Prof. Dr.-Ing. E. Weidner, G. Brandin, T. Wendt
Im Lebensmittel-, Kosmetik- und Pharmabereich ist die Steuerung von Freisetzungseigenschaften im Bereich zwischen 10 und 100 °C von besonderem Interesse. Vor allem die Verwendung von Verkapselungsmaterialien mit niedrigem Schmelzpunkt (10 bis 40 °C) stellt eine besondere Herausforderung für die Verfahrenstechnik dar. Die Erstarrung von niedrigschmelzenden Kapselungsmaterialien erfordert eine sehr starke Unterkühlung. Hochdrucksprühverfahren mit CO2 stellen eine vergleichsweise einfache Alternative zur Herstellung mikronisierter Produkte bei tiefen Temperaturen dar. Durch schnelle und starke Abkühlung werden niedrigschmelzende Substanzen eingefroren, was durch klassische Verfahren, wie z. B. die Sprühtrocknung, nicht erreicht wird. Gleichzeitig hat komprimiertes Kohlendioxid eine stark keimabtötende Wirkung. Diese Hochdruckverfahren sind insofern besonders schonend, als sie bei niedrigen Temperaturen in sauerstofffreier Umgebung ablaufen. Industrielle Anwendung findet häufig das PGSS-Verfahren.
Das PGSS-(Particles from Gas Saturated Solutions)-Verfahren ist ein Hochdruckmikronisierverfahren zur Herstellung von Pulvern aus Feststoffen. Dabei werden überkritische Fluide als Hilfsstoffe genutzt. Diese Hilfsstoffe werden dazu verwendet, niedrig- bis hochviskose Substanzen, wie z.B. Polymere, zu versprühen und zu erstarren. Beim PGSS-Verfahren werden die beiden Ausgangsstoffe (z. B. Schokolade und Kirschwasser) getrennt voneinander in beheizbaren Vorlagebehältern vorgelegt, temperiert und gegebenenfalls aufgeschmolzen. Mit Hilfe der Hochdruckpumpen (P1 und P2) werden die Substanzen verdichtet und mit einem zumeist überkritischen Gas vermischt. Dies kann z. B. in einem statischen Mischer (SM) erfolgen. Hierbei löst sich ein Teil des Gases in die beiden Stoffströme ein. Das Gemisch gelangt nach der Vermischung zu einer Verdüseeinrichtung, wo es auf Umgebungsdruck oder leichten Unterdruck in einen Sprühturm (SP) entspannt wird. Durch die starke Scherung in der Verdüseeinrichtung kommt es zur Tröpfchenbildung im Sprühturm. Diese Tröpfchen werden durch expandiertes und entlösendes Fluid schlagartig in noch feinere Tröpfchen zerrissen. Durch den bei der Entspannung des Gases auftretenden Joule-Thomson-Effekt werden die Tröpfchen sehr effektiv und schnell abgekühlt. Wird hierbei die Erstarrungstemperatur des Kapselungsmaterials unterschritten, kommt es zur Kompositbildung. Das entstandene Komposit wird im Sprühturm durch Schwerkrafteinflüsse abgeschieden.
Durch die Variation der Prozessparameter, wie z. B. Drücke, Temperaturen und Massenströme, können je nach Anwendungsfall die Komposite maßgeschneidert hergestellt werden. Neben den Prozessparametern haben auch die physikalischen Eigenschaften der Einsatzstoffe Auswirkung auf die Eigenschaften des Endproduktes. Das komplexe Zusammenspiel zwischen Prozessparametern und physikalischen Eigenschaften ist Grundlage für die derzeitige wissenschaftliche Betrachtung an der Ruhr-Universität Bochum und dem Fraunhofer-Institut Umsicht in Oberhausen.
