Nano Sprühtrockner

Nano Sprühtrockner funktionieren nach dem Prinzip von gängigen Sprühtrocknern, um Partikel im Nanobereich herzustellen. Sprühtrocknen ist eine schonende Methode, um Pulver mit definierter Partikelgrösse aus Lösungen, Suspensionen und Emulsionen herauszustrennen. Die Sprühtrocknung findet breite Verwendung im Bereich der Pharma-, Lebensmittel-, Biotechnologie und Materialindustrie.

In der Vergangenheit war der Prozess limitiert auf eine Partikelgrösse von mindestens 2 μm, die Ausbeuten betrugen im Maximum um 70 %, das Arbeiten mit Probenvolumen kleiner als 30 ml war auch mit Laborgeräten nicht möglich. Nun ist das Sprühtrocknen von Partikeln mit einer Größe von mindestens 300 nm möglich, Ausbeuten bis zu 90 % sind die Regel, und die Probenmenge kann auf bis zu 1 ml reduziert werden. Diese neuen Möglichkeiten ergeben sich aufgrund der neuen Technologien im Bereich der Sprühdüse, des Heizungssystems und des Partikelabscheiders. Die neue Technologie, die das Sprühtrocknen von so kleinen Partikeln möglich macht, nennt sich Nano Sprühtrockner.

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1 Funktionsgrundlagen

Datei:Functional principle nano 01.jpg

Functional principle of a nano spray dryer

Die Funktionsgrundlagen sind im Prinzip die gleichen wie bei der gängigen Sprühtrocknung. Es werden hier aber neue Technologien eingesetzt, um ähnliche Prozessschritte zu erledigen.

Das Trocknungsgas tritt über die Heizung in das System ein. Eine neue Art von Heizung erzeugt einen laminaren Gasfluss. Der Sprühkopf sprüht die feinen Tropfen mit sehr enger Größenverteilung in die Trocknungskammer. Die Tropfen trocknen und werden zu trockenen Partikeln. Die trockenen Partikel werden im elektrostatischen Abscheider vom Trocknungsgas getrennt. Das Trocknungsgas wird durch einen Filter geleitet und verlässt es in die Umgebung oder eine Kapelle. Die Eingangstemperatur des Trocknungsgases wird von einem Temperaturregler gesteuert.

2 Einsatzbereiche

Datei:Gelatine Particles 01.jpg

SEM picture of gelatine particles spray dryed with a nano spray dryer

Datei:Threhalose particles.jpg

SEM picture of threhalose particles spray dryed with a nano spray dryer

Datei:Grisofulvin particles.jpg

SEM picture of grisofulvin particles spray dryed with a nano spray dryer

2.1 Pharma

Diese neue Technik wird sehr häufig im Bereich der Pharma eingesetzt. Die kleinen Probenmengen und die sehr hohen Ausbeuten machen es ideal für den Einsatz bei der Sprühtrocknung von sehr teuren Materialien. Die nachfolgende Liste zeigt einige Beispiele von Anwendungen im Bereich der Pharmaindustrie:

Inhalierbare Medikamente für Trockenpulverinhalatoren (DPI‘s)
Nano- und Mikroverkapselung von Liposomen
Stabilisierung von Hitzeempfindlichen Impfstoffen, Insulin, Wachstumshormonen
Verkapselung von Medikamenten aus Nanopartikeln für hohe Bioverfügbarkeit
Nanokapseln von biologischabaubaren Polymeren (Lactid, Glykoside)
Poröse Medikamnete Carrier für Nanopartikelsuspensionen
Arzneistoffträger für die Studien von kontrollierter Wirkstofffreigabe: Trehalose, Mannitol, Laktose, HPMC, PVA, Chitosan, Dextrin, PLGA, Stärke, Gelatine

2.2 Materialwissenschaften

Diese neue Technik eröffnet neue Möglichkeiten im Bereich der Materialwissenschaften, speziell im Bereich Nanotechnologie. Da es nun möglich ist, sehr feine Partikel durch Sprühtrockung zu produzieren. Die folgende Liste zeigt einige Beispiele aus dem Bereich der Materialwissenschaften:

Feine Metallpartikel für neue Katalysatoren
Feine magnetische Pulver
Kohlenstoffnanoröhren als Aditieve
Hochleistungs-Keramik mit neuen Strukturen und hohen spezifischen Oberflächen
Titanoxid Partikel
Agglomerate aus Nanosuspensionen
Siliciumoxid-Nanopartikelagglomerate
Feinste Pigmente für Farben und Beschichtungen

2.3 Lebensmittelindustrie

Auch im Bereich der Lebensmittelwissenschaften bietet diese Technik neue Möglichkeiten. Vor allem im boomenden Markt des Functional Food. Die nachfolgende Liste zeigt einige Beispiele aus dem Bereich der Lebensmittelindustrie:

Nano Lebensmittel – Funktionelle Zusatzstoffe
Verkapselung von Frucht Aromas, Düften, oder Parfüms
Sprühtrocknung von feinen Aromapulvern für Tiernahrung
Verkapselung von Fischöl zur Duftstoffmaskierung
Vitamine, Lebensmitteladitieve etc.

3 Sprühkopf

Eine der drei neuen Technologien, welche das Nano-Sprühtrocknen möglich machen, ist der Sprühkopf. Eine Piezosystem bringt eine mit präzisen, sehr feinen Löchern versehrte Metallmembran zum Vibrieren. Die Vibration produziert feinste Tröpfchen mit einer sehr engen Größenverteilung.

Vibrating mesh of a nano spray dryer spray head

Size distribution of the droplets produced by the spray head

4 Heizung

Im Bereich der Nano-Sprühtrocknung wird eine neue Heizung eingesetzt, um das Trocknungsgas zu liefern, welches eingesetzt wird, um die Partikel zu produzieren. Der Gasfluss in diesem System ist laminar und nicht turbulent wie bei gängigen Sprühtrocknern. Der Vorteil des laminaren Flusses ist, dass die Partikel während der Trocknung senkrecht nach unten fallen und somit nicht an der Glaswand kleben bleiben.

Der laminare Fluss entsteht dadurch, dass die Trocknungsluft durch einen porösen Metallschaum gedrückt wird.

5 Elektrostischer Partikelabscheider

Um die sehr feinen Partikel abzuscheiden, wird im Bereich der Nanosprühtrockung eine neue Technologie eingesetzt. Der Grund dafür ist, dass die Zyklontechnologie von gängigen Sprühtrocknern abhängig ist von der Partikelmasse; Partikel, die kleiner sind als 2 μm, können nicht abgeschieden werden, sondern verlassen das Gerät mit dem Trocknungsgasstrom.

Der elektrostatische Partikelabscheider lädt die trockenen Partikel an der Oberfläche und lenkt diese in einem elektrischen Feld ab. Um das elektrische Feld aufzubauen, wird eine Hochspannung von 16 kV am runden Abscheiderrohr angelegt. Das elektrische Feld baut sich zwischen der Innenwand des Abescheiderrohrs und der geerdeten Sternelektrode auf. Um einen tiefen Energieeintrag in das System zu haben, ist der Stromfluss sehr tief.

Nachdem die Partikel abgeleitet wurden, bleiben sie an der inneren Wand des Abscheiderrohrs haften und sind komplett ungeladen. Diese Abscheidemethode funktioniert sehr gut für alle Arten von Materialien.

Die Effizienz des elektrostatischen Partikelabscheiders ist sehr hoch: 99% aller Partikel, die in den Abscheider eintreten, werden auch abgeschieden.

Datei:Particle collector 03.jpg

Electrostatic particle collector

Datei:Particle collector 2.jpg

Functional principle of an electrostatic particle collector