Homogene Produktqualität dank Wirbelschicht-Technologie Worauf es bei Wirbelschichtanlagen wirklich ankommt

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Wirbelschichtanlagen gehören zum Standard bei der Herstellung von Arzneipulvern, Tabletten oder Pellets. Anwender profitieren von der guten Wärmeübertragung, einer effizienten Trocknung und einer guten Durchmischung. Doch zwischen Top- oder Tangential-Spray- und Bottom-Spray-Verfahren gibt es erhebliche Unterschiede. Welches Verfahren kann was? Der Autor erklärt, worauf Anwender achten sollten, wenn sie optimale Produktqualität erreichen wollen.

Wirbelschichtanlagen enthalten im Wesentlichen den Wirbelschicht-Prozessor, die Prozessluftaufbereitung und die Abluftbehandlung. Um den Prozess genau zu führen, stehen bei der Prozessentwicklung auch die optimierte Luftführung, sowie die effizienten Beschickungs- und Entleerkonzepte im Fokus. Nur so lassen sich eine hohe Ausbeute, schnelle Prozesse und eine reproduzierbare Qualität der Endprodukte garantieren.

Wie funktioniert’s? Zum Fluidisieren des Produktes wird die Prozessluft von unten durch den Anströmboden geleitet. Dessen tangentialer Luftaustritt bewirkt eine gleichmäßige Produktbewegung und effektive Energieausnutzung. Dies führt bei Sprühprozessen zu einer homogenen Produktqualität. Bevor die Prozessluft die Anlage verlässt, wird sie über ein eingebautes Filtersystem gereinigt. Dafür stehen alternativ Einkammer-, Doppelkammer- und Patronenfiltersysteme zur Wahl.

Je nach Applikation kommen für die nachgeschaltete Ablufttechnik statische Polizeifilter, abreinigbare Filteranlagen oder auch ein Kreislaufbetrieb mit Lösemittelrückgewinnung zum Einsatz.

Verfahren entscheidet über Partikelform

Das Prinzip des Wirbelschichtverfahrens beeinflusst das spätere Granulat und hat auch Auswirkungen auf den Prozess. So kann die Sprühgranulation entweder mit einem Top- oder Tangential-Spray-Verfahren durchgeführt werden, für die Pellet- und Minitablettenbeschichtung wird das Bottom-Spray-Verfahren gewählt. Jedes dieser Verfahren hat seine Vor- und Nachteile. So erhält man beim Top-Spray-Verfahren ein poröseres feineres Granulat, welches aber unregelmäßiger geformt ist. Das Top-Spray-Granulat benötigt zudem einen höheren Sprühdüsendruck (min. 0,75 bar) wegen dem sog. „Bearding“ (Produktanhaftungen an der Düse). Dafür ist es im Gegensatz zum Bottom-Spray-Verfahren weniger abhängig von den Fließeigenschaften der Pulverzufuhr. Zudem erzeugt das Bottom-Spray Verfahren ein gröberes Granulat.

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Als Vorteil für das Tangential-Spray-Verfahren kann die Reduzierung der benötigten Zeit für den Granulierprozess genannt werden. Die Granulierflüssigkeit wird durch eine binäre Düse zugegeben, die tangential zum unteren Teil der Wand des Materialbehälters angeordnet ist. Die Granulierlösung wird somit in einem Bereich aufgesprüht, in dem die Pulverpartikel ihre höchste Geschwindigkeit haben und aufgrund der zirkulierenden Produktbewegung den größten Trocknungsweg.

Demzufolge erreicht man signifikant höhere Sprühraten (30 Prozent) aufgrund der effizienteren Trocknung. Die Sprühzeiten sind kürzer und die Trocknungseffizienz wird stark verbessert. Weiterhin ist das Tangential-Verfahren weniger sensibel hinsichtlich Überfeuchtung des Granulates. Zudem wird eine geringere Menge an Granulierflüssigkeit benötigt, um eine bestimmte Zielpartikelgröße zu erreichen. Das Tangential-Spray-Verfahren kann helfen, gröbere Granulate zu erhalten. Während des Prozesses ist es möglich, über den Druck der Sprühdüse (Tropfengröße) die gewünschten Eigenschaften zu beeinflussen. So führt ein niedrigerer Sprühdüsendruck zu einem gröberen Granulat.

Parameter, die den Prozess beeinflussen

Darüber hinaus gibt es noch weitere Aspekte, die in die Überlegung mit einfließen sollten, bzw. eine signifikante Rolle für den Prozess spielen können. So muss auf eine druckstoßfeste Apparateausführung und geprüfte Sicherheitskonzepte geachtet werden. Die Prozesse sollten reproduzierbar und automatisiert ablaufen, wobei die Rüstzeiten kurz bleiben sollten.

Bei hochaktiven Substanzen gelten spezielle Containmentregeln, zudem müssen umfassende Reinigungskonzepte von WIP bis CIP integriert sein. Eine In-line-Qualitätskontrolle, etwa durch die Integration von PAT, und die Befolgung von Pharmastandards gemäß GAMP 5 sollte selbstverständlich sein.

Weitere Parameter, die einen Einfluss auf den Prozess haben, sind etwa die Lufteintrittstemperatur. Je höher diese liegt, umso feiner wird das Granulat. Sinkt diese Temperatur, erhält man bei gleichbleibender Sprührate ein gröberes Granulat. Eine erhöhte Luftfeuchtigkeit bewirkt ebenfalls ein gröberes Granulat, dafür ergeben sich jedoch längere Trocknungszeiten.

Herausforderung: Bauen im Bestand

Granulationslinie nach Maß: Präzisionsarbeit bei der Pelletherstellung

Auch die Position der Düse ist entscheidend. Eine optimale Düsenhöhe im Top-Spray-Verfahren sollte die Bettfläche abdecken. Befindet sich die Düse zu nah am Wirbelbett, wird zwar das Bett vollständig benetzt, man erhält jedoch ein gröberes Granulat. Ist die Position zu hoch, wird das Bindemittel getrocknet bevor es die Pulverpartikel erreicht (Sprühtrocknungseffekt) und es werden feinere Agglomerate erzeugt.

Zudem gilt: Je höher der Zerstäubungsluftdruck, desto feiner ist die Tropfengröße. Gleiches gilt für die Düsengröße: Je größer die Düsengröße, desto größer die Tröpfchen (bei gleichem Druck).

Produktionssicherheit erhöhen

Bereits diese wenigen Stichpunkte zeigen, dass sehr viel Erfahrung benötigt wird, um den Wirbelschichtprozess in der Waage zu halten und ein optimales Produkt zu erhalten. Schließlich steht neben der technischen Sicherheit vor allem die Sicherung des Prozesses im Vordergrund. Nur wenn die Luftführung, Beschickungs- und Entleerkonzepte und der Granulierprozess optimal aufeinander abgestimmt sind, ist für eine hohe Ausbeute, schnelle Prozesse und eine reproduzierbare Qualität der Endprodukte gesorgt. Rund um den CAP Wirbelschicht-Prozessor liefert Diosna daher ein breites Komponentenprogramm. Dazu gehören Granulierflüssigkeitsbehälter, Reinigungsstationen, Siebmühlen, Hubsäulen, Vakuumfördersysteme. Sämtliche Ausrüstungskomponenten können in die Gesamtsteuerung, die ebenfalls eine wichtige Rolle spielt, integriert werden. Hierfür entwickelt Diosna die Hard- und Software auf der Basis anerkannter Standardsysteme im eigenen Hause. Die verwendete Software ist 21 CFR Part 11 konform und bietet umfangreiche Batchdatenerfassung und -dokumentation. Dazu gehört auch die PAT-Technologie. Nicht zuletzt sorgen die intuitive Benutzerführung und die Rezepturerstellung über ein Phasenkonzept für einen sicheren Anlagenbetrieb, der den gesamten Wirbelschichtprozess sicher in der Schwebe hält.

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