Untersuchung der Wirbelschicht-Sprühgranulation von Mehrkomponentenlösungen

Hintergrund

Granulate werden aufgrund ihrer Produkteigenschaften in den unterschiedlichsten Anwendungsbereichen eingesetzt, wie zum Beispiel als Waschmittel, Düngemittel oder Arzneimittel. Körnige Produkte sind im Vergleich zu pulvrigen Feststoffen staubfrei, leicht dosierbar und weisen ein besseres Fließverhalten auf. Diese Produkteigenschaften sind für eine gute Handhabbarkeit und für einen sicheren Umgang mit bestimmten Materialien notwendig.

Der Prozess der Wirbelschicht-Sprühgranulation wird im großtechnischen Maßstab zur Herstellung von Granulaten verwendet. In diesem Prozess, der die Feststoffbildung mit der Feststoffformulierung vereint, können Suspensionen, Lösungen oder Schmelzen in Feststoffpartikel umgewandelt werden. Tropfen aus den Zerstäubungsdüsen werden in der Wirbelschicht auf vorliegende Partikeln abgeschieden. Durch die Fluidisationsluft kommt es zur Verdunstung bzw. zum Erstarren der abgeschiedenen Tropfen. Neben diesen Vorgängen finden weitere Prozesse parallel im Reaktionsraum statt (vgl. Abbildung 1).

Abbildung 1: Schematische Darstellung der parallel ablaufenden Vorgänge bei der Wirbelschicht-Sprühgranulation.

Herausforderung

Der komplexe Prozess wurde bereits in verschiedenen Forschungsarbeiten, aufgeteilt in seine Einzelprozesse, untersucht. Allerdings fanden noch keine Untersuchungen statt, die den Einfluss von unterschiedlichen Stoffzusammensetzungen auf die Verfestigung zu beschreiben versuchten. Für den Fall der Wirbelschicht-Sprühgranulation von mehrkomponentigen Flüssigkeiten wurden die entstehenden Produktgranulatmorphologien und -eigenschaften, wenn überhaupt, ausschließlich in Bezug auf ihre Porosität analysiert. Somit besteht erheblicher Forschungsbedarf über die grundlegenden Zusammenhänge zwischen Thermodynamik, Kinetik und Prozessbedingungen und den Eigenschaften der Granulate, insbesondere ihrem Gefügeaufbau und den daraus resultierenden makroskopischen Eigenschaften (wie Festigkeit, Porosität, Wassergehalt,…). Wie aus Abbildung 2 ersichtlich, sind unterschiedliche Oberflächenmorphologien möglich, die einen Einfluss auf Granulateigenschaften haben.

Abbildung 2: REM-Aufnahmen von Granulatoberflächen. Durch unterschiedliche Prozessbedingungen ergeben sich unterschiedliche Oberflächenmorphologien, welche zu veränderten makroskopischen Eigenschaften führen.

Ziel

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Untersuchung des Verfestigungs- bzw. Kristallisationsverhaltens von mehrkomponentigen Lösungen auf Granulatpartikeln bei der Wirbelschicht-Sprühgranulation. Hierbei sollen v.a. die Auswirkung von sich bildenden Gefügen und Morphologien auf die späteren Produkteigenschaften untersucht werden. Der Einfluss von Betriebsparametern (Temperatur, Fluidisationsluftgeschwindigkeit, usw.) soll herausgearbeitet werden, um durch die Wahl geeigneter Betriebsbedingungen die Produkteigenschaften möglichst einstellen zu können.