Niedrige Temperaturen und Drücke – die Vakuum-Kontakttrocknung in einem Konus-Schnecken-Trockner ist ein besonders schonendes Verfahren. Aus diesem Grund findet es oft Verwendung beim Trocknen empfindlicher, sensibler Feststoffe in anspruchsvollen Applikationen der Pharmazie, Feinchemie oder Lebensmittelbranche.
Anders als bei der meist vorangehenden mechanischen Fest-Flüssig-Trennung durch Zentrifugation oder Nutschen-Filtration spielt bei der Vakuum-Kontakttrocknung der gezielte Einsatz großer physikalischer Kräfte wie Fliehkraft oder Druck keine übergeordnete Rolle. Vielmehr ist bei diesem schonenden Trocknungsprozess die mechanisch schonende Behandlung der im Batchbetrieb eingesetzten, meist pulverförmigen Kristalle von Bedeutung.
Aus diesem Grund kommt es bei einem optimalen Trocknertyp in diesem Bereich nicht auf Bestwerte hinsichtlich Nusselt- oder Reynoldszahlen an, sondern darauf, dass er in der Lage ist, zuverlässig, reproduzierbar und chargengleich ein möglichst trockenes Produkt von hoher Endqualität zu liefern. Qualität und Tauglichkeit der meist wertvollen Feststoffe – etwa Wirkstoffe in der Pharmazie – haben oberste Priorität gegenüber anderen Faktoren wie der reinen Trocknungszeit und ökonomischen Aspekten.
Um Feststoffe in einem Kontakttrockner effizient trocknen zu können, muss ein Mischwerkzeug das an der Wandung anliegende, partiell angetrocknete Produkt von der beheizten Fläche wegfördern und in das feuchtere Produkt sowie das restliche Schüttgut einmischen. Die kontinuierliche Durchmischung sorgt dafür, dass
Charge und Batchtemperatur homogen und konstant bleiben.
Die Mischtechnik macht den Unterschied
Jeder Trocknertyp mit mechanischem Mischwerkzeug zeichnet sich dabei durch eine spezifische Kombination der beiden Mischwirkungen des Makromixings, also der Bewegung größerer Feststoffbereiche relativ zueinander (auch Konvektionsmischung genannt), und des Mikromixings, dem zufälligen Platzwechsel der einzelnen Feststoffpartikel zueinander (Dispersionsmischung), aus. Das unterschiedliche Zusammenwirken von Makro- und Mikromixing in jedem Trocknertyp beeinflusst Trocknungsverhalten und
-ergebnis der Feststoffe individuell.
Mit zunehmender Trocknungsdauer und abnehmender Chargenfeuchte sind besonders beim Vakuum-Trocknen weniger die Wärmeübergänge an der beheizten Behälterwand geschwindigkeitsbestimmend, sondern vielmehr die Stofftransportvorgänge in den Produktpartikeln selbst. Art und Intensität der Durchmischung verlieren dadurch zunehmend an Bedeutung. Eine gleichbleibend vorsichtige Umwälzung des fast trockenen Produkts, wie sie der Konus-Schnecken-Trockner von Bolz-Summix gewährleistet, ist somit ausreichend.
Vorteile gegenüber anderen Trocknertypen
Die Trocknung temperatursensibler und oft hygroskopischer Feststoffe dauert häufig mehrere Stunden. Eine behutsame Trocknung kann daher gut mit einer schonenden Produktbewegung und Mischung einhergehen, während intensives Makromixing durch schnell rotierende Mischwerkzeuge oder voluminöse Produktbewegungen die meist empfindliche Feststoffstruktur zerstören oder in unerwünschter Form überhitzen kann. Bauformen mit sehr engem Abstand zwischen Mischwerkzeug und Behälterwand können darüber hinaus sensible Produkte zumindest partiell ebenfalls sehr schnell überhitzen und deren entscheidende Eigenschaften und Wirkmechanismen unwiederbringlich zerstören.
Zwar bieten die intensive Produktbewegung in einem Einwellentrockner wie etwa dem herkömmlichen horizontalen Schaufeltrockner oder einem vertikalen Schaufel- oder Schneckentrockner bezüglich der Konvektion eine gute Durchmischung. Bedingt durch die Feuchtigkeit im Produkt haften jedoch die einzelnen Bereiche aneinander, und das Mikromixing, also die Partikeldurchmischung an sich, ist nur mäßig. Dies führt dazu, dass bei stark klebenden oder sehr feuchten Produkten die gesamte Charge bisweilen lediglich im Kreis gedreht wird und keine Durchmischung stattfindet. Um das nötige Maß an Partikelmischung letztlich zu erzielen, benötigen diese Trocknertypen viel Antriebsenergie. Dies erhöht die Gesamtbetriebskosten im Vergleich zum Konus-Schnecken-Trockner unnötig und belastet das Produkt mechanisch.
Bei hohen Anfangsfeuchten, feinkörnigen Produkten oder wenn die Feuchtigkeit in den Partikeln bei hohen Anfangstemperaturen sehr schnell an die Oberfläche tritt, besteht außerdem die Gefahr der Bildung von Agglomeraten. Die hohen mechanischen Kräfte und Bewegungen können in diesem Fall die Entstehung unterschiedlich großer, kompakt geformter Kügelchen sowie eines massiven und stabilen Wandbelags begünstigen. Dies ist der Fall beispielsweise bei Fotochemikalien und Farbpigmenten. Die Granulate schließen die restliche Feuchte ein, der feste Wandbelag verhärtet sich unter Temperatur und sorgt zusätzlich für schlechte Wärmeübergänge. Dadurch verlängert sich der gesamte Trocknungsprozess. Die harten Körner müssen anschließend in einem Mahlvorgang aufgebrochen werden. Die harten Anbackungen an Wandung und Mischwerkzeug bedeuten nicht nur einen Verlust an wertvollem Feststoff, sondern sind sie auch schwer zu reinigen. Der Konus-Schnecken-Trockner mit seinem speziellen Mischprinzip bietet demgegenüber Vorteile.
Abhängig von Art und Anteil der Feuchte zeigen auch viele organische Feststoffe das beschriebene kritische Verhalten. Für die meisten industriellen kristallinen Feststoffe wie Peptide oder Vitamine lässt sich der Zusammenhang über eine feste Korrelation zwischen Produktfeuchte und -temperatur in einer Verklebungskurve darstellen. So verringert sich das Risiko mit abnehmender Feuchte und erlaubt mit zunehmendem Trocknungsfortschritt eine höhere thermische sowie mechanische Beanspruchung. Die bedacht gewählte Anfangstemperatur und die Drehzahl des Mischwerkzeugs können entsprechend erhöht werden.
So trocknet man ganz schonend
Nicht nur bei sensiblen Pharmawirkstoffen empfiehlt sich anfangs ein behutsames Setzen der wesentlichen Trocknungsparameter. Produktspezifisch und feuchteabhängig gehören dazu die schrittweise Erhöhung der Temperatur sowie eine schonende, unter Micromixing-Aspekten jedoch zugleich intensive Durchmischung des partiell feuchten Produkts, wie sie der Konus-Schnecken-Trockner gewährleisten kann. Die ganze Charge wird hierbei nicht auf einmal bewegt; lediglich ein kleiner Teil des Produkts wird mittels der randgängigen Mischschnecke von unten entlang der Wandung vertikal nach oben durch die ansonsten ruhende Schüttung hindurch
gezogen.
Mit der gesamten Charge gleitet es dann durch die Schwerkraft wieder nach unten. Dort beginnt der Kreislauf der sachten Umwälzung von Neuem. Die langsame Rotation des Arms liefert eine horizontale Komponente und sorgt in Verbindung mit der Schwerkraft für eine dreidimensionale Produktbewegung. Die großen Scherflächen an der umlaufenden Kante der Schneckenflügel sichern ein äußerst schonendes Mikromischen, da das Produkt zur Trocknermitte hin leicht ausweichen kann. Dies wird durch die leicht konische Bauform der Schnecke noch optimiert und läuft kräftesparend ab.
