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Coating in der Wirbelschicht

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16.09.2014 Bestimmte Funktion erwünscht? Kein Problem! In vielen Industrien werden Pulver, Granulate und Pellets als aktive Komponenten oder Zusatzstoffe eingesetzt. Sie finden Anwendung bei der Herstellung von Lebensmitteln, pharmazeutischen Präparaten, Nahrungsergänzungsmitteln, Futtermitteln oder auch Agrochemikalien. Bei den eingesetzten Substanzen handelt es sich häufig um technologisch hochentwickelte Produkte mit funktionellen Eigenschaften - nicht nur in chemischer Hinsicht, sondern auch in den physikalischen Merkmalen.  

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Bei einer komplexen Endproduktformulierung müssen alle Inhaltsstoffe miteinander harmonieren, ein einheitliches Ganzes bilden und sich unempfindlich gegen äußere Einflüsse wie Oxidation, Feuchtigkeit oder Sonneneinstrahlung erweisen.
  • Bei Inkompatibilitäten jeglicher Art ist der Prozess des Coatings ein geeigneter Verfahrensschritt, um pulverförmige Produktbestandteile, Granulate oder Pellets mit den gewünschten Eigenschaften zu versehen. Das Anwendungsspektrum ist vielfältig und ebenso die verwendeten Verfahrenstechniken.

Um die physikalischen Eigenschaften für den weiteren Verwendungszweck zu optimieren, werden zahlreiche Substanzen durch einen Coatingprozess mit einem Überzug versehen. Dieser Verfahrensschritt lässt sich mithilfe der Wirbelschichttechnologie für alle wirbelfähigen Produkte sehr gut realisieren.

Ein Überzug macht vieles möglich
Bei einer komplexen Endproduktformulierung müssen alle Inhaltsstoffe miteinander harmonieren, ein einheitliches Ganzes bilden und sich unempfindlich gegen äußere Einflüsse, wie beispielsweise Oxidation, Feuchtigkeit oder Sonneneinstrahlung, erweisen. Häufig ist auch ein spezifisches Verhalten erwünscht – beispielsweise, dass der Wirkstoff erst unter bestimmten Milieubedingungen oder sogar zeitversetzt freigesetzt werden soll. Bei Zusatzstoffen, die einen unerwünschten Geruch oder Geschmack aufweisen, lässt sich das Produkt maskieren. Und aus Marketinggesichtspunkten können die Substanzen auch eingefärbt werden. Bei Inkompatibilitäten jeglicher Art ist der Prozess des Coatings ein geeigneter Verfahrensschritt, um pulverförmige Produktbestandteile, Granulate oder Pellets mit den gewünschten Eigenschaften zu versehen. Das Anwendungsspektrum ist vielfältig und ebenso die verwendeten Verfahrenstechniken.

Coating in der Wirbelschicht
Es gibt unterschiedliche Verfahren, um Partikel mit einer Hüllsubstanz zu versehen. Tabletten oder stückige Produkte im cm-Maßstab werden häufig in sogenannten Trommelcoatern oder Dragiertrommeln beschichtet. Die Wirbelschichttechnologie eignet sich aufgrund des intensiven Wärme- und Stoffaustausches hingegen besonders für alle wirbelfähigen Produkte, da jeder einzelne Partikel sehr exakt mit einer definierten Menge an Coatingmaterial überzogen und gleichzeitig getrocknet wird. Doch was geschieht genau in der Wirbelschicht? Gas – meistens Luft, aber auch Stickstoff etc. – strömt mit einer hohen Geschwindigkeit durch eine Feststoffschüttung und versetzt sie in intensive Bewegung, so dass die Partikel vereinzelt werden. Nun wird das Coatingmaterial über eine Düse fein zerstäubt und benetzt die Oberfläche jedes Partikels sehr gleichmäßig. Schichtweise legt sich die Coatingsubstanz um jeden Partikel.

Je nach qualitativen Anforderungen an ein Coating wird das geeignete Setup für den Wirbelschichtprozess ausgewählt. Dabei wird zwischen Top-Spray- und Bottom-Spray-Konfiguration unterschieden. Im Bottom-Spray ist eine definiertere Bewegung der Partikel und folglich eine exaktere Ummantelung möglich. Beim Top-Spray-Prozess ergibt sich eine sehr gut durchmischende, zufällige Partikelbewegung. Es entsteht eine statistische Gleichmäßigkeit beim Schichtauftrag, die häufig vor allem für Maskierungsanwendungen eine ausreichende Schichtqualität ermöglicht.

Beim sogenannten Spouted-bed-coating durchströmt das Gas das Produktbett, und aufgrund der Behältergeometrie entsteht eine zentrale Strähne. Bodennahe Feststoffpartikel aus dem Ringbereich werden in den Strahl eingesaugt und dann durch das Spray hindurch nach oben gezogen. Da die Produktbewegung sehr gleichmäßig erfolgt, lassen sich mit dem Spouted-bed-Verfahren sehr exakte und homogene Coating- ergebnisse erzielen.

Überzugsmaterialien erfüllen eine Funktion
Wie der Begriff schon sagt, handelt es sich beim Coating um die Umhüllung oder Ummantelung eines Kernsubstrates. Idealerweise erfolgt diese Ummantelung vollständig und gleichmäßig über die gesamte Oberfläche des zu beschichtenden Partikels. Abhängig von der zu erfüllenden Funktion des „Mantels“ – schützen, maskieren oder kontrolliert freisetzen – wird das Überzugsmaterial ausgewählt. Die verwendeten Hüllsubstanzen bestehen meist aus feststoffhaltigen Flüssigkeiten, die die Oberfläche der Partikel benetzen und einen dichten Film ausbilden. Zum Einsatz kommen wasser- oder lösemittelbasierte Überzüge sowie Wachse oder Fette.

Bei den in der pharmazeutischen Industrie eingesetzten Coatingmaterialien handelt es sich oftmals um Polymere. Einige Polymere haben den Vorteil, dass sie in einem niedrigen pH-Bereich stabil bleiben und sich erst in einem neutralen pH-Milieu auflösen. Dadurch lässt sich ein magensaftresistentes Coating herstellen, so dass der Wirkstoff erst im Darm freigesetzt wird. Auf den Einsatz von alkoholischen Lösemitteln beim Coating wird mittlerweile weitgehend verzichtet – auch, weil der technische Aufwand für Abluftreinigung und Sicherheitsmaßnamen relativ hoch ist. Dennoch gibt es einige Anwendungen, bei denen Lösemittel nicht vermieden werden können. Zum Teil lassen sich lösemittelbasierte Überzüge durch die Verwendung von Schmelzen ersetzen.

Schmelzenüberzüge sind temperaturempfindlich
Insbesondere in der Lebensmittelindustrie werden häufig sogenannteSchmelzencoatings verwendet, beispielsweise für Süßwaren, Gewürze, Fleischerzeugnisse und Backwaren. Ein Coating mit Wachsen oder Fetten kommt häufig gänzlich ohne Lösungsmittel aus, so dass keine Verdampfung erfolgen muss und der Prozess daher auch energetisch vorteilhaft ist. Zwar muss auf die Beheizung der Düsen und der flüssigkeitsführenden Leitungen geachtet werden, jedoch ist dies technisch unproblematisch.

Durch Wachse und Fette als Hüllsubstanzen können hydrophobe Partikeloberflächen geschaffen werden. Dabei ist für die Qualität des Überzugs neben der Auswahl der verwendeten Technologie auch die Wahl der Schmelze entscheidend. Wird in der Wirbelschicht eine zu hohe Zulufttemperatur gewählt, ist die Produkttemperatur zu hoch und das Fett der Schmelze bleibt flüssig. Liegt die Temperatur unter dem Schmelzpunkt, kann das Fett zu vielen kleinen Lipidtröpfchen erstarren, die sich auf die Oberfläche eines Partikels legen. Schicht um Schicht wird die Hülle dicker und dichter. Die Schmelztemperatur stellt einen Parameter im Prozess der Wirbelschicht dar, sie variiert je nach Herkunft oder Verarbeitung bzw. Gewinnung eines Fettes oder Wachses. Die Produkttemperatur liegt bei der Arbeit mit Schmelzen üblicherweise etwa 10 °C unterhalb der Schmelztemperatur, da die Schmelze in diesem Temperaturbereich erstarrt und auf der Oberfläche des Partikels haftet. Wird beispielsweise Palmfett als Coatingmaterial eingesetzt, liegt die Produkttemperatur bei etwa 48 °C.

Für das Festlegen der geeigneten Prozesse und der Coatingmaterialien ist große Erfahrung und viel Fingerspitzengefühl erforderlich. In einem Technikum kann das passende Verfahren und die optimalen Prozessparameter an Kleinmengen unter realen Produktionsbedingungen entwickelt werden.

Powtech Halle 1 – 412

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Heftausgabe: September 2014
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Henning Falck, Bereichsleiter Partikeltechnologie Neuhaus Neotec

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Henning Falck, Bereichsleiter Partikeltechnologie Neuhaus Neotec
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