Suspensionen mit kleinen Partikeln im Bereich einiger µm werden häufig durch zeit- und energieaufwendige Nassmahlverfahren hergestellt. Ein kostengünstiges Verfahren ist das Schmelzemulgieren, bei welchem die Partikel durch Wärmezufuhr aufgeschmolzen, emulgiert und anschließend durch Abkühlen in Feststoffpartikel überführt werden. Häufig kommt es jedoch zur unvollständigen Kristallisation oder zu kolloidalen Prozessen während der Lagerung und dem Transport. Dies kann sowohl die Dispersionsqualität beeinträchtigen als auch zum vollständigen Verlust der Anwendungseigenschaften führen. Im Fokus des Forschungsvorhabens stand die Erarbeitung von Konzepten zur Auslösung (Triggern) der Kristallisation und zur Minimierung der kolloidalen Instabilität während der Lagerung und des Transports.
Um den Kristallisationsprozess gezielt auslösen zu können, wurden drei verschiedene Methoden auf ihre Anwendbarkeit überprüft. Die Kristallisation einer Modelldispersphase (n-Hexadecan) konnte durch gezielte Wahl des Emulgators und Zugabe von Fremdkeimen beschleunigt werden. Des Weiteren konnte Kristallisation durch externe Kräfte wie Tropfen-Wand und Tropfen-Partikel-Kontakt ausgelöst werden.
In einem zweiten Schritt wurden zwei dieser Konzepte in einen 1,2 L Rührkessel übertragen. Zur online-Bestimmung des Dispersphasenfeststoffanteils wurde erfolgreich eine Ultraschallmessmethodik erarbeitet. Weiterhin wurde deren Anwendbarkeit auf industrielle Prozesse in Zusammenarbeit mit Fa. Acmos Chemie KG (Mitglied im pbA) getestet. Wie bereits im Mikrofluidikaufbau, konnte auch im 1,2 L Maßstab ein kristallisationsfördernder Effekt von Fremdkeimen festgestellt werden. Hinsichtlich der Tropfen-Wand und Tropfen-Partikel Kollisionen wurden verschiedene Limitierungen beobachtet, deren detaillierte Aufklärung weiterer Forschung bedürfen.
Zur Minimierung kolloidaler Vorgänge während der Lagerung wurden mögliche Instabilitätsmechanismen überprüft. Langkettige Emulgatoren, die den Kristallisationsprozess gezielt auslösen können, zeigten beim Abkühlprozess zusätzlich den Effekt der Tropfenverformung (siehe Abb. links & Mitte). Die entstandenen Partikel (Stäbchen, Plättchen) weichen deutlich von der ursprünglichen sphärischen Form ab. Bei Temperaturschwankungen über den Schmelzpunkt der Dispersphase zerfielen diese Stäbchen in sehr viele kleine Einzeltropfen. Demnach können Temperaturschwankungen nicht wie zunächst vermutet nur zum Anstieg der Partikelgröße durch bspw. Koaleszenz führen, sondern auch zu deren Absenkung. Weiterhin kam es bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes zu starker Rekristallisation der Partikel (siehe Abb. rechts). Dies führte zum „Verschmelzen“ einzelner Partikel und dem vollständigen Verlust runder Einzelpartikel und somit der Anwendungseigenschaften des Produktes.
Abbildung 1: Polarisationsmikroskopische Aufnahmen der Tropfenverformung von n-Hexadecan während des Abkühlvorgangs (1 und 2) und von Rekristallisationsvorgängen während der Lagerung von n-Hexadecan (3).
Zusätzlich kam es bei Temperaturschwankungen unterhalb des Schmelzpunktes zur erhöhten Partikelaggregation. Dies führte im Fall einer industriell relevanten Dispersion zur vollständigen Gelierung der Probe. Zusätzliche mechanische Belastungen verstärkten die Aggregationsvorgänge, insbesondere bei nur kleinen Schwankungen in engen Temperaturbereichen unterhalb des Schmelzpunktes.
Die gewonnenen Erkenntnisse der Konzepte zum Triggern der Kristallisation und die Entwicklung von Strategien zur Verbesserung der Lager- und Transportstabilität konnten abschließend auf ein industriell relevantes Modellsystem übertragen werden. Sowohl grenzflächenaktive Substanzen (Emulgatoren), als auch der Einsatz an Fremdkeimen führten zu einer beschleunigten Kristallisation der Dispersphase. Das Triggern durch Emulgatoren führt zu einer verringerten Lagerstabilität, der Einsatz von Fremdkeimen erhöht die Lagerstabilität für alle Stoffsysteme. Dies kann zu einer erhöhten Produktqualität und –stabilität und somit der Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit von kleinen und mittleren Unternehmen beitragen.
Bearbeitet wurde das Forschungsthema von 09/2017 bis 07/2020 am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik, Bereich I: Lebensmittelverfahrenstechnik (Kaiserstraße 12, 76131 Karlsruhe, Tel. 0721 / 608-42497) unter der Leitung von Jasmin Reiner (Leiter der Forschungseinrichtung Prof. Dr.-Ing. Heike Karbstein) und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Thermische Verfahrenstechnik (Kaiserstraße 12, 76131 Karlsruhe, Tel. 0721 / 608-42390) unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Matthias Kind (Leiter der Forschungseinrichtung Prof. Dr.-Ing. Matthias Kind)
Das IGF-Vorhaben Nr. 19682 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.