Eigenschaften nach Maß – Trocknung und Stabilisierung von Mikroorganismen durch Wirbelschicht- und Strahlschichttechnologie

Kompakte Granulate mit homogener Partikelstruktur ganz elegant per Sprühgranulation in der Wirbelschicht oder Strahlschicht

Mikroorganismen unterschiedlichster Art spielen in einer Vielzahl von Anwendungen eine wesentliche Rolle in weiten Bereichen der Lebensmittelindustrie. Der gesundheitsfördernde Effekt von probiotischen Nahrungsmitteln hängt maßgebend von den verwendeten Kulturen selbst sowie der Anzahl an lebenden Mikroorganismen im Produkt ab. Aufgrund dessen wird von anwendungsspezifischen Produktformulierungen gefordert, dass die Organismen vom Zeitpunkt ihrer Herstellung über die Lagerung bis zum Transport an den Freisetzungsort in einem vermehrungsfähigen Zustand gehalten werden. Dabei besteht das Ziel zum einen die Kulturen möglichst effektiv und schonend zu konservieren und zum anderen eine anwendungsspezifisch definierte Freisetzung am adressierten Ort der Wirkung zu gewährleisten.

Wirbelschicht- und Strahlschichtverfahren bieten durch ihre einzigartigen strömungsmechani-schen und thermodynamischen Eigenschaften ein sehr hohes Potenzial durch Durchführung verschiedenartigster Wärme- und Stoffübertragungsprozesse. Die Trocknung und Stabilisierung von Mikroorganismen für Lebensmittel und Nutraceuticals ist eines von vielen Beispielen, die das enge Zusammenspiel von Formulierung, Verfahrenstechnik und Anlagenbau verdeutlichen.

» Author: Dr. Michael Jacob, Head of Process Technology Food, Feed & Fine Chemicals, Glatt Ingenieurtechnik GmbH

» veröffentlicht im Fachmagazin Pharma+Food, Ausgabe Juni/2015, Hüthig GmbH

Hohes Potential vorhanden

Wirbelschicht- und Strahlschichtverfahren bieten durch ihre einzigartigen strömungsmechanischen und thermodynamischen Eigenschaften ein sehr hohes Potenzial durch Durchführung verschiedenartigster Wärme- und Stoffübertragungsprozesse. Zu den zahlreichen Anwendungen zählen neben den klassischen Trocknungsprozessen auch die sogenannten partikelbildenden Prozesse, wie Sprühgranulation und Agglomeration sowie Beschichtungsprozesse zur zielgenauen Einstellung von anwendungstechnischen Eigenschaften von Feststoffsystemen.

Die Trocknung und Stabilisierung von Mikroorganismen für Lebensmittel und Nutraceuticals ist eines von vielen Beispielen, die das enge Zusammenspiel von Formulierung, Verfahrenstechnik und Anlagenbau verdeutlichen.

Mikroorganismen werden durch Fermentationsverfahren hergestellt. Hierbei werden die Kulturen bis zu einer gewünschten Konzentration (Zellzahl) in einer Flüssigkeit angereichert. Die dabei entstehende Suspension muss dann zur Erreichung einer gewünschten Lagerstabilität getrocknet werden. Sehr häufig kommt dabei die Gefriertrocknung zur Anwendung. Diese ist relativ teuer und langwierig. Weiterhin eignen sich die dabei hergestellten Produktformen durch ihre Form und Struktur häufig nicht für sich anschließende Beschichtungsprozesse. Wirbelschicht- und Strahlschichttechnologien bieten hier eine Alternative, um direkt aus der Suspension frei fließende und gut dosierbare Produktformen mit definierter Partikelstruktur herzustellen.

Die Sprühgranulation ist eine elegante Möglichkeit, aus einer Suspension direkt kompakte Granulate mit homogener Partikelstruktur zu produzieren. Dieses Verfahren vereinigt in einem Prozessschritt die konvektive Trocknung und die Partikelbildung (Abbildung 1). Hierbei werden kompakte Partikel (die Granulate) durch Einsprühen feststoffhaltiger Flüssigkeiten in eine Wirbelschicht- oder Strahlschicht gebildet, indem das Lösungsmittels (in der Regel Wasser) verdampft und durch den verbleibenden Feststoff ein Partikelwachstum stattfindet. Dieser Vorgang wird in der industriellen Praxis häufig auch als Granulationstrocknung oder Aufbaugranulation bezeichnet.

Minimale thermische Belastung

Sprühgranulate zeichnen sich durch eine hohe Partikeldichte und eine minimale spezifische Oberfläche aus und eignen sich deshalb für das nachträgliche Ausbringen von funktionellen Schichten durch Coating. Die Strahlschicht-Technologie ist für den Fall der Sprühgranulation von Mikroorganismen besonders gut geeignet, da derartige Prozesse bei minimaler thermischer Belastung in kontinuierlicher Betriebsführung durchgeführt werden können. Dieses Prozesskonzept wurde von Glatt patentiert und kann somit sicher als Ausgangspunkt für kunden- und anwendungsspezifische Entwicklungen dienen.

Wenn im Gegensatz zum kompakten Granulat für die Endanwendung ein frei fließendes Produkt mit optimaler Löslichkeit oder geringer Schüttdichte gewünscht ist, bietet die Wirbelschichtagglomeration die Möglichkeit, Suspensionen zu trocknen. Bei der Agglomeration (Abbildung 2) wird eine Flüssigkeit in eine fluidisierte Pulvermenge eingesprüht. Durch die Bildung von Flüssigkeitsbrücken und anschließender Trocknung entsteht aus dem feinkörnigen Pulver durch Feststoffbrücken ein groberes Agglomerat mit veränderten Eigenschaften.

Durch dieses Prinzip lassen sich beispielsweise Mikroorganismen, die in suspendierter Form vorliegen, in anwendungsspezifische pulverförmige Hilfs- oder Schutzstoffe (z.B. Milchpulver) einarbeiten und in der dabei erzeugten Agglomeratstruktur trocknen. In diesem Fall werden somit Trägerpulver mit den Organismen, unter Gewährleistung einer optimalen Redispergierbarkeit, beladen. Die dabei erzeugte Partikelstruktur ist porös und nicht so kompakt und mechanisch stabil wie sprühgranulierte Produktformen (Abbildung 3).

Ebenso bedeutsam wie das unmittelbare Trocknen und Stabilisieren der Mikroorganismen ist die Gewährleistung eines ausreichenden Schutzes der Kulturen vor ungünstigen Umgebungsbedingungen (Probiotika reagieren sehr sensibel auf äußere Milieueinflüsse) bei Erhaltung der Vitalität (z.B. während der Magenpassage) sowie die Freisetzung der Organismen am Zielort (z.B. im Darm). Um derartige Zielstellungen zu erreichen, müssen die Produkte funktionalisiert werden. Hierfür ist das sogenannte Wirbelschichtcoating sehr gut anwendbar.

Beim (Sprüh-) Coating werden Flüssigkeiten, die das aufzubringende Hüllmaterial beispielsweise gelöst oder suspendiert enthalten, auf agglomerierte oder sprühgranulierte Partikelsysteme aufgesprüht. Analog zur Sprühgranulation verdampft das Lösungsmittel (in der Regel Wasser, aber auch organische Lösungsmittel) durch die erwärmte Prozessluft. Das Hüllmaterial lagert sich in dichter Form auf dem Partikelsystem an und schließt dessen äußere Oberfläche (Abbildung 4).

Wichtig: kontrolliertes Freisetzen

Entsprechend der anwendungstechnischen Zielstellungen wird das Hüllmaterial gewählt. Beispielsweise können Membranen aufgebaut werden, die sich abhängig vom pH-Wert öffnen oder auflösen.

Im konkreten Fall der Freisetzungssteuerung von getrockneten und stabilisierten Mikroorganismen eignen sich verschiedene Substanzen zur Erzeugung einer ausreichenden Magensaftresistenz und anschließender Freisetzung der Organismen im Darm.

Die Abbildung 5 zeigt hierzu ein praktisches Beispiel für den erzielten Schutz und die anschließende Freisetzung einer Formulierung (probiotische Kultur: Lactobacillus plantarum), bei der eine wässrige Schellack-Dispersion (Bezug: Harke Pharma/DE) als Hüllmaterial verwendet wurde. Die Freisetzungskurve wurde durch in vitro Experimente zur Simulation des Gastrointestinaltraktes (GI-Trakt) und anschließender Lebendzellzahlbestimmung der Mikroorganismen (MO) ermittelt.

Insbesondere bei der Optimierung von Schutz und Freisetzung von Formulierungen durch Coatingprozesse ist die Partikelform von wesentlicher Bedeutung. Speziell ist es wichtig, dass die Partikel in reproduzierbarer und definierter Form und Oberflächenstruktur vorliegen. Für optimale Ergebnisse bei der Freisetzungssteuerung ist die Kugelform für zu ummantelnde Produkte am besten geeignet. Diese können wie bereits erläutert durch Sprühgranulation des Ausgangsstoffes selbst oder auch durch Agglomeration von Pulvern erzeugt werden. Ist dies nicht möglich, können Mikroorganismen auch durch Aufsprühen der Suspension auf runde Trägerpartikel getrocknet werden. Als Träger kommen entweder Substanzen die in die Zielanwendung passen in Frage oder auch sogenannte Neutralpellets, die dann die Ausgangsform für das Produktdesign bilden.

In der Abbildung 6 ist ein Beispiel für eine solche Strategie grafisch dargestellt. In diesem Fall dienen Cellets (Bezug: Syntapharm /DE) als Träger, die dann mittels einer Sprühsuspension mit Probiotika beladen wurden. Die Freisetzungssteuerung erfolgte schlussendlich im Beispiel durch eine Schellack-Beschichtung.

Für die Freisetzungssteuerung eignen sich eine Reihe von Substanzen, die anwendungsspezifisch ausgewählt und experimentell auf ihre Eignung untersucht werden müssen. Hierzu zählen neben dem klassischen Schellack auch verschiedene Polymersysteme oder auch verschiedene Fette oder Wachse, die durch Hot-Melt-Coating sehr effektiv und preiswert einen sicheren Schutz des zu konservierenden Mikroorganismusses bilden können.

Die Glatt Ingenieurtechnik GmbH in Weimar als Kompetenzzentrum für chargenweise und kontinuierliche Wirbelschichtprozesse im Bereich Feed, Food und Feinchemie bietet Interessenten ein einmalig breites Portfolio an Technologien und Apparaten, um maßgeschneiderte Produkte, Verfahren und Anlagen zu entwickeln. Das Leistungsspektrum reicht dabei von der Anwendungstechnik über Anlagenlieferung oder Lohnproduktion bis hin zum Turnkey-Engineering kompletter Produktionsstätten.

Im eigenen umfassend ausgestatteten Glatt-Technologiezentrum am Standort in Weimar stehen unterschiedliche Labor- und Pilotanlagen für Dienstleistungen im Kundenauftrag zu Verfügung. Hier können umfangreiche Entwicklungs- und Optimierungsaufgaben professionell bearbeitet werden.

Um unterschiedliche Prozessoptionen und Betriebsweisen experimentell untersuchen zu können, sind modular aufgebaute Apparate durch ihre Flexibilität bestens geeignet. So kann das ProCell LabSystem von Glatt alle aktuell verfügbaren Prozessvarianten abbilden und dabei sämtliche Materialien in einem einmalig breiten Parameterbereich verarbeiten.  Alle Basisprozesse wie Sprühgranulation, Agglomeration und Coating können sowohl chargenweise als auch kontinuierlich ausgeführt werden. Umfangreiche Zusatzoptionen wie z.B. Hot-Melt-Verarbeitung, WIP, explosionsdruckfestes PRO-Design, Inertisierung oder Kreislauffahrweise  runden das Leistungsspektrum dieser Laboranlage ab.

Doch nicht nur allein das verfahrenstechnische und materialwissenschaftliche Know-how allein gewährleisten den Erfolg eines Projektes. Ebenso entscheidend sind apparatetechnische Kompetenz in Zusammenspiel mit langjährigen Erfahrungen in den konkret vorliegenden Branchen, um als Systemlieferant und Engineering-Dienstleister den Kunden ganzheitlich als Partner zur Verfügung stehen zu können. Nur gemeinsam lassen sich komplexe Vorhaben erfolgreich industriel umsetzen und komplexe Themenstellungen inklusive der Berücksichtigung der erforderlichen Produkt- und Prozesssicherheit, GMP, Hygiene, usw. bearbeiten.