Staubeinbindung und Keimbildung bei der Wirbelschicht-Sprühgranulation - Vom Prozessverständnis zur Modellierung

Eine Vielzahl der Produkte der chemischen, der pharmazeutischen und der Lebensmittel-industrie werden als Feststoffe gehandelt. Ein erheblicher Anteil davon wird wiederum als Pulver oder Granulat formuliert. Wenn hohe Anforderungen an die Formulierungen gestellt werden und die Einsatzstoffe als feststoffhaltige, versprühbare Flüssigkeiten vorliegen, bietet die Wirbelschichtgranulation aufgrund der Prozessintensivierung Vorteile gegenüber anderen Formulierungsverfahren. Die Produkte sind üblicherweise verkaufsfertig, und es werden keine weiteren Prozessschritte mehr benötigt. Industriell wird das Verfahren für verschiedene Güter wie beispielsweise Pflanzenschutzformulierungen, Düngemittel, Waschmittel und Pharmahilfsstoffe eingesetzt. Trotz der besseren Produkteigenschaften kann sich die Sprühgranulation nur schwer gegen andere Verfahren wie beispielsweise die Sprühtrocknung durchsetzen. Aufgrund der ver-schiedenen, im Apparat gleichzeitig ablaufenden und miteinander gekoppelten Mechanismen basieren sowohl Auslegung als auch Betrieb vorwiegend auf Erfahrung und einer aufwändi-gen, experimentellen Verfahrensausarbeitung. Daraus resultiert der Wunsch nach einem besseren Prozessverständnis als Basis für eine gezieltere Verfahrensauslegung, -optimierung und -steuerung. Die sich ergebenden Fragestellungen für die Partikeltechnologie sind die experimentelle Mechanismusaufklärung, die Bestimmung der Kinetiken von Partikelentstehung und -wachstum, die umfassende Ermittlung von Partikeleigenschaften und die Prozessmodellierung und -simulation unter Berücksichtigung des Zusammenhangs von Partikel- und Produkteigenschaften. Trotz zahlreicher Untersuchungen zu Teilaspekten des Prozesses in der Literatur beschränken sich die Kenntnisse über die für den kontinuierlichen Betrieb besonders relevanten Mechanismen der Keim- und Kernbildung sowie der Staubeinbindung im Wesentlichen auf einige wenig detaillierte Modellvorstellungen. In der Praxis sind die Auswirkungen der technisch realisierten Staubrückführung auf den Prozess erst nach entsprechenden Versuchsreihen erkennbar und führen selbst in Produktionsanlagen mitunter zu erheblichen Problemen. Gegenstand dieser Arbeit ist daher die Betrachtung des Gesamtprozesses unter Einbeziehung der Staubrückführung. Es wurden insbesondere die Mechanismen von Partikelbildung und -wachstum bei der Wirbelschichtgranulation experimentell untersucht und modellhaft beschrieben. Weiterhin wurde im Hinblick auf industrielle Fragestellungen zu Produkteigenschaften der Einfluss der Staubeinbindung an wachsende Granulate auf die Redispergierbarkeit untersucht. Die Ergebnisse zeigen Zusammenhänge zwischen den mikroskopischen Vorgängen und den Auswirkungen auf den Prozess auf. Das bezüglich Partikelbildung und -wachstum aufgrund der Staubrückführung bisher nur rudimentäre Verständnis wurde vertieft, quantifiziert und formelmäßig erfasst. Die Arbeit hat gezeigt, dass es möglich ist, den Wirbelschichtgranulationsprozess durch die Kopplung von Fluiddynamik, Wärme- und Stoff-übertragung sowie Populationsbilanzen realitätsnah zu beschreiben. Das entwickelte Pro-zessmodell basiert auf physikalisch begründeten Modellansätzen und beschreibt den Prozess mit einer hohen Detailtiefe. Daher können die Einflüsse von Betriebsparametern oder auch geänderten Stoffeigenschaften wiedergegeben werden. Das Prozessmodell wird anhand von Granulationsversuchen validiert.