Die Kombination macht’s – Coaten in der Lebensmittel- und pharmazeutischen Industrie, Teil 1

Wirbelschichtapparate finden in vielen Bereichen der Wirtschaft breite Anwendung. Einen besonderen Schwerpunkt des Einsatzes der Wirbelschichttechnologie stellt das Coating von Partikeln sowie das Verkapseln dar. Insbesondere in der Lebensmittel- und pharmazeutischen Industrie liegen vielfältige Anwendungen vor. Darüber hinaus können ergänzende Technologien genutzt werden, um spezielle Produkteigenschaften zu erzielen. Der erste Teil dieses Beitrags beschreibt die Grundlagen des Coatens, der zweite Teil in der nächsten Ausgabe (P+F 7/2008, S. 62) geht auf die Anlagentechnik ein.

» Autor: Dr. Michael Jacob, Leiter Verfahrenstechnik, Process Technology Food, Feed & Fine Chemicals, Glatt Ingenieurtechnik GmbH

» im Original veröffentlicht im Fachmagazin Pharma+Food, Ausgabe 06/2008, Hüthig GmbH

Dieser Artikel soll einen Betrag dazu leisten, die Verfahren des Coatings und zusätzlich die des Verkapselns zu systematisieren und die dafür verfügbaren Apparate übersichtsartig vorzustellen. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Anwendung der Wirbelschichttechnologie.

Wirbelschichtapparate finden in vielen Bereichen der Wirtschaft breite Anwendung. Das Einsatzfeld umfasst dabei sowohl Wärme- und Stoffübertragungsprozesse, wie beispielsweise Kühlung, Trocknung und Kalzinierung, als auch komplexe Mehrphasenprozesse wie Agglomeration und Sprühgranulation.

Einen besonderen Schwerpunkt des Einsatzes der Wirbelschichttechnologie stellt das Coating von Partikeln sowie das Verkapseln dar. Insbesondere in der Lebensmittel- und pharmazeutischen Industrie liegen vielfältige Anwendungen vor. Darüber hinaus können ergänzende Technologien genutzt werden, um spezielle Produkteigenschaften zu erzielen.

Einordnung des Coatens und des Verkapselns

Werden Coating- bzw. Verkapselungsprozesse aus Sicht der Anwendungstechnik betrachtet, so lassen sich in verschiedenen Industriezweigen unterschiedliche Begriffe und Definitionen finden. Dies hat zur Folge, dass die Auswahl des jeweils geeigneten Apparates für eine bestimmte Aufgabenstellung erschwert wird.

Prinzipiell finden derartige Prozesse unter Verwendung von ein oder mehreren Flüssigkeiten und Feststoffen statt. Diese Stoffe können jeweils Wertstoffe sein oder als Hilfsstoff fungieren. Je nach verwendetem Verfahren bzw. Apparat kommt es zu einem Kontakt zwischen Flüssigkeiten und Feststoffen entsprechend den vorliegenden thermischen und strömungsmechanischen Bedingungen im Apparat. Unter der Einwirkung der Prozessbedingungen kommt es zur Bildung von Partikeln oder zur Filmbildung auf vorhandenen Teilchen. Diese Bildungsmechanismen können durch mechanische Krafteinwirkungen entweder unterstützt oder unterdrückt werden.

Entsprechend der Nutzung von mechanischer Energie lassen sich die meisten der zur Zeit verwendeten Apparate und Verfahren einordnen. In den folgenden Abschnitten werden diese näher erläutert. Bei Verfahren, die hauptsächlich in trockener Umgebung stattfinden, ist der Eintrag von Flüssigkeiten ist in diesen Fällen örtlich begrenzt.

Nicht ohne vorherige Versuche

Bei der Anwendung derartiger Verfahren für das Produktdesign ist anzumerken, dass häufig Kombinationen der einzelnen Prozessvarianten vorteilhafte Produkteigenschaften erzielen können. Demzufolge sollten in der Regel experimentelle Untersuchungen an mehreren Apparatetypen durchgeführt werden, wobei in jedem Fall eine enge Zusammenarbeit zwischen dem Apparatehersteller und dem Anwender angestrebt werden sollte. Gerade bei mehreren zur Verfügung stehenden Prozess- und Apparatevarianten führt diese Art des Zusammenwirkens rationell zum Erfolg.

Die jeweils genutzte Prozessvariante richtet sich nach den zu erzielenden Produkteigenschaften

Beim Umhüllen von Teilchen mit Flüssigkeit kann die Sprühflüssigkeit aus einer feststoffhaltigen Lösung, einer Suspension, Emulsion oder auch aus einer Schmelze bestehen. Über Sprühdüsen wird die Flüssigkeit auf die Teilchen gesprüht, verteilt sich auf deren Oberfläche und verfestigt sich dort. Die in der Flüssigkeit enthaltenen Lösungsmittel – im einfachsten Fall Wasser – verdampfen, und die in der Flüssigkeit enthaltenen Feststoffe verbleiben auf der Teilchenoberfläche und bilden dort eine feste Hülle. Derartige Prozesse werden sehr häufig in Wirbelschichtapparaten oder in Trommelcoatern durchgeführt.

Eine zusätzliche Verfahrensvariante bildet das Coaten von Teilchen mit Fetten und Wachsen in Vertikalgranulatoren. In diesem Spezialfall wird eine Schmelze in eine Partikelfüllung eingesprüht. Die Schmelze verteilt sich auf den Teilchen und erstarrt dort.

Eine weitere wichtige Prozessvariante stellt die Sprühgranulation aus der Flüssigkeit dar. Hierbei werden Partikel durch schalenartiges Wachstum – häufig als Aufbaugranulation bezeichnet – gebildet. Derartige Prozesse werden in der Regel in Wirbelschichtapparaten durchgeführt. Bei der Sprühgranulation wird wiederum eine feststoffhaltige Flüssigkeit auf Partikel aufgesprüht. Diese Partikel bestehen aus dem gleichen (arteigenen) Material wie der über die Flüssigphase aufgesprühte Feststoff. Das Lösungsmittel verdampft auch hier und der Feststoff lagert sich analog des Coatingprozesses auf der Partikeloberfläche ab. Dadurch nimmt der Partikeldurchmesser zu. Somit werden kompakte Teilchen mit homogener Struktur erzeugt.

Kompakte Teilchen mit gleichmäßiger Wertstoffverteilung

Dieses Verfahren eignet sich auch hervorragend, um Flüssigkeiten zu verkapseln. In diesem Fall wird der Wertstoff feinverteilt in eine Matrixflüssigkeit, beispielsweise in Form einer Emulsion, eingebettet. Durch den Mechanismus der Sprühgranulation entstehen kompakte Teilchen, die den Wertstoff gleichmäßig in ihrem Volumen enthalten. Durch geeignete Rezepturen lassen sich so zum Beispiel Aromastoffe und Duftöle verkapseln, um einen Oxydationsschutz und verbesserte Lagerstabilität zu erreichen.

Eine weitere Verfahrensoption stellt das Pulverbeschichten dar. Hierbei werden eine oder mehrere Hüllen aufgebaut, indem Pulver unter Einbeziehung eines Bindemittels an vorhandene Teilchen angelagert wird. Dieses Verfahren kann sehr energieeffizient ausgeführt werden, da nur relativ geringe Verdampfungsleistungen erforderlich sind. Zur Durchführung dieses Verfahrens sind vorzugsweise Rotorapparate und Wirbelschichten, aber auch teilweise Vertikalgranulatoren oder Mischer, geeignet.

Werden Teilchen geringer Größe zu gröberen Partikel zusammengefügt, so handelt es sich hierbei um einen Agglomerationsprozess. Dieser Prozess wird in der Anwendungstechnik sehr häufig auch als Beladen oder Tränken von Pulvern bezeichnet. Hierbei wird eine Flüssigkeit, die den Wertstoff enthält bzw. die selbst der Wertstoff ist, in eine Pulvervorlage eingebracht. Sehr häufig wirkt diese Flüssigkeit gleichzeitig als Binderflüssigkeit, so dass es zu einer Kornvergröberung kommen kann. Der Wertstoff wird feinverteilt in der porösen Struktur des Endproduktes eingelagert.

Auch zur Durchführung dieser Prozessoption kommen wiederum Wirbelschichtapparate in Frage. Werden derartige Prozesse unter Mitwirkung von mechanischer Energie ausgeführt, wird dieser Prozess auch als Nassgranulation bezeichnet. In diesem Fall finden die verschiedensten Mischer und Vertikalgranulatoren Anwendung. Sehr häufig werden die hierbei erzeugten Feuchtgranulate in nachfolgenden Prozessschritten in pelletiert, um die Rundheit und Kompaktheit zu verbessern. Abschießend werden die Pellets oder die Feuchtgranulate üblicherweise z.B. in Wirbelschichtapparaten getrocknet, zum Beispiel in Wirbelschichtapparaten.