DE2323337B2

DE2323337B2 - Verfahren zur Behandlung eines Mehrphasensystems mittels Schall

Info

Publication number: DE2323337B2
Application number: DE2323337A
Authority: DE
Inventors: Warren R. Orange Conn. Jewett (V.St.A.)
Original assignee: Individual
Current assignee: Southwest Medical Products Inc Tucson Ariz U
Priority date: 1972-05-30
Filing date: 1973-05-09
Publication date: 1979-03-22
Also published as: US3826740A; IL42122A0; JPS4951171A; AT343613B; CH577340A5; GB1414849A; IL42122A; JPS5313056B2; CA1015288A; ATA478573A; DE2323337C3; DE2323337A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Behandlung eines Mehrphasensystems zur Förderung der Abtrennbarkeit einer dispergieren Phase aus einer die geschlossene Phase bildenden flüssigen Phase mittels auf das Mehrphasensystem einwirkenden, im Hörfrequenzbereich gelegenen Schalls und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Aus der deutschen Patentschrift 2 31271 ist ein Verfahren der vorstehend genannten Art zum Niederschlagen des Klärmittels in zu klärenden Flüssigkeiten bekannt, bei dem die Flüssigkeit der Einwirkung einer Sirene od. dgl. ausgesetzt wird. In die zu klärende Flüssigkeit taucht ein Stutzen mit einer Membran, durch die hindurch der Schall auf die zu klärende Flüssigkeit übertragen wird. Die Schalleinwirkung erfolgt mit einer einzigen Frequenz, nämlich der der Sirene. Dies ist auch bei der britischen Patentschrift 11 05 903 der Fall, die eine Vorrichtung zum Entwässern von Erzschlamm zeigt. Der Schlamm wird in einem Behälter der Einwirkung eines elektromagnetischen Schallgenerators im Frequenzbereich von 25 bis 100 Hz ausgesetzt.

Bei der USA-Patentschrift 25 78 505 sind bereits mehrere gleichzeitig arbeitende Schallerzeuger vorhanden. Es geht bei dieser Patentschrift jedoch um die Ultraschallbehandlung einer durch ein Rohr strömenden flüssigen Phase. Um in der Mitte des Rohrs eine hohe Schallenergie zu konzentrieren, sind über den Umfang des Rohres mehrere Schallerzeuger verteilt. Diese werden allerdings von einem gemeinsamen Oszillator betrieben und erzeugen die gleiche Frequenz. Es geht aber auch nicht um die Abscheidung einer dispersen Phase, sondern Behandlungen wie die Zerstörung von Bakterien zur Herstellung von Enzymen, eine effektivere Sterilisation, Mischung normalerweise nicht mischbarer Komponenten, die Behandlung von Metallen im geschmolzenen Zustand <£ur Änderung

ίο der Kristallstruktur und zur schnelleren und in größerem Maßstab durchführbaren Homogenisierung von Flüssigkeiten.

Gemäß der USA-Patentschrift 26 88 402 soll sowohl Schall im Hörfrequenzbereich als auch Ultraschall zur

Ii Anwendung gelangen. In einem mit Ultraschall arbeitenden Ausführungsbeispiel kommen sogar in einem von Abwasser der Papierherstellung durchströmten Behälter hintereinander zwei Schallgeneratoren mit unterschiedlichen Frequenzen von 100 und 400 kHz zur Einwirkung. Diese Einwirkungen geschehen jedoch hintereinander mit zeitlichem und räumlichem Abstand. Allen vorgenannten Ausführungsformen ist gemeinsam, daß der Abscheidungseffekt bei vertretbarem Energieaufwand relativ schwach ist und erhebliche Einwirkungsdauern erforderlich sind, um eine ausreichende Niederschlagung einer dispergierten Phase zu erzielen.

Die Erfindung k.it die Aufgabe, die Wirksamkeit der Abtrennung bei einem Verfahren der eingangs genann-

jo ten Art zu erhöhen.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß in das Mehrphasensystem mindestens zwei vibratorische Störungen entsandt werden, die in dem Mehrphasensystem mindestens zwei sich überlagernde

]5 Schallwellenzüge innerhalb der Hörfrequenz gelegener, verschiedener Frequenz bilden und so gerichtet sind, daß sich die Schallwellenzüge in dem Mehrphasensystem kavitationsfrei überlagern.

Es hat sich gezeigt, daß durch diese Überlagerung von Schallwellenzügen verschiedener.frequenz eine überraschende Steigerung des Trennungseffektes gegenüber Behandlungen eintritt, bei denen zum gleichen Zeitpunkt nur eine Frequenz vorliegt. Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren bei empfindlichen dispergierten Phasen, die, wenn die Abscheidung mit den herkömmlichen Methoden bis zu dem erforderlichen Grad vorangetrieben würde, einer zu starken oder zu langdauernden Einwirkung auszusetzen wären. Durch die Erfindung lassen sich auch diese Mehrphasensysteme, insbesondere kolloidale Systeme, ohne weiteres behandeln.

Die Erfindung ist auch besonders geeignet zur Behandlung wäßriger Lösungen, welche einen flockigen Stoff enthalten. Es kann z. B. mit der Erfindung ein wäßriges System mit Aluminiumhydroxyd-Flöckchen behandelt werden, um die Agglomeration der Teilchen zu beschleunigen und ihre Abtrennung zu fördern.

Die Schallwellenzüge bringen eine Bewegung des Mediums mit sich, in welches sie eingeleitet werden. Zur Gewährleistung einer wirksamen Fortpflanzung der gegenseitigen Verlagerung der einzelnen Flüssigkeitsteilchen muß diese ihren inneren Zusammenhang bewahren, d. h. die vibratorischen Störungen dürfen nicht zu einer Kavitation führen. Dies gelingt mit den üblichen Anordnungen zur Erzeugung vibratorischer Störungen, nämlich Oszillatoren zur Erzeugung von Schall, mechanischen Vibratoren usw., die Schallwellenzüge verhältnismäßig geringer, d. h. im Hörfrequenzbe-

reich liegender Frequenz erzeugen. Vorzugsweise haben die Wellen im Abstieg und Abfall einen festliegenden Verlauf, beispielsweise in Form einer Sinuslinie.

Bei für viele Anwendungsfälle vorteilhaften Ausführungen der Erfindung liegen die beiden verschiedenen Frequenzen unter 1000, insbeijondere im Bereich von 50 bis 200 Hz. Die beiden verschiedenen Frequenzen können dabei um 2 bis 20 Hz bzw. 3 bis 10 Hz voneinander abweichen. κι

Die Erfindung kann insbesondere zur Abtrennung von Proteinfaktoren aus Blutplasma angewendet werden.

Die beiden Frequenzen können dann ungefähr 150 Hz betragen und die eine kann von der anderen um etwa 4 bis 6 Hz abweichen.

Die Fraktionierung von Blutplasma wird allgemein nach der Alkoholausfällmethode durchgeführt, die von E. J. C ο h η eingeführt worden ist Das Cohn-Verfahren hängt davon ab, daß die Ausfällwirkung des organischen Lösungsmittels mit der Lösungswirkung der vorhandenen Elektrolyte ausbalanciert wird, wodurch eine Reihe von Bedingungen besteht, bei denen die 'löslichkeit eines bestimmten Proteins im wesentlichen konstant ist. Die Löslichkeit bestimmter anderer Proteine kann bei einigen dieser Bedingungen so sein, daß eine brauchbar vollständige Trennung möglich ist.

Bei dem Cohn-Verfahren werden üblicherweise fünf voneinander unabhängige Veränderliche gesteuert:

1. Elektrolytkonzentration ^J"

2. Alkoholkonzentration

3. Wasserstof fionenkonzen [ration

4. Temperatur

5. Proteinkonzentration.

In der Praxis wird gekühltes Plasma mit den Reagenzien in sehr großen Behältern behandelt. Nach der Einstellung des pH-Wertes wird das Plasma oder eine Unterfraktion desselben auf eine spezifische Temperatur bei oder unter 0⁰C gekühlt, um eine Denatuiiemg des Proteins zu vermeiden und die Bedingungen für eine ordnungsgemäße Ausfällung zu schaffen. Das Ausfällen wird durch Hinzufügen des Fällmittels, üblicherweise Äthanol, unter Rühren erreicht. Die Äthanolmenge ist dabei so vorbestimmt, daß 4-, eine Endkonzentration erzielt wird, welche für die Abtrennung einer gewünschten Prvteinfraktion geeignet ist. Das Rühren der Mischung kann nicht wirksam durchgeführt werden, ohne daß eine starke Schaumbildung eintritt. Der Vorgang kann nur langsam ausgeführt -,0 werden, mit dem Ergebnis, daß die Konzentration des Fällmittels sich ständig bis zu dem Punkt ändert, an welchem sämtliches Fällmittel zugegeben ist. Demzufolge erfolgt das Ausfällen von Fraktionen progressiv und ist eine lange Absetzdauer erforderlich, bis das -,-, Endgleichgewicht erreicht ist. Es ist in der Praxis sehr selten, daß das verlangte Gleichgewicht tatsächlich vorliegt. Das Endprodukt ist meist gleichmäßig verunreinigt. Derartige Systeme zur Behandlung einer großen Menge sind auch risikoreich, da große Mengen mi von Plasmaflüssigkeit wegen eines möglichen Versagens der Anlage öder Irrtümern des Bedienungspersonalsständig auf dem Spiel stehen.

Die Einfügung der Erfindung in das Cohn-Verfahren ergibt eine bemerkenswerte Verbesserung, indem die b^r> Arbeitszeit ohne widrigen Effekt auf die Ausbeute verringert wird. So werden beispielsweise bei der Anwendung eines modif'zierten Cohn-Verfahrens, welches Grundlage für den vorliegenden Vergleich ist, zur Erzielung einer vollständigen Fraktionierung 168 Stunden benötigt. Bei der Anwendung eines schon verbesserten Cohn-Verfahrens kann die Zykluszeit auf 26 Stunden verringert werden. Die Einfügung der Erfindung in das letzterwähnte Verfahren verringert jedoch die Zykluszeit auf ungefähr 2,5 Stunden.

Vorläufige Versuchsergebnisse zeigen, daß die durch die Erfindung bewirkte Verbesserung der Abtrennung der Proteinfaktoren aus dem Plasma durch eine Erhöhung der in Erscheinung tretenden Dichte der dispergierten Phase stammt. Es werden nach der Zugabe des Fällmittels Klumpen gebildet, welche in der Größenordnung von 7 bis 15 Mikron liegen. Es wird angenommen, daß in den Klumpen flüssiges Plasma eingeschlossen ist. Die erfindungsgemäße Behandlung verringert die Größe der Klumpen auf etwa 4 bis 6 Mikron. Dies geschieht offensichtlich ganz einfach, indem die eingeschlossene Flüssigkeit ausgetrieben wird. Die Klumpen sind auch der Bildung von größeren Aggregaten zugänglicher, nachdem r'ie eingeschlossene Flüssigkeit freigegeben oder ausgetrieben ist.

F i g. 1 läßt eine schematische, perspektivische Teilansicht einer Vorrichtung nach der Erfindung erkennen;

Fig.2 ist eine im Maßstab etwas verkleinerte Seitenpnsicht der Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig.3 gibt eine Vorderansicht einer abgeänderten Ausführungsform eines Teils der Vorrichtung nach F i g. 1 und 2 wieder;

Fig.4 läßt eine Seitenansicht einer abgeänderten Ausführungsform einer der Vorrichtung nach Fig. 2 ähnlichen Vorrichtung erkennen;

F i g. 5 verdeutlicht schematisch eine perspektivische Teilansicht einer anderen Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung;

F i g. 6 ist ein senkrechter Schnitt nach der Linie 6-6 in Fig.5;

F i g. 7 zeigt schematisch eine perspektivische Teilansicht einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 8 gibt eine Seitenansicht eines anderen Ausführun^sbeispiels der Erfindung wieder, wobei Teile aufgeschnitten dargestellt sind, um die dahinterliegende Anordnung erkennen zu lassen;

F i g. 9 ist ein vertikaler Schnitt nach der Linie 9-9 in F ig.8;

Fig. 10 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 11 stellt eine schematische, perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung dar, welche insbesondere zur Fraktionierung von Blutplasma geeignet ist.

Gemäß Fig. I und 2 umfaßt eine Vorrichtung 21 einen rechteckigen Behälter 22 zur Aufnahme eines Mehrphasensystems, welches eine flüssige Dispeision sein kann. Der Behälter 22 weist einen Einlaß 23 und einen Auslaß 24 für die Flüssigkeit oder die kontinuierliche Phase und einen Auslaß 25 zum Wegschaffen der abgetrennten disp rgierten Phase auf. Der Behälter 21 kann vollständig geschlossen sein, um die Verluste an flüssiger Dispersion durch Verdampfen zu verringern, oder an der Oberseite offen sein, wie es gezeigt ist. Der Behälter 22 kann aus irgendeinem Material hergestellt sein, welches den Schwingungen widerstehen kann und welches eine Verun/einigung der flüssigen Dispersion verhütet, z. B. aus korrosionsbeständigem Stahl oder einem anderen solchen Metall oder einem transnaren-

ten Material, wie Glas oder hochbeslündiger Kunststoff.

Ein erster Schallschwingungserzeuger 26 ist an einer Wand. z. B. an der Bodenplatte 27, des Behälters 22 angebracht, und versetzt den Behälter 22 als Ganzes über den Schallübertrager 28 in Vibration. Die Bodenplatte 27 des Behälters 22 ist nach unten in Richtung des Auslasses 25 für die abgetrennte dispergierte Phase geneigt, um deren Entfernen zu erleichtern. Ein zweiter Schallschwingungserzeuger 29 ist über einen Schailübertrager 32 mit mehreren Platten 31 verbunden, welche vertikal im Behälter 22 angeordnet sind. Die Platten 31 dienen als Übertrager, welche das System der von den Schallschwingiingscrzeugern 26 und 29 stammenden Energie unterwerfen. In der Platte 31 sind geeignete öffnungen, so Schlitze 33, vorgesehen, um eine Strömung der flüssigen Dispersion durch die Platten zu ermöglichen. Ein geeigneter Schallschwingungscrzeuger ist ein Elektromotor mit veränderlicher Drehzahl, welcher mit den Schallübertragern 28 und 32 über geeignete, nicht gezeigte Exzenter verbunden ist. Die Platten 31 bestehen aus für Übertrager geeignetem Material, d. h. Metall, Kunststoff u. dgl.

Zur überwachung des Fortschrittes der Ausfällung sind Fotozellen 34 und 35 als Komponenten von Densitometern oder Trübungsmesser in geeigneter Weise in oder an Seitenwänden des Behälters 22 angeordnet und mit einem nicht wiedergegebenen Aufzeichnungsgerät verbunden. Durch das Messen der Dichte der Dispersion während des Betriebs der Vorrichtung 21 kann bestimmt werden, wann die Ausfällung der dispergieren Phase im wesentlichen vollendet ist. Solche Überwachungsverfahren sind bekannt und brauchen daher nicht weiter beschrieben zu werden.

Im Betrieb wird die flüssige Dispersion, welche fraktioniert werden soll, dem Behälter 22 durch den Einlaß 23 zugeführt. Hierbei wird die pro Zeiteinheit zugeführte Menge durch geeignete, nicht wiedergegebene Ventile gesteuert. Dann werden die Schallschwingungserzeuger 26 und 29 in Betrieb gesetzt, um Frequenzen, Frequenzunterschiede und Amplituden zu schaffen, welche mit den strukturellen Eigenarten der Vorrichtung und einer minimalen Denaturierung der Dispersion verträglich sind.

Ein anderes Mittel, um flüssige Dispersion durch die Platten 31 hindurchzulassen, ist in F i g. 3 gezeigt. Anstelle der Schlitze 33 sind Löcher 37 vorgesehen. Außerdem kann die Zahl der Platten 31 vergrößert sein, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Des weiteren können verschiedene Mittel zur Reflexion des Wellenzuges verwendet werden, so die Prallbleche 38, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Bei jeder Ausführungsform der Vorrichtung können mehr als zwei Schallschwingungserzeuger vorhanden sein.

Bei einer anderen Ausführungsform 39 der Vorrichtung, welche in F i g. 5 und 6 gezeigt ist, ist der Behälter ein längliches, rohrförmiges Gefäß 41, welches Enden aufweist, die mit Ausnahme eines Einlasses 42 für die flüssige Dispersion und eines Auslasses 43 für die Flüssigkeit oder die kontinuierliche Phase geschlossen sind. An irgendeinem geeigneten Punkt längs des Bodens des Gefäßes 41 ist ein Auslaß 44 zur Entfernung der Ausscheidung vorgesehen. Wie bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 kann eine nicht wiedergegebene Ventileinrichtung zur Steuerung der Strömung der flüssigen Dispersion und der abgetrennten Phase vorgesehen sein.

Jedes gegen Schwingungen wiederstandsfähige Ma-

terial, welches jedoch Schwingungen übertragen kann, kann für die Herstellung des röhrenförmigen Gefäßes 41 verwendet werden. Im allgemeinen kann wie bei der Ausführungsform nach Fig. I, ein nicht ganz starres Material, so ein harter Kunststoff, verwendet werden. Es sind aber auch gewisse Silikone zweckmäßig. Das Gefäßmaterial ist ferner nach der Widerstandsfähigkeit gegen die Komponenten der flüssigen Dispersion ausgesucht. Es müssen beispielsweise Kunststoffe vermieden werden, die durch bestimmte Emulgatoren oder andere Komponenten der flüssigen Dispersion angegriffen werden.

In dem Kessel 41 ist eine Reihe von Trenn- oder Prallplatten 45 angeordnet, um eine hinreichende Turbulenz in der flüssigen Dispersion zu erzielen. Die Platten 45 weisen abgeschnittene untere Kanten 46 auf. um eine Strömung des ausgefällten Stoffes längs des Hodens des Gefäßes zuzulassen. Diese Platten weisen ebenso wie andere, nicht im Wee des ausgeschiedenen Materials befindliche Platten, Öffnungen 47 und 49 auf. um die Strömung zu erleichtern.

Auf einander gegenüberliegenden Seiten des Behälters 41 sind .Schallschwingungserzeuger 51 und 52 angeordnet. Die Schwingungsenergie ist so geleitet, daß eine größtmögliche Berührung mit der Flüssigkeitsdispersion gegeben ist und jeder merkliche Grad von Störung des abgeschiedenen Sioffes in dem unteren Teil des Behälters vermieden wird. Bei dieser Ausführungsform sind die Schallschwingungserzeuger 51 und 52 vorzugsweise solche, welche unmittelbar die Wand des Behälters 41 in Vibration versetzen.

Eine andere Ausführungsform 5) der Vorrichtung nach der Erfindung ist in F i g. 7 gezeigt. Hier ist ein röhrenförmiger Behälter 54, welcher dem Behälter in F i g. 5 ähnelt, in einer vertikalen Lage angeordnet. Der Behälter 54 weist einen Einlaß 55 für die flüssige Dispersion, einen Auslaß 56 für die Flüssigkeit oder die kontinuierliche Phase (in der Wand des Behälters in einer etwas geringeren Höhenlage als der Einlaß 56 angeordnet) und einen Auslaß 57 für ausgefälltes Material am unteren Ende des Behälters 54, vorzugsweise am Ende einer leichten Schräge in der Bodenwand des Behälters aus.

Zum Erzeugen von Schwingungsenergie sind zwei Schallschwingungserzeuger 58 und 59 vorgesehen. Hierbei versetzt der erste Schallschwingungserzeuger 58 unmittelbar den ganzen Behälter oder nur die untere Wand des Behälters in Vibration. Der zweite Schallschwingungserzeuger 59 ist an einer Übertragungsscheibe 61 befestigt. Die Übertragungsscheibe 61 weist Öffnungen wie die Lochungen 62 auf und kann mit Hilfe geeigneter Mitte! gedreht werden, um Ansammlungen von Ausscheidungen auf der Scheibe zu verhüten.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung 53 ist der Arbeitsweise der vorbeschriebenen Ausführungsformen ähnlich. Die flüssige Dispersion wird dem Behälter 54 in Zuflußmengen zugeführt, welche durch geeignete, nicht gezeigte Ventile geregelt werden. Die Schallschwingungserzeuger 58 und 59 werden mit geeigneten Frequenzen und Frequenzunterschieden betrieben, weiche im Sinne einer günstigen Ausfällungsmenge und einer geringsten Veränderung der Komponenten der Dispersion ausgesucht ist Die Menge und der Umfang der Ausfällung kann durch geeignete Trübungsmesser überwacht werden, wie bei den bisherigen Ausführungsformen.

Noch eine weitere Ausführungsform 63 der Vorrichtung nach der Erfindung mit etwas Ähnlichkeit mit der

Ausführiingslorm nach Pig. I ist in f^; i g. 8 und9gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist wiederum ein rechteckiger Behälter mit senkrechten Seitenwänden, einem Einlaß 65 für die Dispersion und einem Auslaß 66 für die Flüssigkeit odei stetige Phcise sowie einem Auslaß 67 für den ausgefällten Stoff vorgesehen. Ein Unterschied ist die Vorsehung von wenigstens einem geneigten bzw. schiefen Wandteil (hier sind zwei sich gegenüberstehende i.viere Wandteile 68 vorgesehen), um das Sammeln sowie Abführen des ausgefällten Stoffes zum Auslaß 67 zu erleichtern. Ein anderer Unterschied besteht darin, daß ein Schallschwingungscrzeugcr 69 vorgesehen ist, der die flüssige Dispersion in dem Behälter über eine Membran 71 in Schwingung versetzt. Die Membran 71 ist in der Wand 64 angeordnet. Ein gleicher Schallschwingungserzeuger 72 ist an einer Membran 73 in der gegenüberliegenden Wand angebracht. Eine zylindrische Form ties Behälters ist einer winkligen bzw. rechteckigen Behälterforin vorzuziehen. Dabei ist nur ninp u*>rt iL· dl*»

Λί-Λ ,

Noch ein weiterer Unterschied ist die Vorsehung mehrfacher Überwachungsvorrichtungen, nämlich die Triibungsmcsserfotozellen 74 und 75. welche genau unter dem Auslaß 66 angeordnet sind, und ein zweites Paar von Fotozellen 76 und 77, welches im rechten Winkel /u den ersten Fotozellen jedoch nahe dem Auslaß 67 für die Abscheidung bzw. Ausfällung angeordnet ist. Mit Hilfe von geeigneten Leitungs- und Ventilanordnungen (nicht gezeigt) kann die Zuspeise- und Abzugsmenge von Flüssigkeit und ausgefälltem Material koordiniert werden, so daß die Franktionierunp auf einer stetigen Basis vor sich geht. Überwachungssysteme einschließlich von Regelorganen, welche bei solchen Arbeitsabläufen vorgesehen werden, sind bekannt. Daher erübrigt sich eine Beschreibung hierzu.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 10 verdeutlicht. Bei dieser Ausführungsform sind zwei paddelartige Übertrager 81 und 82 sowie Schallschwiiigungserzeuger 85 und 86 und Schwingungsübertrager 83 und 84 vorgesehen. Die Schwingungsübertrager 81 und 82 sind so angebracht, daß sie in das Mehrphasensystem in dem Behälter 87 tauchen. Außenseitig an den einander gegenüberliegenden Wänden des Behälters 87 ist eine fotoelektrische Zelle 88 angebracht, wie es in Verbindung mit Fig. I und 8 beschrieben ist. Fig. 10 gibt die zur Ausführung der Erfindung notwendige Gesamtanlage wieder. Zwei veränderliche Signalgeneratoren 89 sind elektrisch mit einem getrennten Leistungsverstärker 90 verbunden, welcher seinerseits das verstärkte Signal an die Schallschwingungserzeuger 85 und 86 überträgt. In der Zeichnung sind die Schallschwingungserzeuger 85 und 86 als magnetische Antriebe wiedergegeben, welche als »Shaker« bekannt sind. Das erzeugte Signal wird sichtbar in einem Frequenzmesser 91 wiedergegeben. Die Antriebe wandeln die elektrische Energie in Schwingungsenergie um, welche in das System in dem Behälter 87 übertragen wird.

Fig. Il gibt eine andere Vorrichtung nach der Erfindung wieder, weiche als besonders zur Verwen- dung bei der Fraktionierung von Blutplasma geeignet befunden worden ist Die Vorrichtung weist einen Zylinder 92 mit einem Innendurchmesser von ungefähr 63 cm bei einer Länge von annähernd 30 cm auf. Die beiden Enden des Zylinders 92 sind mit Gummimembranen 92' geschlossen, durch weiche Übertragungsstäbe 93 in das Innere des Zylinders geführt sind. Flache Scheiben 94 von ungefähr 5,5 cm Durchmesser sind an

den Enden der Stäbe 93 angebracht. Die Übertragungsstäbe 93 sind außen mit Schallschwingungserzeugern verbunden, wie sie in Fig. 10 gezeigt sind. Die Verwendung der Vorrichtung nach Fig. 11 bei Frequenzen in der Größenordnung von 150 Hertz mit einer Frequenzdifferenz von etwa 4 bis 6 Hertz ergibt vorteilhafte Ergebnisse bei der Trennung von Proleinfaktoren von Blutplasma. Die Vorrichtung, welche in F i g. 11 gezeigt ist, arbeitet fortlaufend, indem Plasma in den Zylinder 92 durch die Einlaßöffnung eingeführt wird und das Plasma durch das Rohr wandert sowie durch dir. öffnung 96 austritt.

Zur Auswahl der Schwingungsfrequenz für die Ausführung der Erfindung sind nachstehend einige empirische Richtlinien zusammengestellt. Im allgemeinen soll die Schwingungsfrequenz, in dem unteren Teil des Hörfrequenzbereichs, d. h. unter etwa 1000 Hertz liegen. Insbesondere werden gute Ergebnisse in der Größenordnung von 50 bis 200 Hertz erzielt. Frequenz-

ι ' l Il _ L „II _Λ _' ■ J

ac'.veicHürtgcn seilen sicfi im allgemeinen ;n v<v_i Größenordnung von 2 bis 20 Hertz halten, wobei eine Differenz von 3 bis 10 Hertz besonders effektiv ist. Die Amplitude der Schwingungen kann etwa zwischen 0,254 cm und 0,0254 liegen je nach der Geometrie der Übertrager und der Vorrichtung.

Bei den folgenden Beispielen, welche die Erfindung erläutern, sind die Mengenverhältnisse durch das Gewicht ausgedrückt, wenn sie nicht ausdrücklich in anderer Weise bestimmt sind.

Beispiel I

Es folgt die Beschreibung des Ausfällens von Fibrinogen als ein Schritt bei der Reinigung des antihämophilen Faktors von Blutplasma. Dies soll lediglich ein Beispiel für den weiten Bereich der biologischen Dispersionen sein, für die die Erfindung anwendbar ist.

Der Antihämophile Faktor (AHF) Menschliches Konzentrat, stammend von E. R. Squibb + Sons, ein repräsentatives Beispiel für der herkömmlichen Fraktionierung unterworfenes Material, wird zuerst wie folgt in eine Lösung übergeführt. In ein 1000-ml-Becherglas werden 900 ml destillierten Wassers von 37°C abgemessen. 50 ml von 0,02 M Triscitrat (eine Mischung von Natriumeitrat und Trihydroxymethylaminomethan, weiche durch Mischen von 0,02 Mol von beiden in einem Liter Wasser hergestellt ist) werden bei pH 6,1 ±0,5 und 37° C zu 625 mg des antihömophilen Faktors zugegeben. Der Faktor wird sehr langsam aufgelöst, ohne Rütteln und ohne Bewegung, indem die Flasche in der Hand gedreht wird. Wenn der Faktor aufgelöst ist, werden zusätzliche 50 ml des 0,02molaren Triscitrats zu der Lösung hinzugegeben. Die entstandene Lösung wird dann zu den 900 ml destillierten Wassers von 37° C zugegeben. Wenn nötig, wird dann der pH-Wert auf 6,1 ±0,5 nachreguliert Das entstandene Gemisch kann sowohl ein klare Lösung als auch eine etwas wolkige bzw. etwas getrübte Dispersion sein.

Eine Fraktionieningsvorrichtung gemäß F i g. 1 ist mit einem Behälter 22 ausgerüstet, welcher ungefähr 250 ml Flüssigkeit faßt Ein erster Motor versetzt die beiden vertikalen Platten 31 im Gleichklang mit einer Frequenz von 120 Hertz in Vibration. Ein zweiter Motor versetzt den ganzen Behälter 22 mit einer Frequenz von 110 bis 117 Hertz in Vibration. Durch eine Seite des Behälters 22 ist ein Lichtbündel durch die Flüssigkeit nach der anderen Seite gerichtet, wo die Fotozelle eines Dichtemessers zum Empfang des Lichtbündels vorgese-

hen ist, um die Dichte der Lösung zu messen.

Die Exzenter, welche die Platten 31 und den Behälter 22 mit den Motoren verbinden, werden auf etwa 0,5 mm eingestellt. Dann werden 250 ml der Lösung in den Behälter 22 gebracht, ohne daß die Motoren laufen. Der Dichtemesser wird mit einer entsprechenden Einrichtung auf Null eingestellt. Die Lösung wird dann aus dem Fraktionator ;n eine 750-ml-Flasche gebracht, und es werden 20 ml eines 50%igen Polyäthylenglykols in 0,02molarem Triscitrat (pH 6,1) der L >sung zugegeben. Die Flasche wird für ein gründliches Mischen sanft gedreht, so daß die Mischung eine gleichförmig, sehr trübe kolloidale Dispersion wird. Die Dispersion wird dann sanft zurück in den Fraktionierbehälter 22 geschüttet. Der Dichtemesser wird auf einen Wert von 80 eingestellt. Der erste Motor wird in Betrieb gesetzt, um Schwingungen mit einer Frequenz von 120 Hertz auf den Platten 31 zu erzeugen. Der zweite Motor wird in Betrieb gesetzt, um für den Behälter 22 Schwingungen mit einer Frequenz von 110 bis 117 Hertz zu erzeugen. Der zweite Motor wird erforderlichenfalls in Abständen nachjustiert, damit annährend ein Frequenzunterschied von 3 bis 10 Schwingungen je Minute eingehalten wird. Die Ausscheidung bzw. Ausfällung beginnt sofort und die Koagulation ist beschleunigt, so daß, wenn mit den Schwingungen nach nur etwa 5 Minuten innegehalten wird, die Teilchen in weniger als in einer Stunde ausgeschieden werden, gegenüber etwa 20 Stunden bei der herkömmlichen Absetztechnik, welche einen Trennindex von etwa 20 ergeben.

Es wurde beobachtet, daß ungefähr während ier ersten zwei Minuten die Dichte im Wert steigt und in weiteren zwei Minuten zu dem Anfangswert von 80 zurückkehrt. Von da an verläuft die Änderung der Dichte ständig nach geringeren Werten mit einem Änderungsbetrag von etwa 0,8 Dichteeinheiten je Minute.

Wenn der Test bzw. der Versuch durchgeführt ist und der Behälter ausgeleert wird, wird die fibrinogene Ausscheidung vom Boden des Behälters gesammelt. Die Trübung der im Behälter 22 verbleibenden Flüssigkeit ist am Endpunkt fast verschwunden und hat einen Dichtewert von 10 bis 20 Einheiten. Dieser Wert ist niedriger als 25 bis 30 Trübeeinheiten, die bei ruhiger bzw. bewegungsloser Behandlung bzw. dem Absetzen über einen Zeitraum von 20 Stunden erreicht wird. Die Ergebnisse zeigen, daß durch die Erfindung Trübungsminderungen von ungefähr 40% erreicht werden, während die Zeit zur Erreichung der geringen Trübung um 90% verringert ist.

Beispiel Il

Bei diesem Beispiel wurde eine flockige Wasser-Aluminiumhydroxidmischung in einer Vorrichtung behandelt, wie sie in Fig. 10 gezeigt ist Die Behandlungsbedingungen wurden über einen Bereich von Frequenzunterschieden und Eingangsspannungen für den magnetischen Antrieb (»Shaker«) geändert

Die Vorrichtung umfaßt ein Paar von Signalgeneratoren, weiche von der Radio-Corporation von Amerika, Harrison, New Jersey hergestellt werden und mit Modell Nr. WA-504-A gekennzeichnet sind. Jeder Signal-Generator ist an ein Frequenzmeß- und -darstel-Iungsgerät angeschlossen, welches eine optische Darstellung der Ausgangsfrequenz liefert Das FrequenzmeB- und -darsteliungsgeräl ist von der Heath Company, Benton, Michigan, hergestellt und hat die Modellbezeichnung 1 B 101. Das Signal eines jeden Signalgenerators wird in einen Leistungsverstärker eingespeist, weither durch die Ling Electronics Corporation, Anaheim, Californien hergestellt wird und mit Modell 100 bezeichnet ist. Die Leistungsverstärker wurden hinsichtlich ihrer Ausgangsspannung durch einen Spannungsregler eingeregelt. Jeder Leistungsverstärker war mit einem magnetischen Antrieb (»Shaker«) elektrisch verbunden, der durch die Ling Electronics Corporation, Royston Herts, England hergestellt ist und die Modellbezeichnung 411 hat. Der Antrieb (»Shaker«) war seinerseits über einen Übertrager mit einem aus Kunststoff bestehenden Übertragerelement verbunden.

Der Strom, den jeder Leistungsverstärker benötigte, war bei dem der nachstehend tabellieren Vcrsiichsläufc geringer als etwa als 0,5 Ampere.

Der Behälter, in welchen die Aluminiumhydroxid-Wasser-Mischung gebracht wurde, ist ein rechteckiger Behälter von ungefähr I 5,25 cm Länge bei etwa 7,5 cm Tiefe und etwa 5 cm Breite. Die beiden Plattenschicbcrn bzw. Paddeln ähnlichen Übertrager sind aus Plexiglas hergestellt und haben etwa eine Fläche von 3,8 ma 3,8 cm² und eine Stärke von 0,63 cm. Sie sind etwa 1,27 cm über dem Boden des Behälters und etwa 5 cm auseinander angeordnet. Alle anderen Bedingungen entsprechen normalen Umgebungsbedingungen.

Die wässerigen Aluminiumhydroxid-Mischungen wurden in der Weise hergestellt, daß 250 ml einer wässerigen Lösung von 2 Gramm je Liter Aluminiumsulfat und 12,5 ml einer Lösung von 2 Gramm Soda je ml zusammengegeben werden.

Die sich ergebende flockige Aluminiumhydroxid-Wasser-Mischung wird dann in den Behälter gegeben und der beschriebenen Schwingbehandlung unterworfen. Die gewonnenen Ergebnisse sind unten labellarisiert. Die Zeit, welche zwischen dem Anfang der Vibrationsbehandlung und dem Zeitpunkt verging, welche die durch die fotoelektrische Zelle gemessene Trübung bis zum neutralen Punkt benötigte, wurde registriert und unten tabellisiert. Das ist die Zeit, in welcher die Flöckchen sich unter die fotoelektrische Zelle absetzen. Vier verschiedene Frequenzen und Frequenzdifferenzen wurden bei diesen Versuchsläufen verwendet. Es wurden Frequenzen von 77 Hertz in Kombination mit mit 80 Hertz; 77 Hertz allein; 152 Hertz in Kombination mit 155 Hertz und 152 Hertz allein verwendet.

Tabelle

A. Frequenzen: 77 Hertz/80 Hertz

Arbeits	Spannung	Zeit	Abscheidungs-
gang			index
		(Sekunden)
1	(Kontrollversuch	1180	_
	ohne akustische
	Energie)
2	0,6	600	1,97
3	0,7	440	2,68
4	0,8	400	2,95
5	0,9	360	3,28
6	1,0	320	3,69
7	1,1	240	4,92
8	1,2	360	3,28
9	1,3	400	2,95

B. Frequenzen: 77 Herlz

Arbeits gang	Spannung	Zeit (Sekunden)	Abscheidungs- indet
IO	(Kontrollversuch ohne akustische Energie)	1030	-
Il	0,8	560	I.X4
12	0.9	480	2.15
13	1.0	400	2.57
14	1.1	460	2.24
15	1.2	400	2.57
16	1.3	440	2.34
17	1 4	nn

C. Frequenzen: 152 11 crt/./155 llert/

Arbeits	Spannung	/eil	Ahscheidungs-
gang			index
		(Sekunden)
18	(Kontrollversuch	640	_
	ohne akustische
	F.ndergie)
19	1,5	420	1.52
20	1,6	330	1.94
21	1.7	460	1,39
22	1.8	390	1,64
23	2.0	480	1.33

D. Frequenzen: 152 Hertz

Arbcils- Spannung
gang

Zeit

(Sekunden)

Abseheidungs index

24	(Kontrollversuch ohne akustische Energie)	920	1.28
25	1,5	720	1,21
26	1,6	760	1,18
27	1,8	780	1,35
28	2,2	680	1,35
29	2,4	680	1,64
30	2,6	560	1,56
31	2,8	590
32*)	(Kontrollversuch ohne akustische Energie)	680

*) Die Flockung bei diesem Versuchslauf war mit einer abgelagerten Lösung hergerichtet (präpariert) und ist nicht repräsentativ. Daher muß dieser Versuchslauf außer acht bleiben.

Drei Parameter, welche die durch die praktische Anwendung der Erfindung erzielten Ergebnisse beeinflussen, sind:

1. Die spezifische Höhe der beiden oder mehreren Vibrationsfrequenzen, welche angewendet werden, um die in dem Mehrphasensystem gebildeten Wellenzüge zu erzeugen.

2. Die Frequenzdifferenz, welche die arithmetische Differenz zwischen den beiden verwandten Schwingungsfrcqucnzcn ist.

J. Das Energieniveau, bei welchem die Impulse in das System eingeführt werden.

Die absolute Höhe der erfindungsgemäß verwandten Frequenzen wird bei der äußeren oberen Grenze dur?h die Notwendigkeit festgelegt. Kavitation in dem System /u vermeiden. Zum Beispiel ist es bekannt, daß 1 I|lrn^('h:illfrpniipn;/pn Kavitation vrnirsarhpn. unrl rs ist gleichfalls bekannt, daß eine solche Turbulenz und die damit cinh^rgehenden Scherbeanspruchungen /.. B. für Blutplasma, welches hochempfindliche Proteinfaktoren enthält, zerstörerisch sind.

Wie durch die Beispiele und die vorangehend gegebenen Daten gezeigt ist, ist eine Vibrationsfrequenz zwischen ungefähr 50 Hertz und ungefähr 200 Hertz zweckmäßig, wobei gute Ergebnisse mit Werten von über 75 Hertz bis 160 Hertz erzielt worden sind. Besonders günstige Ergebnisse wurden bei der Verwendung von Frequenzpaaren von etwa 77 bis 80 Hertz, 110 bis 120 Hertz und 150 bis IbO Hen/ erzielt. Die bis jetzt erzielten Ergebnisse zeigen allgemein, daß bei Frequenzen unter 1000 Hertz höchst wünschenswerte Resultate erreichbar sind.

Hinsichtlich der Frequenzdifferenz wurde allgemein gefunden, daß eine Differenz oder Überlagerungsfrequenz in der Größe von ungefähr 2 bis 20 Hertz brauchbare Ergebnisse zeitigt. Bei Systemen, welche die Trennung von Proteinfaktoren von Blutplasma umfassen, sind Frequenzdifferenzen in der Größenordnung von zwischen ungefähr 3 Hertz bis 10 Hertz durchaus geeignet. Differenzen zwischen etwa 4 bis 6 Hertz werden bevorzugt.

Die in der Tabelle für das zweite Beispiel wieiiorgego-

, benen Daten geben klar an. daß schon eine Verbesserung erzielt wird, wenn nur eine einzige Frequenz verwandt wird. Es ist darüber hinaus ersichtlich, daß die Anwendung von zwei verschiedenen Frequenzen eine wesentliche Verbesserung über den normalen Versuchs-

i lauf ergibt. Es gibt keine klare Erklärung für diese Erscheinung. Es wird jedoch angenommen, daß die Verbesserung gegenüber der Anwendung einer einzigen Frequenz auf eine Art von Wechselwirkung zwischen dem Wellenzug und dem Mehrphasensystem

i zurückzuführen ist, während eine andere Art von Wechselwirkung verantwortlich für die erreichte Verbesserung ist, wenn zwei Vibrationsfrequenzen verwandt werden.

Der dritte vorerwähnte Parameter, das Energieni-

) veau, hat die geringste Auswirkung für die Erzielung aussagekräftiger Ergebnisse bei der Erfindung besitzt. Es ist notwendig, zum wenigsten ein Eingangsniveau anzuwenden, welches erforderlich ist, um Wellenzüge in dem System zu erzeugen, welche eine Vergrößerung der

i Trennbarkeit der dispergierten Phase gegenüber dem Gleichgewicht des Systems hier aufgeführten Daten zeigen an, daß bei einem verhältnismäßig geringen Energieniveau vorteilhafte Ergebnisse erzielt werden.

Sc wird beispielsweise in dem Arbeitsablauf des Beispiels II, bei welchem Frequenze:; von 77 und 80 Hertz angewendet werden, ein sehr brauchbares Resultat mit einer Eingangsspannung bei jeder Frequenz von nur 0,6 Volt und einem Strom weniger als 0,5 Ampere erzie't. Danach hat die eingesetzte Energie eine Größenordnung von 0,6 Watt.

Theoretisch hängt die in ein Mehrphasensystem der in Fig. 10 wiedergegebenen Vorrichtung eingeführte Energie von dem Flächeninhalt der Obertragerplatten, der Amplitude, der Bewegung hiervon und dem Verlauf des durch die Platten erzeugten Energieflusses ab.

Das Energiemaximum, welches verwandt werden kann, ist durch die Einstellung von Kavitionen in der der Behandlung unterworfenen Flüssigkeit begrenzt. Diese ist aus den bereits genannten Gründen unerwünscht. Es kann aus den beim Beispiel Il wiedergegebenen Daten ersehen werden, daß die Spannung oder der Energieeingang mehr als verdoppelt werden kann, ohne daß die erzielten Ergebnisse wesentlich geändert werden. Natürlich ergeben die Aufrechterhaltung der Bewegungsamplitude und Größe des Schallübertragers auf einem konstanten Wert und eine Vergrößerung der Frequenz eine Vergrößerung im Energieeingang. In gleicher Weise vergrößert bei einer konstanten Frequenz und Größe der Übertrager die Vergrößerung der Amplitude die in das System eingeführte Energie.

Zu den beim Beispiel Il gegebenen Daten sei noch bemerkt, daß eine Vergrößerung der Spannung über den Betrag, welcher das Abscheideoptimum ergibt, die Wirksamkeit des Prozesses verringert. Es ist anzunehmen, daß dies von der stärkeren Bewegung des Systems herrührt, die einer gewünschten Absetzung von Teilchen entgegenwirkt. In Systemen, in welchen auf eine Behandlung nach der Erfindung eine Filter- oder Zentrifugaltrennung folgt, können Energieniveaus verwendet werden, die höher als das Optimum sind, ohne daß die Behandlung nachteilig beeinflußt wird.

Bei der in der Zeichnung gezeigten Vorrichtung sind die Schallübertrager sich gegenüberstehend angeordnet, was Schallwellenzuge ergibt, welche sich ii entgegengesetzten Richtungen bewegen. Das zu behan delnde System ist vorzugsweise auf den Raum zwischei sich gegenüberstehenden Übertragern begrenzt, wo dii größte gegenseitige Beeinflussung zwischen den entge gengesetzten Wellenzü,gen auftritt.

Es ist nicht notwendig, daß die Übertragung oder dii hierdurch erzeugten Wellenzüge geometrisch entge gengesetzt sind, in dem Sinne, daß die Wellenzüge ii genau parallelen, jedoch entgegengesetzten Richtungei sich fortpflanzen. Es ist lediglich notwendig, daß di< Übertrager so orientiert (gerichtet) sind, daß eil Mischen der Wellenzüge eintritt, um eine Überlage rungsfrequenz zu erzeugen.

Bei der Anwendung der Grundsätze der Erfindunj wird die Behandlungszeil, unter Berücksichtigung dei Zeitdauer gewählt, während welcher das Mehrphasen system der Schwingungsenergie unterworfen ist.

Dementsprechend kann ein Mehrphasensystem ir einer Charge, im halbkontinuierlichen oder im kontinu ierlichen Prozeß behandelt werden, wobei jede; behandelte Volumen den Wellenerzeugern für eine genau bestimmte Zeit ausgesetzt wird, welche durch dif Besonderheiten des einzelnen Systems bestimmt ist.

Es kann wünschenswert sein, gewisse Systeme aul dem isoelektrischen Punkt zu halten. Mit anderer Worten, die Ladung der Partikelchen ist so nahe wie möglich an der elektrischen Neutralität gelegen, um eir gegenseitiges Abs'oßen durch gleichnamig aufgeladene Teilchen zu verhindern. Letzteres verringert die Zah der Stoßvorgänge der Teilchen und damit derer Aggregation. Das Halten des Systems an dem isoelektrischen Punkt kann durch bekannte Verfahren vorgenommen werden, so durch das Überwachen des pH-Wertes, des Salzgehaltes u. dgl.

Die verwandten technischen Ausdrücke und Wendungen sind in Übereinstimmung mit den im internationalen Wörterbuch der Physik und Elektronik, s Ausgabe, Van Nostrand, 1961, gefundenen Definitionen bestimmt.

Hierzu 3 Blatt Zcichnunuui

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Behandlung eines Mehrphasensystems zur Förderung der Abtrennbarkeit einer dispergieren Phase aus einer die geschlossene Phase bildenden flüssigen Phase mittels auf das Mehrphasensystem einwirkenden, im Hörfrequenzbereich gelegenen Schalls, dadurch gekennzeichnet, daß in das Mehrphasensystem mindestens zwei vibratorische Störungen entsandt werden, die in dem Mehrphasensystem mindestens zwei sich überlagernde Schallwellenzüge innerhalb der Hörfrequenz gelegener, verschiedener Frequenz bilden und so gerichtet sind, daß sich die Schallwellenzüge in dem Mehrphasensystem kavitalionsfrei überlagern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden verschiedenen Frequenzen unter 1000 Hz liegen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden verschiedenen Frequenzen voneinander um 2 bis 20 Hz abweichen.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden verschiedenen Frequenzen im Bereich von 50 bis 200 Hz liegen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden verschiedenen Frequenzen voneinander um 3 bis 10 Hz abweichen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrphasensystem Blutplasma und die disperse Phase Proteinfaktoren sind.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Frequenzen ungefähr 150 Hz betragen und die eine /on der anderen um etwa 4 bis 6 Hz abweicht.