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Coating mit schmelzbaren Überzügen - Bestimmung von Prozessparametern sowie quantifizierbaren Messgrößen zur Prädiktion der Coatingqualität und Produkteigenschaften

Projekt

Ernährung und Verbraucherschutz

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Ernährung und Verbraucherschutz


Förderkennzeichen: AiF 17874 N
Laufzeit: 01.01.2014 - 31.12.2016
Fördersumme: 279.350 Euro
Forschungszweck: Angewandte Forschung

Das Beschichten von pulverförmigen Materialien wird als Coating bezeichnet. Hierbei wird ein beliebiges Kernmaterial mit einer festhaftenden Schicht eines formlosen/fluiden Stoffes ummantelt. Als Überzugsmaterial werden in der Regel filmbildende Substanzen auf Wasser oder Lösungsmittelbasis eingesetzt. Die Substanz wird mit Hilfe einer Zweistoffdüse fein zerstäubt, die feinen Flüssigkeitspartikel treffen auf die Oberfläche des Kernmaterials auf, spreiten und bilden einen Film, der durch das Verdunsten des Lö-sungsmittels aushärtet. Ein besonderes Verfahren, das immer größere Anwendung im Bereich der Pharma- und Kosmetikindustrie sowie der chemischen Industrie findet, stellt das lösungsmittelfreie Schmelzencoating dar. Da zum Aushärten dieser Filme ausschließlich die Temperatur unter den Schmelzpunkt der Hüllsubstanz abgesenkt werden muss, entfallen kostenintensive Luftaufbereitungen, um Lösungsmitteldämpfe abzuscheiden oder das energie-intensive Abtrocknen von Filmen auf Wasserbasis. Es erschließt sich außerdem durch den Verzicht auf organische Lösungsmittel ein großer Anwendungsbereich in der Lebensmittelindustrie. Zudem stellen fett- und wachsbasierte Überzugsmaterialien eine effektive Diffusionsbarriere für Wasser und Wasserdampf dar. Der Beschichtungsprozess kann in Trommelcoatern oder in Wirbelschichtapparaten durchgeführt werden. Unabhängig vom gewählten Apparat sind die grundlegenden Anforderungen an das Produkt bzw. die Beschichtung gleich. Die aufgetragene Hüllschicht soll von gleichmäßiger Dicke sein, über eine poren- und rissfreie Oberfläche verfügen sowie die gewünschten Barriere- und Freisetzungseigenschaften aufweisen. Des Weiteren sollte die Beschichtung widerstandsfähig gegen mechanische Belastungen durch Weiterverarbeitung, Transport und Lagerung sein. Um diese Eigenschaften in einem komplexen System wie einem Wirbelschichtapparat zu erzielen, müssen bis zu 20 verschiedene Prozessparameter beachtet und aufeinander abgestimmt werden. Um diese Prozesse auszulegen, sind daher zeit- und kostenintensive Laborversuche notwendig, deren Ergebnis stark vom Expertenwissen der durchführenden Personen abhängig ist. Die gewonnenen Erkenntnisse lassen sich außerdem nicht direkt aus dem Labormaßstab in den Pilot- und Produktionsmaßstab übertragen. Das führt zu hohen Kosten, die in der pharmazeutischen Industrie aufgrund der hochpreisigen Produkte problemlos gedeckt werden können. In der Lebensmittelindustrie mit einer völlig konträren Kostenstruktur, in der die gecoateten Produkte in großer Menge als Rohstoff, Hilfs- oder Zusatzstoff eingesetzt werden, sind diese Kosten für die Prozessentwicklung, die benötigten Apparaturen sowie die Prozesszeit nicht darstellbar. Um die Entwicklungszeit und dadurch diesen Kostenfaktor zu reduzieren, sind deshalb tiefergehende Erkenntnisse über die pro-zessbestimmenden Einzelvorgänge notwendig. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die Hauptprozessparameter für die Beschichtung in einer Wirbelschicht an einem vereinfachten Setup zu identifizieren, um hierdurch aufwendige Entwick-lungszeiten zu reduzieren. Zudem sollen quantifizierbare Messgrößen für das Überzugsmaterial sowie das Kernmaterial bestimmt werden, um die Coatingqualität von Schmelzencoatings vorherzusagen und dadurch zeitaufwendige Entwicklungszeiten und Kosten zu reduzieren. Den Anwendern soll ein Werkzeug an die Hand gegeben werden, um die Filmbildungseigenschaften von neuen Stoffsystemen (Schmelzen, Kernmaterialien) vorherzusagen sowie die Coatingqualität zu steuern.

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