Mikroverkapselung ätherischer Öle – Schonende Verarbeitung mit Wirbelschicht- und Strahlschichttechnologie

Ätherische Öle sind leicht flüchtige und oxidations- oder lichtempfindliche Stoffsysteme, die ihre Eigenschaften im direkten Kontakt zur Umgebung verändern oder gar verlieren können. Bis heute haben sich vielfältige Anwendungsgebiete und Einsatzmöglichkeiten dieser sekundären Pflanzenstoffe herausgestellt. In der Lebensmittelindustrie werden diese geruchs- und geschmacksintensiven Stoffgemische unter anderem zur Verbesserung sensorischer oder funktioneller Produkteigenschaften eingesetzt, zum Beispiel als natürliches Aroma oder Antioxidans zur Verlängerung der Haltbarkeit. Überwiegend werden ätherische Öle verkapselt oder als freifließende Pulver angeboten: sowohl um sie zu schützen, als auch um sie besser handhaben und dosieren zu können. Prinzipiell eignen sich diese Produktformen für die Beimischung in allen festen Formulierungen, die als Pulvermischung vorliegen. Ein wichtiges physikalisches Verkapselungsverfahren ist die Mikroverkapselung durch kontinuierliche Sprühgranulation in der Strahlschicht. Dabei dient eine matrixhaltige Öl-in-Wasser-Emulsion als Ausgangsstoff, das Resultat sind Feststoffpartikel mit optimaler Verteilung des eingeschlossenen Öls und definierter Partikelgröße.

Herausforderungen in der klassischen Wirbelschicht

Der Einschluss einer Flüssigkeit in einer Feststoffmatrix führt zwangsläufig zu erhöhter Partikelfeuchte, wodurch die Agglomerationswahrscheinlichkeit und damit die Gefahr einer unkontrollierten Partikelbildung steigt. Das erschwert den stabilen Betrieb einer klassischen Wirbelschichtanlage. Abgesehen davon wird im Verlauf der Sprühgranulation ein Teil des zu verkapselnden Öls aufgrund thermodynamischer Gleichgewichtsbedingungen mit der Fluidisationsluft aus der Granulationszone ausgetragen. Das führt einerseits zu einem beträchtlichen Aktivsubstanzverlust im Herstellungsprozess und andererseits zu einer Überschreitung der gesetzlich zulässigen Grenzwerte für flüchtige organische Stoffe in Industrieabgasen. Auch mit optimierter Prozessführung ist mit einem Verlust der Aktivsubstanz von bis zu 20% zu rechnen.

Deutliche Vorteile im kontinuierlichen Kreislaufbetrieb

Wird die Prozessluft im Kreislauf geführt, umgeht man die skizzierten Schwierigkeiten bei der Mikroverkapselung. Bei der Durchführung des Verkapselungsprozesses im Kreislaufbetrieb wird die Abluft rückgeführt, was eine gezielte Einstellung der Ölkonzentration in der Zuluft ermöglicht. Die damit einhergehende Erhöhung des Ölpartialdrucks in der Zuluft hat direkten Einfluss auf den Flüssigkeitstransport im Granulat bei der Mikroverkapselung. Durch das verminderte Ölpartialdruckgefälle zwischen Partikel und umgebendem Gasstrom geht weniger wertvolles Öl während des Prozesses verloren. Verglichen mit dem Durchluftbetrieb kann im Kreislaufbetrieb der aufzubereitende Abluftstrom in die Umgebung zusätzlich deutlich reduziert werden. Da nur in den Kreislauf eingebrachte Gasmengen wie das Zerstäubungsgas oder Gasströme für die pneumatische Filterabreinigung aus dem System abgeführt und aufbereitet werden müssen, ist der Energie- und Materialaufwand für die Abluftreinigung bei gleichbleibender Granulationsleistung bedeutend geringer. Der aufzubereitende Abluftstrom im Kreislaufbetrieb ist um ca. 95% kleiner als im Durchluftbetrieb.

Abluftreinigung in der kontinuierlichen Mikroverkapselung

Die in den Kreislauf eingebrachten kondensierbaren Komponenten, zum Beispiel Wasser als Lösungsmittel für den Feststoff der Verkapselungsmatrix, müssen mittels Kondensation aus dem Kreislauf abgeführt werden, damit die Trocknung im Granulationsprozess nicht durch lösungsmittelgesättigte Zuluft zum Erliegen kommt. Die geschlossene Gasführung ermöglicht es, einen verbesserten Zuluftzustand mit verringerter Luftfeuchtigkeit und erhöhter Ölkonzentration zu erzielen. So können bei vergleichbaren Prozessparametern um bis zu 10% höhere Ölwiederfindungsraten erreicht werden. Der Ölverlust mit der Prozessluft wird durch den Einsatz eines Kondensators im Kreislauf und einen vergleichsweise niedrigen Abgasmassenstrom um bis zu 99% reduziert.

Deutlich höhere Wärme- und Stoffübertragungsraten in der Strahlschicht

Wenn man die Hitze- oder Temperaturempfindlichkeit von Wirkstoffen wie ätherischen Ölen genauer betrachtet, ist das Strahlschichtverfahren das Mittel der Wahl. Die Strahlschichttechnologie basiert wie die Wirbelschicht auf dem Grundprinzip der Verwirbelung von Partikeln mit aufwärts strömender Prozessluft und ermöglicht eine kostengünstige Formulierung und Funktionalisierung solcher Stoffe in einem einzigen Prozessschritt. Der Unterschied zwischen den Konzepten liegt in der Strömungsmechanik und Prozessdynamik. Daraus ergeben sich deutlich höhere Wärme- und Stoffübertragungsraten für die Verarbeitung empfindlicher Produkte in kürzerer Zeit. So ist es möglich, bei sehr niedrigen Temperaturen mit kurzen Verarbeitungszeiten zu arbeiten. Thermische Schäden können dadurch vermieden werden.

Optimale Produkteigenschaften erzielen

Die Mikroverkapselung durch Sprühgranulation in der Strahlschicht ist ein ideales Verfahren für die Herstellung fester, granularer Inhaltsstoffe aus Flüssigkeiten und Pulvern. Flüssige Stoffe reagieren oft unvorhersehbar, wenn sie miteinander in Kontakt kommen. Werden sie jedoch in ein trockenes Granulat umgewandelt, können ihre Reaktionseigenschaften klar definiert werden. So entstehen auch aus flüssigen und empfindlichen Rohstoffen kompakte, staubfreie, rieselfähige und gut dosierbare Granulate. Sie können homogen verteilt und in eine schützende Matrix eingebettet werden. Das Verfahren eignet sich deshalb bestens für die Stabilisierung und Funktionalisierung von Aromen oder flüchtigen ätherischen Ölen.

Verkapselte Aromen wie Bergamotte, Waldbeere, Zitronen- oder Orangenöle werden häufig in aromatisierten Teemischungen, für Eistees oder Instantgetränke eingesetzt. Ein wachsendes Produktsegment sind Cocktail-Premixes. Ein weiteres breites Anwendungsfeld, das sich in den letzten Jahren dank reger Innovationstätigkeit immer weiter ausdifferenziert hat, sind Würzmischungen, denen beispielsweise verkapseltes Knoblauchöl zugefügt werden kann. Dieses wird teilweise auch schon analog zu Omega-3- und Omega-6-Fettsäuren in Nahrungsergänzungsmitteln eingesetzt. Durch Mikroverkapselung wird dabei die Oxidation des empfindlichen Öls vermieden und negative Nebeneffekte können reduziert werden. So lassen sich der Geschmack bei und der Geruch nach der Einnahme reduzieren.

Empfindliche Wirkstoffe gut geschützt

Zu den Vorteilen des Verfahrens gehören auch längere Haltbarkeit aufgrund der geringeren Hygroskopizität sowie bessere Transport- und Dosiereigenschaften der Produkte. Gleichzeitig kann die Wasserlöslichkeit des Granulats gezielt eingestellt werden. Der Aufbau und die anschließende Trocknung des Granulats erfolgen in einem einzigen Schritt: Flüssigkeiten werden auf fluidisierte Partikel aufgesprüht und trocknen anschließend an der Oberfläche. Dadurch entsteht ein schichtweiser Partikelaufbau. Die für den weiteren Granulataufbau benötigten kleinen Partikel werden im Prozess selbst erzeugt. Lediglich der flüssige Rohstoff – die Emulsion – muss bereitgestellt werden. Darüber hinaus ist es möglich, pulverförmige oder feinteilige Feststoffe gezielt in den Prozess einzubringen, um sie entweder homogen in die Granulatstruktur zu integrieren oder als externe Ausgangskerne für das Granulatwachstum zu nutzen.