limitare i suddetti inconvenienti e di realizzare un procedimento e un apparato di omogeneizzazionemicronizzazione perfezionati che consentano di ridurre lo spreco di energia e quindi renderli più efficienti.
Detti scopi sono raggiunti dal procedimento e dall’apparato omogeneizzante-micronizzante oggetto del presente trovato, che si caratterizzano per quanto contenuto nelle rivendicazioni sotto riportate e in particolare per il fatto che il normale flusso del prodotto à ̈ invertito, ossia l’uscita della tecnica nota à ̈ l’ingresso del prodotto nel presente trovato e l’ingresso della tecnica nota à ̈ ora l’uscita. Ciò avviene per il fatto che nella zona di attiva il fluido passa da una zona a diametro maggiore (o da un volume anulare maggiore) a una zona a diametro inferiore (o ad un volume anulare inferiore).
Questa ed altre caratteristiche risulteranno maggiormente evidenziate dalla descrizione seguente di una preferita forma realizzativa, illustrata a puro titolo esemplificativo e non limitativo nelle unite tavole di disegno, in cui:
- le figure 1 e 2 illustrano una valvola omogeneizzante della tecnica nota, completa di linee di flusso del prodotto, rispettivamente in una sezione longitudinale e in una sezione trasversale;
- la figura 3 illustra graficamente l’andamento dello shear rate (forza di taglio) in una valvola di tipo noto;
- la figura 4 illustra una valvola omogeneizzante secondo il presente trovato in una sezione longitudinale;
- le figure 5 e 6 illustrano la valvola di figura 4, rispettivamente in una sezione A-A e in una sezione B-B;
- le figure 7, 8 e 9 illustrano un ingrandimento delle figure 4 e 5 completo di linee di flusso.
Nelle figure sono state indicate con HP e LP rispettivamente zone a pressione maggiore e zone a pressione inferiore.
Con riferimento alle figure, con 1 Ã ̈ stato complessivamente indicato un apparato o valvola omogeneizzante dotata di un ingresso 2 per un fluido da omogeneizzare.
Il fluido entra originalmente laddove nelle valvole tradizionali era presente l’uscita (inversione di flusso) ed esce laddove nelle valvole tradizionali era previsto l’ingresso.
Il fluido può essere costituito ad esempio da emulsioni (liquidi in liquidi aventi le caratteristiche di essere immiscibili e spesso con diversa densità), sospensioni (polveri in liquidi aventi le caratteristiche di essere immiscibili e spesso con diversa densità), o sistemi colloidali (liquido in liquido/solido immiscibile di dimensioni inferiori a 1 µm).
Nella presente valvola il flusso di prodotto proveniente dall’ingresso 2 ad una data pressione (normalmente alta pressione) procede in una camera anulare o toroidale 3 verso una zona di omogeneizzazione 4.
La camera anulare 3 racchiude al proprio interno uno spintore 5 di tipo sostanzialmente noto che porta alla propria estremità un otturatore calibratore 6 (denominato “adjustable flow deflector plug†) variatore di shear rate (velocità di taglio), che sostanzialmente corrisponde alla testina d’urto 6a tradizionale (fig. 1) ma in questo caso assumendo una diversa funzionalità ed à ̈ per questo motivo che non viene denominato “testina d’urto†ma otturatore calibratore di forza di taglio.
Nella nuova accezione l’otturatore calibratore ha il compito di far deviare, insieme ad un elemento d’interazione o di cooperazione 9, il flusso da un flusso anulare esterno a uno concentrico interno, non solo, con questo dispositivo à ̈ possibile cambiare l’intensità del trattamento senza cambiare sostanzialmente la geometria che caratterizza il sistema; quindi camera anulare che va a restringersi su una camera concentrica sempre anulare ma di volume inferiore.
La fase di omogeneizzazione avviene nella zona di omogeneizzazione 4 seguendo, in un gap, un percorso che in modo innovativo ed originale procede dall’esterno verso l’interno, ossia da una zona a diametro maggiore (o da un volume anulare maggiore) ad una zona a diametro inferiore (o a volume anulare inferiore).
Con il riferimento 7 si à ̈ indicato sia il gap (intercapedine, in fig. 9) che il percorso (fig. 8) dall’esterno verso l’interno compiuto dalle particelle nella zona attiva di omogeneizzazione.
Diversamente dalla tecnica nota in cui à ̈ presente un anello d’urto (indicato con 8 in figura 1), nel presente trovato non c’à ̈ necessità di alcun anello d’urto (semplificando in tal modo la valvola e riducendone i componenti), essendo sufficiente la presenza di un elemento di interazione 9 atto a definire insieme all’otturatore calibratore 6 il gap 7.
L’elemento di interazione, denominato anche “flow deflector element or cooperating element†corrisponde alla testa di passaggio 9a tradizionale (fig. 1) ma con una diversa funzionalità, motivo per il quale le à ̈ stato cambiato il nome: l’elemento d’interazione ha il compito insieme all’otturatore calibratore di deviare il flusso dall’esterno di una sezione circolare verso l’interno, contribuendo alla formazione di un profilo di shear rate caratteristico, inoltre convoglia insieme all’otturatore calibratore il flusso verso uno scontro reciproco dovuto al restringimento di volume. L’elemento di cooperazione-interazione può contenere parte o completamente un profilo particolare di restringimento e successivo allargamento atto a conferire maggiore velocità verso il bordo di uscita dell’inserto cioà ̈ verso il foro centrale.(ugello di De Laval)
Nel suo percorso all’interno della valvola, il fluido incontra l’otturatore calibratore 6 e l’elemento di interazione 9 sostanzialmente contemporaneamente, mentre nella tecnica nota incontrava prima la testa di passaggio e poi la testina d’urto.
Dopo la fase di omogeneizzazione, il prodotto procede verso un’uscita 10 costituita sostanzialmente da un foro ricavato nell’elemento di interazione 9.
Preferibilmente detto foro, nella porzione terminale verso la zona attiva di omogeneizzazione, à ̈ svasato (si allarga verso la zona di omogeneizzazione) e l’elemento di interazione 9 ha una forma che almeno in parte può essere troncoconica.
Il prodotto all’uscita 10 ha una pressione inferiore a quella che aveva in ingresso 2.
Il procedimento oggetto del presente trovato trova la sua originalità nel fatto che avviene con una sostanziale inversione del flusso rispetto alle valvole di tipo tradizionale, scambiando praticamente l’ingresso con l’uscita e facendo sì che il fluido da omogeneizzare nella zona di omogeneizzazione passi da una zona a diametro maggiore (o da un volume anulare maggiore) ad una zona a diametro inferiore (o ad un volume anulare inferiore), in un percorso quindi dall’esterno verso l’interno. Di particolare interesse à ̈ la trasformazione della pressione in velocità lungo il percorso (travel): nella configurazione della tecnica nota (grafico di fig. 3) si va da un alto valore di shear rate fino ad un basso valore di shear rate in conseguenza della geometria che tende ad allargarsi (aumento del volume utile della valvola).
Nella innovativa configurazione secondo il presente trovato lo shear rate aumenta invece fino al raggiungimento del valore massimo nel bordo di uscita della valvola (verso il foro centrale) e ciò à ̈ certamente una modalità più efficiente di sfruttare l’energia soprattutto per prodotti sensibili alla rottura elongazionale. In buona sostanza lo shear rate aumenta, come logica conseguenza, con il restringimento del toroide (o zona anulare) nel quale scorre il flusso di prodotto.
L’energia dissipata al centro agevola la micronizzazione anziché disperdersi verso l’esterno sull’anello d’urto andando ad aumentare il contributo nell’effetto micronizzante.
Con l’inversione di flusso oggetto del presente trovato, raddoppia la velocità relativa delle vene fluide radialmente contrapposte che si scontrano nel punto centrale dell’elemento di interazione, e quindi aumenta significativamente l’energia d’urto e il contributo all’effetto omogeneizzante.
Ricordando che l’equazione dell’energia cinetica à ̈ :
il raddoppio della velocità di collisione (derivante dalla somma vettoriale) dà un contributo quattro volte superiore rispetto ai metodi tradizionali (essendo la velocità posta al quadrato).
Considerando una dispersione (granuli solidi), lo scontro aumenta la probabilità di un urto della fase dispersa con conseguente rottura in virtù della più alta energia in gioco.
Ciò consente vantaggiosamente l’eliminazione dell’anello d’urto, elemento invece essenziale nelle valvole omogeneizzanti di tipo noto.
Considerando la fase dispersa di un liquido, lo sfruttamento della trasformazione della pressione in velocità con gradiente di shear rate che tende ad aumentare anziché diminuire, consente dapprima lo stiramento elongazionale della fase micronizzabile per poi rompere le particelle di prodotto a causa di un eccesso di forza di taglio; la forza di taglio nell’ingresso del dispositivo fino alla massima intensità à ̈ propedeutica alla azione finale di micronizzazione. Nella tecnica nota invece molta energia va a finire in calore al posto di essere maggiormente utilizzata per la rottura delle particelle.
Il presente trovato trova applicazione su tutti i tipi di macchine, sia per grandi che per piccole portate.
Il presente trovato consente una migliore omogeneizzazione del prodotto e una riduzione di usura dei componenti della valvola.
L’anello d’urto 8 à ̈ infatti eventualmente sostituito da un semplice distanziere 11 che, a differenza dell’anello d’urto, non à ̈ soggetto ad usura in quanto non vi urtano contro le particelle ad alta velocità. La conseguenza logica à ̈ che se viene eliminato l’anello d’urto, l’energia che nella tecnica nota veniva spesa nell’erosione del componente stesso, à ̈ ora impiegata per contribuire all’aumento dell’effetto omogeneizzante. Una prima variante di realizzazione, che migliora significativamente l’efficienza della valvola, prevede la creazione di una contropressione a valle della valvola omogeneizzante, realizzabile o con un secondo gruppo omogeneizzante (di tipo tradizionale) oppure con un foro calibrato (non illustrato) in corrispondenza dell’uscita, ad esempio restringendo il foro definito internamente all’elemento di interazione 9.
Una particolare configurazione à ̈ quella con “ugello DeLaval†posizionato verso il bordo di uscita valvola (verso il foro centrale). Con “ugello DeLaval†si intende qui un restringimento di sezione (meato tra l’elemento di interazione 9 e l’otturatore calibratore 6) e il successivo allargamento (sagomatura smussata dell’elemento di interazione, secondo quanto illustrato).
L’aumento dello shear rate durante il percorso del fluido fino al raggiungimento del picco massimo creando il caratteristico profilo (pattern), l’aumento delle velocità di impatto nella zona centrale dell’elemento di interazione, la contropressione e l’†ugello DeLaval†sono i principali elementi innovativi del presente trovato, legati alla particolare geometria della valvola e al particolare verso del flusso (da volume anulare maggiore a volume anulare inferiore).
Si ritiene utile esporre alcuni dati sperimentali che provano i vantaggi del presente trovato: a parità di risultati si utilizza una pressione/energia inferiore, quindi si aumenta l’efficienza.
Prodotto: emulsione al 5% olio; 2% tween 80®; 93% H2O
Particle Size Pressure Pressure New Incremento Nm Standard apparatus d’efficienza apparatus
349 25 MPa 15 MPa 40%
PDI indice di Pressure Pressure New Incremento polidispersità Standard apparatus d’efficienza (norma ISO apparatus
13321)
0,358 25 MPa 12 MPa 52%
Prodotto: liposomi
Particle Size Pressure Pressure New Incremento Nm Standard apparatus d’efficienza apparatus
95 nm 100 MPa X4 40 MPa bar X4 250%
cicli cicli
Con il seguente esperimento si à ̈ cercato di verificare il contributo nell’effetto omogeneizzante dovuto allo scontro radiale delle vene fluide nella nuova configurazione.
Prodotto: emulsione al 5% olio; 2% tween 80®; 93% H2O
Pressione Particle size Nm Particle size Nm Efficienza senza scontro con scontro contributo radiale radiale sconto radiale contrapposto. contrapposto. contrapposto.
15 MPa 423 349 ~ 17.5%
25 MPa 338 294 ~ 13.04 % 50 MPa 253 244.7 ~ 3.26 %

Claims (10)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Valvola omogeneizzante (1) comprendente: - un ingresso (2) per ricevere un fluido in pressione, eventualmente contenente anche particelle solide; - una zona (4) in cui avviene la omogeneizzazione del fluido, detta zona à ̈ compresa tra un elemento di interazione (9) ed un otturatore calibratore (6); - un’uscita (10) del fluido a pressione inferiore rispetto alla pressione di ingresso, in cui nella zona (4) di omogeneizzazione il fluido passa da una zona a diametro maggiore (o da un volume anulare maggiore) ad una zona a diametro inferiore (o ad un volume anulare inferiore).
  2. 2. Valvola secondo la rivendicazione 1, in cui il fluido nel suo percorso dall’ingresso all’uscita incontra l’otturatore calibratore (6) e l’elemento di interazione (9) sostanzialmente contemporaneamente.
  3. 3. Valvola secondo la rivendicazione 1, in cui à ̈ presente un foro calibrato in corrispondenza dell’uscita, atto a creare una contropressione.
  4. 4. Valvola secondo la rivendicazione 1, in cui à ̈ presente un’ulteriore valvola o apparato omogeneizzante a valle della valvola omogeneizzante, atto a creare una contropressione.
  5. 5. Valvola secondo la rivendicazione 1, in cui à ̈ presente un restringimento di sezione (meato tra elemento di interazione (9) e otturatore calibratore (6)) e un successivo allargamento (sagomatura dell’elemento di interazione (9)) verso l’uscita (10).
  6. 6. Valvola secondo la rivendicazione 1, in cui nell’elemento di interazione (9) à ̈ ricavato un foro, il quale nella porzione terminale verso la zona di omogeneizzazione à ̈ svasato (si allarga verso la zona di omogeneizzazione).
  7. 7. Valvola secondo la rivendicazione 1, in cui l’elemento di interazione (9) ha una forma che almeno in parte à ̈ troncoconica.
  8. 8. Valvola secondo la rivendicazione 1, in cui l’otturatore calibratore à ̈ regolabile in modo da cambiare l’intensità del trattamento senza cambiare sostanzialmente la geometria della valvola.
  9. 9. Procedimento di omogeneizzazione di un fluido, eventualmente contenente anche particelle solide, caratterizzato dal fatto che nella zona di omogeneizzazione compresa tra un elemento di interazione (9) ed un otturatore calibratore (6), il fluido si muove da una zona a diametro maggiore (o da un volume anulare maggiore) verso una zona a diametro inferiore (o a un volume anulare inferiore).
  10. 10. Procedimento secondo la rivendicazione 8, in cui lo shear rate aumenta durante il percorso del fluido dall’ingresso all’uscita.
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