Wirbelschichtgranulation: Top-Spray versus Bottom-Spray

Wer macht das Rennen?

04.10.2007 Die Granulation in Wirbelschichtanlagen gewinnt mehr und mehr an Bedeutung. Im Vergleich zur klassischen Granulation im High-Shear-Mischer und Trocknung in der Wirbelschicht hat die Granulation und Trocknung in der Wirbelschicht erhebliche Vorteile. Doch welches Verfahren ist das günstigste?

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Zu den Vorteilen der Wirbelschichtgranulation (im Vergleich zum klassischen Verfahren der High Shear Granulation und Wirbelschichttrocknung) zählen

  • geringeres Investment, da der komplette High-Shear-Granulierer entfällt;
  • Wegfall des Siebes zwischen Granulierer und Trockner;
  • geringerer Raumbedarf in Produktion und Technik;
  • geringere produktberührte Oberflächen, somit auch schnellere Reinigung;
  • kein Produkttransfer zwischen den beiden Komponenten, also geringeres Kontaminationsrisiko und einfacheres Handling;
  • höhere Produktausbeuten.

In jedem Fall muss das fertige Produkt nach dem Trocknen entnommen werden. Dazu sind zwei verbreitete Methoden im Markt zu finden.

Der Produktbehälter wird mit Hilfe eines geeigneten Wagens aus der Anlage herausgefahren und mit einem koni-schen Deckel verschlossen. Anschließend werden Produktbehälter und Deckel durch eine Hubvorrichtung aufgenommen, angehoben, um 180° gedreht und nach Öffnen einer Klappe in einen Container entleert.

Eine andere Möglichkeit des Produktaustrags besteht darin, das Produkt aus dem geschlossenen Produktbehälter direkt oberhalb des Anströmbodens durch Vakuumförderung auszutragen. Der Austrag wird durch leichtes Fluidisieren des Granulates unterstützt. Oftmals werden bei dieser Variante Anströmböden eingesetzt, die durch Schlitze der Luft und damit dem Granulat einen Drall geben. Durch die Zentrifugalkraft wird das Granulat dann nach außen getragen und unterstützt den Vakuumaustrag.

Top-Spray-Verfahren: Altbewährte Granulation in der Wirbelschicht

Bei Top-Spray-Wirbelschichten befindet sich oberhalb des Produktbehälters eine Entspannungszone, in der sich die Top-Spray-Düsen befinden. Die Granulierflüssigkeit wird demnach von oben auf das wirbelnde Bett aufgesprüht. Bei Labor- oder kleinen Produktionsanlagen werden einzelne Düsen eingesetzt. Große Produktionsanlagen haben Mehr-Kopf-Düsen, um einen größeren Sprühwinkel zu erreichen und um höhere Flüssigkeitsdurchsätze zu realisieren. Je nach Füllgrad des Produktbehälters muss die Düsenposition angepasst werden, damit ein optimaler Sprühabstand eingehalten wird. Üblicherweise kann die Granulierdüse dazu durch in verschiedenen Höhen angebrachte Öffnungen im Entspannungsbehälter gesteckt werden.

Top-Spray-Düsen arbeiten nach dem Zweistoffprinzip, das heißt, es wird Druckluft zur Zerstäubung des Flüssigkeitsstrahls eingesetzt. Beim Top-Spray-Verfahren wird gegen die Luftströmungsrichtung gesprüht, ein Teil des Sprays wird direkt vom Luftstrom mitgerissen und getrocknet und trägt nicht zur Granulatbildung bei.

Bottom-Spray: Geringe Sprühverluste und hohe Produktgleichförmigkeit

Beim Bottom-Spray-Verfahren wird von unten nach oben gesprüht. Die Spraydüsen sind im Anströmboden integriert und damit vollständig von Produkt umgeben. Hier werden Dreistoffdüsen eingesetzt. Dreistoffdüsen sind Zweistoffdüsen mit einem weiteren Ringspalt für Stützluft. Die Stützluft sorgt dafür, dass in den Mündungsbereich der Düsen keine Granulatpartikel eindringen können, weil hier die Flüssigkeit noch nicht ausreichend verteilt ist. Apparativ sind Bottom-Spray-Wirbelschichtanlagen aufwändiger, weil die Düsen durch den Anströmbehälter und durch den Anströmboden hindurchreichen.

Während des Betriebs sind sie schwer auszuwechseln. Da sie im Produktbett liegen, besteht die Gefahr, dass sie verkrusten und nicht mehr gleichmäßig sprühen. Bei genügend hohem Produktbett oberhalb der Düsen liegt der Vorteil dieser Anordnung darin begründet, dass weniger Sprühtrocknung der Granulierflüssigkeit auftritt, weil Sprühstrahl und Wirbelluft im Gleichstrom arbeiten. Beim Bottom-Spray werden in der Regel Anströmböden eingesetzt, die der eintretenden Luft eine Drallbewegung geben. Die Drallbewegung des Produktbettes wird noch durch eine entsprechende Neigung der Düsen unterstützt. Vorteil ist eine sehr gleichmäßige Granulation.

Wurstercoating: Coatingprozesse mit engen Grenzen

Ein Sonderfall der Bottom-Spray-Ausführung ist das Wursterverfahren. Das Wursterverfahren wird zum Layering und Coating von Pellets und in Ausnahmefällen auch von Tabletten angewandt.

Beim Wursterverfahren sprüht eine Düse senkrecht von unten in ein Rohr, das Wursterrohr, das in der Höhe verstellbar ist und einen bestimmten Abstand vom Anströmboden benötigt. Im Bereich des Wursterrohres weist der Anströmboden eine stärkere Perforation auf als im restlichen Bereich. Außerhalb des Wursterrohres wird das Produktbett leicht aufgewirbelt, die Gasgeschwindigkeit liegt nur geringfügig oberhalb der Lockerungsgeschwindigkeit. Die starke Perforation im Bereich des Wursterrohres sorgt für Bedingungen gleich der pneumatischen Förderung innerhalb des Wursterrohres. Die Partikel im Wursterrohr sind so stark vereinzelt, dass sie sich während des Fluges nicht berühren. Oberhalb des Wursterrohres vereinigen und vergleichmäßigen sich die Gasströmungen wieder und die im Rohr transportierten Partikel fallen wieder in das das Rohr umgebende Produktbett. Da im Wursterrohr wegen der höheren Strömungsgeschwindigkeit ein geringerer statischer Druck herrscht, werden die Partikel – ähnlich dem Injektorprinzip – in das Rohr hineingezogen. Durch die Höhenverstellbarkeit kann der Spalt von Rohr zu Anströmboden so eingestellt werden, dass gerade so viele Partikel eintreten, wie es für eine gleichmäßige Befilmung ideal ist. Auch hier werden üblicherweise Dreistoffdüsen eingesetzt, um zu verhindern, dass Partikel in den noch nicht ausreichend verteilten Sprühstrahl eintreten und überfeuchtet würden.

Tangential-Bottom-Spray:Eines für alles

Eine weitere Variante des Bottom-Spray-Verfahrens stellt das Tangential-Spray-Verfahren dar. Hier werden die Düsen tangential in die Produktbehälterseitenwand eingebaut. Der Einbau erfolgt direkt oberhalb des Anströmbodens. Im Vergleich zum Bottom-Spray können diese Düsen einfach und schnell ausgewechselt oder gewartet werden.

Anlagen mit Tangential-Spray-Düsen haben üblicherweise einen Anströmboden, der dem Produktbett eine Drallbewegung gibt, der in die gleiche Richtung zeigt wie die tangentialen Düsen. In diesen Anlagen können Trocknungs-, Granulations-, Layering- und Coatingprozesse durchgeführt werden. Aufgrund der Zentrifugalkräfte im Produktbett schichtet sich das Produktbett ringförmig an die Behälterwand, wodurch im Vergleich zum Top-Spray-Verfahren dichtere Granulate hergestellt werden können. Die definierte Bewegung des Produktbettes bei diesem Verfahren führt zu sehr gleichförmigen Granulaten, die häufig direkt und ohne Siebung weiterverarbeitet werden können. Coating- und Layeringprozesse können in derselben Anlage ohne Umbauten durchgeführt werden.

Heftausgabe: Oktober 2007
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Über den Autor

Dr. Jochen Thies , Wissenschaftlicher Leiter L.B. Bohle Maschinen + Verfahren
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