制造一种悬浮液或乳化液的方法和装置

摘要

本发明涉及从至少两种不相溶的流体出发制造一种悬浮液或一种乳化液(41)的方法和装置，所述流体构成一个被分散相(40)和一个分散相(44)，所述被分散相(40)被推动穿过一个多孔体(24)进入到分散相(44)中，该方法的特征在于，通过一个机械、电或磁的激发使所述多孔体(24)产生振动。

说明书

技术领域

[01]本发明涉及一种制造至少两种不相溶的流体的悬浮液(dispersion)或乳化液(émulsion)的装置和制造方法。一种悬浮液或乳化液的制造是将两种不相溶的液体混合，在这种混合物中，这些流体的其中一个(叫做“被分散相”(phase dispersée))以小液滴的形式分散在另一个流体(叫做“分散相”(phase dispersante))中。液滴的尺寸取决于许多特性，并且一般说来，尺寸越小、越均匀，分散越有意义：液滴越小、悬浮液越稳定；在被分散相是一种有效成分的媒介的传统情况下，液滴越小，有效成分的扩散越好。

背景技术

[02]为了得到一定细度的液滴，已经知道使用一种搅拌的机械作用，特别是通过使用带有活动旋塞的搅拌器、转子-定子器、压力器、均化器或其它喷射器、超声波发生器、薄膜乳化器。

[03]带有活动旋塞的搅拌器最老，人们已经了解它的运行和机械作用。已经对容器的几何形状和动力以及搅拌速度的影响进行了许多研究。具有的机械能非常不均匀，并且功率密度有限。另外，机械作用只集中在动力部分的端部。

[04]在转子-定子系统中，使一个环形相对另一个环形转动，并使要处理的液体在这二个环形的相对表面之间通过。因此环形之间的速度差产生一个剪切作用，通过减小二个环形之间的距离优化这个剪切作用。存在许多几何形状的转子-定子器，某些系统包括几行环形。这些在该行业中广泛使用的系统特别适用于高粘性的悬浮液。

[05]压力器、均化器、以Microfluidizer(注册商标)为名的器具以及其它喷射器是最近发展的目标。其原理是给一种流体加压(到200MPa)，这种流体一般是一种预悬浮液，然后在一个装配头中突然膨胀，因此给流体带来巨大的机械能。均化器具有一个由一个开口、一个阀门和一些冲击板形成的头部。Microfluidizer(注册商标)的原理是分离主要流体，然后使次要流体产生碰撞。还要提到一种系统，这种系统的基础是给分散相加压，使其突然膨胀为一种结构紧密的喷射流，然后与分散相接触。以这些原理为基础的装置与设备的强度极限相冲突(强磨损、材料在强应力下断裂的危险)。另外，甚至膨胀的原理也会导致流体发热，而这对最终流体可能是有害的。

[06]超声波也构成一个在两种流体的界面上施加一个机械作用的方法。存在几种类型的超声波发生器：第一种叫做换能器，把一个振荡的电信号转换成超声振动；第二种叫做哨声器(sifflets)，在一个振动片或一个共振腔的原理上把一个流体的喷射能量转换为超声振动。

[07]几种作用与超声波有关：

[08]-机械振荡产生的搅拌作用(微型流动)；

[09]-接受超声波的介质中的压力变化；

[10]-空腔现象、气泡的产生现象、气泡的振荡和释放非常大的能量的气泡内破裂；

[11]这些系统的优点是达到非常高的能量密度。但是带来的能量非常不均匀，并且理论还不能完全描述空腔现象，这样使在装置和方法的发展中不得不主要采用经验的方法。

[12]另一种制造乳化液的系统是薄膜乳化：使被分散相穿过一个多孔体，被分散相在这个多孔体的表面形成液滴，分散相在多孔体表面的流动可以带动液滴。传递到界面上的能量受到由于分散相中的摩擦而产生的损失的限制；因此被带动的液滴尺寸更大(约为孔眼尺寸的4-5倍)，并在多孔体的表面产生一种聚结现象，这种聚结现象增加液滴的尺寸和液滴群体的不均匀性。聚结现象在至少二个在相邻孔眼上形成的液滴重新组合成一个液滴时发生。专利JP2-214537中考虑了一种对这种扰乱现象的方法。这种方法在于加入一种对多孔体的超声辐射。一个标准清洗系统产生的波通过流体通道进行传播。因此，用一个中等强度的超声源产生的搅拌作用抑制聚结，但具有更强的能量，这是一种标准超声波分散机的设置，并带有机械损失和作用的不均匀性。

[13]一般说来，与微观层面的有用能量相比，所有这些装置或多或少地都具有需要带来非常大的总能量(效率低于10％)的缺点。机械能通过流体传递到界面上，通过流体的摩擦产生大于有效能十倍以上的损失就解释了这一点。这种能量消耗一般表现为温度大大提高，或者在一种材料的极限上工作，以便得到令人满意的结果。另外，为了在一般大约为10^-18m³的有效体积上起作用，带来机械能的体积大于10^-10m³。从比例差别看，使用的装置不能保证机械作用的均匀性，因此不能保证所得产品的均匀性。

发明内容

[14]本发明的目的是提出一种制造至少两种不相溶流体的悬浮液或乳化液的方法，这种方法避免了上述缺点，并且可以制造一种细颗粒的均质乳化液或悬浮液。

[15]本发明的目的还在于提出一种实施这种方法的装置，直接在二相的界面施加一个机械作用，这样可以以更好的能量效率得到更细、更均匀的悬浮液。

[16]为此，本发明的目标是一种从至少两种不相溶的流体制造一种悬浮液或乳化液的方法，两种流体构成一个被分散相和一个分散相，被分散相被推动穿过一个多孔体，进入到分散相中，这种方法的特征在于，所述多孔体通过机械、电或磁性质的激发产生振动。

[17]分散相最好在多孔体的出口表面流动。

[18]根据该方法的一个变型，使乳化液在多孔体中重新循环，多孔体在这个过程中装有被分散相。

[19]振动的频率和强度最好是有控制的。

[20]有利地，在二个相的至少一个中加入一种乳化剂。

[21]被分散相最好在温度、压力、流量、成分和搅拌作用受控的条件下穿过多孔体。

[22]分散相在温度、压力、流量、成分和搅拌作用受控的条件下在多孔体的表面流动。

[23]在该方法的另一个变型中，在使多孔体产生振动的激发频率上叠加一个使多孔体发热的微波频率的波。

[24]该方法在于用所述悬浮液和乳化液制造化妆品、皮肤药品或药品。

[25]本发明的目的还在于一种从至少一种流体制造一种悬浮液或乳化液的装置，该装置至少包括：

[26]-一个有一个多孔部分的多孔体，所述流体可以被推动，穿过这个多孔部分，所述多孔体具有一个内空腔；

[27]-一个以密封方式至少包围所述多孔部分的封套体，以便形成一个外空腔，所述多孔部分伸到外空腔中，所述流体能够被带到所述外空腔中；

[28]该装置的特征在于包括一个使多孔体振动的系统，以便把振动直接施加给多孔体。

[29]根据本发明，“直接”表示与现有技术相反，振动主要不是通过其中一个流体进行传播。

[30]根据本发明，该装置可以用于从两种不相溶的流体出发制造一种乳化液或悬浮液，或者从同一个流体出发使一种乳化液或悬浮液均质化。

[31]该装置最好包括一个所述流体的供应系统，该系统能够在温度、压力、流量、成分和搅拌作用受控的条件下把所述流体提供到外空腔中。

[32]该装置还包括一个另一个流体的供应系统，该系统能够在温度、压力、流量、成分和搅拌作用受控的条件下把另一种流体提供到所述内空腔中。

[33]该系统最好包括一个可以排出、储存或向另一个系统转移乳化液或悬浮液或使乳化液或悬浮液重新循环的提取系统。

[34]根据一个实施例，使多孔体振动的系统由一个与一个交流电源连接的线圈构成，线圈包围封套体，封套体可以渗透线圈产生的磁波，多孔体由磁致收缩材料制成。

[35]根据另一个实施例，使多孔体振动的系统由一个与多孔体同轴的导电杆和一个导电封套体构成，所述导电杆和所述封套体与一个交流电源连接，多孔体由一种压电材料制成。

[36]导电杆和/或多孔体的表面最好覆盖一个绝缘层。

[37]根据另一个实施例，使多孔体振动的系统由二个固定在多孔体的端部并且与一个交流电源连接的转换器构成，所述转换器由一种压电材料制成。

[38]每个转换器包括一个固定在封套体上的支撑部件，封套体包括一个凹槽，多孔体的一端位于该凹槽中，所述转换器包括至少一对径向孔眼，每对孔眼包含一个在一个孔眼中的压电元件和一个在同一对孔眼的另一个孔眼中的弹性应力零件，以便使压电元件保持贴靠多孔体，同一对孔眼直径相对。

[39]支撑部件包括二对孔眼，二对孔眼位于垂直的方向，并且通过互相相差四分之一周期的信号给压电元件供电，并且与预应力弹簧配合，使多孔体沿一个大体为圆形的轨迹移动。

附图说明

[40]随着下面参照对本发明的几个实施例的描述，可以更好地了解本发明，并且本发明的其它目的、细节、特征和优点也更加清楚，这些实施例只作为非限定性的示例给出。附图如下：

[41]-图1表示一个包括多孔体和一个磁激发零件的模块的纵剖面和这个模块沿A-A轴的剖面；

[42]-图2表示一个包括多孔体和一个电激发零件的模块的纵剖面和这个模块沿A-A轴的剖面；

[43]-图3表示一个包括多孔体和一个机械激发零件的模块的纵剖面和这个模块沿A-A轴的剖面；

[44]-图4是实施本发明的示意图；

[45]-图5是实施本发明并使乳化液或悬浮液重新循环的示意图；

[46]-图6是图5所示装置的详细示意图；

[47]-图7是一个包括多孔体和一个符合第二实施例的机械激发装置的模块纵剖面；

[48]-图8是一个连接套筒的透视图；

[49]-图9是图7模块沿IX轴的剖面图，该模块包括一个多孔体和一个机械激发部件；

[50]-图10是一个表示使用例结果的曲线图。

具体实施方式

[51]图1、2、3、7中以激活模块2、102、202的形式表示该装置。

[52]根据图1，模块2由一个多孔体24、一个线圈27和一个封套体23组成。

[53]多孔体24的形状为一个空心柱体，它的中心多孔部分42包括在与多孔体24同轴的柱形封套体23中。多孔体24与封套体23之间的空间形成一个外空腔21。

[54]封套体23通过一个密封系统25和25’与多孔体24的端部43连接。多孔体24内还形成一个内空腔22。

[55]与一个功率和频率可以调节的交流电源4连接的线圈27产生一个振荡磁场。多孔体24由一种磁致收缩(magnétostrictif)材料制成，封套体23由一种线圈27产生的电磁波可以渗透的材料制成。

[56]被分散相40通过孔眼26进入到外空腔21中，然后被推动，穿过多孔部分42，一直到内空腔22，被分散相40在所谓的出口表面处与分散相44接触，分散相44从多孔体的左端43向右端流动。被分散相40穿过多孔部分42后在乳化液或悬浮液41的基础上以小液滴的形式与分散相44接触。

[57]封套体23的作用是包括被推动穿过多孔体24的被分散相40，并且可以使多孔体24振动，而不会使多孔体破坏。

[58]密封系统25和25’可以由二个同时保证多孔体相对封套体23的密封性和活动度的软密封垫组成。

[59]图1所示的实施例是一个通过磁激发产生振动的系统51，即系统51由与线圈27连接的交流电源4组成，线圈27的几何形状可以在多孔体24上施加一个交变磁场。

[60]因此承受一个振荡磁场的多孔体24发生振动，并且在二个相40的界面上施加所需的机械作用。通过这个在相40和44的界面上产生的机械作用，由此形成的液滴迅速从它们出自的孔眼中分离，并且以非常小的液滴尺寸方式与分散相44混合。

[61]图2所示的实施例表示一个通过电激发产生振动的系统151。

[62]相同的零件带有相同的参考数字，并且不再重新描述。

[63]激活模块102与图1模块的不同只是振动系统不同。

[64]振动系统151包括一个与一些导电表面连接的交流电源4，多孔体24位于这些导电表面之间。

[65]导电表面由封套体23的导电层46和一个由多孔体24形成的柱形同轴放置的导电杆28组成。每个导电表面46和28与一个产生一个振荡电场的交流电源4的接线端连接，交流电源4的功率和频率可以调节。

[66]导电杆28由一种覆盖一个绝缘层45的导电材料制成，同样，封套体23包括至少一个覆盖一个绝缘层47的导电层46(用形成外空腔21的轮廓的粗黑线条表示)。

[67]由一种压电材料制成并承受这个电场的多孔体24产生振动，因此在被分散相40和分散相44的界面上施加所需的机械作用。

[68]图3所示的实施例表示一个通过机械激发产生振动的系统251。

[69]相同的零件带有相同的参考数字，并且不再重新描述。

[70]激活模块202与图12模块的不同只是振动系统不同。

[71]振动系统251包括一个交流电源4和4’，交流电源4和4’与一个或几个与多孔体24连接(机械连接)的机械振动器连接，交流电源可以是固定在多孔体24端部43的环箍形状的转换器29和29’。

[72]这些转换器29、29’直接把振动传递给多孔体24。在这种情况下，转换器29、29’和多孔体24组成的系统形成一个振荡器，因此在被分散相40和分散相44的界面上施加需要的机械作用。

[73]图7、9表示环箍形转换器290和290’的一个特殊实施例。

[74]根据图7，转换器290和290’位于多孔体24的每一端43处，以固定的方式贴靠封套体23和密封系统25和25’。

[75]转换器290和290’由一个支撑部件291和291’形成，例如形状为八角形环箍，并包括一个与X轴同轴的凹槽52，并且根据图9，包括二个径向螺纹孔293a、293b。多孔体24的端部43嵌在一个连接套筒292或292’中，连接套筒292或292’本身位于同轴凹槽52中。

[76]根据图8，这个连接套筒292是一个由一空心柱体构成的加工零件，一个方块穿过这个零件，并且在该零件的中间部分，也就是在套筒292的中间部分，方块的宽度大于柱形的外径，零件的截面形状为挖掉一个圆形的方形，圆形的直径等于柱形的内径。多孔体24的端部43固定在套筒292中，使套筒292把施加给它的运动传递给多孔体24。

[77]根据图9，一个压电元件294位于每个孔眼293a和293b中，并且一个预应力弹簧295位于连接套筒292的另一侧。四个调节螺钉296a、296b、296c、296d堵塞每个孔眼293a和293b的端部。通过上述螺钉296a、296b、296c、296d使预应力弹簧295压缩地预受应力。

[78]通过二个互相成90°相位差(即相差四分之一周期)的电信号给压电元件294供电，并且压电元件294经受一个与供电电压成正比的伸长。压电元件294与多孔体24的轴垂直地拉伸和压缩，因此产生多孔体24的端部43的振动方式，使端部43弯曲。因为输入信号很少是单纯的，即另外包括一定频率的主要信号和其它频率的其它次要信号，因此多孔体24的横截面做出的运动由一个一些圆形轨迹的顶部组成(每个圆形轨迹相当于一个输入信号的频率)。另外，二个压电元件上的二个输入信号在接近四分之一的周期上相同，以便保证多孔体24的每个点在一个给定横截面处经受同样的振动，因此保证机械作用的均匀性。

[79]通过一些不同频率的信号给转换器290和290’供电，每个频率相当于系统的一个特有的模式。这样可以优化，并且很好地控制振动的发生，同时避免机械作用缺失的振动节点。

[80]在图4所示的本发明实施例中，该装置包括一个激活模块2，该模块通过管道5与被分散相40的供应系统1连接，通过管道7与分散相44的供应系统8连接，通过管道6与提取系统(système de soutirage)3连接。激活模块2还与一个交流电源4连接。

[81]交流电源4给激活模块2带来产生细小液滴所需的机械作用所需的能量。通过管道6与激活模块2连接的提取系统3可以将乳化液或悬浮液41从多孔体24排出。

[82]图5所示的这个实施例的一个变型除了一个连接提取系统3和模块2的管道17外包括与上一个实施例相同的零件。因此提取系统3可以将乳化液或悬浮液41返回，因此产生一个再循环。

[83]根据图6，在这个实施变型中，提取系统3由至少一个储存器30和一个位于储存器30与管道17之间的泵33组成。储存器30设有一个搅拌系统31和一个由一个恒温槽35和一个热交换螺旋34组成的温度保持系统50。

[84]被分散相40的供应系统1包括一个由一个储存器13(带压瓶或与一个膨胀阀连接的压缩机)和一个膨胀器14构成的带压气体供应器48。系统1还包括一个可以增压的被分散相40的储存器10，储存器10设有一个搅拌系统11，并且安装在一个秤或一个天平15上。系统1最后包括一个切断阀12。

[85]膨胀器14可以固定被分散相40被推到供应系统1处的压力。

[86]秤或天平15用于控制注入到供应系统1中的被分散相40的质量和流量。

实施例

[87]现在作为非限定例子描述本发明的一个实施例。

[88]使用的激活模块相当于图3所示的激活模块，并带有一个与图6相同的实施例。

[89]激活模块可以是一个适于应用的单道切线过滤模块，使用孔眼直径为0.1μm和0.8μm的亲水陶瓷多孔体。将使用一个长度为20-30mm、外半径为10-15mm、内半径为7-12mm的空心柱形多孔体。

[90]实施例涉及制造一种水油类型的乳化液，例如由10％的豆油、0.5％的Tween20(注册商标)乳化剂和89.5％的水构成。

[91]在搅拌作用下，在储存器10中形成一种4.8％的Tween20和95.2％的水的混合物。然后一定量的水X从储存器30开始循环。一旦阀门12关闭，则把膨胀器14调节到一个在0.1-5bars之间的压力。用交流电源4(由二个分开的电源组成)给转换器29和29’提供功率在0W到2kW之间的二个频率的信号，其中一个频率在14-16kHz之间，第二个频率在18-22kHz之间。然后将阀门12打开，并且当油+乳化剂的混合物的量达到0.1173X时重新关闭。在整个操作过程中，温度保持在一个在15-25℃之间的指定温度。

[92]为了验证振动在技术作用中的贡献，进行了没有振动的相同试验。然后通过一个Malvern(注册商标)激光衍射粒度计对有振动和无振动得到的乳化液的液滴尺寸的体积分布进行了测量。对于一个孔眼尺寸为0.8μm的多孔体24的无振动和有50W功率产生的振动的测量结果示于图10，该曲线图表示液滴群的体积百分比随它们的尺寸(对数比例尺)的变化。对无振动的实验，液滴群的分布用一条虚线表示，对有振动的试验用实线表示。人们发现，在每种情况下存在几个通过几个尖峰识别的液滴群。已经通过一个电子显微镜得到的精确图像(图像未示)证实存在这些液滴群。

[93]在没有施加任何振动的情况下观察到很大比例的大尺寸液滴群(大于15％的体积)，并且这可能是由于聚结现象。另外，使用振动观察到这个液滴群明显减少(大约12％的体积)。因此使用振动似乎抑制了聚结。人们还发现，尖峰向尺寸更小的值偏移(无振动试验为30μm，有振动试验为10μm)，这似乎说明振动有利于液滴的形成和分离。振动似乎还有利于被分散相穿过多孔体24流动，因为试验时已经观察到10％的偏离。但是，这些假设不应看作是对本发明的限制。

[94]另外，用200W的电功率和一个孔眼直径为0.1μm的多孔体24得到一种液滴尺寸小于300nm的乳化液41(结果未示)。

[95]把这个例子用于制造化妆品、皮肤药品或药品可能是很有意义的。

[96]在上面对附图进行的详细描述中，可以区分三个使多孔体振动的系统：机械激发系统251、电激发系统151或磁激发系统51。这些不同的系统51、151和251可以结合，以便得到最佳效果。还需要指出的是，在磁激发和电激发的情况下，两种原理不同。但是根据Maxwell公式，振荡磁场的产生导致产生一个振荡的电场(或相反)，因此使两种作用结合。

[97]多孔体24出口表面的振动在本发明中起作用，直接向被分散相40和分散相44的界面释放一个断裂的机械能，可以避免形成大的液滴，并使被分散相40在以乳化液41为基础的分散相44中形成细小液滴。

[98]因此该系统可以给二个相的界面传递很大的能量；传递通过一个固体(多孔体24)进行，而不是通过流体。似乎在这些条件下聚结现象受到抑制，因此加速了液滴形成和分离的机理。但是这种假设不应作为对本发明的限制。

[99]振动方式的选择要求多孔体具有磁致收缩特性、压电特性或电收缩特性。其它特性如几何特性、机械特性、物理-化学特性取决于应用。

[100]多孔体24的整体形状应该可以优化被分散相40穿过的面积，同时有利于振动的传递或产生。这些形状之一，即空心柱体(采用切线过滤薄膜的安装原理)，为前面介绍的形状。作为例子还可以举出一个位于一个管道中的实心柱形，被分散相沿柱形的轴流动，或者一个固定在一个管道中的塞子，塞子的出口表面与一个搅拌槽的内表面对齐。多孔体24的孔眼度、孔眼的尺寸和厚度决定有效体积和机械作用持续的时间。机械阻力和弹性对振动的幅度起作用，因此对机械作用的强度起作用。亲水/憎水特性可以明显改变流体穿过多孔体的路径，但是也改变多孔体24//被分散相40//分散相44的界面(接触角)。因此最好选择一个与分散相44有良好亲和性的多孔体24，以便有利于被分散相40的液滴脱离。选择的材料还必须与使用的产品相容。使用一个微波不能渗透的多孔体就不会发热，并且不会把热效应加到机械作用中。

[101]总之，人们注意到，多孔体24不一定是均质的。例如可以选择一个只有与分散相44接触的层具有适当孔眼度的多孔体24，多孔体24的其它部分作为这个层的支撑。同样，为了保证被分散相40穿过多孔体需要的密封性，多孔体24位于它的端部43的部分可以是没有孔眼的。因此确定多孔体24的特性，然后确定根据应用确定它的成分和处理。

[102]尽管已经用几个特殊实施例对本发明进行了描述，显然本发明对这些实施例没有任何限制性，并且包括所述部件的所有等效技术以及进入本发明的范围的这些技术的组合。