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Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Verkapselung eines flüssigen Wertstoffes in Hefezellen. Unter dem Begriff „flüssiger Wertstoff“ werden auch solche Wertstoffe verstanden, deren Aggregatzustand bei Umgebungstemperatur fest ist und die durch eine Verarbeitung bei geeigneten Druck- und/oder Temperaturbedingungen zum Schmelzen gebracht werden können. Der Wertstoff kann entweder selbst eine Flüssigkeit sein oder er kann in einer Flüssigkeit gelöst sein. Ferner kann der zu verkapselnde Wertstoff in Form einer Flüssig/Flüssig-Emulsion vorliegen. Unter dem Begriff „Wertstoff“ wird vorliegend auch ein Wertstoffgemisch verstanden. Mit dem Begriff „Hefezellen“ sind hier nicht nur aktive Hefezellen, sondern insbesondere auch verbrauchte Hefezellen gemeint, die bereits teilweise autolysiert sein können, sowie Hefezellhüllen.
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Hefezellen sind ein beispielsweise bei der Produktion von Bier oder Bioethanol anfallendes Nebenprodukt, das häufig kostengünstig als Tierfutter verkauft wird. Da Hefezellen viele wertvolle Inhaltsstoffe wie Proteine, Polysacharide und β-Glukane enthalten, können sie aber ebenso in der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden. Die Hefezellwände solcher sogenannter verbrauchter bzw. autolysierter Hefezellen sind noch intakt, weshalb diese Hefezellen sich ebenso wie unverbrauchte Hefezellen als Verkapselungsmaterial für verschiedene Substanzen eignen.
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Es ist aus dem Stand der Technik bereits bekannt, Substanzen in Hefezellen zu verkapseln, indem die Hefezellen mit Wasser und der zu verkapselnden Substanz in Kontakt gebracht werden. In der Regel wird dazu eine Emulsion angesetzt, die zu mindestens 80 Gew.-% aus Wasser und nur höchstens 20 Gew.-% aus der zu verkapselnden Substanz besteht. In diese Emulsion werden dann Hefezellen eingebracht, wobei ein Hefezellenanteil von etwa 12 Gew.-% bei dem genannten Verhältnis von 80 zu 20 das Maximum darstellt, da die Mischung der Emulsion mit den Hefezellen sonst beginnt fest zu werden. Als Resultat erhält man eine Suspension bzw. Dispersion der Mikrokapseln (Hefezellen) in Wasser oder in einem Gemisch aus Wasser und nicht verkapselter Substanz. Ist der verwendete Hefezellenanteil relativ hoch, so erhält man als Resultat einen Hefeschlamm. In jedem Fall muss, um aus den nassen, die Mikrokapseln darstellenden Hefezellen ein Pulver zu erzeugen, die erhaltene Suspension oder der Hefeschlamm entweder sprühgetrocknet oder gefriergetrocknet werden oder es werden Pellets gepresst. Meist wird die Suspension bzw. Dispersion zuvor noch zentrifugiert, um überschüssige zu verkapselnde Substanz abzutrennen, die nicht in die Hefezellen hinein diffundiert ist. Damit ein feines Pulver erzeugt werden kann sind also in jedem Fall mehrere Verfahrensschritte notwendig. Wird die Suspension bzw. Dispersion sprühgetrocknet, so werden die Hefezellen dabei auf eine Temperatur von über 100 °C (teils bis zu 200 °C) erhitzt. Bei temperaturempfindlichen Wertstoffen führt dies dazu, dass bei der Sprühtrocknung ein großer Teil der zu verkapselnden bzw. der bereits verkapselten Substanz verloren geht, da noch nicht verkapselte Substanz verdampft bzw. irreversibel geschädigt wird und bereits verkapselte Substanz solange aus den Hefezellen austreten kann, bis der Wassergehalt niedrig genug ist, um eine Diffusion durch die Zellwände nicht mehr zuzulassen. Im Falle teurer Wertstoffe wie z. B. Aromastoffe ist dies von großem wirtschaftlichen Nachteil, wobei die hohe Temperatur zudem die Qualität des verkapselten Wertstoffes beeinträchtigen kann. Aus den vorstehenden Erläuterungen sollte somit klar geworden sein, dass bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ein verglichen mit der Menge des Endprodukts großer Wasseranteil energieaufwändig abgetrennt werden muss, üblicherweise durch Trocknung.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, verbesserte Verfahren zur Verkapselung eines Wertstoffes in Hefezellen anzugeben.
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Erfindungsgemäß werden mehrere Verfahren vorgeschlagen, die sich von den bisher bekannten, Hefezellen verwendenden Verkapselungsverfahren insbesondere dadurch unterscheiden, dass der zum Einsatz kommende Wasseranteil signifikant geringer ist.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform umfasst ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Verkapselung eines flüssigen oder in einer Flüssigkeit gelösten Wertstoffes in Hefezellen die folgenden Schritte:
- - Bereitstellen wasserfeuchter Hefezellen in einem Behälter,
- - Aufsprühen einer vorbestimmten Menge des zu verkapselnden, flüssigen oder in einer Flüssigkeit gelösten Wertstoffes auf die feuchten Hefezellen unter ständiger Bewegung der Hefezellen bis zur Bildung von Hefezellagglomeraten,
- - Diffundieren lassen des Wertstoffes in die Hefezellen, und
- - Trocknen der mit Wertstoff beladenen Hefezellen.
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Im Gegensatz zu den eingangs beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren werden die als Mikrokapseln dienenden Hefezellen erfindungsgemäß nicht in den flüssigen Wertstoff oder in einer Flüssigkeit gelösten Wertstoff eingerührt, sondern die Hefezellen werden lediglich angefeuchtet bzw. befeuchtet. Die verwendeten Hefezellen sind also nicht nass bzw. durchnässt, sondern lediglich feucht. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass dieses Anfeuchten der Hefezellen bereits dazu ausreicht, eine Diffusion der Wertstoffmoleküle ins Innere der Hefezellen zu erlauben, d. h. die Hefezellwände permeabel für den zu verkapselnden Wertstoff zu machen. Auf die solchermaßen angefeuchteten Hefezellen kann dann unmittelbar der zu verkapselnde flüssige oder in einer Flüssigkeit gelöste Wertstoff aufgesprüht werden, und zwar solange, bis sich Hefezellagglomerate gebildet haben. Die Bildung von Hefezellagglomeraten zeigt an, dass eine ausreichende Menge von zu verkapselndem Wertstoff an den Hefezellen adsorbiert worden ist und sich darüber hinaus in Form von Zwickelflüssigkeit zwischen den einzelnen Hefezellen befindet. Sodann werden die entstandenen Hefezellagglomerate im vorzugsweise geschlossenen Behälter solange gelagert, bis der Wertstoff in die Hefezellen eindiffundiert ist. Eine dabei erfolgende Bewegung der Hefezellen bzw. Hefezellagglomerate kann die Diffusion vorteilhaft beeinflussen und verhindern, dass sich zu große Hefezellagglomerate bilden. Abhängig von unter anderem der Molekulargröße des zu verkapselnden Wertstoffes, der Temperatur und dem Wassergehalt kann dieser Vorgang einen Zeitraum von etwa 15 Minuten bis etwa zwei Tage benötigen. Abschließend werden die mit Wertstoff beladenen Hefezellen getrocknet, um die Hefezellwände zu versiegeln, d. h. impermeabel für den eingekapselten Wertstoff zu machen.
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Gemäß einer Abwandlung des zuvor erläuterten erfindungsgemäßen Verfahrens werden statt wasserfeuchter Hefezellen trockene Hefezellen bereitgestellt, die anschließend in einen Behälter unter ständiger Bewegung der Hefezellen mit Wasser befeuchtet werden. Die dann folgenden Schritte des Aufsprühens eines flüssigen oder in einer Flüssigkeit gelösten Wertstoffes bis zur Bildung von Hefezellagglomeraten, des Lagerns der Hefezellagglomerate und des anschließenden Trocknens der mit Wertstoff beladenen Hefezellen entsprechen denen der ersten Ausführungsform. Wird bei dieser abgewandelten Ausführungsform der Wertstoff in einer Flüssig/Flüssig-Emulsion bereitgestellt, deren einer Bestandteil Wasser ist, dann können das Befeuchten der Hefezellen mit Wasser und das Aufsprühen einer vorbestimmten Menge des zu verkapselnden Wertstoffes auch gleichzeitig stattfinden. Das Befeuchten und gleichzeitige Aufsprühen erfolgt dann wiederum solange, bis sich Hefezellagglomerate gebildet haben.
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Bei den beiden vorgenannten Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verkapselung eines Wertstoffes in Hefezellen beträgt die Feuchte der feuchten oder befeuchteten Hefezellen vorzugsweise 7,5 bis 10 Gew.-% oder 7,5 bis 15 Gew.-%. Mit anderen Worten beträgt der Wasseranteil bezogen auf die Gesamtmasse der feuchten oder befeuchteten Hefezellen vorzugsweise 7,5 bis 10 Gew.-% oder 7,5 bis 15 Gew.-%, kann jedoch auch noch darüber liegen und bis etwa 20 Gew.-% reichen. In jedem Fall ist auf diese Weise der Wasseranteil gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten, Hefezellen verwendenden Verkapselungsverfahren drastisch reduziert. Die zum Trocknen eines solchermaßen reduzierten Wasseranteils notwendige Energie reduziert sich in gleichem Maße. Aufgrund des geringeren Wasseranteils kann die Trocknung schonender erfolgen, wodurch der Verlust an bereits verkapseltem Wertstoff erheblich reduziert werden kann.
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Vorteilhaft kann der die Hefezellen aufnehmende Behälter beispielsweise als Pflugscharmischer oder als Wirbelschicht ausgebildet sein. Mit beiden Ausgestaltungen lässt sich die das Hineindiffundieren in die Hefezellen fördernde, ständige Bewegung der Hefezellen bzw. Hefezellagglomerate effektiv realisieren.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird beim Trocknen der mit Wertstoff beladenen Hefezellen pulverförmige Kieselsäure hinzugegeben bzw. hinzugemischt. Die pulverförmige Kieselsäure führt durch schnelle Bindung von Wasser dazu, dass sich die Permeabilität der Hefezellwände rasch reduziert und dadurch den beim Trocknen entstehenden Verlust an bereits verkapseltem Wertstoff noch weiter verringert.
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Eine derzeit besonders bevorzugte, dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verkapselung eines Wertstoffes in Hefezellen umfasst die folgenden Schritte:
- - Bereitstellen des zu verkapselnden, flüssigen oder in einer Flüssigkeit gelösten oder emulgierten Wertstoffes,
- - Mischen des bereitgestellten Wertstoffes unter Druck mit einem verdichteten Gas zur Bildung einer zumindest teilweise gasgesättigten Lösung aus dem Wertstoff und dem Gas,
- - Entspannen der zumindest teilweise gasgesättigten Lösung aus dem Wertstoff und dem Gas auf Atmosphärendruck mittels Versprühen der gasgesättigten Lösung durch ein Entspannungsorgan derart, dass der Wertstoff unmittelbar nach dem Entspannen in Form kleiner und kleinster Tröpfchen vorliegt,
- - im Wesentlichen gleichzeitig mit dem Entspannen der zumindest teilweise gasgesättigten Lösung aus dem Wertstoff und dem Gas auf Atmosphärendruck, Inkontaktbringen des in Form kleiner und kleinster Tröpfchen vorliegenden Wertstoffes mit Hefezellen,
- - Lagern der Hefezellen mit daran adsorbiertem Wertstoff für eine vorgegebene Zeitdauer in einem geschlossenen Behälter, um eine Diffusion des Wertstoffes in das Innere der Hefezellen zu ermöglichen, und
- - Trocknen der mit dem Wertstoff beladenen Hefezellen.
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Diese dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hat gegenüber der ersten und zweiten Ausführungsform weitere Vorteile. Durch das sich unter Druck in den Wertstoff einlösende Gas verringert sich die Viskosität und die Oberflächenspannung des flüssigen oder in einer Flüssigkeit gelösten oder emulgierten Wertstoffes. Dadurch ist es möglich, auch hochviskose Wertstoffe während des Entspannungsvorgangs in Form kleiner und kleinster Tröpfchen zu bringen. Beim Entspannen wird das Gas, welches sich im Wertstoff bzw. in der Wertstofflösung gelöst hat, wieder freigesetzt und es entsteht ein feiner Tropfennebel. Durch die Druckabsenkung kommt es in aller Regel zu einem Abkühlungseffekt (sogenannter Joule-Thompson-Effekt), der dafür sorgt, dass die gebildeten Tröpfchen nicht sofort wieder koaleszieren. Zudem führt die Freisetzung des gelösten Gases beim Entspannen zu einer starken Verwirbelung und damit zu einer hohen Wahrscheinlichkeit des Inkontaktkommens der gebildeten Tröpfchen mit den zugeführten Hefezellen. Durch Kapillarkräfte bindet sich der nebel- bzw. tröpfchenförmig vorliegende Wertstoff an die Oberfläche der Hefezellen. Zudem können sich Agglomerate aus mehreren Hefezellen bilden, durch die der Wertstoff ebenfalls gebunden wird (als Zwickelflüssigkeit zwischen den einzelnen Hefezellen eines Agglomerats).
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Sobald der zu verkapselnde Wertstoff mit den Hefezellen in Berührung ist, diffundieren die Wertstoffmoleküle in das Innere der Hefezellen. Es handelt sich hierbei um ein kontinuierliches Verfahren, denn die Hefezellen mit daran adsorbiertem Wertstoff oder die Hefezellagglomerate können kontinuierlich entnommen und in einem separaten, geschlossenen Behälter für eine vorgegebene Zeitdauer gelagert werden, um eine ausreichende Diffusion des Wertstoffes in das Innere der Hefezellen zu erzielen. Anschließend werden die mit dem Wertstoff beladenen Hefezellen (Mikrokapseln) getrocknet. Es findet dann keine weitere Diffusion mehr statt und die in die Hefezellen diffundierten Wertstoffmoleküle sind im Inneren der Zelle verkapselt und so vor Umwelteinflüssen geschützt. Auf diese Weise ist es möglich, lichtempfindliche, leicht oxidierbare oder leichtflüchtige Substanzen in Hefezellen vor UV-Strahlung, Sauerstoff und auch höheren Temperaturen (bis 200 ℃) zu schützen. Durch erneuten Kontakt mit Wasser kann der verkapselte Wertstoff wieder freigesetzt werden. Beispielsweise lässt sich so eine gezielte Wirkstoffabgabe in z. B. einem menschlichen Körper oder auch eine gezielte Freisetzung von Aromastoffen z. B. in Tütensuppen erreichen. Viele weitere Anwendungsbeispiele sind denkbar.
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Bei der vorgenannten dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens findet der Schritt des Mischens vorzugsweise in einem statischen Mischer statt, durch den der bereitgestellte Wertstoff und das unter Druck gesetzte Gas geleitet werden. Besonders bevorzugt wird das Mischen unter hohem Druck und bei erhöhter Temperatur durchgeführt, wobei der Druck und/oder die Temperatur vorzugsweise einen Wert haben, der einem nahekritischen oder überkritischen Zustand des verwendeten Gases entspricht. Je nach Wertstoff kommen als Gas beispielsweise Kohlendioxid, Ethan, Propan oder Dimethylether in Betracht. Weitere dem Fachmann aus dem Gebiet der überkritischen Extraktion bekannte Gase können ebenfalls gut geeignet sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden der Entspannungsschritt und das Inkontaktbringen mit den Hefezellen in einem Sprühturm durchgeführt. Mit anderen Worten erfolgt die Entspannung der zumindest teilweise gasgesättigten, den Wertstoff und das Gas umfassenden Lösung auf Atmosphärendruck durch eine Düse in den Sprühturm. Die Hefezellen werden vorzugsweise mittels eines Gasstroms zum Sprühturm transportiert und dort mit dem Flüssigkeitsnebel aus Wertstoff in Kontakt gebracht, der durch den Entspannungsvorgang durch die Düse entstanden ist. Vorzugsweise erfolgt das Inkontaktbringen mit den Hefezellen im Sprühturm wiederum bis zur Bildung von Hefezellagglomeraten, denn die Agglomerate ermöglichen eine höhere Wertstoffbeladung, da die Wertstofflösung zusätzlich zur adsorptiven Bindung an die Oberfläche der Hefezellen in Form von Zwickel- oder Brückenflüssigkeit zwischen den Hefezellen gebunden wird. Alternativ können auch Hefezellagglomerate zum Inkontaktbringen mit dem Flüssigkeitsnebel aus Wertstoff verwendet werden. Die Wertstofftröpfchen werden dann durch Kapillarkräfte in die Hefezellagglomerate gezogen und binden sich zusätzlich adsorptiv auf den Oberflächen der Hefezellen.
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Voraussetzung für eine Diffusion des Wertstoffes in die Hefezellen ist eine gewisse Grundfeuchte der Hefezellwände. Das dazu nötige Wasser kann auf verschiedene Art und Weise bereitgestellt werden. Gemäß einer Ausführungsform sind die zu verwendenden Hefezellen bereits solchermaßen vorkonditioniert, dass ihre Hefezellwände die für eine Diffusion erforderliche Feuchte aufweisen. Dies kann z. B. erreicht werden, indem die zu verwendenden Hefezellen bereits vom Lieferanten in noch feuchter Form angeliefert werden (diese Feuchte kann beispielsweise aus dem Prozess stammen, in dem die Hefezellen als Nebenprodukt anfallen) oder indem zunächst trockene Hefezellen geeignet befeuchtet werden, beispielsweise durch Besprühen mit Wasser in einem Wirbelbett, einem Pflugscharmischer oder auf ähnliche Weise. Wenn der zu verkapselnde Wertstoff jedoch in Wasser gelöst ist oder in Form einer Flüssig/Flüssig-Emulsion bereitgestellt wird, deren einer Bestandteil Wasser ist, dann können in dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß der dritten Ausführungsform auch trockene Hefezellen zum Einsatz kommen, da dann die zum Herstellen der Permeabilität der Hefezellwände erforderliche Feuchtigkeit zusammen mit dem Wertstoff zu den Hefezellen transportiert wird.
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Abhängig vom Wassergehalt der Hefezellen und der Temperatur und auch abhängig von der Größe der zu verkapselnden Wertstoffmoleküle geht die Diffusion der Wertstoffmoleküle in die Hefezellen unterschiedlich schnell vonstatten. Kleine Wertstoffmoleküle diffundieren dabei schneller als große. Ein höherer Wassergehalt der Hefezellen und eine erhöhte Temperatur verbessern die Diffusionsgeschwindigkeit ebenfalls. Erfindungsgemäß findet demnach der Schritt des Lagerns der Hefezellen bzw. der Hefezellagglomerate mit daran adsorbiertem bzw. kapillar gebundenem Wertstoff über einen Zeitraum von etwa einer Stunde bis zu etwa 48 Stunden statt, vorzugsweise für einen Zeitraum von etwa einer Stunde bis zu etwa 24 Stunden und besonders bevorzugt über einen Zeitraum von etwa einer Stunde bis maximal sechs Stunden. Um die Menge an verkapseltem Wertstoff in den Hefekapseln zu erhöhen, findet das Lagern der Hefezellen vorzugsweise bei erhöhter Temperatur statt, insbesondere bei Temperaturen im Bereich von 30 bis 60 ℃.
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Prozesstechnisch ist es vorteilhaft, wenn die zum Einsatz kommenden Hefezellen als Hefepulver vorliegen. Bei den Hefezellen handelt es sich bevorzugt um zumindest teilweise autolysierte Hefezellen, da durch den Fortfall intrazellulärer Substanzen mehr Platz für den zu verkapselnden Wertstoff in der Hefezelle zur Verfügung steht.
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Wenn der zu verkapselnde, flüssige oder gelöste Wertstoff in Form einer Flüssig/Flüssig-Emulsion vorliegt, dann handelt es sich dabei vorzugsweise um eine Öl/Wasser-Emulsion. Der Wassergehalt einer solchen Öl/Wasser-Emulsion soll kleiner als 70 Gew.-%, vorzugsweise kleiner als 50 Gew.-% und besonders bevorzugt kleiner als 25 Gew.-% sein. Der Wassergehalt ist dabei definiert als
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Der Massenanteil einer auf die Hefezellen aufgebrachten Öl/Wasser-Emulsion beträgt weniger als 80 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 50 Gew.-% und besonders bevorzugt weniger als 25 Gew.-%. Der Massenanteil ist dabei definiert als
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Zwar kann das Trocknen der mit dem Wertstoff beladenen Hefezellen bei Umgebungstemperatur erfolgen, jedoch findet das Trocknen zur Verkürzung der Trocknungszeit vorzugsweise in einem Ofen, im bewegten Festbett, etwa in Gestalt eines Bandtrockners, im Wirbelbett oder in einem Pflugscharmischer statt.
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Bei der Verkapselung von Wertstoffen in Hefezellen unter Einsatz des hier gemäß der dritten Ausführungsform beschriebenen Verfahrens können Verkapselungsgrade von bis zu 100% erreicht werden, d. h. es ist möglich, den gesamten bereitgestellten Wertstoff in den Hefezellen zu verkapseln. Dabei kann der Wertstoffgehalt der erzeugten Mikrokapseln 50% Gew.-% und mehr erreichen. Der Wertstoffgehalt ist hierbei definiert als
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Mit dem beschriebenen Verfahren gemäß der dritten Ausführungsform erfolgt die Herstellung wertstoffbeladener, pulverförmiger rieselfähiger Hefezell-Mikrokapseln in einem einzigen kontinuierlichen Verfahren. Mithilfe dieses Verfahrens können Wertstoffe besonders schonend, d. h. bei Temperaturen insbesondere unterhalb von 40 °C, in Hefezellen verkapselt werden. Zudem wird nur so viel Wasser eingesetzt wie für die Diffusion der Wertstoffmoleküle durch die Hefezellwand nötig ist. Dadurch ist das erfindungsgemäße Verfahren im Vergleich zu konventionellen Sprühtrocknungsverfahren äußerst energieeffizient. Die trockenen Hefezell-Mikrokapseln sind bis zu einer Temperatur von 200 °C stabil und die Wertstoffe bleiben bis zu dieser Temperatur in den Hefezellen verkapselt. Durch das Erreichen sehr hoher Verkapselungsgrade und das schonende Trocknen kann eine große Menge an Wertstoff, die bei herkömmlichen Verfahren verloren geht, eingespart werden, was insbesondere bei teuren Wertstoffen zu einer hohen Kostenersparnis führt.
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Eine im Folgenden beschriebene, vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verkapselung eines Wertstoffes in Hefezellen ist insbesondere zur Verkapselung von Wertstoffen geeignet, die temperaturempfindlich sind und die einen Schmelzpunkt bei Normaldruck haben, bei dem sie sich zersetzen oder zumindest zur Zersetzung neigen. Das Verfahren gemäß der vierten Ausführungsform umfasst die folgenden Schritte:
- - Herstellen einer Mischung aus Hefezellen und Partikeln eines schmelzbaren Wertstoffs,
- - Anordnen der Mischung in einem Autoklaven,
- - sofern trockene Hefezellen verwendet werden, Einstellen eines Wassergehaltes der Hefezellen im Bereich von etwa 8 bis etwa 20 Gew.-%,
- - Einleiten eines in dem Wertstoff löslichen Gases in den Autoklaven bis zum Erreichen eines Drucks, bei dem die Schmelztemperatur des Wertstoffs um 10 ℃, vorzugsweise um bis zu 20 ℃ und besonders bevorzugt um bis zum 40 ℃ gegenüber der Schmelztemperatur des Wertstoffs bei Normaldruck abgesenkt ist, und Aufheizen des Autoklaven auf die sich bei dem eingestellten Druck ergebende Schmelztemperatur des Wertstoffs,
- - Aufrechterhalten dieser Druck- und Temperaturbedingungen für eine vorbestimmte Zeitdauer,
- - kontinuierliches Reduzieren der Feuchte der Gasatmosphäre im Autoklaven, um die mit Wertstoff beladenen Hefezellen zu trocknen,
- - allmähliches Verringern von Druck und Temperatur bis auf Umgebungsbedingungen, und
- - Entnehmen der mit Wertstoff beladenen Hefezellen.
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Mit dem Verfahren gemäß der vierten Ausführungsform lassen sich temperaturempfindliche Wertstoffe somit bei Temperaturen verflüssigen und damit materialschonend in Hefezellen verkapseln, bei denen sie unter Umgebungsbedingungen noch fest wären. So wurde beispielsweise für β-Sitosterol bei einem Kohlendioxiddruck von 240 bar eine Schmelzpunktabsenkung von etwa 40 ℃ festgestellt.
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Falls bei der vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens nach dem Entnehmen der mit Wertstoff beladenen Hefezellen noch unverkapselter Wertstoff vorliegt, erfolgt im Anschluss an die Entnahme der mit Wertstoff beladenen Hefezellen vorzugsweise ein Waschen der beladenen Hefezellen mit einem Lösungsmittel.
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Für alle Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich herausgestellt, dass der Wassergehalt der mit Wertstoff beladenen Hefezellen vor dem Trocknungsschritt mindestens 6,5 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 8,5 Gew.-% und besonders bevorzugt zwischen
10 und 20 Gew.-% betragen soll. Dabei ist der Wassergehalt der beladenen, noch nicht getrockneten Hefezellen definiert als
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Mit solchen Wassergehalten wird sichergestellt, dass die Diffusion der Wertstoffmoleküle in die Hefezellen bis zum Ende des Lagerungsschritts gut erfolgen kann.
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Mit allen Ausführungsformen des beschriebenen Verfahrens lassen sich Wertstoffgehalte der getrockneten Hefezellen im Bereich von 1 bis 50 Gew.-% erzielen.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele für die dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens genauer beschrieben, die unter Verwendung einer in der beigefügten, einzigen Figur schematisch gezeigten Anlage durchgeführt worden sind.
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Die allgemein mit 10 bezeichnete Anlage umfasst einen Vorlagebehälter 12 für den zu verkapselnden Wertstoff, der im Behälter 12 als Flüssigkeit vorliegt. Unter dem Begriff „Flüssigkeit“ wird hier auch eine Lösung des Wertstoffs oder eine Emulsion verstanden, beispielsweise eine Öl/Wasser-Emulsion, wobei der Wertstoff dann üblicherweise die Ölphase bildet oder in der Ölphase gelöst ist.
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Mit 14 ist eine Druckgaszufuhr bezeichnet, die im gezeigten Beispiel durch eine CO2-Druckflasche gebildet ist, alternativ jedoch auch durch einen Hochdruckkompressor gebildet sein kann, dem das gewünschte Gas zugeführt wird.
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Mit 16 ist ein Vorlagebehälter für Hefezellen bezeichnet.
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Aus dem Vorlagebehälter 12 wird der gemäß den im Folgenden beschriebenen Beispielen als eine Öl/Wasser-Emulsion vorliegende Wertstoff über eine Leitung 18 zu einem statischen Mischer 20 gefördert. In analoger Weise strömt aus der Druckgasversorgung 14 verdichtetes Gas, hier Kohlendioxid, durch eine Leitung 22 zum statischen Mischer 20. In den Leitungen 18 und 20 sind hier nicht dargestellte Durchflussmess- und -regelgeräte angeordnet, mittels derer der zum statischen Mischer 20 geführte Massenstrom an Wertstoff bzw. verdichtetem Gas gemessen und eingestellt werden kann.
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In dem statischen Mischer 20 findet eine innige Vermischung des flüssigen Wertstoffes mit dem verdichteten Gas statt, wobei das verdichtete Gas sich in dem flüssigen Wertstoff zumindest teilweise löst. Nach Verlassen des statischen Mischers 20 wird die erhaltene Mischung aus flüssigem Wertstoff (hier in Gestalt einer Wertstoffemulsion) und verdichtetem Gas durch ein nicht gezeigtes Entspannungsorgan, z. B. eine Düse, in einen Sprühturm 24 entspannt. Der Druck im Sprühturm 24 entspricht im Wesentlichen dem Umgebungsdruck, so dass das in dem flüssigen Wertstoff gelöste, verdichtete Gas nun wieder freigesetzt wird. Gleichzeitig werden dem Sprühturm 24 aus dem Vorlagebehälter 16 durch eine Leitung 26 Hefezellen zugeführt, so dass sich im Inneren des Sprühturms 24 Tröpfchen der beim Entspannen gebildeten Wertstoffemulsion, das freigesetzte Gas und die Hefezellen befinden. Aufgrund der beim Entspannungsvorgang auftretenden, starken Volumenzunahme des in dem flüssigen Wertstoff gelösten Gases kommt es im Sprühturm 24 zu starken Verwirbelungen, die dafür sorgen, dass die aus dem Vorlagebehälter 16 zugeführten Hefezellen viele Möglichkeiten haben, mit den Wertstoffemulsionströpfchen in Berührung zu gelangen. Die Wertstoffemulsionströpfchen bzw. der Wertstoffemulsionsnebel wird infolgedessen an der Oberfläche der Hefezellen adsorbiert und darüber hinaus als Zwickelflüssigkeit in Hefezellagglomeraten gebunden, die sich im Sprühturm 24 bilden. Das entstandene, feuchte Pulver aus Hefezellen und Hefezellagglomeraten, an denen der zu verkapselnde, flüssige Wertstoff adsorbiert bzw. in Gestalt von Zwickelflüssigkeit gebunden ist, sammelt sich am Boden des Sprühturms 24 und kann dort entnommen werden, wie durch einen Pfeil 28 angedeutet ist.
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Zur Abtrennung einer im Sprühturm 24 gegebenenfalls entstehenden Feinpulverfraktion wird die Abluft aus dem Sprühturm 24 durch eine Leitung 30 zu einem Zyklon 32 geleitet. Eventuell im Zyklon 32 anfallendes, feines Hefepulver kann bei 34 entnommen werden, während die gereinigte Abluft den Zyklon 32 durch eine Leitung 36 verlässt.
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Das bei 28 und gegebenenfalls bei 34 entnommene, feuchte Hefepulver wird anschließend für einen vorbestimmten Zeitraum gelagert, z. B. in geschlossenen Behältern, und anschließend bei vorzugsweise erhöhter Temperatur getrocknet, beispielsweise in geöffneten Behältern.
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Beispiel 1
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Es soll Limonen als Wertstoff in Hefezellen verkapselt werden. Hierfür wird zunächst eine Emulsion bestehend aus 150g Wasser und 250g Limonen unter Zugabe eines Emulgators mit der Handelsbezeichnung Tween 80 hergestellt. Diese Wertstoffemulsion wird dann unter Verwendung des Hochdrucksprühverfahrens gemäß der dritten Ausführungsform verarbeitet, indem die Wertstoffemulsion zusammen mit verdichtetem Kohlendioxid durch einen statischen Mischer geleitet wird. Die Temperatur im statischen Mischer betrug 40 ℃, der Druck im statischen Mischer betrug 80 bar.
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In den statischen Mischer wurde die Wertstoffemulsion mit einer Rate von 2,4 kg/h und das verdichtete Kohlendioxid mit einem Massenstrom von 30 - 40 kg/h gefördert und anschließend durch eine Düse in einen Sprühturm entspannt, dessen Temperatur -10 ℃ betrug. Gleichzeitig wurden in den Sprühturm Hefezellen mit einer Rate von 3,6 kg/h gefördert.
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Nach einer Sprühdauer von ca. 10 Minuten waren ca. 1kg Pulver hergestellt, welches aus den Hefezellen und der in den Sprühturm geförderten Wertstoffemulsion bestand. Das hergestellte Pulver wurde in geschlossenen Behältern in einem Ofen bei einer Temperatur von 60 ℃ für eine Dauer von sechs Stunden gelagert und anschließend bei geöffneten Behältern im Ofen bei ebenfalls 60 ℃ getrocknet.
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Die hergestellten, trockenen und mit Limonen beladenen Hefezell-Mikrokapseln enthielten etwa 20 Gew.-% Limonen.
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Beispiel 2
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Wiederum soll Limonen als Wertstoff in Hefezellen verkapselt werden. Hierfür wird zunächst eine Emulsion bestehend aus 100g Wasser und 300g Limonen unter Zugabe eines Emulgators mit der Handelsbezeichnung Tween 80 hergestellt. Diese Wertstoffemulsion wird dann unter Verwendung des Hochdrucksprühverfahrens gemäß der dritten Ausführungsform verarbeitet, indem die Wertstoffemulsion zusammen mit verdichtetem Kohlendioxid durch einen statischen Mischer geleitet wird. Die Temperatur im statischen Mischer betrug 40 ℃, der Druck im statischen Mischer betrug 80 bar.
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In den statischen Mischer wurde die Wertstoffemulsion mit einer Rate von 2,4 kg/h und das verdichtete Kohlendioxid mit einem Massenstrom von 30 - 40 kg/h gefördert und anschließend durch eine Düse in einen Sprühturm entspannt, dessen Temperatur -10 ℃ betrug. Gleichzeitig wurden in den Sprühturm Hefezellen mit einer Rate von 3,6 kg/h gefördert.
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Nach einer Sprühdauer von ca. 10 Minuten waren ca. 1kg Pulver hergestellt, welches aus den Hefezellen und der in den Sprühturm geförderten Wertstoffemulsion bestand. Das hergestellte Pulver wurde in geschlossenen Behältern in einem Ofen bei einer Temperatur von 60 ℃ unterschiedlich lange gelagert, und zwar für 2, 6, 24 und 48 Stunden, und anschließend bei geöffneten Behältern im Ofen bei ebenfalls 60 ℃ getrocknet.
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In Abhängigkeit der Lagerungsdauer bei 60 ℃ war der Limonengehalt der hergestellten, trockenen und mit Limonen beladenen Hefezell-Mikrokapseln unterschiedlich. Bei einer Lagerung von 2 Stunden im geschlossenen Behälter enthielten die trockenen Hefezell-Mikrokapseln ca. 7 Gew.-% Limonen, bei Lagerung von 6 Stunden im geschlossenen Behälter enthielten die trockenen Hefezell-Mikrokapseln ca. 11 Gew.-% Limonen, bei Lagerung von 24 Stunden im geschlossenen Behälter enthielten die trockenen Hefezell-Mikrokapseln ca. 13 Gew.-% Limonen und bei Lagerung von 48 Stunden im geschlossenen Behälter enthielten die trockenen Hefezell-Mikrokapseln ca. 19 Gew.-% Limonen.
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Beispiel 3
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Wiederum soll Limonen als Wertstoff in Hefezellen verkapselt werden. Hierfür wird zunächst eine Emulsion bestehend aus 100g Wasser und 300g Limonen unter Zugabe eines Emulgators mit der Handelsbezeichnung Tween 80 hergestellt. Diese Wertstoffemulsion wird dann unter Verwendung des Hochdrucksprühverfahrens gemäß der dritten Ausführungsform verarbeitet, indem die Wertstoffemulsion zusammen mit verdichtetem Kohlendioxid durch einen statischen Mischer geleitet wird. Die Temperatur im statischen Mischer betrug 40 ℃, der Druck im statischen Mischer betrug 80 bar.
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In den statischen Mischer wurde die Wertstoffemulsion mit einer Rate von 2,4 kg/h und das verdichtete Kohlendioxid mit einem Massenstrom von 30 - 40 kg/h gefördert und anschließend durch eine Düse in einen Sprühturm entspannt, dessen Temperatur -10 ℃ betrug. Gleichzeitig wurden in den Sprühturm Hefezellen mit einer Rate von 3,6 kg/h gefördert.
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Nach einer Sprühdauer von ca. 10 Minuten waren ca. 1kg Pulver hergestellt, welches aus den Hefezellen und der in den Sprühturm geförderten Wertstoffemulsion bestand. Das hergestellte Pulver wurde in geschlossenen Behältern in einem Ofen bei unterschiedlichen Temperaturen jeweils für eine Dauer von 6 Stunden gelagert, und zwar bei 30, 40, 50, 60 und 70 ℃, und anschließend bei geöffneten Behältern im Ofen bei 60 ℃ getrocknet.
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In Abhängigkeit der Temperatur während der Lagerungsdauer war der Limonengehalt der hergestellten, trockenen und mit Limonen beladenen Hefezell-Mikrokapseln unterschiedlich. Bei einer Lagerung bei 30 ℃ im geschlossenen Behälter enthielten die trockenen Hefezell-Mikrokapseln ca. 5 Gew.-% Limonen, bei Lagerung bei 40 ℃ im geschlossenen Behälter enthielten die trockenen Hefezell-Mikrokapseln ca. 7 Gew.-% Limonen, bei Lagerung bei 50 ℃ im geschlossenen Behälter enthielten die trockenen Hefezell-Mikrokapseln ca. 9 Gew.-% Limonen, bei Lagerung bei 60 ℃ im geschlossenen Behälter enthielten die trockenen Hefezell-Mikrokapseln ca. 12 Gew.-% Limonen und bei Lagerung bei 70 ℃ im geschlossenen Behälter enthielten die trockenen Hefezell-Mikrokapseln ca. 17 Gew.-% Limonen.
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Beispiel 4
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Wiederum soll Limonen als Wertstoff in Hefezellen verkapselt werden. Hierfür wird zunächst eine Emulsion bestehend aus 150g Wasser und 300g Limonen unter Zugabe eines Emulgators mit der Handelsbezeichnung Tween 80 hergestellt. Diese Wertstoffemulsion wird dann unter Verwendung des Hochdrucksprühverfahrens gemäß der dritten Ausführungsform verarbeitet, indem die Wertstoffemulsion zusammen mit verdichtetem Kohlendioxid durch einen statischen Mischer geleitet wird. Die Temperatur im statischen Mischer betrug 40 ℃, der Druck im statischen Mischer betrug 80 bar.
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In den statischen Mischer wurde die Wertstoffemulsion mit einer Rate von 2,4 kg/h und das verdichtete Kohlendioxid mit einem Massenstrom von 30 - 40 kg/h gefördert und anschließend durch eine Düse in einen Sprühturm entspannt, dessen Temperatur -10 ℃ betrug. Gleichzeitig wurden in den Sprühturm Hefezellen mit einer Rate von 3,6 kg/h gefördert.
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Nach einer Sprühdauer von ca. 10 Minuten waren ca. 1kg Pulver hergestellt, welches aus den Hefezellen und der in den Sprühturm geförderten Wertstoffemulsion bestand. Das hergestellte Pulver wurde in geschlossenen Behältern in einem Ofen bei einer Temperatur von 60 ℃ unterschiedlich lange gelagert, und zwar für 2, 6, 24 und 48 Stunden, und anschließend bei geöffneten Behältern im Ofen bei ebenfalls 60 ℃ getrocknet.
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In Abhängigkeit der Lagerungsdauer bei 60 ℃ war der Limonengehalt der hergestellten, trockenen und mit Limonen beladenen Hefezell-Mikrokapseln unterschiedlich. Bei einer Lagerung von 2 Stunden im geschlossenen Behälter enthielten die trockenen Hefezell-Mikrokapseln ca. 11 Gew.-% Limonen, bei Lagerung von 6 Stunden im geschlossenen Behälter enthielten die trockenen Hefezell-Mikrokapseln ca. 15 Gew.-% Limonen, bei Lagerung von 24 Stunden im geschlossenen Behälter enthielten die trockenen Hefezell-Mikrokapseln ca. 20 Gew.-% Limonen und bei Lagerung von 48 Stunden im geschlossenen Behälter enthielten die trockenen Hefezell-Mikrokapseln ca. 22 Gew.-% Limonen.
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Beispiel 5
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Wiederum soll Limonen als Wertstoff in Hefezellen verkapselt werden. Hierfür wird zunächst eine Emulsion bestehend aus 200g Wasser und 300g Limonen unter Zugabe eines Emulgators mit der Handelsbezeichnung Tween 80 hergestellt. Diese Wertstoffemulsion wird dann unter Verwendung des Hochdrucksprühverfahrens gemäß der dritten Ausführungsform verarbeitet, indem die Wertstoffemulsion zusammen mit verdichtetem Kohlendioxid durch einen statischen Mischer geleitet wird. Die Temperatur im statischen Mischer betrug 40 ℃, der Druck im statischen Mischer betrug 80 bar.
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In den statischen Mischer wurde die Wertstoffemulsion mit einer Rate von 2,4 kg/h und das verdichtete Kohlendioxid mit einem Massenstrom von 30 - 40 kg/h gefördert und anschließend durch eine Düse in einen Sprühturm entspannt, dessen Temperatur -10 ℃ betrug. Gleichzeitig wurden in den Sprühturm Hefezellen mit einer Rate von 3,6 kg/h gefördert.
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Nach einer Sprühdauer von ca. 10 Minuten waren ca. 1kg Pulver hergestellt, welches aus den Hefezellen und der in den Sprühturm geförderten Wertstoffemulsion bestand. Das hergestellte Pulver wurde in geschlossenen Behältern in einem Ofen bei einer Temperatur von 60 ℃ unterschiedlich lange gelagert, und zwar für 2, 6, 24 und 48 Stunden, und anschließend bei geöffneten Behältern im Ofen bei ebenfalls 60 ℃ getrocknet.
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In Abhängigkeit der Lagerungsdauer bei 60 ℃ war der Limonengehalt der hergestellten, trockenen und mit Limonen beladenen Hefezell-Mikrokapseln unterschiedlich. Bei einer Lagerung von 2 Stunden im geschlossenen Behälter enthielten die trockenen Hefezell-Mikrokapseln ca. 16 Gew.-% Limonen, bei Lagerung von 6 Stunden im geschlossenen Behälter enthielten die trockenen Hefezell-Mikrokapseln ca. 26 Gew.-% Limonen, bei Lagerung von 24 Stunden im geschlossenen Behälter enthielten die trockenen Hefezell-Mikrokapseln ca. 27 Gew.-% Limonen und bei Lagerung von 48 Stunden im geschlossenen Behälter enthielten die trockenen Hefezell-Mikrokapseln ebenfalls ca. 27 Gew.-% Limonen.
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Beispiel 6
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Es soll Pfefferminzöl als Wertstoff in Hefezellen verkapselt werden. Hierfür wird zunächst eine Emulsion bestehend aus 100g Wasser und 250g Pfefferminzöl unter Zugabe eines Emulgators mit der Handelsbezeichnung Tween 80 hergestellt. Diese Wertstoffemulsion wird dann unter Verwendung des Hochdrucksprühverfahrens gemäß der dritten Ausführungsform verarbeitet, indem die Wertstoffemulsion zusammen mit verdichtetem Kohlendioxid durch einen statischen Mischer geleitet wird. Die Temperatur im statischen Mischer betrug 40 ℃, der Druck im statischen Mischer betrug 80 bar.
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In den statischen Mischer wurde die Wertstoffemulsion mit einer Rate von 2,1 kg/h und das verdichtete Kohlendioxid mit einem Massenstrom von 30 - 40 kg/h gefördert und anschließend durch eine Düse in einen Sprühturm entspannt, dessen Temperatur -10 ℃ betrug. Gleichzeitig wurden in den Sprühturm Hefezellen mit einer Rate von 3,9 kg/h gefördert.
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Nach einer Sprühdauer von ca. 10 Minuten waren ca. 1kg Pulver hergestellt, welches aus den Hefezellen und der in den Sprühturm geförderten Wertstoffemulsion bestand. Das hergestellte Pulver wurde in zwei geschlossenen Behältern in einem Ofen bei einer Temperatur von 60 ℃ unterschiedlich lange gelagert, und zwar für 2 und 6 Stunden, und anschließend bei geöffneten Behältern im Ofen bei ebenfalls 60 ℃ getrocknet.
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In Abhängigkeit der Lagerungsdauer bei 60 ℃ war der Pfefferminzölgehalt der hergestellten, trockenen und mit Pfefferminzöl beladenen Hefezell-Mikrokapseln unterschiedlich. Bei einer Lagerung von 2 Stunden im geschlossenen Behälter enthielten die trockenen Hefezell-Mikrokapseln ca. 5 Gew.-% Pfefferminzöl und bei Lagerung von 6 Stunden im geschlossenen Behälter enthielten die trockenen Hefezell-Mikrokapseln ca. 12 Gew.-% Pfefferminzöl.
