DE4122960C2

DE4122960C2 - Verfahren zur Herstellung von grobkörnigem Dicalciumphosphatanhydrid

Info

Publication number: DE4122960C2
Application number: DE4122960A
Authority: DE
Inventors: Alexander Dr Maurer; Guenter Raab; Gudrun Raab; Hans-Georg Steinert; Richard Dr Taenzler
Original assignee: Benckiser Knapsack GmbH; Bk Ladenburg GmbH Gesellschaft fuer Chemische Erzeugnisse
Current assignee: BK Giulini Chemie GmbH
Priority date: 1991-07-11
Filing date: 1991-07-11
Publication date: 1994-03-31
Anticipated expiration: 2011-07-12
Also published as: JPH06191808A; GB2273495A; DE4122960A1; GB2273495B; GB9226462D0; US5338524A

Description

Es sind zwei sekundäre Dicalciumphosphate bekannt, die was serfreie Form CaHPO₄ und das Dihydrat CaHPO₄ _*2 H₂O. Beide Verbindungen kommen in kristalliner Form in der Natur als Monetit bzw. Brushit vor. Für beide Produkte sind verschie dene Herstellverfahren literaturbekannt, wobei das Anhydrid vor allem durch Fällungsreaktionen der Gleichung

H₃PO₄ + CaO → CaHPO₄ + H₂O

in wäßriger Lösung bei höherer Temperatur hergestellt wird, während das Dihydrat bei Temperaturen <36°C anfällt und durch Erhitzen auf Temperaturen von über 36°C langsam in das Anhydrid umgewandelt wird.

Die Produkte haben ein gewisses Interesse in der Dentalche mie gefunden, sie werden in feinteiliger Kornstruktur als Putzkörper in Zahnpasten eingesetzt. Das Anhydrid ist hier bei das Produkt mit der höheren Härte und wird daher zur Einstellung der Abrasionseigenschaften und für Raucherpasten verwendet.

In der pharmazeutischen Industrie wird grobkörniges Dical ciumphosphat-Dihydrat als Trägersubstanz bei der Direkt tablettierung in großem Umfang eingesetzt. Zur Erzielung einer reproduzierbaren Tablette mit bestimmter Bruchfestig keit bei gleichem Preßdruck werden an das Tablettierhilfs mittel folgende Anforderungen gestellt: Das Produkt muß zur gleichmäßigen Dosierung in die Tablettierpresse a) gut rie selfähig sein, was eine grobe Kornstruktur im Bereich von 45- 300 µm und eine enge Kornverteilung innerhalb dieses Bereiches bedeutet, b) die Kristallform sollte nahezu sphä risch sein. DCPD erfüllt diese Bedingungen gut. Der Anwen dungsbereich des DCPD ist jedoch auf Wirkstoffkombinationen beschränkt, die nicht wasserempfindlich sind, da das Dihy drat bereits ab 40°C langsam Wasser abspaltet und sich hier bei inkongruent verändert.

Die Verwendung von Dicalciumphosphat-anhydrid gewinnt daher zunehmendes Interesse zur Direkttablettierung bei pharmazeu tischen Produkten, nicht nur für wasserempfindliche Wirk stoffkombinationen. Bei der direkten Fällung von DCPA ent steht jedoch vorwiegend ein sehr feinkörniges Material, wel ches nicht direkt tablettierbar ist. Es besteht daher seit längerem das Bedürfnis, ein grobkörniges Dicalciumphosphat anhydrid für den Einsatz zur Direkttablettierung herzustel len.

Es sind zahlreiche Verfahren zur Herstellung sowohl des DCPD als auch des DCPA bekannt:
Gmelin Bd. 28, Teil B, II, Seite 1167;
EP 0210661 aus DCPD-Granulat durch Entwässern;
3 488 145 - Auskristallisieren von DCPA bei 80°C, Bildung aus P₂O₅ + CaO bei 40°C, Korngröße größer 10 µm;
GB 1 304 218 - Herstellen von DCPD und Umwandeln in DCPA durch Erhitzen der Suspension;
DE C 2 153 725 - Ausfällen aus Phosphorsäureüberschuß mit CaO/CaCO₃.

Nachteil aller Fällungsreaktionen zum DCPA nach literaturbe schriebenen Verfahren ist jedoch, daß das DCPA sehr feintei lig anfällt und somit nicht direkt zur Tablettierung geeig net ist (Siehe Hinweis in EP 0210661 S. 2 Zeile 11). Nach solchen Verfahren hergestellte Produkte weisen ungemahlen erfahrungsgemäß mittlere Korndurchmesser von unter 50 µm auf.

Die in rein statistischer Verteilung sich bildenden "größe ren" Kristalle können durch rein mechanische Verfahren aus dem Produktstrom durch Sichten und/oder Sieben abgetrennt werden, die Ausbeute bei dieser Vorgehensweise ist aber aus gesprochen gering.

Aus diesem Grund wurde vorgeschlagen, tablettierfähige DCPA- Produkte über den Umweg der Trocknung, von DCPD herzustellen (EP 0210661). Dieses Verfahren benötigt zusätzlich zur Fäl lung einen Kompaktierungsschritt des DCPD und eine ener gieintensive Trocknung zum DCPA. Dieser Trocknungsschritt ist etwas problematisch, da die Abspaltung des Kristallwas sers aus DCPD bei Temperaturen von 40-150°C sehr langsam verläuft, andererseits das Produkt nicht überhitzt werden darf, da bei höheren Temperaturen leicht eine Weiterreaktion zu Dicalciumdiphosphat eintritt.

Es stellte sich daher die Aufgabe, ein einfaches, wirt schaftliches Verfahren zur Herstellung von grobkristallinem Dicalciumphosphatanhydrid, welches eine ausreichende Korn größe zur Direkttablettierung durch Kompression besitzt, zu finden.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeich neten Merkmale gelöst.

Die Herstellung erfolgt auf direktem Wege durch Fällungskri stallisation aus Phosphorsäure und hochreaktiver Calciumkom ponente wie Kalkmilch, bzw. wäßrigen Aufschlämmungen aus Calciumhydroxid und/oder Calciumcarbonat bei erhöhten Tempe raturen, wobei die Kristallisation durch die Ausnutzung der maximalen Lösungsgeschwindigkeit der Kalkmilch durch verfah renstechnische Vorkehrungen gesteuert wird. Das nach dem Verfahren hergestellte Material besteht aus Partikeln, die zu mindestens 95% einen Korndurchmesser von <45 µm besitzen.

Gemäß den bekannten Verfahren zur Herstellung von Dicalcium phosphat-anhydrid wird z. B. Kalkmilch in verdünnte Phosphor säure eingeleitet. Dabei wird die Phosphorsäurelösung vorge legt und auf mindestens 70°C erhitzt. Im Anschluß wird unter starkem Rühren und möglichst rasch eine hochkonzentrierte Kalkmilch zugeführt, bis ein pH-Wert von 6,5 in der entste henden Suspension erreicht wird. Danach ist die Reaktion praktisch beendet. In dem nach Abtrennen des Feststoffes erhaltenen Filtrat findet man 5 mg/l P₂O₅.

Die Zufuhr der Kalkmilch geschieht üblicherweise durch Zulaufenlassen der Suspension vom Deckel des Reaktionsge fäßes.

Bei einer derartigen Vorgehensweise fällt ein feinteiliges Material an, welches sich wegen seiner Feinheit z. T. nur schwer filtrieren läßt. Eine Fällung bei niedrigeren Tempe raturen liefert ebenso wie eine zu langsame Zuführung der Kalkmilch eine Mitfällung des Dihydrates.

Versucht man den mittleren Korndurchmesser durch Maßnahmen wie Impfen des Reaktionsansatzes, höhere Verweilzeiten wäh rend der Kristallisation, niedrigere Fällungstemperaturen oder höhere Verdünnung der Reaktionslösungen zu erhöhen, so erhält man nur geringe Effekte auf die Korngröße.

Völlig überraschend erhält man ein grobkörnig kristallines Material durch Fällung mit der nachfolgend beschriebenen Vorgehensweise in einer durch einfache Maßnahmen veränderten Standardapparatur (Skizze 1).

Leitet man nämlich die zur Fällung benötigte Kalkkomponente durch ein Rohr direkt unter die Oberfläche des Reaktionsme diums in den turbulenten Bereich des Rührers (Skizze 1) und hält die berechnete Calciumoxidzufuhr konstant auf einem ho hen, der Reaktivität der Kalkkomponente angepaßten Niveau, so erhält man DCPA mit deutlich gröberem Korn. Weitere, unten beschriebenen Maßnahmen und Beispiele dienen der Opti mierung dieses Effektes.

Als Calciumoxidquellen kommen gebrannter Kalk (CaO) in Form von Kalkmilch in Frage, wobei insbesondere Kalkmilch gute Ergebnisse lie fert. Die Reaktion wird durch Beheizen und/oder Kühlen in einem Temperaturbereich von 70-90°C, insbesondere 75-85°C durchgeführt. Die Phosphorsäure wird mit Wasser ver dünnt als 30%ige Lösung vorgelegt.

Eine Erklärung des Effektes sei wie folgt vorgeschlagen. Der erste Schritt der Fällreaktion ist das Lösen des in Suspen sion befindlichen Calciumhydroxids. Die Löslichkeit des Cal ciumhydroxids in Wasser liegt bei 0,17%. Wichtig für eine gute Kristallisation ist ein möglichst rasches Lösen der Kalkmilch in der phosphorsauren Reaktionsvorlage. Die Fäl lung verläuft daher insbesondere mit hochreaktiven, beson ders feinteiligen Kalkmilchsuspensionen befriedigend. Damit sind solche Kalkmilchsuspensionen gemeint, die aus einem gebrannten Kalk mit einer Reaktionsgeschwindigkeit t_u<3 min (80% Umsatz) hergestellt wurden. Diese weisen Lösezeiten t_x(90)«2 sec auf.

Verwendet man eine unreaktive (grobkörnige) Kalkmilch oder führt die Kalkmilch nicht in den turbulenten Bereich des Reaktors oder dosiert die Kalkmilch zu schnell, so löst sich die Milch im zweiten Schritt der Reaktion der Bildung des Monocalciumphosphates nicht klar auf, sondern bildet unter Schlierenbildung einen Schleim. Dieser Schleim löst sich im Verlauf der Reaktion nicht mehr auf und führt zu einem Über angebot von Kristallisationskeimen, die vor allem im dritten Schritt der Reaktion zu einem feinteiligen DCPA führt:

1) Ca(OH)₂ (f.) → Ca(OH)₂ (aq.)
2) Ca(OH)₂ + H₃PO₄ (aq.) → Ca(H₂PO₄)₂ (aq.)
3) Ca(H₂PO₄)₂ (aq.) + Ca(OH)₂ → 2 Ca HPO₄ + 2 H₂O

Die Dosierung der Kalkmilch wird dem Fällungsverhalten des DCPA angepaßt. Bei einer Dosiergeschwindigkeit von 0,3- 0,44 Mol CaO pro Stunde und Mol eingesetzter Phosphorsäure erhält man sowohl permanent klare Monocalciumphosphatlösun gen als auch in der Fällstufe eine ausreichend schnelle Aus kristallisation ohne Ausfällung kleiner Partikel. Eine lang samere Dosierung bringt somit keine Vorteile. Die Dosierge schwindigkeit von Kalkmilch und Phosphorsäure werden so ein gestellt, daß in den Rührzonen ein pH-Wert von 3,0-4,5 ein gestellt wird. Der gesamte Ansatz oder ein kontinuierlich oder semikontinuierlich entnommener Teil werden auf 40-60° abgekühlt, mit Kalkmilch bis zu einem pH-Wert von 5,5-6,8 versetzt, 10 min bis 1 h weitergerührt und das entstandene grobkörnige DCPA abfiltriert und getrocknet.

Die Dosiergeschwindigkeit wird bis pH 4,5 konstant gehalten und nur im letzten Teil der Nachfällung bis pH 6,8 auf 0,27- 0,42 Mol CaO/Stunde pro Mol vorgelegter Säure, insbeson dere 0,31-0,37 reduziert, um den Endpunkt der Reaktion sicher zu erreichen und eine Fällung von Tricalciumphosphat anteilen zu vermeiden. Nach der Fällung wird 15-20 Minuten rühren gelassen.

Das Material wird auf herkömmlichem Wege weiterverarbeitet. Das kristalline DCPA wird abfiltriert, mit Wasser gewaschen und im Luftstrom getrocknet. Dabei kann ein Stromtrockner oder Wirbelbetttrockner verwendet werden. Im Anschluß wird der kleine Teil mit Korngrößen unter 45 µm abgesichtet oder gesiebt. Das abgesichtete Feinmaterial wird in verdünnter Phosphorsäure aufgelöst und dem Ansatz wieder zugeführt (Schema 1).

Das Fällungsverfahren kann auch als semikontinuierliches Verfahren durchgeführt werden. Hierzu wird ein Teil der 30%igen Phosphorsäure im Ansatzbehälter vorgelegt und im Anschluß gleichzeitig im Molverhältnis 1 : 1 Kalkmilch und Phosphorsäure mit der im obigen Verfahren angegebenen Geschwindigkeit zudosiert. Die Kalkmilch wird wie oben ange geben in den turbulenten Teil des Reaktors zugeführt. Der pH-Wert wird hierzu bei pH 3 eingeregelt. Zur Feineinstel lung wird die Dosierung der Kalkmilch als Steuergröße ver wendet, da die Kalkmilch von Gehalt und Viskosität leichten Schwankungen unterworfen sein kann. Hier hat die verwendete Wasserqualität einen Einfluß. Nach definierten Zeitinterval len wird ein Teil der Fällsuspension entnommen, mit Kalk milch auf pH 5,8 eingestellt und der Weiterverarbeitung wie oben zugeführt.

Das Fertigprodukt weist nach Filtration, Trocknung und Sie bung pH-Werte gemessen in 20%iger Suspension von 6,8-7,9 und einen Glühverlust im Bereich 6,6-8,0 auf. Der Anteil an für die Direkttablettierung verwertbarem Material mit Partikelgrößen <45 µm ist <90%. Der mittlere Korndurchmes ser derartiger Ansätze liegt im Bereich zwischen 130 und 150 µm.

Zur Verdeutlichung und Abgrenzung seien die folgenden Bei spiele aufgeführt.

Beispiel 1 (Vergleichsbeispiel)

In einem normalen Rührbehälter werden zu 6000 l Wasser 2000 l 83%ige Phosphorsäure hinzugefügt und auf 80°C unter Rühren erhitzt. Im Anschluß dosiert man frisch gelöschte Kalkmilch mit einer Konzentration von etwa 55 g/l CaO mit einer Geschwindigkeit von 11 m³/h von oben dem Ansatz zu bis ein pH-Wert von 4,5 erreicht wird. Die Temperatur wird hier bei durch Kühlen oder Erhitzen auf etwa 80°C gehalten. Hier auf reduziert man die Dosiergeschwindigkeit auf 9,5 m³ und fällt bis pH 5,8. Man rührt weitere 15-20 Minuten, wobei der Ansatz etwas abkühlt (ca. 50°C). Im Anschluß wird der Ansatz über ein Vakuumbandfilter abfiltriert, im Strom trockner getrocknet und Partikel unter 63 µm abgesiebt. Man erhält so ein grobkörniges Material mit einer Ausbeute von nur 30-40%.

Beispiel 2 semikontinuierliches Verfahren Stufe 1

In einem 5 m³-Rührreaktor analog Abb. 1 mit zwei Impeller rührblättern in ¼ und ¾ Behälterhöhe werden 400 kg Was ser vorgelegt und auf 80°C aufgeheizt. Anschließend werden über eine 3-Komponenten Differentialdosierwaage (Wasser/ Phosphorsäure/Calciumhydroxid) 3480 kg einer in einem nach geschaltetem kontinuierlichen Mischer frisch hergestellte Calciumhydroxid-Suspension mit einem Gehalt von 100 g CaO/kg und einer Dosiergeschwindigkeit von 700 kg/h direkt in die Rührzonen und gleichzeitig 650 kg einer 83%ige Phosphor säure mit einer Dosiergeschwindigkeit von 200 kg/h eine andere Zone der Vorlage zugefahren. Nach 15 minütiger Nach reaktionsphase resultiert ein pH-Wert der DCPA-Suspension von 3,0.

Stufe 2

Ungefähr ¹/₅ der DCPA-Suspension werden in einen nachge schalteten 1 m³-Rührbehälter abgelassen, auf 40-60°C abge kühlt, der pH-Wert auf 5,8 durch Zugabe weiterer Ca-Suspen sion eingestellt, 10-60 Min. weitergerührt, über ein Vakuum bandfilter filtriert und das feuchte DCP-Anhydrid in einem kontinuierlichen Wirbelbetttrockner getrocknet. In einem nachgeschalteten Windsichter mit hoher Trennschärfe wird die Fraktion unter 45 µm abgetrennt. Die Ausbeute an grobkörni gem Produkt liegt <95%.

Stufe 3

Während der Weiterverarbeitung nach Stufe 2 wird der 5 m³- Kessel wieder neu beschickt:
Calciumhydroxidsuspension:
Dosiermenge: ca. 696 kg, Dosiergeschwindigkeit: 580 kg/h;
Phosphorsäure 83%ig:
Dosiermenge: ca. 129 kg, Dosiergeschwindigkeit: 165 kg/h.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von grobkristallinem Dicalciumphosphatanhydrid (DCPA), welches zu mindestens 95% aus Partikeln mit einem Korndurchmesser von <45 µm besteht, durch Umsetzung von wäßriger Phosphorsäure mit durch Löschen von Calciumoxid mit Wasser frisch hergestellter Kalkmilch im Temperaturbereich von 40-85°C, Abfiltrierung des entstandenen DCPA und Trocknung desselben, dadurch gekennzeichnet, daß man in eine Vorlage aus wäßriger Phosphorsäure bei einer Temperatur 70-90°C, wobei die Vorlage eine oder mehrere turbulente Rührzonen aufweist, die Kalkmilch direkt den Rührzonen der Vorlage zuführt und eine äquivalente Menge Phosphorsäure in eine andere Zone der Vorlage einführt, wobei die Dosierungsgeschwindigkeiten der Kalkmilch und der Phosphorsäure so geregelt werden, daß in den Rührzonen ein pH-Wert von 3,0-4,5 eingestellt wird, und daß man den gesamten Ansatz oder einen kontinuierlich oder semikontinuierlich entnommenen Teil auf 40-60°C abkühlt, mit Kalkmilch bis zu einem pH-Wert von 5,5-6,8 versetzt, 10 min bis 1 h weiterrührt und das entstandene DCPA abfiltriert und trocknet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalkmilch eine Konzentration von 30-120 g/l CaO, vorzugsweise 50 100 g/l CaO aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Feinanteil mit Korngrößen von weniger als 65 µm durch Sichten und Sieben aus dem getrockneten DCPA abtrennt und nach Auflösen in verdünnter Phosphorsäure wieder in die Vorlage zurückführt.