Online-Kontrolle der Partikelgröße während einer ... · lish a model describing the correlation between the fluid-bed parameters like in-let air temperature, inlet air flow and

Wissenschaft und Technik: Originale

1. EinleitungIn der Pharmaindustrie besitzt die Tablette unter allenArzneiformen nach wie vor die größte Verbreitung. Al-lerdings lassen sich nur sehr wenige Wirkstoffe direkttablettieren. Aus diesem Grund wird in vielen Fällen ineiner Produktionsvorstufe ein Granulat hergestellt, daszur Tablettierung geeignet ist. Ein wichtiger Granulat-

Online-Kontrolle der Partikelgrößewährend einer WirbelschichtgranulationUntersuchung einer neuartigen Lasersonde zur besseren Kontrolledes Partikelgrößenwachstums in der Wirbelschichtgranulation

Sebastian Schmidt-Lehr 1, Hans-Ulrich Moritz 1 und Kai C. Jürgens2

Universität Hamburg, Institut für Technische und Makromolekulare Chemie1, Hamburg, und Schering AG2, Berlin

Korrenspondenz: Dipl.-Chem. Sebastian Schmidt-Lehr, Universität Hamburg, Institut für Technische und MakromolekulareChemie, Bundesstr. 45, 20146 Hamburg (Germany), e-mail: [email protected]

Key words

� Partikelgröße, Größen-messung, Online-Kontrolle,Wachstum

� Wirbelschichtgranulation

Pharm. Ind. 69, Nr. 4, 478−484(2007)

Summary

Online-control of the Particle Size duringFluid-bed Granulation / Evaluation of anovel Laser probe for a better control ofparticle size in fluid-bed granulation

A good control over the particle size dis-tribution during granulation is useful toobtain press masses that exhibit goodcompressability. Time and resources canbe saved using an on-line method cap-able to determine the particle size in realtime thus ensuring the quality of theproduct and enabling the operator to re-act to deviations during the manufactur-

Zusammenfassung

Die Kontrolle der Partikelgrößenvertei-lung während des Granulierprozessesführt zu gut verarbeitbaren Pressmassen.Eine Online-Methode zur schnellen Be-stimmung der Partikelgröße kann Zeitund Ressourcen sparen, indem sie pro-zessbegleitend die Qualität des Produktessicherstellt und die Möglichkeit eröffnet,rechtzeitig einzugreifen, sollten währenddes Prozesses Abweichungen auftreten.Eine solche Methode, basierend auf einerneuartigen Lasersonde, wird vorgestellt.Es wird gezeigt, dass die Verfolgung desPartikelaufbaus anhand der Partikel-

parameter ist hierbei − neben Faktoren wie Feuchte undWirkstoffgehalt − die Partikelgröße, da sie auf viele phy-sikalische Eigenschaften Einfluss hat [1−3].

Die mittlere Partikelgröße x50, lässt Aufschlüsse überdie Qualität − insbesondere die Tablettierfähigkeit − desGranulates zu. Folglich ist die Partikelgröße eine für dieKontrolle von Granulationsprozessen sinnvolle Größe.

größe mit sehr hoher zeitlicher Auflö-sung und Geschwindigkeit möglich ist.Basierend auf den mit der Sonde erhalte-nen Ergebnissen war es möglich, ein Mo-dell zu erstellen, das den Zusammen-hang zwischen Parametern des Wirbel-schichtprozesses wie Zulufttemperatur,Zuluftstrom und Sprührate der Granulier-flüssigkeit sowie der erzielten Partikel-größe im Granulat beschreibt. Mit die-sem Modell können die für das Erreicheneiner bestimmten Partikelgröße nötigenParametereinstellungen berechnet wer-den.

ing process. Such a method based on thenovel laser probe will be introduced. Itwill be demonstrated in this article thatthe granule build up can be followedwith high time resolution and in realtime. Based on the results obtained withthe new probe it was possible to estab-lish a model describing the correlationbetween the fluid-bed parameters like in-let air temperature, inlet air flow andspray rate and the final particle size inthe granulation. With this model it is pos-sible to calculate the parameters settingsnecessary to obtain a target particle size.

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2. PATPAT ist eine Initiative zur Entwicklung und Implemen-tierung von Prozess-Analysen-Technologie [4−8]. Grund-gedanke der PAT-Initiative ist es, dass die Pharmaindu-strie die zur Herstellung von Arzneimitteln eingesetztenProzesse vollständig versteht. Kritische Prozessvariab-len werden on-line kontrolliert und der Prozess so ge-steuert, dass das Ergebnis in jedem Falle ein spezifika-tionskonformes Produkt ist. Eine Kontrolle des Endpro-duktes wird somit überflüssig.

Im Gegensatz zur herkömmlichen Validierungsstra-tegie, welche die erfolgreiche Herstellung von drei auf-einanderfolgenden Chargen als Beweis eines reprodu-zierbaren Prozesses ansieht, basiert der neue Ansatz aufder kontinuierlichen Analyse des Prozesses, die es er-möglicht, das Produkt direkt nach Prozessende freizu-geben. Freigabeentscheidend ist dabei das Einhaltender definierten Prozessparametergrenzen. Nebenbeiwird aus den Daten neues Wissen zum Prozess gene-riert, das es ermöglicht den Prozeß kontinuierlich zuoptimieren.

3. Partikelgrößenmessungmit OrtsfrequenzfilterZur Bestimmung der Partikelgröße gibt es zahlreicheMethoden, von denen jedoch nur wenige die Anforde-rungen erfüllen, die an eine Online-Messtechnik ge-stellt werden. Es wurden insbesondere zwei Methodenin Betracht gezogen: die NIR-Spektroskopie und neuar-tige, auf Lasertechniken basierende Inline-Partikelson-den. Da bei den NIR-Methoden aufwendige chemome-trische Modelle anzuwenden sind, denen es oftmals anFlexibilität mangelt, kommt in dieser Arbeit eine Laser-sonde der Firma Parsum (Chemnitz) zur Anwendung [9].

Das Messprinzip basiert auf einem erweiterten Orts-filter, der Schattensignale einzelner Partikel in auswert-bare Größeninformationen umsetzen kann. Dazu wer-den die individuelle Geschwindigkeit und Flugzeit derPartikel durch ein faseroptisches Array gemessen. Dabeiwird die Bewegung der Partikel auf der Empfangsoptik,dem Ortsfrequenzfilter, projiziert (Abb. 1).

Das faseroptische Array ist aus einer Reihe von La-serlichtschranken aufgebaut. Werden diese von einemPartikel nacheinander durchflogen, so liefern sie einenSatz an zeitlich begrenzten Impulsen: die Abschattungs-daten. Jede Laserlichtschranke liefert einen Impuls,dessen Länge von der Partikelgröße, der Partikelge-schwindigkeit und von der Flugbahn des Partikelsdurch die Messzelle abhängt. Werden die Signale ausder 1, 3, 5 ... Laserlichtschranke und die Signale der 2, 4, 6... Laserlichtschranke jeweils zusammengefasst unddann die Differenz der beiden resultierenden Signaleermittelt, so erhält man mit der Zeit eine für das analy-sierte Partikel charakteristische Frequenz f0 (Abb. 1).Aus dieser Frequenz lässt sich die Partikelgeschwindig-keit ν ermitteln:

ν = f0 · g

Abb. 1: Prinzip des Ortsfilters zur Bestimmung der Partikel-geschwindigkeit.

Abb. 2: Prinzip eines einzelnen optischen Kanales zur Bestim-mung der Partikelflugzeit.

g ist das Intervall des Ortsfilters, das dem Abstandzweier zur gleichen Gruppe gehörender Laserlicht-schranken entspricht. Ist die Partikelgeschwindigkeit νbekannt, lässt sich durch die Auswertung eines einzel-nen zusätzlichen Kanales (Abb. 2) die Partikelgröße x alsSehnenlänge aus der Länge des Impulses t bestimmen:

x = ν · t − d

d ist der Durchmesser der optischen Faser.Die Sehnenlänge kann aufgrund der unbekannten

Flugbahn des analysierten Partikels eine beliebigeSchnittlinie durch die Abschattungsfläche des Partikelssein. Die ermittelten Größenstatistiken basieren daherauf der Partikelsehnenlänge. Die Messmethode ist fürPartikelgrößen von 50 bis 2500 µm geeignet.

Die Messzelle selbst ist mit Saphirfenstern ausgestat-tet, die durch einen permanenten Luftstrom von Fein-staub oder klebrigen Partikeln freigehalten werden. Daszur Analyse notwendige Laserlicht wird durch eine spe-zielle Lichtwellenleiteroptik an die Messzelle geführt.

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Das so vom Laserlicht durchleuchtete Messvolumenwird direkt im Partikelstrom plaziert.

Durch den Einbau einer Dispergiereinheit in dieMesszelle kann die Sonde auch in Systemen mit hoherPartikelkonzentration eingesetzt werden. Durch dieDispergiereinheit wird der Messzelle kontinuierlich einLuftstrom von 10 bis 20 l/min zugeführt, mit dem diePartikel erstens dispergiert − also bis in den messbarenBereich verdünnt − und zweitens auf eine favorisierteFlugbahn im Zentrum der Messzelle genau in Messrich-tung gebracht werden. Dadurch kann auch bei unregel-mäßiger Partikelbewegung, wie sie z. B. in einer Wirbel-schicht herrscht, gemessen werden. Durch die gezielteDispergierung wird die Erfassung einzelner Partikel er-heblich erleichtert. Gleichzeitig werden die Messbedin-gungen durch die Angleichung der unterschiedlichenFlugbahnen und Fluggeschwindigkeiten der einzelnenPartikel an die für die Messung ideale Flugbahn erheb-lich verbessert.

Die Erfassung der Einzelpartikel erfolgt hierbei miteiner Messrate von bis zu mehreren tausend Partikelnpro Sekunde. Die Rohdaten werden von der Sonde aneinen Messrechner übertragen. Erst dort erfolgt die Be-rechnung der Partikelgröße. Das Ergebnis wird dann inForm einer Partikelgrößenverteilung oder Partikelgrößewie dem x50 angegeben. Bei der Darstellung besteht dieWahl zwischen der q0- oder der hier genutzten q3-Ver-teilung. Der x50 gibt einen mittleren Wert der Partikel-größe an und bedeutet das 50. Perzentil oder andersgesagt: 50 % der Werte sind kleiner. Entsprechend las-sen sich auch der x10 (lediglich 10 % aller Partikel sindkleiner) oder der x90 (nur 10 % sind größer) angeben.Die Gesamtzahl der klassierten Partikel wird dabei ineinem Ringspeicher konstant gehalten, wodurch einegleitende, ständig aktualisierte Partikelgrößenverteilungzur Verfügung steht. Im Unterschied zur Laserlicht-streuung oder der NIR-Methode wird hier kein mathe-matisches Partikel-Modell zugrundegelegt, sondern je-des Partikel direkt anhand seiner Sehnenlänge charak-terisiert.

4. UntersuchungsgegenstandDer in dieser Arbeit untersuchte Granulationsprozessist eine Wirbelschichtgranulation. Die Durchführungder Versuche fand an einem Wirbelschichtgranulatorder Firma Glatt (Binzen) mit einer Kapazität von 5 kgstatt. Als Vergleichsmethode zur Partikelgrößenbestim-mung mit der Parsum-Sonde wurde aufgrund ihrer wei-ten Verbreitung und ihrer Anerkennung als Standard-methode die Laserlichtstreuung gewählt [10, 11].

5. Installation der SondeZunächst wurde die generelle Einsatzfähigkeit derSonde in der Wirbelschicht geprüft. Dabei wurde festge-stellt, dass ein Messintervall von fünf Sekunden für dieOnline-Beobachtung erforderlich ist. Des weiterenwurde der interne Ringspeicher des Messgerätes mit5000 bis 10000 Partikel an das Messintervall angepasst,

um die Aktualität des jeweils ausgegebenen Wertes si-cherzustellen.

Um die optimale Messposition für die Sonde zu fin-den, wurden Versuche zur vertikalen Einbauhöhe imWirbelbett, zur horizontalen Eintauchtiefe ins Wirbel-bett und zur Winkelabhängigkeit der Sonde durchge-führt.

Der Einfluss von Eintauchtiefe und Stellwinkel wurdein zwei Versuchen mit einem in der Wirbelschicht hin-sichtlich der Partikelgröße weitgehend stabilen Sprüh-granulat untersucht.

Die Einbauhöhe der Sonde in Richtung des Luftstro-mes hängt davon ab, wie hoch die Partikelkonzentra-tion für eine repräsentative Messung mindestens seinmuß und wie hoch die Partikelkonzentration maximalsein darf, damit die Sonde nicht überladen wird. DieVariationsmöglichkeiten der vertikalen Einbauhöhe wa-ren in diesem Fall durch die Anzahl der verfügbarenPorts vorgegeben.

Die horizontale Eintauchtiefe wurde so gewählt, dasseinerseits die relativ hohe Partikelkonzentration amRand der Wirbelschicht umgangen, andererseits der di-rekte Kontakt der Sonde mit der auf das Wirbelbett ge-sprühten Granulierflüssigkeit verhindert wurde. EineAbhängigkeit der Messergebnisse innerhalb dieser Gren-zen wurde nicht festgestellt.

Da die Sonde eine definierte Messrichtung hat, kannzudem noch der Winkel der Sonde in bezug auf dieRichtung der im Wirbelbett strömenden Luft variiertwerden. In den Versuchen zur Winkelabhängigkeit hatsich bei Winkeln ab etwa 90° eine starke Abhängigkeitdes Messergebnisses gezeigt. Aus diesem Grund wurdendiese großen Winkel vermieden und die Sonde stets miteinem Stellwinkel von 0°, relativ zur bevorzugten Strö-mungsrichtung, betrieben. Mit Stellwinkel ist hier dieDrehung um die Längsachse des Sondestabes gemeint.

6. VersuchsplanungDer Wirbelschichtgranulationsprozess wird von mehre-ren Faktoren beeinflusst, von denen diejenigen ermit-telt werden sollten, die den Prozess maßgeblich beein-flussen. Untersucht wurden: Zulufttemperatur, Zuluft-strom und die Sprührate der Granulierflüssigkeit. DieRezeptur wurde bei allen Versuchen gleich gehalten, sodass sie als Einflussgröße wegfiel. Als Zielgröße war dievon der Sonde gemessene Partikelgröße vorgegeben.

Mit der Software Design-Expert der Firma Stat-Ease(Minneapolis, USA) wurde ein D-optimaler Versuchs-plan für die Faktoren Zulufttemperatur, Zuluftstromund Sprührate der Granulierflüssigkeit erstellt.

Der Versuchsplan setzt sich aus zehn Punkten zurErmittlung der Zusammenhänge, vier Punkten zur Mo-dellüberprüfung und einem Punkt zum Dokumentierender Wiederholbarkeit − also insgesamt 15 Parametersät-zen (Tab. 1) − zusammen. Als Versuchsraum wurden dieIntervalle Sprührate: 30 bis 50 g/min, Luftstrom: 120 bis200 m3/h und Temperatur: 60 bis 70 °C definiert, inner-halb derer sich alle Versuchspunkte befinden.



Tab. 1: Statistischer Versuchsplan. CentEdge: Versuchspunktauf der Mitte einer Kante; PlaneCent: Versuchspunkt auf derMitte einer Fläche; Vertex: Versuchspunkt auf einer Ecke; In-terior: Versuchpunkt mitten im kubischen Versuchsraum.

Standard- Tempe-Luft-Randomi- Sprüh-Design ratursierte Rei- rate stromReihen- Points (g/min)folge (m3/h)henfolge (°C)

10 1 CentEdge 40 200 706 2 PlaneCent 50 160 658 3 Vertex 30 200 607 4 PlaneCent 40 160 60

12 5 Vertex 30 120 7015 6 Vertex 50 120 70

2 7 Vertex 30 120 601 8 Vertex 50 200 60

11 9 Interior 35 180 659 A CentEdge 30 160 703 B Vertex 50 120 60

13 C Vertex 30 200 7014 D Vertex 50 200 70

4 E Vertex 50 120 705 F PlaneCent 40 120 65

7. VersuchsdurchführungIn den Versuchen wurde eine Plazebo-Mischung granu-liert. Die Mischung bestand aus:

− 3200 g Laktosemonohydrat− 900 g Maisstärke− 600 g Starch 1500− 50 g Magnesiumstearat

Die Granulierlösung bestand aus:

− 250 g Polyvinylpyrrolidon− 1312,5 g Wasser

Unter Berücksichtigung eines Herstellfaktors von 1,25wurden 312,5 g PVP langsam in 1640,6 g Wasser bei ca.700 U/min eingerührt und gelöst.

Der WSG wurde mit den Hilfsstoffen beladen und fürdie Granulation vorbereitet. Direkt vor dem Start wurdedie Messprotokollierung der Sonde gestartet.

Während des Versuches wurden zunächst alle zweiMinuten − nach zehn Minuten alle fünf Minuten − Luft-strom, Lufttemperatur und die Menge der bereits ver-sprühten PVP-Lösung notiert.

Als die für den Versuch vorgesehene Sprühmenge er-reicht war, wurde das Sprühen beendet und das Pro-dukt nachgetrocknet, bis die Produkttemperatur um0,5 °C gestiegen war. Direkt anschließend wurden dieProben für die Partikelgrößenmessung mittels der Refe-renzmethode gezogen und die Produktfeuchte mittelsStabsonde ermittelt.

Abschließend erfolgte die Magnesiumstearatzugabe.Das Magnesiumstearat wurde für die Dauer von 45 Se-kunden auf das Granulat aufgezogen.

8. Ergebnisse und DiskussionIn den Versuchen zeigte das System ein unerwartet de-tailliertes Bild der Granulation. Statt des erwarteten li-nearen Wachstums der Partikel über die gesamte Dauerder Sprühphase konnte eine Initiierungsphase festge-stellt werden, deren Dauer und Verlauf unter den über-

Abb. 3: Vergleich zwischen erwartetem Granulierungsverlauf(blau) und gefundenen (schwarz, rot). I = Initiierungsphase;II = Phase des Partikelgrößenwachstums; III = Desagglomeration-vorgang. I und II: Sprühphase; III: Nachtrocknungsphase.

prüften Bedingungen von den Wirbelschichtparame-tern unabhängig war (Abb. 3, Phase I). Ihr folgte diePhase des Partikelgrößenwachstums, die stark von denWirbelschichtparametern abhing (Abb. 3, Phase II) undals dritte Phase schloss sich nach dem Ende der Sprüh-phase die Nachtrocknungsphase an, in der ein Desag-glomerationvorgang ablief (Abb. 3, Phase III).

Weiterhin wurde eine periodische Welligkeit in denKurvenverläufen der Partikelgröße festgestellt, die mitdem periodischen Abrütteln der Feinstaubfilter korre-liert werden konnte. Wider Erwarten hatten die Abrüt-telparameter einen Einfluss auf den Granulationsver-lauf, indem sie dem Wirbelbett kontinuierlich Fein-anteil entziehen und diesen dann periodisch wieder indas Wirbelbett abgeben.

Wie in Abb. 3 zu sehen ist, lassen sich mit demselbenStoffsystem allein durch Variation der Wirbelschicht-parameter verschiedene Partikelgrößen herstellen. DieAuswertung des statistischen Versuchsplanes zeigte,dass sich über den Luftstrom, die Sprührate der Granu-lierflüssigkeit und die Temperatur die Partikelgröße(x50) in einem großen Bereich über einen linearen Zu-sammenhang steuern lässt (Abb. 4 u. 5).

Der gefundene Zusammenhang im untersuchten Be-reich ist gegeben durch:

x50 = −26,1 + 3,0 · (Sprührate in g/min) + 1,2 · (Luft-strom in m3/h) − 0,8 · (Temperatur in °C)

Der Einfluss der einzelnen Parameter auf die Zielgröße(x50) ist dabei unterschiedlich groß. Darüber geben dieüber den statistischen Versuchsplan erhaltenen Effekteder Parameter Auskunft. Gefunden wurde ein großerEinfluss für die Sprührate und den Luftstrom. Der Ein-fluß der Temperatur ist dagegen eher gering und auchdie Signifikanz ist deutlich kleiner. Das liegt möglicher-weise an dem sehr kleinen untersuchten Temperaturin-tervall von 60 bis 70 °C. Um die Gültigkeit eines linearenZusammenhanges über die Grenzen des bisherigen Ver-suchraums (Sprührate von 30 bis 50 g/min und Luft-



Abb. 5: Parsum x50, Luftstrom 200 m3/h.

strom von 120 bis 200 m3/h) hinaus belegen zu können,sind weitergehende Untersuchungen notwendig.

9. Vergleich mit LaserbeugungsdatenUm die Messwerte der Sonde mit Messwerten aus derLaserbeugung zu vergleichen, wurde während einerGranulation die Wirbelschicht insgesamt drei Mal bei1300, 2000 und 2700 Sekunden kurz ausgeschaltet umeine Probe zu ziehen. Zusätzlich wurde das fertige Pro-dukt untersucht und mit dem letzten Wert aus demGranulationsprotokoll der Sonde verglichen.

Es kann eine tendenzielle Übereinstimmung mit denMesswerten der Laserlichtstreuung festgestellt werden(Abb. 6). Die 1. Probe bei 1300 Sekunden konnte aller-dings nicht untersucht werden, da sie Agglomerate ge-bildet hat, die von der Dispergiereinheit nicht aufgelöstwerden konnten. Die 2. und 3. Probe liegt in der Laser-lichtstreuung jeweils etwa 8 % über dem Messwert derSonde. Die letzte untersuchte Probe zeigt mit einer grö-ßeren negativen Abweichung von über 10 %, dass in

Abb. 4: Parsum x50, Luftstrom 120 m3/h.Abb. 6: Vergleich von Laserbeugungsmessungen (Helos) und Par-sum x50.

diesem Fall zwei unterschiedliche Systeme analysiertwurden. Der Grund liegt darin, dass nach Beenden derSprühphase eine kurze Pause auftritt, in der 50 g Ma-gnesiumstearat in den Wirbelschichtbehälter gegebenwerden. Danach wird die Wirbelschicht für 45 Sekun-den wieder eingeschaltet. Diese Zeit ist für die Sondezu kurz um einen stabilen Messwert zu erzeugen(Abb. 6), da eine komplette Füllung des Ringspeichersnicht erreicht werden kann. Mit dem Laserbeuger kannsomit das fertige Granulat inkl. Magnesiumstearatanteilstörungsfrei analysiert werden, während die Sonde alsletzten auswertbaren Messwert das Ende der Granula-tion ohne Magnesiumstearatzugabe zeigt.

10. Weitere UntersuchungenUm spezielle Fragen im Umgang mit der Sonde gezieltklären zu können, wurden neben dem statistischen Ver-suchsplan einige zusätzliche Versuche vorgenommen.Dazu gehören als erstes die Überprüfung der Reprodu-zierbarkeit sowie der Einsatz der Sonde an einem zwei-ten Wirbelschichtgranulator. Des weiteren wurden Ver-suche zur Vertiefung des Prozessverständnisses sowiezur Reaktion der Sonde auf Fehler im Granulationspro-zeß durchgeführt.

11. ReproduzierbarkeitMit den Versuchen zur Überprüfung der Reproduzier-barkeit der Messergebnisse wurde gleichzeitig die Funk-tionsfähigkeit der Sonde bei einer Granulation einerwirkstoffhaltigen Mischung sichergestellt. Die Plazebo-Gemische lassen sich meist einfach granulieren. Diewirkstoffhaltigen Mischungen hingegen lassen sich auf-grund des hohen Anteiles an Wirkstoff, der für die Gra-nulation oft schlecht geeignet ist, nur mit sehr viel Er-fahrung granulieren.

Für den Versuch wurde eine Formulierung mit 40 %mikronisiertem Wirkstoff zweimal unter identischen



Bedingungen granuliert. Die Ergebnisse der beiden Ver-suche liegen sehr nahe beieinander. Die Abweichungder gemessenen PSD-Kurven voneinander beträgt imMittel 5 bis 8 µm (Abb. 7). Im Falle des x10 beträgt dieAbweichung maximal 10 %, im Falle des x90 nur maxi-mal 3 %, jeweils bezogen auf den kleinsten Wert dender x10 bzw. der x90 im Verlauf der Versuche angenom-men hat. Die Reproduzierbarkeit der Messergebnissekann also abgeleitet werden.

12. ÜbertragbarkeitUm die Übertragbarkeit auch auf andere Wirbelschicht-granulatoren zu untersuchen, wurden zusätzlich zu denVersuchen am WSG 5 vier Versuche auf einem WSG 15gefahren. Dabei handelt es sich, wie schon beim WSG 5,um einen Wirbelschichtgranulator von Glatt − nur miteiner Kapazität von 15 statt 5 kg. Nachdem die erstenbeiden Versuche benötigt wurden, um die minimaleEintauchtiefe festzulegen − 10 statt 6 cm beim WSG 5 −konnte in den beiden folgenden Versuchen der Granu-lationsverlauf protokolliert werden. Deutlich sind dieunterschiedlichen Stadien während der Granulation zuerkennen (Abb. 8).

Zu Beginn wird mit einem Luftstrom von 400 m3/hgearbeitet. Hier beträgt das Partikelgrößenwachstum imBereich 50 bis 350 Sekunden 9,7 µm/min (Phase I). MitÄnderung des Luftstromes auf 500 m3/h bei Sekunde450 verringert sich das Partikelgrößenwachstum im Be-reich 600 bis 1200 Sekunden auf 0,3 µm/min (Phase II).Aus diesem Grund wurde bei Sekunde 1250 die Sprüh-rate von 140 auf 145 g/min angepasst. Das Partikelgrö-ßenwachstum stellt sich daraufhin im Bereich 1300 bis2800 Sekunden auf 1,3 µm/min ein (Phase III). Mit Se-kunde 2900 ist das Sprühende erreicht. Die nun fol-gende Trocknung führt im Bereich 2900 bis 3000 Sekun-den zu einer teilweisen Desagglomeration und somit zueiner Abnahme der mittleren Partikelgröße um −5,5µm/min (Phase IV). Jede Änderung einer Einflussgröße

Abb. 7: Vergleich zweier identischer Versuche über die Partikel-größen x10, x25, x50, x75 und x90 (Parsum).

schlägt sich also direkt im von der Sonde abgebildetenGranulationsverlauf nieder. Damit ist die Übertragungder Methode vom WSG 5 auf den WSG 15 erfolgreichgewesen.

13. Reaktionen auf Abweichungenim ProzessWährend eines weiteren Versuches wurden mehrereProzess-Störungen während der Granulation simuliert,um den Einfluß auf die Messung zu testen (Abb. 9).Nach zunächst einwandfreiem Start der Granulationwurde nach etwa 750 Sekunden die Sprührate geändert.Deutlich ist daraufhin eine Zunahme der Steigung imVerlauf der Partikelgröße zu sehen. Die Partikelgrößen-wachstumsgeschwindigkeit steigt von 3,6 µm/min auf12,9 µm/min. Nach 1335 Sekunden fällt der Abluftfilteraus. Innerhalb der nächsten 160 Sekunden wird jedochweiter kontinuierlich der Feinanteil aus dem Wirbelbettin die Filtersäcke getragen und dort gesammelt. Nach

Abb. 8: Versuch am WSG 15 mit vier unterscheidbaren Stadiender Granulierung (Phase I bis IV).

Abb. 9: Partikelgrößenverlauf (x50) mit Sondenreaktionen aufStörungen im Granulationsprozess.



den 160 Sekunden, bei Sekunde 1495, löste sich der Ab-luftfilter wieder und rüttelte das Feingut zurück in dasWirbelbett. Während das Abrütteln unterbrochen war,beschleunigte sich das Wachstum der Partikel im Wir-belbett dank des kontinuierlichen Austrages des feinenAnteiles auf 21,6 µm/min. Durch das Wiedereinsetztendes Abrüttelvorganges gelangte innerhalb von 30 Se-kunden der gesamte über die letzten 160 Sekunden an-gesammelte Feinanteil wieder zurück ins Wirbelbett,was eine drastische Reduktion der mittleren Partikel-größe mit sich brachte, die sich auffällig von denSchwankungen im bisherigen Verlauf der Granulationabhob.

Durch den Ausfall der Abluftfilter wird aber noch et-was anderes sichtbar. Sowohl vor als auch nach demAusfall sind die Schwankungen im Granulationsverlaufdeutlich ausgeprägter als während der 160 Sekundendauernden Pause. Dies legt nahe, dass diese Schwan-kungen durch das Abrütteln der Filter verursacht wer-den. Diese Schwankungen sind in allen Versuchen zubeobachten, und zwar immer mit einem Intervall von20 Sekunden, da dies die Voreinstellungen für den Ab-rüttelvorgang sind.

Abb. 10 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus demVerlauf der Partikelgröße während der Granulation.

14. FazitIm Rahmen dieser Arbeit konnte mit dem Mess-Systemein tiefer Einblick in das Partikelgrößenwachstum wäh-rend einer Wirbelschichtgranulation gewonnen werden.Mit den durchgeführten Untersuchungen konnten zu-nächst die optimalen Einbaubedingungen ermittelt unddie Software-Parameter angepasst werden. Erste Aus-wertungen der aufgezeichneten Granulationsverläufeergaben ein schlüssiges Bild. Eine überraschende Beob-achtung war, daß die Abrüttelintervalle zu einer Oszilla-tion im Verlauf des Partikelwachstums führten. Eben-falls unerwartet war die Initiierungsphase zu Beginn derGranulation, in der trotz Aufsprühens von Binderlösungkein Partikelgrößenwachstum festgestellt werden konnte.

Anhand eines Versuchsplanes, der die Variation derFaktoren Sprührate, Temperatur und Luftstrom bein-haltete, konnte das Granulationsverhalten unter ver-schiedenen Bedingungen mit der Sonde näher unter-sucht werden. Mit dem aus den Versuchen abgeleitetemModell können zukünftig Vorhersagen über die Eigen-schaften der herzustellenden Granulate gemacht wer-den.

In weiteren Versuchen konnte sowohl die Übertrag-barkeit der Messmethode auf ein weiteres Gerät alsauch die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse sicher-gestellt werden. Der Vergleich der Sondendaten mit denErgebnissen der Laserlichtstreuung war erfolgreich.

Insgesamt gesehen hat sich die Sonde als ein geeig-netes Instrument zur Online-Kontrolle der Partikel-

Abb. 10: Einfluss der Abrütteltaktung auf die Partikelgrößen(x10, x25, x50, x75 und x90).

größe erwiesen. Sie ist unkompliziert in der Handha-bung − sowohl was die geräteseitige Installation alsauch die Software betrifft. Des weiteren ist sie robust,einfach zu reinigen und beeinflusst den untersuchtenProzess nicht nachweislich.

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