Wirbelschichtlösungen für eine optimierte Produktion von Inhaltsstoffen (Fachbeitrag auf Englisch)

Funktionelle Inhaltsstoffe werden zunehmend komplexer und stellen damit auch immer höhere Anforderungen an die Herstellungsprozesse. So stehen Lebensmittelproduzenten vor der Herausforderung, die Stabilität ihrer Zutaten während der gesamten Haltbarkeit des Produkts zu gewährleisten. Darüber hinaus muss der Geschmack vieler Inhaltsstoffe verbessert werden, ihre Freisetzungsprofile müssen kontrolliert werden oder sie sollen sich leicht in Wasser auflösen. Aktive Mikrokomponenten wie Vitamine, Mineralstoffe, Aromen oder Probiotika können oft nicht ohne Weiteres in Lebensmittel eingearbeitet werden – sie müssen beschichtet oder verkapselt werden. Die Optimierung des Partikeldesigns gewinnt deshalb zunehmend an Bedeutung. Wenn es um maßgeschneiderte Produkteigenschaften geht, zählen Wirbelschichttechnologien zu den Leitverfahren.

Effiziente Prozesse

Wirbel- und Strahlschichttechnologien basieren auf dem Prinzip der Verwirbelung von Partikeln durch einen nach oben gerichteten Prozessgasstrom. Die Apparate beider Verfahren unterscheiden sich in der Geometrie der Prozesskammern und bestehen unter anderem aus einer Einlassgaskammer, einer Prozesskammer sowie einem Sprüh- und Filtersystem. Aufgrund der Effizienz der Prozesse werden beide Technologien auch zur gezielten Trocknung verschiedenster Materialien genutzt. Im Wirbelbett ist durch das Fluidisieren von Primärpartikeln deren gesamte Oberfläche zur Benetzung und/oder Trocknung frei zugänglich. Eine Verteilerplatte sorgt dafür, dass der Prozessgasstrom definierte Strömungseigenschaften erzeugt, die die Wärme- und Stoffübergangsraten beeinflussen.

Mehr als heiße Luft

Um die funktionellen und ernährungsphysiologischen Eigenschaften der Inhaltsstoffe aufrecht­zu­erhalten, führen kurze Retentionszeiten mit höheren Wärme- und Materialübertragungsraten zu einer schonenden Behandlung. Für Lebensmittelanwendungen werden die Produkte in der Regel einer mäßigen Hitze von 30 bis 50 °C ausgesetzt. So können auch temperaturempfindliche Inhaltsstoffe wie Enzyme, Proteine, Aromen, Vitamine und Mikroorganismen verarbeitet werden. Neben der thermischen Behandlung von festen Stoffen können mithilfe von Wirbelschicht und Strahlschicht auch Granulate aus Pulvern oder Flüssigkeiten hergestellt sowie Partikel beschichtet und verkapselt werden.

Funktionale Oberflächen

Bei Nahrungsergänzungsmitteln ist der Schutz der Wirkstoffe von entscheidender Bedeutung. Langzeitstabilität, Oxidationsbeständigkeit und gezielte Freisetzung der Inhaltsstoffe gehören zu den wichtigsten Anforderungen. Für den Schutz von aktiven Wirkstoffen haben sich Film- oder Hot-Melt-Coatings bewährt. Die geschlossene funktionelle Filmbeschichtung bildet eine Barriere gegen Sauerstoff, Licht und Feuchtigkeit und erleichtert es, die Kapseln zu schlucken. Coatings können auch die Freisetzungseigenschaften von Wirkstoffen verbessern. Hierbei kann etwa über den pH-Wert eingestellt werden, wie langsam und zielgerichtet die Aktivstoffe freigesetzt werden und ob sie sich nur teilweise oder vollständig auflösen. In der Lebensmittelproduktion kann so beispielsweise das Freisetzungsprofil von Zitronen- oder Milchsäure während der Reifung von Würsten gesteuert werden. Darüber hinaus eignen sich Coatings, um einen unerwünschten Geschmack oder Geruch zu maskieren, z.B. bei metallisch oder adstringierend schmeckenden Mineralsalzen.

Mikrokapseln: Depoteffekt

Auch bei probiotischen Lebensmitteln müssen die Wirkstoffe gezielt freigesetzt werden: Nur wenn die Mikroorganismen den Dünndarm lebend erreichen, können sie sich vermehren und die Darmflora positiv beeinflussen. Das bedeutet, dass sie die Magenpassage unversehrt überstehen müssen. Probiotika, die den Dickdarm erreichen sollen, müssen sogar gegen Gallensäuren und Verdauungsenzyme des Dünndarms geschützt werden. Sie werden daher in Lebensmitteln in Form von Mikrokapseln zugesetzt, die sich pH-abhängig öffnen oder auflösen. Funktionelle Inhaltsstoffe können auch in einem rieselfähigen Pulver oder Granulat verkapselt werden, das von einer millimeter- oder mikrometerdicken Schicht aus Polymeren, Stärkederivaten, Lecithin oder Gelatine überzogen ist, welche die Aktivstoffe vor äußeren Einflüssen schützt.

Granulate aus Flüssigkeiten

Durch Sprühgranulation können Granulatbildung und Freisetzungssteuerung in einem einzigen Schritt realisiert werden. Dabei werden Flüssigkeiten auf fluidisierte Partikel aufgesprüht, die auf der Granulatoberfläche spreiten und trocknen und so schichtweise ein Partikel erzeugen. Mithilfe der Sprühgranulierung ist es möglich, flüssige Lebensmittelzusatzstoffe wie Stabilisatoren, Konservierungsmittel oder Süßstoffe zu trocknen und gleichzeitig ihre Partikelgröße, Restfeuchte und den Feststoffgehalt anzupassen. Das Ergebnis ist ein frei fließendes homogenes Granulat, das nahezu staubfrei und sehr leicht zu dosieren ist. Darüber hinaus ist die Härte und Abriebfestigkeit der Granulate deutlich höher als bei herkömmlich getrockneten Stoffen. Die Sprühgranulierung eignet sich insbesondere für trockene Lebensmittelzusätze und zur Verkapselung flüchtiger oder oxidationsempflindlicher Inhaltsstoffe.

Leicht lösliche Agglomerate

Mithilfe der Wirbelschichttechnologie können schlecht lösliche Pulver in Agglomerate mit verbesserten Löslichkeits- beziehungsweise Dispergiereigenschaften umgewandelt werden, etwa für Instant-Kakao und Cappuccino-Getränke. Feine Pulverpartikel werden dabei durch eine Flüssigkeit verklebt und bilden eine Korn-an-Korn-Struktur. Durch die Benetzung der Partikeloberfläche und die anschließende Trocknung bleiben die Pulverteilchen aneinander haften und bilden frei fließende, poröse Agglomerate, die einfacher zu handhaben sind. Bei Instantprodukten ist es von Vorteil, hochviskose Sprühflüssigkeiten zu verwenden, um eine grössere Agglomeratstruktur zu erreichen und dadurch die Dispergierbarkeit zu verbessern. Zudem verhindert die Agglomeration, dass sich die einzelnen Bestandteile bei der Verarbeitung wieder trennen. Auf diese Weise können staubreduzierte, leicht dosierbare Pulver – beispielsweise für Getränkeautomaten – und einfach dispergierbare Trockenmilchpulver hergestellt werden.

Lösungen für verschiedene Kundenanforderungen

Die Auswahl und Kombination der richtigen Prozessparameter hängt von den benötigten Produkteigenschaften ab: Wie schnell, wenn überhaupt, sollten sich Pellets auflösen? Wann soll das Vitamin oder ein anderer Wirkstoff – allein oder in Kombination – freigesetzt werden? Welche Rolle spielt die Schüttdichte in Bezug auf Anwendung, Handhabung, Lagerung und Verpackung, und wie stabil müssen die Partikel sein?
Glatt Ingenieurtechnik ist einer der führenden Anbieter von integrierten Anlagenlösungen und verfügt über weitreichendes Know-how in der Entwicklung von Prozessen sowie in der Planung passender Produktionsanlagen. Die Engineering-Experten planen, entwickeln und vertreiben Wirbelschicht- und Strahlschichtanlagen sowie technologieunabhängige Produktionslinien bis hin zu schlüsselfertigen Fabriken für die Lebensmittel-, Tierfutter-, Chemie- und Feinchemieindustrie. Dabei begleitet Glatt die Kunden von der ersten Idee bis zur finalen Inbetriebnahme. Gemeinsam mit den Kunden entwickeln und optimieren die Glatt Ingenieure Prozesse für verschiedenste Anwendungen und bestimmen in Pilotstudien die optimalen Prozessparameter für ein zuverlässiges Scale-up. Für Versuche bietet Glatt eine der kleinsten und flexibelsten mobilen Laboranlagen der Welt an. Für einwöchige Tests im Weimarer Technologiezentrum stellt Glatt den Kunden ein Versuchsteam zur Seite, um gemeinsam Machbarkeitsstudien durchzuführen und Produktproben zu erzeugen. Fazit: Für die Optimierung von funktionellen Zutaten sind die hoch anpassungsfähigen Wirbelschicht- und Strahlschichttechnologien eine sehr gute Lösung. Zudem können mehrere Verfahren zur Veredelung der Produkte in einem einzigen Schritt kombiniert werden. Die jeweils benötigten Prozessparameter sollten zunächst im Labor- und Pilotmassstab getestet werden, bevor sie auf Produktionsprozesse im Batch- oder kontinuierlichen Verfahren übertragen werden.