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Manipulationen an Pulvern

13.01.1999 - (idw) Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Besonders hochwertige Mischungen feinkörniger Partikel will eine Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Karl-Ernst Wirth am Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik der Universität Erlangen-Nürnberg erzielen, indem sie in ihren Experimenten flüssigen Stickstoff für den Mischvorgang einsetzt. Elektrostatische Ladungen der Pulverkörner sollen die Qualität zusätzlich verbessern; jedes staubkorngroße Partikel kann dabei sogar mit noch viel winzigeren "Stäubchen" besetzt werden. Für seine Arbeiten auf diesem Gebiet hat Dipl.-Ing. Günther Huber im November 1998 den internationalen Innovationspreis der Messer Griesheim GmbH erhalten.

Pulver aus extrem feinen und gleichmäßig verteilten Partikeln sind äußerst vielseitig einzusetzen - in Medizin und Pharmazie, in der Hautpflege- und Sonnenschutz-Kosmetik, in der Reaktionstechnik (als Katalysatoren) oder auch bei der Pulverlackierung, um nur einige Beispiele zu nennen. Die Verfahren zum Umgang mit hochdispersen Pulvern in Industrie und Technik sind jedoch oftmals sehr komplex oder noch nicht ausgereift. Nicht einfach zu handhaben sind solche Pulver, weil Wechselwirkungen zwischen den winzigen Partikeln und Oberflächenphänomene die Eigenschaften dieser Stoffsysteme bestimmen. So bewirkt die van-der-Waals-Haftkraft über wechselseitige zwischenmolekulare Einflüsse, daß sich Teilchen "aneinanderklammern", statt sich locker zu verteilen. Je feiner die Partikel, desto stärker wird diese Haftkraft im Vergleich zur Gewichtskraft, und desto schwieriger ist es, homogene Mischungen aus unterschiedlichen Komponenten herzustellen.


Mikro- und Nanopartikel

Üblicherweise werden Feststoffe in der Gasatmosphäre gemischt. Benutzt man dagegen eine Flüssigkeit als Lösungsmedium, so verringert sich die van-der-Waals-Haftkraft, und die Mischqualität kann verbessert werden. Noch günstiger ist es, wenn flüssiger Stickstoff verwendet wird: Die niedrigen Temperaturen lassen die Haftkraft weiter sinken. Da flüssiger Stickstoff keine chemisch-physikalischen Wechselwirkungen mit Feststoffpartikeln zeigt, kann er nach dem Mischen verdampft werden, ohne im trockenen Pulver Spuren zu hinterlassen, also ohne daß sich beispielsweise die chemische Zusammensetzung der Partikel ändert.

Flüssiger Stickstoff ist zudem ein elektrischer Nichtleiter, und elektrostatisch aufgeladene Partikel, die eingebracht werden, behalten deshalb ihre Ladung. Werden die Partikel einer Mischkomponente positiv und die einer zweiten Komponente negativ geladen, wobei sich gleichartig geladene Teilchen abstoßen, unterschiedlich geladene aber anziehen, kann dadurch das Mischergebnis gezielt verbessert werden. Auf diesem Weg lassen sich auch feinkörnige Partikel mit nanoskaligen Partikeln beschichten.

Den Zweck dieses Vorgehens mag ein Anwendungsbeispiel verdeutlichen. Die pharmazeutische Industrie produziert Pulverinhalatoren, die das Einatmen feinster Wirkstoffpartikel möglich machen, ohne daß FCKW-haltige Treibgase dazu notwendig sind. Die Arzneistoff-Partikel, die in die Lunge vordringen sollen, werden aber an relativ grobe Partikel gebunden - grob bedeutet hier eine Größenordnung um die 50 bis 200 Mikrometer (mm), also den fünften bis zwanzigsten Teil eines Millimeters. Eigenschaften wie das Fließverhalten der Pulver beim Dispergieren und ihre Verteilung im Atemluftstrom lassen sich so besser regulieren.

Häufig werden allerdings zu grobe Aggregate gebildet, die schon im Mund- oder Rachenraum des Patienten abgeschieden werden. Deshalb kann die geeignete therapeutisch wirksame Dosis nur bedingt eingestellt werden. Ließen sich die weniger als 10 mm großen Körnchen der Wirksubstanz mit noch sehr viel kleineren, reaktionsträgen Partikeln beschichten, wäre der Arzneistoff ohne den Zusatz von Trägerpartikeln ausreichend fließfähig und exakt dosierbar. Nanopartikel, die nur Tausendstel eines Millimeters messen, könnten die Oberfläche der Wirkstoffteilchen rauher machen und die Haftkräfte verringern.

In dem Projekt, das die DFG im Schwerpunktprogramm "Handhabung hochdisperser Pulver" fördert, werden die Grundlagen des elektrostatisch unterstützten Mischens und Beschichtens feinkörniger Feststoffpartikel in flüssigem Stickstoff untersucht. Dabei soll der Frage nachgegangen werden, welchen Einfluß der Grad der elektrostatischen Aufladung und die Polarität der Partikelladung auf das Mischergebnis haben. Ihre Ladung erhalten die Pulverpartikel durch Kontaktaufladung und/oder Korona-Aufladung.

Untersucht wird weiter, welchen Einfluß die Partikeleigenschaften, die Feststoffkonzentration und die Mischungszusammensetzung auf Mischqualität, Mischzeit und die zum Mischen erforderliche Energie haben. Durch das Beschichten von feinkörnigen mit nanoskaligen Partikeln sollen die Produkteigenschaften gesteuert werden. Numerische Simulationen ergänzen die experimentellen Untersuchungen, unter anderem, um ohne hohen Versuchsaufwand optimale Betriebsbedingungen zu finden.

* Kontakt:

Prof. Dr.-Ing. Karl-Ernst Wirth, Dipl.-Ing. Günther Huber
Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik
Cauerstraße 4, 91058 Erlangen
Tel.: 09131/85 -29400, -29406, Fax: 09131/85 -29402
E-mail: sekretariat@mvt.uni-erlangen.de

FAU-Pressestelle, Redaktion Forschung, Gertraud Pickel, Tel.: 09131/85 -24036, -26167
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