-
Die Erfindung betrifft ein Messverfahren zur Ermittlung der Feuchtigkeit von Partikeln in Wirbelschichtprozessen. Das Verfahren ist anwendbar bei Granulations-, Agglomerations-, Instantisierungs-, Coating- und Trocknungsprozessen in Apparaten mit gasdurchströmter oder bewegter Schüttung bei kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Anlagenfahrweise.
-
In der pharmazeutischen Industrie werden beispielsweise die Eigenschaften von Wirkstoffen in staubförmiger Form durch Beeinflussung der Partikelgröße und/oder Coating verändert. Zu diesem Zweck werden die pharmazeutisch aktiven Substanzen, die Trägerstoffe und weitere Additive, wie beispielsweise Gleitmittel, in Apparaten behandelt.
-
Hierbei werden die feindispersen Primärteilchen in Apparate eingebracht und durch einen hinreichend großen warmen Gasstrom mit definierter Feuchte fluidisiert. Durch gleichzeitiges Eindüsen einer Flüssigkeit werden die Partikel befeuchtet. Diese Befeuchtung der Partikel führt dazu, dass sich die feindispersen Primärpartikel zu größeren Partikeln zusammenlagern, da die auftretenden Kapillarkräfte den Zusammenhalt bewirken.
-
Auf Grund der vorbestimmten definierten Feuchte des Gasstromes ist das Medium geeignet, Feuchtigkeit von den gasumströmten Partikeln aufzunehmen. Neben der Partikelvergrößerung findet gleichzeitig eine Trocknung der Partikel statt. Die Geschwindigkeit der Trocknung hängt von den Prozessparametern, der Anlagengestaltung und den stofflichen Eigenschaften der Partikel ab.
-
Um nun eine möglichst gleichmäßige Herstellung der zu granulierenden Produkte zu garantieren, wird der Prozess der Agglomeration in drei Stufen durchgeführt. In der ersten Stufe werden alle Komponenten in der Granulationsapparatur zunächst erwärmt und dabei gleichzeitig vorgetrocknet. Damit soll gewährleistet werden, dass die Partikel alle eine gleiche Feuchte besitzen. Die Dauer dieser ersten Stufe hängt stark von der anfänglichen Feuchte der Partikel ab, die durch variierende Lagerbedingungen sehr unterschiedlich sein kann.
-
In einer zweiten Stufe wird Flüssigkeit in die Apparatur eingedüst, um so die Agglomeration der Partikel zu bewirken. Dabei werden die Partikel definiert befeuchtet und trocknen gleichzeitig. Wird die Eindüsung über einen längeren Zeitraum realisiert, so stellt sich ein Gleichgewicht zwischen Trocknung und Eindüsung ein, bei dem sich die Feuchte der Partikel nicht mehr ändert. Wie groß diese Feuchte der Partikel in diesem Fall ist, kann wiederum ohne Messung nicht ermittelt werden. Darüber hinaus hängt der Wert auch stark von stofflichen Parametern, wie beispielsweise dem Adsorptionsverhalten, ab. Die zweite Stufe endet mit dem Ende der Eindüsung.
-
In der dritten und letzten Stufe werden die Partikel nun auf die erforderliche Endfeuchte getrocknet. Die Endfeuchte wird für einen gewissen Messbereich definiert, abgegrenzt durch einen minimalen und maximalen Feuchtewert. Es ist daher erforderlich, die Partikel so zu trocknen, dass die Feuchte innerhalb dieser Grenzen liegt.
-
Wie eingangs erwähnt hängt die Trocknungsgeschwindigkeit und die somit erforderliche Trocknungszeit von Prozessparametern, der Anlagenkonstruktion, vom Partikelaufbau und dem Material und von der anfänglichen Feuchte des Produktes ab.
-
Die Trocknungszeiten können damit auch für gleiche Produktzusammensetzungen durch variierende Umgebungsbedingungen schwanken.
-
Neben einer zu großen Endfeuchte führt auch eine Übertrocknung des Produktes zu anderen Gebrauchswerteigenschaften und bildet damit ein erhebliches Kostenrisiko.
-
In der Praxis existiert eine Vielzahl von Methoden zur Bestimmung der Feuchte von Partikeln. Dabei werden in-situ oder nicht in-situ Messmethoden angewendet. In-situ bedeutet hierbei, dass die Feuchte direkt im Prozess gemessen wird.
-
Zu den nicht in-situ angewendeten Messverfahren zählen beispielsweise die allgemein bekannten Feuchtebestimmungen mittels Trockenschrank, Karl-Fischer-Titration oder Coulometrie.
-
Für industrielle Herstellungsverfahren von Partikeln vorgegebener Endfeuchte eignen sich diese Messverfahren nicht, da zur Ermittlung der Feuchte zunächst eine Probe aus dem Prozess entnommen werden muss, die hinsichtlich ihrer Feuchte analysiert wird, wobei erst nach einer Zeit im Minuten- bis Stundenbereich der Messwert vorliegt. Teilweise kann keine Probennahme erfolgen, da eine Prozessunterbrechung unmöglich ist. Damit können diese Verfahren nur zur Qualitätssicherung für fertige Produkte gewählt werden.
-
Bei der Herstellung von Partikeln mit definierter Feuchte wird ein Messverfahren benötigt, welches zu jedem Zeitpunkt der einzelnen Verfahrensstufen eine Aussage über den augenblicklichen Wert der Produktfeuchte liefert.
-
In der Praxis werden hierfür verstärkt Mikrowellensensoren, kapazitive Sensoren oder auch Sensoren auf Basis der nuklear-magnetischen Resonanz genutzt.
-
In der
DE 197 23 995 wird z. B. vorgeschlagen, dass zumindest während eines Prozessabschnittes eines Granulations-, Agglomerations-, Instantisierungs-, Coating- und Trocknungsprozesses in einer Wirbelschicht oder einer bewegten Schüttung die Produktgesamtfeuchte weitgehend kontinuierlich berührungslos mittels elektromagnetischer Strahlung im Hochfrequenz- oder Mikrowellenbereich durch Auswertung der Dämpfung die Produktgesamtfeuchte gemessen und unter Berücksichtigung der Produkttemperatur über einen Regelkreis durch Verändern der Sprührate und/oder der Gastemperatur und/oder des Volumenstromes in einem vorgebbaren Bereich gehalten wird.
-
Diese Lösung erfordert einerseits einen hohen messapparativen Aufwand und ist andererseits durch eine unzureichende Messgenauigkeit gekennzeichnet, die aus den rasch wechselnden Messbedingungen im Innern von Wirbelschichtapparaten resultieren. Für den praktischen Einsatz innerhalb von Verfahren der Herstellung von Partikeln mit definierter Feuchte ist diese Lösung daher ungeeignet.
-
Ebenfalls in der
DE 197 23 995 wird eine Lösung benannt, bei der über eine Bilanzierung der Ein- und Ausgangsströme des Wirbelschichtapparates die Produktfeuchte ermittelt wird. Gemessen werden die Zu- und Abluftbedingungen (Temperatur und Feuchte) sowie der Volumenstrom der Zu- und Abluft und die Sprührate. Aus den vielen verschiedenen Messstellen – Minimum sind sieben Messgrößen – resultiert eine entsprechend große Anzahl an Messfehlern und dadurch eine nicht exakt zu bestimmende Produktfeuchte.
-
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung von Partikeln mit definierter Feuchte durch Granulations-, Agglomerations-, Instantisierungs-, Coating- und Trocknungsprozesse in kontinuierlich oder diskontinuierlich arbeitenden Apparaten mit bewegten Schüttung zu entwickeln, bei dem mit verringertem messtechnischen Aufwand eine hinreichend genaue Einstellung der Partikelfeuchte möglich ist. Dabei soll die Verfügbarkeit des Wertes der Partikelfeuchte eng an den tatsächlichen Prozessablauf gebunden sein.
-
Ein weiteres Problem der in-situ-Feuchtemessung bei dem durch entsprechende Sensoren direkt die Feststofffeuchte gemessen wird, beispielsweise durch Sensoren mit einem elektromagnetischen Wechselfeld, ist der Effekt der lokalen Schwankungen der Feststoffdichte (Porosität der Wirbelschicht). Durch die Fluidisation und der damit Verbundenen Partikelbewegung verändert sich stets die vor dem Sensor befindliche Feststoffmenge. Hieraus resultiert scheinbar eine stark schwankende Feuchtigkeitsmenge, die durch den Sensor erfasst wird. Dieser Effekt kann dadurch verstärkt werden, dass es während des Wirbelschichtprozesses zu einem Partikelwachstum durch Agglomeration, Granulation oder Coating kommt, wodurch die Porosität der Wirbelschicht verringert wird. Gleichfalls kann durch eine Veränderung des Gasmassenstroms eine Veränderung der Porosität der Wirbelschicht hervorgerufen werden. Diese Effekte führen zu einer Veränderung der gemessenen scheinbaren Feststofffeuchte, sind jedoch lediglich auf eine Veränderung der Wirbelschichtporosität zurückzuführen.
-
Aus diesem Grund ist es bei der Messung der Partikelfeuchte in Wirbelschichten notwendig, die Porosität der Partikel im Messvolumen zu erfassen. Hierzu wird Im Patent
EP 1 331 476 B1 ein Messverfahren mit Mikrowellenanordnung zur Produktfeuchtemessung und Temperaturkompensation vorgeschlagen. Aufgrund der starken Temperaturabhängigkeit des Messprinzips gestaltet sich dieses Verfahren insbesondere bei hohen Prozesstemperaturen und stark hygroskopischen Produkten als schwierig.
-
Die hier vorgeschlagene Lösung basiert auf der Idee, die Feuchte der Partikel durch ein elektromagnetisches Wechselfeld zu ermitteln und diesen Wert durch eine weitere physikalische Messgröße der Wirbelschicht in Zusammenhang zu bringen, dem Differenzdruck über dem Sensor. Dieser Differenzdruck kann als direktes Maß für die vor dem Sensor befindliche Produktmenge genutzt werden.
-
Wie oben beschrieben schwankt der erhaltene Messwert zur Feuchtebestimmung zeitlich infolge der variablen Porosität der Schüttung in der Wirbelschicht. Durch die parallele Messung des Druckverlustes der Schüttung im Bereich des Feuchtesensors und der Kombination beider Werte kann die reale Masse des Produktes ermittelt werden, die sich tatsächlich im Messbereich des Feuchtesensors befindet (vgl. ).
-
Beschreibung:
-
Ausführungsbeispiel: Wirbelschichtsprühgranulation
-
Bei der Wirbelschichtsprühgranulation handelt es sich um einen verfahrenstechnischen Prozess, bei dem Feststoffpartikel eines Primärmaterials durch Besprühen mit beispielsweise Suspension von arteigenem Material in ihrer Größe ändern. Eines der wesentlichen Qualitätsmerkmale des Produktes ist neben der erreichten Produktgröße die zum Ende des Prozesses verbleibende Beladung der Granulate mit der zur Granulation genutzten Flüssigkeit. Derzeit wird diese Beladung messtechnisch bestimmt, entweder durch In-Line-Sensoren, die die beschriebenen Nachteile aufweisen, meist aber indem der Prozess unterbrochen und eine Probe des Produktes in einem Labormessgerät auf ihren Feuchtegehalt hin analysiert wird. Durch das vorgeschlagene Verfahren wird kontinuierlich die Feuchte mit Hilfe eines elektromagnetischen Wechselfeldes bestimmt und das aufgrund der schwankenden Feststoffmenge im Bereich des Messfeldes infolge der Fluidisierung durch die Messung der Feststoffmasse über den Differenzdruck kompensiert. Die Kompensation erfolgt durch die genaue Berechnung der zum Zeitpunkt der Feuchtemessung im Messfeld des Sensors befindlichen Produktmasse über die Messung des Schichtdruckverlustes.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 19723995 [0016, 0018]
- EP 1331476 B1 [0021]
