Suspensionen mit kleinen Partikeln im Bereich einiger µm, welche ausschlaggebend für eine hohe Produktqualität sind, werden häufig durch zeit- und energieaufwändige Nassmahlverfahren hergestellt. Ein neuartiges und kostengünstigeres Verfahren ist das Schmelzemulgieren. Hierbei werden die Partikel durch Wärmezufuhr aufgeschmolzen, dann emulgiert und anschließend durch Abkühlen in Feststoffpartikel überführt. Neben der Senkung der Energiekosten ist durch dieses Vorgehen eine Verbesserung von Produkteigenschaften wie Partikelgröße und Stabilität zu erwarten. Im Fokus des Forschungsvorhabens stand insbesondere der Abkühlschritt, bei dem es gelingen muss, aus feinen Schmelzetropfen kristalline Partikel herzustellen.
Das Kristallisationsverhalten von kleinen Tropfen im Kollektiv unterscheidet sich signifikant von dem Verhalten einer zusammenhängenden Phase (Bulk) und wurde bislang nur vereinzelt untersucht. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden neuartige Messmethoden entwickelt. Diese erlauben das Kristallisationsverhalten sehr kleiner Tropfen in Abhängigkeit verschiedener Prozessparameter (Unterkühlung, Abkühlrate, Dispersphasenanteil, Tropfengröße, Scherrate, …) zu untersuchen. Messmethoden wie die Dynamische Differenzkalorimetrie sind für diese Zwecke weitgehend ungeeignet.
Für die Charakterisierung des Kristallisationsverhaltens mussten zuerst relevante Stoffdaten (Phasendiagramm) als Grundlage ermittelt werden. Es zeigte sich eine sehr geringe, gegenseitige Löslichkeit der dispersen in der kontinuierlichen Phase und umgekehrt. Eine Auswirkung gelöster Stoffe auf die Schmelz-/Kristallisationstemperatur war nicht erkennbar. Infolge gelöster Dispersphase kam es jedoch beim Abkühlen neben der Kristallisation der Schmelzetropfen zusätzlich zur Kristallbildung in der kontinuierlichen Phase. Dieser Effekt kann die Eigenschaften der entstehenden Suspension stark beeinflussen.
Das Kristallisationsverhalten wurde anschließend ausgehend vom Bulk über Einzeltropfen bis hin zu Tropfenkollektiven im Bereich weniger µm in Abhängigkeit der Prozessparameter quantifiziert. Untersuchungen an Materialien im Bulk zeigten zwei Typen: 1) Schmelzen mit „trägem Kristallisationsverhalten“, die erst bei hohen Unterkühlungen (> 50 K) kristallisieren und 2) „schnell kristallisierende“ Schmelzen (Großteil der untersuchten Substanzen). Beim Vorliegen der Schmelzen in fein dispergierter Form veränderte sich dieses Verhalten extrem. Stoffe, welche als Bulk knapp unterhalb des Schmelzpunktes kristallisiert sind, benötigen als Einzeltropfen deutlich höhere Unterkühlungen (ca. 10 K) zur Kristallisation. Mit sinkender Tropfengröße steigt die nötige Unterkühlung bzw. Zeit bis zur Kristallisation dabei weiter an.
Kristallisieren mehrere Tropfen in einem Tropfenkollektiv, so wird eine individuelle, stark unterschiedliche Kristallisation der einzelnen Tropfen beobachtet. Dies führt dazu, dass je nach Formulierung und Prozessparametern nur ein gewisser Anteil der Tropfen als kristallisierte Partikel vorliegt. Der Rest verbleibt flüssig unterkühlt. Dabei nimmt mit sinkender Unterkühlung und Tropfengröße der Anteil kristallisierter Tropfen ab. In industriellen Anwendungen ist zusätzlich der Einfluss der Strömung von Bedeutung. Zu diesem Zweck wurde der Einfluss der Scherung auf die Kristallisation eines Tropfenkollektives untersucht. Im Vergleich zur Unterkühlung spielt die Scherung eine untergeordnete Rolle. Oberhalb einer kritischen Scherrate wurde jedoch eine Hemmung der Tropfen-Kristallisation festgestellt.
Anhand der erzielten Ergebnisse konnte ein Zusammenhang zwischen der Prozessführung beim Schmelzemulgieren und dem Kristallisationsverhalten der Tropfen hergestellt werden. Mit diesem wurde eine innovative Prozessführungsstrategie für die Herstellung von Schmelzemulsionen basierend auf der SHM-Technologie (Simultanes Homogenisieren und Mischen) erarbeitet. Der Prozess bietet eine effizientere Zerkleinerung und erlaubt eine Steuerung der Partikelform. Flexibilität, Kapazitätssteigerung, Energieeinsparung und Sicherstellung von Produkteigenschaften werden dadurch möglich. Dies kann zu einer Steigerung der Leistungs- und Wettbewerbsfähigkeit dt. KMU beitragen.
Bearbeitet wurde das Forschungsthema von 12/2014 bis 05/2017 am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik, Bereich I: Lebensmittelverfahrenstechnik (Kaiserstr. 12, 76131 Karlsruhe, Tel.: 0721/608-42497) unter der Leitung von Prof. Dr. H. Karbstein (Leiter der Forschungsstelle Prof. Dr. H. Karbstein) und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Thermische Verfahrenstechnik (Kaiserstr. 12. 76131 Karlsruhe, Tel.: 0721/608-42390) unter der Leitung von Prof. Dr. M. Kind (Leiter der Forschungsstelle Prof. Dr. M. Kind).
Das IGF-Vorhaben Nr. 18462 N der Forschungsvereinigung Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.