Die Kombination macht's

Coaten in der Lebensmittel- und pharmazeutischen Industrie (Teil 1)

Pharma
Food
Kosmetik
Chemie
Planer
Betreiber
Einkäufer
Manager

18.09.2008 Wirbelschichtapparate finden in vielen Bereichen der Wirtschaft breite Anwendung. Einen besonderen Schwerpunkt des Einsatzes der Wirbelschichttechnologie stellt das Coating von Partikeln sowie das Verkapseln dar. Insbesondere in der Lebensmittel- und pharmazeutischen Industrie liegen vielfältige Anwendungen vor. Darüber hinaus können ergänzende Technologien genutzt werden, um spezielle Produkteigenschaften zu erzielen. Der erste Teil dieses Beitrags beschreibt die Grundlagen des Coatens, der zweite Teil in der nächsten Ausgabe geht auf die Anlagentechnik ein.

Anzeige

Entscheider-Facts

  • Einen besonderen Schwerpunkt des Einsatzes der Wirbelschichttechnologie stellt das Coating von Partikeln sowie das Verkapseln dar. Wichtige Einsatzgebiete sind Lebensmittel- und pharmazeutische Industrie. Coating- und Verkapselungsprozesse können auf vielfältige Art und Weise durchgeführt werden.
  • Die jeweils genutzte Prozessvariante richtet sich nach den zu erzielenden Produkteigenschaften.
  • Entsprechend den Prozessbedingungen und den produktionstechnischen Randbedingungen muss die geeignete Apparatetechnik projektspezifisch ausgewählt werden.
  • Dazu sind in der Regel theoretische Betrachtungen, Simulationen aber auch immer experimentelle Untersuchungen notwendig.

Werden Coating- bzw. Verkapselungsprozesse aus Sicht der Anwendungstechnik betrachtet, so lassen sich in verschiedenen Industriezweigen unterschiedliche Begriffe und Definitionen finden. Dies hat zur Folge, dass die Auswahl des jeweils geeigneten Apparates für eine bestimmte Aufgabenstellung erschwert wird.

Prinzipiell finden Coating- und Verkapselungsprozesse unter Verwendung von einer oder mehreren Flüssigkeiten und Feststoffen statt. Diese Stoffe können jeweils Wertstoffe sein oder als Hilfsstoff fungieren. Je nach verwendetem Verfahren bzw. Apparat kommt es zum Kontakt zwischen Flüssigkeiten und Feststoffen je nach den vorliegenden thermischen und strömungsmechanischen Bedingungen im Apparat. Unter Einwirkung der Prozessbedingungen kommt es zur Bildung von Partikeln oder zur Filmbildung auf vorhandenen Teilchen. Diese Bildungsmechanismen können durch mechanische Krafteinwirkungen entweder unterstützt oder unterdrückt werden.
Entsprechend der Nutzung von mechanischer Energie lassen sich die meisten der zur Zeit verwendeten Apparate und Verfahren einordnen. In den folgenden Abschnitten werden diese näher erläutert. Bei Verfahren, die hauptsächlich in trockener Umgebung stattfinden, ist der Eintrag von Flüssigkeiten in diesen Fällen örtlich begrenzt.

Nicht ohne vorherige Versuche

Bei der Anwendung derartiger Verfahren für das Produktdesign ist anzumerken, dass häufig Kombinationen der einzelnen Prozessvarianten vorteilhafte Produkteigenschaften bewirken können. Demzufolge sollten in der Regel experimentelle Untersuchungen an mehreren Apparatetypen durchgeführt werden, wobei in jedem Fall eine enge Zusammenarbeit zwischen dem Apparatehersteller und dem Anwender angestrebt werden sollte. Gerade bei mehreren zur Verfügung stehenden Prozess- und Apparatevarianten führt diese Art des Zusammenwirkens zum Erfolg.

Beim Umhüllen von Teilchen mit Flüssigkeit kann die Sprühflüssigkeit eine feststoffhaltige Lösung, eine Suspension, eine Emulsion oder auch eine Schmelze bestehen. Über Sprühdüsen wird die Flüssigkeit auf die Teilchen gesprüht, verteilt sich auf deren Oberfläche und verfestigt sich dort. Die in der Flüssigkeit enthaltenen Lösemittel – im einfachsten Fall Wasser – verdampfen, und die in der Flüssigkeit enthaltenen Feststoffe verbleiben auf der Teilchenoberfläche und bilden dort eine feste Hülle. Derartige Prozesse werden sehr häufig in Wirbelschichtapparaten oder in Trommelcoatern durchgeführt.
Eine zusätzliche Verfahrensvariante bildet das Coaten von Teilchen mit Fetten und Wachsen in Vertikalgranulatoren. In diesem Spezialfall wird eine Schmelze in eine Partikelfüllung eingesprüht. Die Schmelze verteilt sich auf den Teilchen und erstarrt dort. Eine weitere wichtige Prozessvariante stellt die Sprühgranulation aus der Flüssigkeit dar. Hierbei werden Partikel durch schalenartiges Wachstum – häufig als Aufbaugranulation bezeichnet – gebildet. Derartige Prozesse werden in der Regel in Wirbelschichtapparaten durchgeführt.
Bei der Sprühgranulation wird wiederum eine feststoffhaltige Flüssigkeit auf Partikel aufgesprüht. Diese Partikel bestehen aus dem gleichen (arteigenen) Material wie der über die Flüssigphase aufgesprühte Feststoff. Das Lösemittel verdampft auch hier, und der Feststoff lagert sich analog zum Coatingprozess auf der Partikeloberfläche ab. Dadurch nimmt der Partikeldurchmesser zu. Somit werden kompakte Teilchen mit homogener Struktur erzeugt.

Kompakte Teilchen mit gleichmäßiger Wertstoffverteilung

Dieses Verfahren eignet sich auch sehr gut, um Flüssigkeiten zu verkapseln. In diesem Fall wird der Wertstoff fein verteilt in eine Matrixflüssigkeit, beispielsweise in Form einer Emulsion, eingebettet. Durch den Mechanismus der Sprühgranulation entstehen kompakte Teilchen, die den Wertstoff gleichmäßig in ihrem Volumen enthalten. Durch geeignete Rezepturen lassen sich so zum Beispiel Aromastoffe und Duftöle verkapseln, um einen Oxidationsschutz und verbesserte Lagerstabilität zu erreichen. Eine weitere Verfahrensoption stellt das Pulverbeschichten dar. Hierbei werden eine oder mehrere Hüllen aufgebaut, indem Pulver unter Einbeziehen eines Bindemittels an vorhandene Teilchen angelagert wird. Dieses Verfahren kann sehr energieeffizient ausgeführt werden, da nur relativ geringe Verdampfungsleistungen erforderlich sind. Zur Durchführung dieses Verfahrens sind vorzugsweise Rotorapparate und Wirbelschichten, aber auch teilweise Vertikalgranulatoren oder Mischer geeignet.

Werden Teilchen geringer Größe zu gröberen Partikel zusammengefügt, so handelt es sich hierbei um einen Agglomerationsprozess. Dieser Prozess wird in der Anwendungstechnik sehr häufig auch als Beladen oder Tränken von Pulvern bezeichnet. Hierbei wird eine Flüssigkeit, die den Wertstoff enthält bzw. die selbst der Wertstoff ist, in eine Pulvervorlage eingebracht. Sehr häufig wirkt diese Flüssigkeit gleichzeitig als Bindeflüssigkeit, so dass es zu einer Kornvergröberung kommen kann. Der Wertstoff wird fein verteilt in der porösen Struktur des Endproduktes eingelagert.

Auch zur Durchführung dieser Prozessoption kommen wiederum Wirbelschichtapparate in Frage. Werden Agglomerationsprozesse unter maßgeblicher Wirkung von mechanischer Energie ausgeführt, werden diese Prozesse auch als Nassgranulation bezeichnet. In einem solchen Fall finden die verschiedensten Mischer und Vertikalgranulatoren Anwendung. Sehr häufig werden die hierbei erzeugten Feuchtgranulate in anschließenden Prozessschritten pelletiert, um die Rundheit und Kompaktheit zu verbessern. Abschießend werden die Pellets oder die Feuchtgranulate üblicherweise getrocknet, zum Beispiel in Wirbelschichtapparaten.

Die jeweils genutzte Prozessvariante richtet sich nach den zu erzielenden Produkteigenschaften

Heftausgabe: September-Oktober 2008
Anzeige
Michael Jacob , Leiter Verfahrenstechnik Glatt Ingenieurtechnik

Über den Autor

Michael Jacob , Leiter Verfahrenstechnik Glatt Ingenieurtechnik

Michael Jacob , Leiter Verfahrenstechnik Glatt Ingenieurtechnik

Loader-Icon