Mikroverkapselung wertvoller Inhaltsstoffe

Mikroverkapselungen können Substanzen vor äußeren Einflüssen schützen und Eigenschaften optimieren. Das Verfahren zählt zum Leistungsspektrum der Wirbelschichttechnologie, mit der sich physikalische und anwendungstechnische Produktmerkmale gezielt beeinflussen lassen.

Optimierter Wärme- und Stoffaustausch

In der Wirbelschichtanlage herrschen optimale Bedingungen für einen intensiven Wärme- und Stoffaustausch. Warme, filtrierte Luft wird von unten über einen Anströmboden in die Prozesskammer der Anlage geblasen und trifft dort auf das zu bearbeitende Pulver. Der Anströmboden sorgt mittels spezieller Perforierung dafür, dass die Luft eine bestimmte Strömungscharakteristik bekommt. Dadurch werden die Ausgangsstoffe intensiv durchmischt und das sogenannte Wirbelbett entsteht.

Verglichen mit der konventionellen Sprühtrocknung bietet die Wirbelschichttrocknung zahlreiche Vorteile. Bei diesem Verfahren geht es nicht nur darum, einem Produkt die Feuchtigkeit zu entziehen. Das Ziel ist vielmehr, ein Trockengut mit genau definierten Strukturen und speziellen Produkteigenschaften zu erhalten – sei es zur Maskierung von Geruch oder Geschmack, für bessere Dispergierbarkeit, optimierte Tablettierbarkeit durch Staubreduktion oder für den Schutz vor äußeren Einflüssen. In der Wirbelschicht lassen sich je nach Prozess mehrere pulverförmige Substanzen mischen und im gleichen Verfahrensschritt zum Beispiel agglomerieren. Dies verhindert eine nachträgliche Entmischung des Produkts.

Stabil gegen äußere Einflüsse

Wirbelschichten verhalten sich wie stark sprudelnde Flüssigkeiten. Die einzelnen Feststoffpartikel sind praktisch mit ihrer gesamten Oberfläche dem jeweiligen Medium ausgesetzt – dies gilt sowohl für die konditionierte Trocknungsluft als auch für eingesprühte Suspensionen oder Emulsionen. Über verschiedene Anordnungen der Düsen ober- oder unterhalb des Produktbetts lassen sich unterschiedliche Verfahren wie beispielsweise eine Sprühgranulation oder auch eine Mikroverkapselung realisieren.

Die Gründe für die Mikroverkapselung von aktiven Inhaltsstoffen sind vielfältig: sei es, um sie bei der Herstellung zu schützen, Verluste während der Lagerung zu minimieren, unerwünschte Reaktionen mit anderen Stoffen zu verhindern, um sie kontrolliert im Körper freizusetzen, oder um eine bestimmte sensorische Wirkung zu erzielen. Die folgenden Beispiele veranschaulichen, wie Verkapselungen Pharma- und Lebensmittelanwendungen optimieren.

Sternmaid betreibt eine multifunktionale Wirbelschichtanlage für die vielfältigen Aufgaben in der Lohnherstellung. (Bilder: Sternmaid)

Mikroverkapselt ans Ziel

Oral eingenommene pharmazeutische Wirkstoffe sollen bei Mensch und Tier möglichst präzise zum Wirkort gelangen. Um sie im Körper gezielt dort freizusetzen, wo sie den gewünschten Effekt haben, können sie auch in Mikrokapseln oder Granulate eingebettet werden. Für den Darm bestimmte Wirkstoffe überstehen säuretolerant verkapselt sogar die Passage durch den Magen. Mithilfe einer Verkapselung lassen sich auch unangenehme, bittere Geschmackskomponenten maskieren, was die Einnahme gerade für Kinder sehr erleichtert. Darüber hinaus ist die Geschwindigkeit der Wirkstofffreisetzung ein entscheidendes Kriterium für die Verträglichkeit von Arzneimitteln. Bestimmte Medikamente können in hoher Dosierung die Magenschleimhaut schädigen. Mikroverkapselte Wirkstoffe können verzögert abgegeben werden und so die Magenverträglichkeit des Medikaments im Vergleich zur herkömmlichen, schnell zerfallenden Tablette erhöhen. Statt auf einmal freigesetzt zu werden, diffundiert der Wirkstoff kontinuierlich in geringen Dosen durch die Kapselwände.

Die kontrollierte Freisetzung findet auch bei probiotischen Bakterien Anwendung. Nur wenn diese Mikroorganismen die Magen-Passage überstehen und lebend den Dünndarm erreichen, haben sie eine Chance, sich zu vermehren und die Darmflora günstig zu beeinflussen. Um probiotische Kulturen gezielt und unbeschadet in den Darmtrakt zu bringen, können sie in Mikrokapseln angereichert werden, die sich abhängig vom pH-Wert öffnen oder auflösen. Auch eine retardierte Freisetzung über beispielsweise zwölf oder 24 Stunden kann durch unterschiedliche Auflösungszeiten der Kapselhüllen innerhalb eines Präparates erreicht werden.

Stabile Vitaminversorgung

Eine Lebensmittelanreicherung zielt darauf ab, die Versorgung der Bevölkerung mit bestimmten Nährstoffen strategisch zu verbessern. In Europa kommen ausgeprägte Vitaminmangelerkrankungen aufgrund des reichhaltigen Nahrungsmittelangebots nur noch selten vor. Die Anreicherung mit Vitaminen, die Lebensmittel von Natur aus nicht oder nur in geringen Mengen enthalten, ist aber in Entwicklungsländern nach wie vor von großer Bedeutung. Beispielsweise leiden nach WHO-Schätzungen weltweit rund 250 Millionen Kinder im Vorschulalter an einem Vitamin A-Mangel. Eine dauerhafte Unterversorgung schwächt das Immunsystem und führt zu schweren Sehstörungen bis hin zur Blindheit. Als essenzieller Nährstoff muss Vitamin A mit der Nahrung aufgenommen werden, weil der Körper ihn nicht selbst herstellen kann. Lebensmittel, die das Vitamin natürlicherweise enthalten, wie fettreiche Fische und Fleisch, stehen in einkommensschwachen Ländern nur bedingt zur Verfügung oder sind für die Menschen dort nicht erschwinglich. Stattdessen ernähren sie sich vor allem von Grundnahrungsmitteln wie Mais, Reis und Mehl, die mit zusätzlichen Vitaminen angereichert werden können.

Hersteller stehen dabei vor der Herausforderung, dass Mikrokomponenten wie Vitamine meist nicht ohne Weiteres eingearbeitet werden können. Zudem muss die Stabilität über die gesamte Haltbarkeitsdauer der Lebensmittel gewährleistet werden. Vitamin A beispielsweise ist fettlöslich und kann daher nur in Speiseöl direkt gelöst werden. Damit es Lebensmitteln wie zum Beispiel Mehl zugesetzt werden kann, muss es speziell behandelt werden: Mittels Mikroverkapselung wird das Vitamin homogen in ein Trägermaterial eingebunden und so vor Licht und Oxidation geschützt. Das Ergebnis ist ein Pulver oder Granulat, in dem der Aktivstoff von mikrometerdünnen Schichten aus Stärkederivaten, Lecithin, Gelatine oder anderen Stoffen ummantelt ist. Auf diese Weise bleibt das Vitamin auch während der Lagerung der Produkte stabil.

Da der Wirbelschichtprozess auch im niedrigen Temperaturbereich durchgeführt werden kann, kommt es in der Regel nur zu einer moderaten Produkterwärmung zwischen 30 und 50 °C. Im Vergleich zur Sprühtrocknung ist die thermische Belastung damit deutlich geringer. Für hitzeempfindliche Substanzen wie Mikroorganismen, Enzyme und Vitamine werden die Verweilzeiten in der Anlage und die verwendeten Temperaturen individuell eingestellt, um ein bestmögliches Gleichgewicht zwischen Produktivität und Aktivitätserhalt zu erreichen.

Für kleinere Unternehmen oder Hersteller mit häufig wechselndem Portfolio sind kostspielige Anlagen eine Herausforderung. Auslagerung der Produktion an spezialisierte Dienstleister kann daher eine Lösung sein.

Wirbelschicht beim Lohnhersteller

Die Einsatzmöglichkeiten dieser Technologie sind sehr vielfältig. Für kleinere Unternehmen oder Hersteller mit häufig wechselndem Portfolio ist es allerdings eine Herausforderung, solch kostspielige Anlagen zu installieren oder Technologien kontinuierlich auf den neuesten Stand zu bringen. Die Auslagerung der Produktion an spezialisierte Dienstleister wie den Lohnhersteller Sternmaid kann daher eine sinnvolle Lösung sein. Der Spezialist für maßgeschneiderte Lösungen beim Mischen, Veredeln und Abfüllen pulvriger Lebensmittelinhaltsstoffe sowie pharmazeutischer Hilfsstoffe betreibt seit 2012 eine multifunktionale Wirbelschichtanlage. Sie kombiniert zahlreiche technische Möglichkeiten und wurde speziell für die vielfältigen Aufgaben in der Lohnherstellung konstruiert. Um neue Produkte zu entwickeln, bestehende zu optimieren und Prozessparameter zu erarbeiten, führt das Unternehmen auf seiner Laboranlage zunächst projektbezogene Versuche durch. Hier werden im Technikums-Maßstab zusammen mit den Kunden Machbarkeiten und Eigenschaften der Produkte getestet. Eventuell notwendige Anpassungen der Rezeptur sowie die Ermittlung und Definition der Verfahrensschritte werden in diesem Rahmen gemeinsam durchgeführt.

Eine spätere industrielle Fertigung erfolgt dann auf einer Produktionsanlage, die sowohl für den chargenweisen als auch für den kontinuierlichen Betrieb ausgelegt ist. Das erzeugte Produkt wird über einen Siebturm gefahren und für die Abfüllung in Säcke, Kartons oder Big Bags trocken heruntergekühlt. Im kontinuierlichen Betrieb können das abgesiebte Unterkorn und das inline vermahlte Überkorn wieder in die Prozesskammer zurückgeführt und in den laufenden Prozess eingearbeitet werden. Nach erfolgter Metalldetektion wird die gewünschte Ziel-Korngrößenfraktion abgefüllt. Neben der Inline-Siebung und Vermahlung rüsten Wurster-Einsätze, diverse Ports zur Anpassung der Düsenstellungen für Top- und Bottom-Spray-Anwendungen, sowie umfangreiches Equipment für die Herstellung der Sprühflüssigkeiten die Wirbelschichtanlage für verschiedene Aufgaben aus.