Herstellung von mikrostrukturierten Feststoffpartikeln auf Basis einfacher und multipler Emulsionen mittels Prilling Prozess - unter Berücksichtigung deren funktionserhaltender Strukturierung für die Verkapselung funktioneller Komponenten und deren kontrollierte Freisetzung (Controled Release)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Erich J. Windhab
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 123555429

Die Verkapselung funktioneller Komponenten (FCs) ist von massgeblichem Interesse für die Entwicklung neuer Produkte in den Industriebereichen Pharma, Lebensmittel, Kosmetik, Feinchemie, Baustoffe und Verpackung. Als besonders geeignete Strukturen für die definierte Einbindung von funktionellen Fluidund/ oder Feststoffkomponenten haben sich multiple Emulsionssysteme gezeigt. Sofern diese stabilisiert werden können, lassen sich die eingebundenen FCs unter Lagerungs- und Weiterverarbeitungsbedingungen erhalten, sowie unter Anwendungskonditionen bei Bedarf kontrolliert freisetzen (Controlled Release). Die zuverlässigste Stabilisierung komplex strukturierter Fluidsysteme geschieht über deren Verfestigung. Um gleichzeitig optimiertes Handling für Weiterverarbeitung oder direkte Anwen-dung beim/am Konsumenten als auch bei Lagerung zu gewährleisten, ist deren Strukturierung in Pulverform angezeigt. Die Sprühtechnik gekoppelt mit einer Kaltverfestigung der Sprühtropfen („Prilling“) bietet Erfolg versprechende Ansätze. In den ergiebigen ersten Projektetappen (Jahre 1-2 sowie 3-4) konnten vielversprechend weiterführende Erkenntnisse über Zusammenhänge zwischen (i) geometrischen Designpara-metern von Zweistoff- Sprühdüsen, (ii) Prilling-Prozessparametern (Sprühdruck, Sprüh-/Prilling Temperatur, Volumenstrom, Volumenstromverhältnis (Fluid/Gas)) und (iii) resultierenden Struk-turkenngrössen von Sprühtropfen und Prilling-Pulversystemen (Tropfen-/Partikelgrössen- und Formverteilungen, Phasenmorphologie und Strukturerhaltung) gewonnen werden. Dabei liessen experimentelle und CFD Simulations-basierte Studien weitergehende Details zur Dynamik von Sprühlamellenaufbruch und Tropfengrössen- sowie - morphologiebildung unter besonderer Be-rücksichtigung der nicht-Newton’schen rheologischen und strukturellen Emulsionseigenschaften erarbeiten. Eine Prozesserweiterung um einen Nachbehandlungsschritt in einem in vitro gastrischen Disintegrations-Rührreaktor liess die Prillpartikel-Desinte-gration und die gekoppelte Freisetzung von funktionalen Stoffkomponenten quantifizieren. Im neuen Projektabschnitt (Y5,6) sollen die gewonnenen Erkenntnisse in zwei Hauptrichtungen weiterentwickelt und abgerundet werden: (1) Mittels eines neuartigen Sprühdüsen-Konzeptes, welches Druck- und Rotationsfelder definiert überlagert aufprägt, sollen die Möglichkeiten eines gezielten Srüh-Fluidlamellenaufbruchs im Rayleigh-Bereich sowohl experimentell als auch mittels CFD Simulationen ermittelt werden. Dabei sollen vor Filamentzerteilung dessen möglichst weitgehende Dehnung und einhergehende Verjüngung erfolgen. Dies liesse bewirken, dass die Sprühpartikeln fluidmechanisch "schonend" sowie mit deutlich verengter Grössenverteilung erzeugt würden. Somit sollen die weitestgehende Erhaltung enkapsulierter Komponenten, deren definierte/kontrollierte Freisetzbarkeit und das Pulverhandling deutlich verbessert werden. (2) Die thermischen Prilling-Konditionen (Fluid-Sprüh-, Kühlgas- und Produktlagerungs-temperaturen) sollen auf den Emusions-Fluidmassenstrom und die formulierungs-basiert einzustellenden Schmelz- und Glasumwandlungs-Temperaturbereiche derart abgestimmt werden, dass in W/O bzw. O/W/O Emulsionssystemen die sekundären W-Tropfen glasartig verfestigen. Damit wäre optimale Stabilität zur Erhaltung enkapsulierter Substanzen auch während langer Lagerzeitintervalle deutlich verbessert zu gewährleisten. Möglichkeiten zur Einstellung der Kinetiken von (i) Glasbildung in der W-Tropfenphase und (ii) resultierender Einflussnahme auf die Freisetzungskinetik verkapselter funktionaler Komponenten über längere Produkt-Lagerzeitintervalle werden quantifiziert. Die "Abrundung" der Gesamtergebnisse erfolgt hinsichtlich Komplettierung der Formulierung von Prozess- Struktur-Funktionen (PSF) und Struktur-Eigenschafts- (=Property) -Funktionen (SPF), welche dann zu den Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen (S-PRO2) gekoppelt werden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1423: Prozess-Spray: Herstellen funktionaler Feststoffpartikel in Sprühverfahren - Von den Anforderungen an das Pulver und an seine Eigenschaften zum geeigneten Prozess
• Internationaler Bezug: Schweiz