Sprühtrocknung

Bei der Sprühtrocknung können drei Prozessphasen unterschieden werden:

• Zerstäubung des flüssigen Ausgangsmaterials in kleine Tröpfchen
• Trocknung der Tröpfchen im Luftstrom
• Trennung der trockenen Partikel von der Trocknungsluft

Das Verfahren erfolgt im kontinuierlichen Modus.

Die Zerstäubung der Flüssigkeit erfolgt mit einer Düse. Folgende Bauarten können unterschieden werden:

• Einstoffdüse: Die Flüssigkeit wird unter hohem Druck in eine Düse gepresst, in der sie gemäß dem Bernoulli-Effekt beschleunigt wird. Über den Druck lässt sich die Tropfengröße steuern. Ein Nachteil ist der geringe Durchsatz sowie die Gefahr der Verstopfung.
• Zweistoffdüse: Die Zweistoffdüse verfügt über zwei Kanäle: Durch einen fließt die Flüssigkeit, durch den anderen das Gas. An der Düsenöffnung zerstäubt das Gas die Flüssigkeit. Vorteil ist, dass für die Zerstäubung ein geringerer Druck genügt. In analoger Ausführung gibt es auch Dreistoffdüsen, die für die Mikroverkapselung verwendet werden können.
• Ultraschalldüse: Bei dieser Düse wird die Flüssigkeit durch hochfrequente Schwingungen zerstäubt. Diese Düsenart zeichnet sich durch eine geringe Geschwindigkeit der entstehenden Tropfen aus.
• Rotationszerstäuber: Die Flüssigkeit wird mit einer schnell rotierenden Scheibe in Tröpfchen zerstäubt.

Die Trocknung erfolgt mit einem erwärmten Trocknungsgas, welches die Flüssigkeit verdampfen lässt. Wichtig für die Effektivität der Trocknung sind hierbei die Geschwindigkeit des Wärmetransports vom Trocknungsgas in das Trocknungsgut und die Geschwindigkeit des Stofftransports aus dem Sprühgut ins Trocknungsgas. Zum einen muss also Wärme in das Trocknungsgut übergehen, und zum Zweiten muss die verdampfte Flüssigkeit abtransportiert werden.

Die Trocknungsgeschwindigkeit lässt sich durch Vergrößerung der Gesamtoberfläche und Verkleinerung der Oberfläche der einzelnen Tropfen optimieren. Wichtig hierfür ist die Zerstäubung und somit die Einstellungen der Düsen. Die Trocknungsgeschwindigkeit nimmt Einfluss auf die Größe der entstehenden Partikel: Je höher die Trocknungsgeschwindigkeit ist, desto größer werden die Partikel. Grund dafür ist, dass es bei diesem Fall schnell zu einer Krustenbildung auf den Partikeln kommt, wodurch adsorbiertes Wasser nur zu einem geringen Anteil direkt, sondern erst später in der Trocknung entfernt werden kann.

Das Trocknungsgut wird in einem Zyklonabscheider (Fliehkraftabscheider) von der Trocknungsluft getrennt. Die Luft wird in eine kreisförmige Bahn gebracht, aus welcher sich die festen Partikel aufgrund der Zentrifugalkraft an der Behälterwand abscheiden.

Weitere Methoden zur Trennung sind elektrostatische Partikelkollektoren oder Filteranlagen.

Um die Trocknung zu optimieren, können diverse Parameter der Sprühtrocknungsanlage reguliert werden:

• Einlasstemperatur: Je höher die Einlasstemperatur ist, umso schneller erfolgt die Trocknung. Eine zu hohe Temperatur kann jedoch thermolabile Substanzen schädigen.
• Auslasstemperatur: Die Auslasstemperatur ist die Temperatur am unteren Ende des Trocknungsturmes. Die vergleichende Betrachtung von Ein- und Auslasstemperatur kann zur Endpunktserkennung verwendet werden: Wenn die Trocknung abgeschlossen ist, wird der Trocknungsluft keine Energie mehr entzogen und die Auslasstemperatur entspricht der Einlasstemperatur. An diesem Punkt ist die Trocknung beendet.
• Flussrate des Trocknungsgases: Eine Erhöhung der Flussrate führt zu einer höheren Trocknungsgeschwindigkeit. Wird sie jedoch zu weit erhöht, sinkt die Aufenthaltszeit des Trocknungsguts im Sprühturm.
• Sprühgeschwindigkeit: Wird die Sprühgeschwindigkeit erhöht, steigt die Menge an zu trocknendem Gut, was eine Anpassung der Temperatur und der Flussrate des Trocknungsgases erfordert.
• Sprühguteigenschaften: Die Eigenschaften des Sprühguts können die Produktmorphologie beeinflussen.

In Hinsicht auf die Gasführung lassen sich drei verschiedene Varianten unterscheiden. Zu beachten ist, dass die Trocknungsluft am Einlass wärmer ist als beim Auslass:

• Gleichstromverfahren: Die Trocknungsluft wird parallel zum Trocknungsgut in den Trocknungsturm eingegeben.
• Gegenstromverfahren: Das Trocknungsgut wird oben im Turm versprüht, während die Trocknungsluft von unten eingebracht wird.
• Mischverfahren: Es wird eine turbulente Strömung erzeugt, sodass die Tröpfchen durch die Trocknungsluft getragen länger im Turm verweilen.

Das bevorzugte Verfahren ist das Gleichstromverfahren. Der Grund dafür ist, dass beim Gegenstromverfahren das getrocknete Gut auf die direkt erwärmte Luft trifft, was zu hohen Temperaturen direkt am Partikel führt. Dies ist bei thermolabilen Stoffen, wie sie in der pharmazeutischen Technologie häufig vorkommen, problematisch. Außerdem trifft bei diesem Verfahren das zerstäubte Trocknungsgut auf die Luft, die beim Einlass noch am wärmsten ist, weshalb die Trocknung schnell erfolgt.

Wenn die zu trocknende Flüssigkeit ein organisches Lösungsmittel darstellt, darf dieses aus umweltschutzrechtlichen Gründen nicht in die Umwelt abgegeben werden, sondern muss mit einem Kondensator aus der Abluft entfernt werden (Closed-Loop-System). Beim Open-Loop-Verfahren ist eine solche Lösungsmittelrückgewinnung nicht nötig, da Wasser als Lösungsmittel verwendet wird.

Die Sprühtrocknung wird verwendet, um Lösungen oder Dispersionen zu trocknen. Hierbei bleibt der gelöste Stoff bzw. die innere Phase zurück, deren Form und Partikelgröße über die Prozessparameter gesteuert werden kann.

Verwendung findet die Sprühtrocknung in der pharmazeutischen Technologie zur Trocknung, zur Herstellung von Pellets oder zur Mikroverkapselung.

In der Lebensmittelindustrie wird die Sprühtrocknung zur Herstellung verschiedener Produkte, z.B. Instantkaffee oder Milchpulver verwendet.

Vorteile der Sprühtrocknung sind die sehr schnelle Trocknung innerhalb von Sekunden. Da durch die schnelle Trocknung der Feststoff nur sehr kurz der hohen Temperatur ausgesetzt ist, eignet sich dieses Trocknungsverfahren auch für thermolabile Substanzen und Proteine. Das Endprodukt weist gute Fließeigenschaften auf, lässt sich gut weiterverarbeiten und eignet sich aufgrund der hohen spezifischen Oberfläche und Lösungsgeschwindigkeit für Arzneistoffe mit schlechter Bioverfügbarkeit.

Nachteile der Sprühtrocknung sind vor allem die hohen Kosten und der apparative Aufwand: Industriell genutzte Sprühtürme können bis zu 10 Meter hoch gebaut sein.

• Bauer, Frömmig, Führer: Pharmazeutische Technologie. Mit Einführung in die Biopharmazie. 10. Auflage, Stuttgart 2017
• Deutsche Apotheker Zeitung, Dr. Heiko A.Schiftler: Sprühtrocknung - so schnell kann trocknen gehen! DAZ 16/2012 (Beilage "UniDAZ"), aufgerufen am 15.10.2020