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- Verfahrenstechnik
- DFG fördert FAU-Projekt
Manipulationen an Pulvern
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- 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.
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- 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.
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- Mikro- und Nanopartikel
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- 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.
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- 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.
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- 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.
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- 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.
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- 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.
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- 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.
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- · 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
- Mediendienst FORSCHUNG Nr. 530 vom 13.01.1999
Sachgebiet Öffentlichkeitsarbeit (Pressestelle) pressestelle@zuv.uni-erlangen.de
Stand 13.01.1999