Wirbelschicht-Verfahren mit Pulver

Wirbelschicht-Verfahren ermöglichen die vielseitige Produktion unterschiedlicher Pulver. (Bild: Inprotec)

  • Wirbelschichtanlagen sind flexibel und ermöglichen die Durchführung von Prozessen wie Agglomeration, Coating, Verkapselung, Sprüherstarrung oder Sprühtrocknung.
  • Eine gezielte Modifikation bestehender Anlagen ermöglicht oft bei niedrigeren Investitionskosten eine erfolgreiche Prozessgestaltung und Optimierung.

Trocknungsverfahren beschreiben generell Prozesse zum Entfernen von Wasser oder einer anderen Flüssigkeit. Auf welche Art und Weise genau die jeweilige Flüssigkeit aus einem feuchten Schüttgut oder einer mit Feststoff beladenen Lösung oder Suspension entzogen wird, ist dabei jedoch offen. Pulverherstellern stehen zahlreiche Methoden zur Verfügung, um aus einem Produkt die Flüssigkeit zu entfernen. Grundsätzlich wird zwischen drei Trocknungsarten unterschieden, bei den die Wärme in das System auf unterschiedliche Art eingeführt wird: Kontakttrocknung, konvektive Trocknung oder Strahlung.

Bei den konvektiven Trocknern, wie einem Sprühtrockner oder einem Wirbelschichttrockner, gibt die warme Luft Wärme an das zu trocknende Material ab, die Feuchte im Material verdunstet und wird über die Abluft abtransportiert. Der Trocknungsmechanismus wird in der Wirbelschichttrocknung sowohl für die Trocknung einer Lösung oder einer Suspension als auch eines feuchten Schüttguts verwendet. Die Luft wird dem System über einen Gasverteilerboden zugeführt.

Abhängig vom Hersteller und dem zu trocknenden Material stehen verschiedene Gasverteilerböden zur Verfügung. Ein oft eingesetzter Gasverteilerboden ist ein Siebboden. Auf dem Siebboden wird das zu trocknende Material platziert und durch die durchströmende Luft in Schwebe gehalten. Dies bewirkt einen intensiven Wärme- und Stofftransport sowie eine intensive Durchmischung. Die Flüssigkeit wird in das System über ein Düsensystem eingeführt und in der Regel über Zwei-Stoff-Düsen zerstäubt. Die in den Tropfen erhaltene Flüssigkeit verdampft durch den Kontakt mit heißer Luft, und aus dem gelösten Feststoff werden Partikel geformt.

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Je nach gewünschten Pulver-Eigenschaften sind unterschiedliche Prozesse und entprechende Modifikationen an der Anlage notwendig. (Bild: Inprotec)

Die richtige Ausstattung für jeden Prozess

Im Falle der Sprühgranulation werden die entstandenen Partikel Schicht für Schicht zu einem kompakten Granulat aufgebaut. Sobald eine bestimmte Partikelgröße erreicht ist, werden sie über einen Luftsichter ausgetragen. Anschließend werden die Granulate gesiebt und in Ziel- und Grobfraktion aufgeteilt. Die groben Partikel werden zu sogenannten Keimen gemahlen und in die Prozesskammer wiedereingeführt, um deren kontinuierliches Wachstum zu ermöglichen. Die Zielfraktion kann in das entsprechende Gebinde abgepackt werden.

Wirbelschichtapparate können eine zylindrische oder rechteckige Form oder Querschnittsfläche haben. Bei den rechteckigen Wirbelschichten, den sogenannten Wirbelschichtrinnen, besteht die Möglichkeit das Apparat in verschiedene Zonen aufzuteilen, eine Sprüh- und eine Trocknungszone. Somit werden die Partikel zuerst besprüht und in der letzten Zone, kurz vorm Austritt, getrocknet und abgekühlt.

So unterschiedlich wie die Pulver und Granulate sind, sind auch die Prozesse, die sich in einer Wirbelschicht realisieren lassen. Die Wirbelschichtanlagen sind relativ flexibel und ermöglichen die Durchführung von Prozessen wie Agglomeration, Coating, Verkapselung, Sprüherstarrung oder Sprühtrocknung. Eine essenzielle Rolle spielt dabei die Optimierung der Prozessparameter sowie das dazugehörige Equipment.

Bei der Agglomeration werden einzelne Partikel mithilfe von Feststoffbrücken zu Agglomeraten verbunden. Die resultierende lose Struktur ist charakterisiert durch ein geringeres Schüttgewicht und gleichzeitig eine bessere Rekonstitution des Pulvers oder ein besseres Löseverhalten. Beim Coating werden die Partikel mit einem Stoff ummantelt, der einen sekundären Schutz der aktiven Komponente verleiht und zum Beispiel ein verzögertes oder modifiziertes Freisetzen der aktiven Komponente ermöglicht. Generell bringt die Trocknung oder Überführung einer Flüssigkeit in eine Granulatform zahlreiche Vorteile gegenüber losen Pulvern mit sich, etwa verbesserte Fließfähigkeit und Dosierbarkeit, Staubfreiheit oder verbessertes Löslichkeitsverhalten. Die Herausforderung dabei ist, für jede spezielle Anforderung eine passende Lösung zu finden.

Durch ihre Spezialisierung auf häufige Produktwechsel sind Lohnhersteller wie Inprotec geeignete Anbieter, um ihr vorhandenes Know-how auf neue Produkte aus unterschiedlichen Märkten zu übertragen sowie die bei einem Unternehmen fehlende Produktionskapazitäten zu erweitern. Die über die Zeit stetig gewachsene Expertise der Lohnhersteller erlaubt die rasche und zuverlässige Umsetzung auch anspruchsvoller Aufgaben. Somit werden die Kundenaufträge in sichere Hände gegeben. Beim Lohnhersteller Inprotec liegt der Schlüssel zum Erfolg darin, die Anforderungen der Kunden und deren Produkte früh zu erkennen und auf diese gezielt einzugehen.

Mitarbeiter mit Bildschirmen
Die Optimierung der Prozessparameter spielt eine essentielle Rolle für die unterschiedlichen Wirbelschichtprozesse. (Bild: Inprotec)

Modifikationen für effizientere Prozesse

Einerseits kann zum Beispiel eine geringe Anpassung der bestehenden Formulierung mit der Zugabe eines Additivs helfen, um das Trocknungsverhalten zu beeinflussen und somit den Trocknungsprozess zu stabilisieren. Dabei handelt es sich oft um Bindemittel, die die Haftkräfte erhöhen und somit zum Erfolg der Granulation beitragen. Anderseits werden für manche Prozesse Anlagenmodifikationen benötigt, um die Prozesse realisieren zu können oder effizienter zu gestalten.
Ein Beispiel einer der oben genannten Wirbelschichtrinnen verdeutlicht diese Vielseitigkeit: Eine Wirbelschichtrinne, die beispielsweise in fünf Zonen unterteilt ist, wovon eine Zone die Trocknungszone ist, kann mit verschiedenen Düsenkombinationen ausgeführt werden. Grundsätzlich wird zwischen top-spray und bottom-spray Konfigurationen unterschieden, die abhängig vom gewählten Prozess einzustellen sind. Eine Top-Spray Konfiguration kann beispielsweise für Coating- oder Agglomerationsprozesse gut geeignet sein.

Jedoch nicht nur die Konfiguration, sondern auch die Entfernung zwischen Düsenspitze und Partikelbett ist bei einem Wirbelschichtprozess entscheidend. Ist die Entfernung zu groß, kann es zu unerwünschten Effekten kommen, etwa dass die Tropfen verfestigen, bevor sie auf der Oberfläche spreiten, oder dass lose Agglomerate entstehen. Der Einsatz von Düsen in der bottom-spray Konfiguration ermöglicht dagegen die Herstellung kompakter Granulate mit höherer Dichte. Durch die Unterteilung der Prozesskammer in verschiedene Zonen besteht außerdem die Möglichkeit, unterschiedliche Flüssigkeiten in verschiedenen Zonen zu verdüsen, und einen Effekt der Co-Granulation oder des Multilayer-Coatings zu erzeugen. Auch der Einsatz von Düsen mit verschiedenen Größen und Durchsätzen erlaubt eine gezielte Prozesssteuerung. Bei bestimmten Düsenarten und bei bestimmten Prozessparametern besteht sogar die Möglichkeit einer in-situ Neutralisation an der Düsenspitze, die für einige Prozesse von Vorteil sein könnte.

Wirbelschichtprozesse für produktspezifische Anforderungen

Nicht nur die Art der Eindüsung, sondern auch die Art der Keimrückführung kann bei der Gestaltung der Wirbelschichtprozesse eine Rolle spielen. Abhängig davon, welche Partikelgrößenverteilung des gemahlenen Grobguts von Interesse für den Prozess ist und welche Härte die Materialien besitzen, können verschiedene Mühlen eingesetzt werden. Beispielsweise erlaubt der Einsatz eines Walzenbrechers die Herstellung gröberer Keime im Vergleich zum Einsatz einer Stiftmühle. Oft ist eine Kühlung oder Nachtrocknung des Materials noch vor dem Mahlschritt für weitere Prozessschritte hilfreich. Zusätzlich kann für die Rückgewinnung des Feinanteils, welcher mit der Abluft aus der Prozesskammer abtransportiert wird, ein Zyklonabscheider eingesetzt werden, der vor dem eigentlichen Filter positioniert wird. Gleichzeitig ist die Stelle der Rückführung der Keime in die Prozesskammer essenziell. Werden diese an einer Stelle zurückgeführt, die deutlich oberhalb des Wirbelbetts positioniert ist, dauert es länger, diese aufzugranulieren. Im Vergleich dazu wäre eine Position der Keimrückführung direkt im Wirbelbett von Vorteil, weil die Keime an dieser Stelle direkt mit einer Flüssigkeit benetzt werden können.

Basierend auf den aufgeführten Beispielen ist ersichtlich, dass die Wirbelschichtprozesse an die produktspezifischen Anforderungen angepasst werden können. Der Lohnhersteller Inprotec nutzt aus diesem Grunde produktabhängig verschiedene Anlagenkonfigurationen, da eine gezielte Modifikation der bestehenden Anlagen, oft bei niedrigeren Investitionskosten, zur erfolgreichen Prozessgestaltung beitragen kann. Somit kann für jedes Produkt aus der breiten Produktpalette eine maßgeschneiderte Lösung gefunden werden.

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