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Agglomeration – vom superlöslichen Granulat bis zum Pellet

Eine Übersicht

Gudrun Ding

Agglomeration bezeichnet den „Prozess der Kornvergrößerung, wobei kleine Partikel größere, permanente Agglomerate bilden, in denen die Originalpartikel noch identifiziert werden können. Die Agglomerate halten zusammen aufgrund von physikalischen Kräften zwischen den Partikeln selbst oder durch Bindemittel, die eine Materialbrücke zwischen den Partikeln bilden“. [Peter Serne, Peter Kleinebudde, Klaus Knop: „Granulieren – Grundlagen, Verfahren und Formulierungen“; Editio Cantor Verlag, 2007]

Unter dieser Definition lassen sich alle Granulationsverfahren zusammenfassen, bei denen die Haftung zwischen den Primärpartikeln durch mechanische Energie und Bindemittel erhöht wird. Grundsätzlich wird zwischen Trocken- und Feuchtagglomeration unterschieden. Im ersten Fall (Tablettierung, Brikettierung) werden die Ausgangspartikel durch Druck zu größeren Komprimaten verdichtet und anschließend auf die gewünschte Korngröße zerkleinert. Bei der Feuchtagglomeration hingegen entstehen durch Einbringen einer Binderlösung Flüssigkeitsbrücken zwischen den einzelnen Partikeln, die nach der Trocknung als Feststoffbrücken die Granulatstruktur stabilisieren. Das Benetzen der Pulverpartikel mit der Flüssigkeit kann je nach Verfahren auf unterschiedliche Weise erfolgen und ist ausschlaggebend für die Partikelstruktur. In diesem Artikel sollen die verschiedenen Verfahren zur Feuchtgranulation und die daraus resultierenden spezifischen Granulateigenschaften gegenübergestellt werden.

Das Wirbelschichtagglomerat:

Metallpulver: Vom Ausgangspulver zum Wirbelschichtagglomerat

Die Aufgabe: porös und gut löslich

Feine Pulver mit quellenden Substanzen neigen beim Einrühren in Wasser zur Klumpenbildung. Die Dispergierung dieser Klumpen ist zeitaufwändig und erfordert eine entsprechende Rührtechnik. Dagegen sinkt ein poröses Granulat, in dem die feinen Primärteilchen locker gebunden sind, schnell ein und wird vollständig benetzt. Das Wasser dringt in die intrapartikulären Zwischenräume ein und beschleunigt den Zerfall. Die Anwendungen für gut dispergierbare und leicht lösliche Produkte sind vielfältig und reichen von den klassischen Instantprodukten im Haushalt über Automatengetränke bis hin zu Spezialpräparaten für Patienten mit Schluckbeschwerden (Dysphagie).

Die Wirbelschicht:

Wirbelschichtgranulate: je nach Stoffeigenschaften unterschiedliche Granulate – aber alle gut löslich

In einer Wirbelschicht wird das pulverförmige Ausgangsprodukt durch den Prozessgasstrom in Schwebe gebracht und mit der Granulierflüssigkeit besprüht. Diese kann reines Wasser oder eine Binderlösung sein. Eine oberhalb des Wirbelbettes positionierte Düse zerstäubt die Lösung in feine Tröpfchen, die sich auf der Oberfläche der Primärteilchen absetzen und diese gleichmäßig benetzen. Bei der Kollision mit weiteren Teilchen bilden sich interpartikuläre Flüssigkeitsbrücken aus. Eine gleichmäßige Befeuchtung der Oberfläche ist essentiell für die Keimbildung, da sie die Anlagerung weiterer Partikel gewährleistet. Die Feuchte im Produktbett wird über die Geschwindigkeit der Binderzugabe und die Temperatur des Prozessgasstromes gesteuert. Während des gesamten Prozesses können die Parameter Zerstäubungsdruck, Temperatur und Prozessgasvolumenstrom permanent angepasst werden. Der Agglomerationsprozess ist daher gut kontrollierbar, was sich in der reproduzierbar gleichbleibenden Produktqualität zeigt.

Entstehung der porösen Struktur:

Im Nahbereich: Makrophoto und REM Aufnahme zeigen die poröse Struktur der verklebten Primärteilchen

Die Granulatstruktur wird durch den Typ des Bindemittels und die Tröpfchengröße des Sprühnebels beeinflusst. Für die Benetzung der Pulverteilchen und die Ausbildung von Flüssigkeitsbrücken sind die Viskosität und die Klebrigkeit der Sprühflüssigkeit bestimmend. Ein Tropfenspektrum mit enger Tröpfchengrößenverteilung sowie ein homogenes Sprühbild der Düse liefert die notwendige Feuchtigkeit, die bei Kollision der Partikel eine zugfeste, flüssige Verbindung zwischen den Partikeln bildet. Die Klebrigkeit des Binders fördert in der Agglomerationsphase die Adhäsion weiterer Partikel und führt zu einer Vergrößerung der Aggregate. Eine zu geringe Viskosität dagegen lässt die Tröpfchen auf der Oberfläche komplett spreiten, so dass es zur Bildung eines Films kommt, der auf der Partikeloberfläche zu schnell abtrocknet. Zu große Bindertropfen überfeuchten das Pulver partiell und es entstehen kompakte Granulate, die während des Prozesses nicht mehr ausreichend getrocknet werden können. In der Trocknungsphase verdampft das Wasser und es entstehen aus den Flüssigkeitsbrücken feste Verbindungen, die das Granulat stabilisieren. Je nach Bindertyp sind diese amorph-krustig oder bei Verwendung organischer Polymere klebstoffartig-elastisch.Die Agglomeration in der Wirbelschicht ist das einzige Verfahren, bei dem die Porosität des Granulates durch die oben beschriebenen Maßnahmen gesteuert werden kann.

Das Granulat aus dem High-Shear-Mischer:

Kurkuma: Vom Ausgangspulver zum kompakten High-Shear-Granulat

Die Aufgabe: staubfrei, stabil
Stäube sind schlecht fließfähig, stauben beim Ein- und Abfüllen und lassen sich schlecht dosieren. Sind die Stoffe darüber hinaus allergen oder toxisch, sind umfangreiche Arbeitsschutzmaßnahmen erforderlich. Zusätzlich haben feine Pulver aus organischen Verbindungen häufig eine geringe Zündenergie. Kommen die Stäube mit Zündquellen (Funken durch elektrostatische Aufladung, Hitze etc.) in Berührung, kann es zu verheerenden Explosionen kommen. Um diese Risiken zu minimieren, wird das Pulver in eine granulare Form gebracht, die ein staubfreies Handling ermöglicht. Ein wesentliches Kriterium ist dabei die mechanische Stabilität der Granulate, so dass beim Auftreten größerer mechanischer Kräfte kein Abrieb oder Bruch entsteht. 

Der High-Shear-Mischer:

Kompakte High-Shear-Granulate

Im High-Shear-Mischer wird das pulvrige Ausgangsmaterial unter schneller Zugabe der Sprühflüssigkeit befeuchtet. Der am Boden befindliche Rotor sorgt für eine gleichförmig, umlaufende Gutbewegung, die eine intensive Durchmischung gewährleistet und die Feuchtigkeit gleichmäßig im Produkt verteilt. Die Ausbildung von Flüssigkeitsbrücken erhöht während der Agglomeration die Haftung zwischen den Partikeln. Kennzeichnend hierfür ist der Anstieg des Drehmoments am Rotor und die damit verbundene hohe Leistungszunahme. Mit fortschreitendem Wachstum und der Verdichtung der Granulate entsteht ein Gleichgewicht, gekennzeichnet durch die konstante Leistungsaufnahme. Die Feuchtigkeit, die Drehzahl des Rotors und die Mischzeit sind die Einflussfaktoren, über die der Prozess gesteuert werden kann. Nach Beendigung der Agglomeration werden die Granulate in der Wirbelschicht auf die gewünschte Restfeuchte getrocknet.

Die Entstehung der kompakten Struktur

Im Zoom – jedes Primärkorn sichtbar, im Granulat das ganze Pulver kompakt verdichtet

Im Gegensatz zur Benetzung der Oberfläche einzelner Partikel in der Wirbelschicht kommt beim Nassgranulierer ein anderes Prinzip der Ganulatbildung zum Tragen. Die Feststoffteilchen lagern sich an der Oberfläche großer Flüssigkeitstropfen an, werden vollständig benetzt und verteilen sich in der Flüssigkeit. An der Oberfläche lagern sich weitere Partikel an, bis eine Sättigung erreicht ist. Durch Koaleszenz bilden sich größere Granulate, bis durch den Knetvorgang im Mischer keine Flüssigkeit mehr an die Oberfläche transportiert wird und die Granulatfestigkeit keine Deformierung mehr zulässt. Die genaue Bestimmung der Bindermenge ist essentiell, da Feuchtigkeit, die nicht mehr im Haufwerk gebunden werden kann, zur Übergranulation und zum Zerfall der Granulate führen kann. Der Pulvermischung sollten daher auch Mikrokristalline Cellulose (MCC) oder andere quellende Stoffe zugegeben werden, die überschüssiges Wasser aufnehmen können. Die regelbaren Parameter sind die Zugabegeschwindigkeit der Binderlösung, die Rotorgeschwindigkeit und die Granulierzeit. Durch die komplexe und schnelle Agglomeration der Partikel ist eine kontrollierte Steuerung des Prozesses in Hinblick auf eine gleichförmige Partikelgröße der Granulate nur begrenzt möglich. Für viele Anwendungen ist die Form und Größe allerdings nicht ausschlaggebend, da der Fokus auf der Abriebstabilität und der Bruchfestigkeit der Granulate liegt. Diese werden durch die Produkteigenschaften und die Klebrigkeit des Binders bestimmt. Durch Zugabe von MCC wird allerdings nicht nur der Prozess vereinfacht, sondern auch die Stabilität der Granulate erhöht. Die faserige Struktur der MCC bildet eine filzartige Matrixstruktur, die nach der Trocknung eine hohe Abriebstabilität aufweist.

Pellets aus dem Extruder

Mischungen: Vom Extrusionsstrang zum runden Pellet

Die Aufgabe: Noch kompakter und gleichförmig

Feuchtgranulate sind kompakt und mechanisch stabil, aber selten gleichförmig. In vielen Anwendungen sind aber  runde Partikel, sogenannte Pellets, erforderlich. Zum Beispiel soll sich ein Aktivstoff zum Zeitpunkt x im Prozess freisetzen, damit er die vorher ablaufenden Reaktionen nicht beeinträchtigt. Diese Anforderung wird klassisch über die Beschichtung mit einem funktionellen Polymer gelöst. Der Film kann die Freisetzung aber nur verlässlich gewährleisten, wenn die Aktivstoffpellets  gleichförmig,  im Idealfall monodispers und rund sind.



Feuchtextrusion:

Mischungen – mit Zellulose wird fast alles rund

Die Ausgangsstoffe Aktivstoff, Matrixmaterial und Binder werden im Nassgranulator homogen gemischt und befeuchtet, bis eine formbare Masse entsteht. Diese wird im Basketextruder mit einem Rührflügel durch eine Lochmatrize passiert. Da der Prozess bei moderatem Druck abläuft, erhöht sich die Produkttemperatur nur unwesentlich. Das Verfahren eignet sich daher auch für temperaturempfindliche Stoffe. Die austretenden Extrudatstränge fallen anschließend auf den Rondierer, zerbrechen in kleine Zylinder, die verrundet werden. In allen Prozessstufen ist die Feuchtigkeit der Produktmasse der wichtigste Parameter für die Formbarkeit der Extrudate. In Abhängigkeit von den spezifischen Produkteigenschaften werden dann Drehzahl und Verweilzeit im Rondierer bestimmt. Die entstandenen Pellets werden in der Wirbelschicht getrocknet und erlangen damit ihre Festigkeit, die für die weitere Veredelung notwendig ist.

Die Entstehung einer noch kompakteren, gleichförmigen Struktur

Zellulose: Schritt für Schritt immer runder

Anders als im High-Shear-Mischer entstehen die Partikel nicht durch die Art und Weise der Binderzugabe und das anschließende Agglomerieren durch die Mischbewegung. Die Partikelgröße wird hier maßgeblich durch die Lochgröße der Matrize bestimmt. Die Rundheit entsteht durch die Plastizität der feuchten Masse, die von den Eigenschaften der Formulierungsbestandteile abhängig ist. Quellfähige Stoffe sind notwendig, um eine gute Wasserbindung zu gewährleisten, da sonst durch den Extrusionsdruck Wasser austreten kann. Das überschüssige Wasser würde im anschließenden Rondierprozess zu Klumpenbildung führen. Haben die Inhaltstoffe darüber hinaus eine hohe Klebrigkeit, ist eine gleichförmige, runde Form nur schwer zu erreichen. Gleichzeitig müssen Stoffe aber eine gute Bindefähigkeit haben, damit die Pellets eine ausreichende Stabilität besitzen. Diesen Anforderungen genügt in besonderer Weise MCC, da sie den feuchten Pellets eine gute Wasseraufnahmefähigkeit wie auch eine hervorragende Plastizität und Festigkeit verleiht. Außerdem bildet MCC nach dem Trocknen eine filzige Struktur, die den Pellets eine sehr hohe mechanische Festigkeit gibt.

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