Elektrostatische Sprühtrocknung Pulverherstellung mit verbesserten Eigenschaften und Partikeldesign

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Fluid Air Germany Division of Spraying Systems Co.

Müssen Pulver hergestellt werden, die bestimmte Pulvereigenschaften erzielen sollen, wird auf die elek­trostatische Sprühtrocknung zurückgegriffen. Etwa, wenn Pulver nach der Sprühtrocknung nachgranuliert werden müssen, um diesen auf die Sprünge zu helfen – sprich um sie fließfähig zu gestalten. Auf diesen Schritt der Nachgranulierung kann bei der elektrostatischen Sprühtrocknung verzichtet werden.

Seit mehreren Jahrzehnten schon wird die Sprühtrocknung in der Industrie zur Herstellung von Pulvern eingesetzt. Klassische Anwendungen reichen von Milchpulver über Proteine bis hin zu pharmazeutischen Wirkstoffen. Fluid Air, eine Tochter von Spraying Systems hat in den letzten Jahren eine neuartige und innovative Art der Sprühtrocknung entwickelt, dass Polardry-System. Dies nutzt elektrostatische Kräfte, um die Trocknung zu unterstützen. Hierdurch werden Trocknungstemperaturen von bis zu 30 °C realisierbar. Gerade für Anwendungen mit thermisch sensitiven Produkten kommt das System daher in Frage. Durch den ausschließlichen Einsatz von Stickstoff als Trocknungs- und Zerstäubungsgas wird Denaturierung und Oxidation am Produkt minimiert. Dies garantiert ein höherer Erhalt an thermisch sensitiven Komponenten.

Der Name Polardry resultiert aus dem Prinzip des Einflusses der Elektrostatik auf unterschiedliche Polaritäten. Die verschiedenen Komponenten in der flüssigen zu trocknender Lösung werden je nach Polarität unterschiedlich stark beeinflusst. Die Komponenten in der Lösung mit hoher Polarität (Lösemittel) werden stärker aufgeladen und drängen durch ihre Bewegung an den äußeren Rand des Partikels. Hierdurch wird die Aufnahme der Feuchtigkeit vereinfacht, wodurch die geringen Trocknungstemperaturen erreicht werden.

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Neben der schonenden Trocknung können damit auch verschiedene Produkte mikroverkapselt werden, um diese zwecks Lagerung und Transport vor äußeren Einflüssen zu schützen. Hierbei wird neben dem Lösemittel ein zu verkapselnder Wirkstoff mit geringer Polarität und ein Trägermaterial mit mittlerer Polarität der Ausgangslösung zugesetzt. Aufgrund der unterschiedlichen Polaritäten wird der Wirkstoff während der Trocknung vom Trägermaterial umhüllt. Durch den Einsatz des elektrostatischen Effekts wird der Rohstoffverlust verringert und somit die Mikroverkapselungseffizienz gesteigert.

Prozesse effizienter gestalten

Durch den Einsatz der Elektrostatik bei der Sprühtrocknung wird neben den bekannten ein neuer physikalischer Parameter zur Änderung der Partikel eingesetzt. Durch Änderungen der Spannung während des Trocknungsprozesses kann die Partikelgröße beeinflusst werden. Dabei erfahren Partikel zunächst für einige Sekunden eine hohe Spannung und danach eine niedrige. Die Folge daraus ist, dass kleinere trockenere und größere feuchte Partikel durch eine Wirbelbewegung des Trocknungsgases im Sprühturm aufeinandertreffen. Die Partikel haften aneinander und werden nachgetrocknet. Dadurch entsteht Pulver, das sich besser in Wasser auflösen lässt oder dessen Fließfähigkeit verbessert wird. Eine Verbesserung dieser Pulvereigenschaften führt nicht nur zu einer höheren Produktqualität, sondern auch zu effizienteren nachgeschalteten Prozessen. Auf einen Agglomerationsschritt mit internem oder externem Fließbett nach der Trocknung durch den Polardry wird meist verzichtet.

Entwicklung neuer Produktvariationen

Nachgefragt bei Marcel Ziemski, Produktspezialist bei Fluid Air Germany

? Wo liegen derzeit die größten Herausforderungen bei der elektrostatische Sprühtrocknung?

Marcel Ziemski: Eine der größten Herausforderung, der wir oft begegnen, ist die Entwicklung von neuen Produktvariationen. Aufgrund seines technischen Alleinstellungsmerkmals, bei niedrigen Temperaturen zu trocknen und gleichzeitig zu mikroverkapseln sowie zu agglomerieren, ergeben sich für den Polardry eine Vielzahl von Anwendungen mit Produkten, die aufgrund ihrer thermischen Sensibilität, wirtschaftlichen Herstellung oder hinsichtlich ihrer Machbarkeit mit etablierten Trocknungstechnologien nicht getrocknet werden können. Die elektrostatische Sprühtrocknung bietet hierfür eine ideale Alternative, um Produktideen zu verwirklichen, die Produktqualität zu erhöhen oder den Rohstoffverlust zu minimieren.

? Können Sie ein paar interessante Anwendungsbeispiele außerhalb der Pharmaindustrie nennen?

Ziemski: Wir sehen viele interessante Anwendungen im Bereich von Nahrungsergänzungsmitteln. Anaerobe Bakterien, lebende Mikroorganismen, Probiotika und CBD-Pulver sind hier beispielsweise zu nennen. Darüber hinaus sind die Trocknung von Spezialmilchpulver wie Colostrum oder Lactoferrin sowie die Algentrocknung zu nennen. Für Anwendungen rund um die Mikroverkapselung ergeben sich Anwendungen mit ätherischen Ölen und Omega-3 reichen Ölen wie Fischöl oder Algenöl.

? Welche Aufgaben sind heute vielleicht noch nicht umgesetzt, bergen aber für die Zukunft großes Potenzial?

Ziemski: Diese Zukunftspotenziale gehen einher mit den Herausforderungen, denen wir zurzeit begegnen. Durch Einführungen von neuen hochwertigen Pulverprodukten, die es vorher nicht gab, profitiert der Markt. Eine Vielzahl von neuen Funktionalitäten und Produktvariationen ist die Folge. Großes Potenzial ist hier beispielsweise im wachsenden Markt der Nahrungsergänzungsmittelindustrie zu finden.

Kompaktes System

Das System wurde so entwickelt, um den Platzbedarf in einer Produktionshalle oder einem Labor gerecht zu werden. Eine geringe Bauhöhe und kompakte Bauweise stellen dies sicher. Darüber hinaus wird auf ein Separierzyklon zur Produkt-/Gas-Trennung und einen externen Filter verzichtet. Die Produkt-/Gas-Trennung erfolgt unterhalb des Sprühturms in einer Trennkammer.

Die Technologie gewann im Übrigen den CPhI-Award in der Kategorie „Manufacturing Technology & Equipment“. In der Pharmaindustrie gibt es ein großes Interesse an schnellen und kontinuierlichen Herstellungsprozessen. Gerade bei der Trocknung von pharmazeutischen Produkten werden aufgrund notwendiger Prozessbedingungen Verfahren gewählt, die energie-, zeit- und kostenintensiv sind sowie meistens batchweise betrieben werden.

Praxistauglich und skalierbar

Die elektrostatische Sprühtrocknung wird für mehrere Anwendungen eingesetzt. In den meisten Fällen handelt es sich dabei um thermisch sensitive Produkte. Darunter zählen die Trocknung von anaerobischen Bakterien, Schutzkulturen, Probiotika, Agrochemikalien, Spezialmilchpulver wie Colostrum oder Lactoferrin und Vitamine. Für Anwendungen der Mikroverkapselung werden oft Omega-3-reiche Öle wie Fischöl oder Algenöl eingesetzt. Darüber hinaus werden zur Mikroverkapselung auch APIs oder natürliche Extrakte verwendet.

Das System ist für verschiedene Kapazitätsanforderungen aufgestellt. Das Produktportfolio umfasst aktuell Systeme mit einer Verdampfungsrate von 0,1 kg/h bis hin zu 200 kg/h. Dabei wurde die Möglichkeit der Skalierbarkeit ebenfalls berücksichtigt, sodass eine Skalierbarkeit von einer Laboranlage bis hin zur Industrieanlage ermöglicht wird. 

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