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Bulk-Kontaktkräfte in der Lebensmittel-Feststoffverfahrenstechnik

Untersuchung der Haftkräfte partikulären Guts und ihres Einfluss auf verfahrenstechnische Prozesse  in Simulation und Experiment

Die Verarbeitung von Feststoffen ist ein wichtiger Teilschritt in diversen Prozessen der Pharma- und Lebensmitteltechnologie. Am Lehrstuhl kann experimentell die gesamte Verarbeitungskette vom Fördern, Vermahlung, Mischen, Granulieren bis hin zum Tablettieren abgebildet werden, die verfahrenstechnischen Maschinen stehen zur Verfügung. Ebenso kann der gesamte Bereich durch Simulation (Diskrete Elemente Methode, gekoppelt mit Strömungssimulation) untersucht werden. Haftkräfte stellen im Bereich der Partikeltechnologie eine bedeutende Einflussgröße dar. Kapillarkräften treten nur bei Vorliegen von Flüssigkeiten auf, die wichtigsten Haftkräfte sind van-der-Waals, elektrostatische, sowie Haftkräfte die durch elastische Deformation einhergehen. Ausgenutzt werden Haftkräfte regelmäßig in der Verfahrenstechnik bei der Agglomeration, Beispiele sind das Pressen von Tabletten (Verformung) oder Sprüh-Agglomeration. Eine mathematische Beschreibung der Kontaktkräfte ist über das Lennard-Jones-Potential möglich. Ein etabliertes Modell ist von Johnson, Kendall und Roberts (JKR), das die Adhäsion als Ausgleich zwischen gespeicherter elastischer Energie und Verlust an Oberflächenenergie modelliert. Eine Alternative von Derjaguin-Muller-Toporov (DMT), die abstoßende Hertz’sche Kontaktkräfte beibehält, modelliert zusätzliche Anziehungskräfte außerhalb der Kontaktfläche.

Tablettierung

Ein Beispiel ist die Tablettierung in der pharmazeutischen Industrie. Dabei werden Tabletten gepresst, ihre Stabilität hängt allerdings von interpartikulären Kontaktkräften ab. Ein Abplatzen eines Teils, oder das Deckeln bei dem die Tablette seitlich zerfällt, kann bei ungenügenden Haftkräften bereits beim Ausstoßen der Tablette erfolgen. Durch Zusätze können die Eigenschaften beeinflusst werden, Schmiermittel vermeiden das Knallen der Maschine, Trennmittel erleichtern den Ausstoß. Ein Verbinden der Theorie mit Messungen zur Vorhersage notwendiger Zusatzstoffe basierend auf der Kenntnis der Eigenschaften des Mediums ist ein Ziel der aktuellen Forschung.

Gepresste Tablette im Experiment beim „Deckeln“

Gepresste Tablette in der Simulation

Tablettenpresse

Pneumatischer Transport

Auch der pneumatische Transport ist stark von interpartikulären Haftkräften abhängig. Partikel werden mit Hilfe eines Gasstroms transportiert. Gut, das zum Verbacken neigt, lässt sich schwer pneumatisch transportieren. Der Einfluss der Kontaktkräfte auf die Fluidisierung und Förderbarkeit kann über Simulation durch ein entsprechendes Haftmodell untersucht werden. Experimentell wird der Transport durch eine vorliegende Anlage mit Computertomograph und Haftkraftmessungen in der Wand untersucht.

Messeinrichtung der pneumatischen Förderanlage

Sprühgranulation

Bei der Granulation, beispielsweise in der Wirbelschicht, ist das Aufgranulieren des Mediums abhängig von Haftkräften der Partikel, und stark abhängig von den Eigenschaften des Mediums selbst. Hier muss die Agglomeration der Partikel vermieden werden, während gleichzeitig der Durchmesser der Partikel durch Aufsprühen einer Suspension vergrößert wird. Üblicherweise sind dafür ausreichend hohe Temperaturen und eine entsprechend schnelle Verfestigung notwendig.

Für weitere Informationen bitte kontaktieren:

Dr.-Ing. Johannes Lindner
Lehrstuhl für Systemverfahrenstechnik
Gregor-Mendel-Str. 4
85354 Freising
Tel: 08161/71-3275
Fax: 08161/71-4510
Email: johannes.lindner@mytum.de