Online Partikelgrößenanalyse auch für Emulsionen, Suspension und Slurries

Oliver Schmitt, Businessline Manager Process Systems, Malvern Instruments Ltd, Enigma Business Park, Grovewood Road, Malvern, Worcestershire, UK, WR14 1XZ
Renate Hessemann, Marketing Manager Europe, Malvern Instruments, Germany

In-Prozessanalysegeräte, wie die Malvern Insitec Partikelanalysesysteme, verbessern das Prozessverständnis durch die Beobachtung des Herstellprozesses entweder inline oder online und die Bereitstellung kontinuierlicher Echtzeitinformation.

Während Anlagen zur Messung von Pulvern bereits einige Jahre im Einsatz sind und sich schon bewährt haben, stehen inzwischen auch Komplettlösungen wie das Insitec LPS zur Messung von flüssigen Systemen zur Verfügung.

Optimal ausgenutzt werden die Echtzeitmessdaten durch die Möglichkeit einer "Closed Loop" Steuerung, wodurch mit minimaler Bediener-Interaktion die Vergleichbarkeit der Chargen erzielt, Abfall auf ein Minimum verringert, Energiekosten reduziert und die Laufzeiten von Anlagen und deren Durchsatz deutlich erhöht werden können.

Online Nassmessungen zur Optimierung der Emulgierung

Emulsionen sind in der Lebensmittel-, Kosmetik- und Pharmaindustrie sehr weit verbreitet. Typische Beispiele sind Joghurts, Salat Dressings, Hautcremes und Feuchtigkeitsemulsionen und viele Arzneimittel Darreichungsformen. In den meisten Fällen wird die Emulsion in einem Homogenisator hergestellt, der die Partikel bzw. Tröpfchengröße über den Druck steuert.

Die Tröpfchengröße ist das entscheidende Kriterium für den Geschmack oder das sogenannte Mundgefühl des Produktes, die Konsistenz, Qualität und Stabilität. Aus diesen Gründen wird die Tröpfchengröße als Qualitätskriterium sehr genau beobachtet. In der Vergangenheit war es nötig, die Analysen in Labor durchzuführen. Man zog in bestimmten Zeitabständen Proben, die Probenmengen waren oft sehr klein und oft wenig repräsentativ. Diese Prozedur erlaubt eine eingeschränkte Qualitätskontrolle, ist aber unzureichend, um einen Beitrag zum Prozessverständnis und zur Automatisierung der Prozessteuerung zu leisten.

Das Malvern Insitec System hat den wichtigen Vorteil, dass direkt im Prozess gemessen werden kann, wo das Material im Entstehungszustand erfasst wird. Dies ist besonders dann von Bedeutung, wenn es sich um Material handelt, das zur Koaleszenz neigt oder re-agglomeriert. Auch Änderungen in der Partikelgröße können direkt erkannt werden, da sich das Insitec direkt am Ausgang des Homogenisators anbringen lässt.

Emulsionen sind nur ein kleiner Teilbereich des Einsatzes der online Partikelanalytik im Nassbereich. Suspension und Slurries in verschiedensten Industriebereichen wie Mineralien- und Kreideaufschlämmungen, Polymere, chemische Toner und Keramikslurries ergänzen die Liste der Anwendungen.

Das Verfahren

Beim Insitec Laserbeugungssystem fließt das Material kontinuierlich durch die Messzone. Die zu messenden Partikel erzeugen somit eine definiertes Lichtstreu- und Beugungsmuster. Unter Anwendung der genauen Mie-Theorie wird das gestreute und gebeugte Licht gemessen und daraus die Partikelgrößenverteilung berechnet. Die Aufnahme von Echtzeit-Messwerten erlaubt es, dass eine Funktion der Daten über der Zeit aufgezeichnet werden kann. Typische Prozesssteuerungsparameter wie die durchschnittliche Partikelgröße z.B. Dv(90), %

Die Windows basierende Software RTSizer von Malvern zeigt die Daten in einem benutzerfreundlichen Format. Das Userinterface Malvern Link - ein zusätzliches Softwarepaket - kann die Daten zur Archivierung und Prozessteuerung in andere Systeme exportieren.

Das Verfahren arbeitet nach dem Prinzip der Laserbeugung. Es ist bekannt, dass bei hohen Partikelkonzentrationen - d.h. über 50 % Lichtabschattung - mit einer Mehrfachstreuung zu rechnen ist. Aufgrund der Mehrfachstreuung wird die gemessene Partikelgrößenverteilung zu kleineren Werten verschoben. Ein solches Ergebnis suggeriert einen Feinanteil der real in der Probe nicht vorhanden ist.

Das Insitec berücksichtigt softwareseitig den Einfluss der Mehrfachbeugung auf die Messergebnisse. Somit können prozessnahe Analysen bis zu einer Partikelkonzentration von 10.000 ppm durchgeführt werden.

Reicht diese Korrektur immer noch nicht aus, kann bei Trockenmessungen von Pulvern durch gezielte Probenahme, durch Teilstromentnahmen, den Einsatz von Bypassvorrichtungen und weiterer Dispergierung in Luft eine Beladung erreicht werden, die eine repräsentative Messung gewährleistet.

Herausforderung an Nassmessungen: Probennahme und Probenvorbereitung

Für flüssige Systeme ist es deutlich schwieriger die Konzentration der Partikel so einzustellen, dass eine online Messung möglich ist.

In einem typischen Nasssystem mit geeigneter Partikelkonzentration für Emulsionen passiert das zu messende Material die Messzone, in der die Messung durchgeführt wird, und das Laserbeugungsgerät kann auf einfache Weise Inline z.B. direkt an Homogenisatoren installiert werden.

Messung direkt am Homogenisator

Ein Vorgang, der online beobachtet werden kann, ist zum Beispiel die Änderung der Homogenisierungsbedingungen, was zum einen in der Verfahrensentwicklung zur Optimierung der Tröpfchengröße sinnvoll ist, aber auch bei bereits definierten Prozessen während des Anfahrens eines Prozesses wertvolle Informationen liefert.

Die direkten Auswirkungen dieser Änderungen der Homogenisierungsbedingungen auf das Produkt sind unverzüglich zu erkennen.

Ein Beispiel zeigt wie mit dem Insitec LPS die Tröpfchengröße von Material, das mit unterschiedlichem Druck in einem APV Homogenizer beaufschlagt wurde, bei jeder dieser Bedingungen gemessen und ausgewertet werden kann.

Abb. 1: Messdaten einer online Analyse zum Monitoring eines Homogenisators.

Die Trendlinie verdeutlicht, dass vier verschiedene Bedingungen angelegt wurden (Abb.1).


Betrachtet man den DV50 oder die durchschnittliche Partikelgröße resultiert als Ergebnis der vier Bedingungen eine gut sichtbare Verschiebungen der Partikelgröße.

Bemerkenswert ist, dass dieser Test mit Aufnahme und Auswertung sämtlicher Werte nur 20 Minuten dauerte. Hätte man den Test auf traditionelle Weise im Labor durchgeführt, hätten in kurzen Abständen Proben genommen, und diese dann später im Labor untersucht werden müssen. Erst retrospektiv hätte man Zusammenhänge zu den Änderungen an der Homogenierung erkennen und in Bezug bringen können, eine direkte Optimierung wäre also unmöglich gewesen.

Verdünnung nasser Systeme zur online Messung

Sind die zu messenden Emulsionen oder Suspension optisch zu dicht, ist eine Verdünnung nötig.

Die Hauptproblematik liegt nun darin, ein effektives Design des Prozessinterfaces und eine passende Probenpräparation zu finden. Es gibt je nach Fragestellung verschiedene Möglichkeiten zur geeigneten Installation des Insitec LPS:

Statische Probennahme/Tankverdünnung

In der Mineralienaufarbeitung werden typischer weise riesige Mengen (einige Tonnen/Stunde) produziert, dabei handelt es sich um konzentrierte Slurries mit einer Dichte von 2-8. Für viele Applikationen in diesem Bereich hat sich eine Probennahme in 2 Stufen in Kombination mit der Verdünnung in einem kontinuierlich gerührten Tank als sehr effektiv erwiesen.

Rotierender Probenehmer

Ein rotierender Probenehmer, im Design ähnlich einem Vier-Wege-Ventil wird benutzt um diskontinuierlich kleine Mengen aus dem Prozessstrom zu ziehen, wenn es nicht möglich ist, eine kontinuierliche Probe erfolgreich zu entnehmen. Am so gezogen Material kann dann eine kontinuierliche online Messung erfolgen, entweder direkt ohne oder mit weiteren Verdünnungsschritten.

Abb. 2: Talkum-Slurry mit einem Diluter verdünnt und dann gemessen.

Test effektiver Verdünnungssysteme

Ein effektives Verdünnungssystem muss die Probe repräsentativ verdünnen, zuverlässig sein und darf möglichst wenig manuelle Eingriffe für Bedienung, Pflege und Reinigung erfordern.Der Insitec Diluter ist mechanisch relativ einfach aufgebaut, einfach zu Bedienen und hat keine beweglichen Teile.

Abb. 2: Talkum-Slurry mit einem Diluter verdünnt und dann gemessen.

Der Schlüsseltest für jeden Diluter ist die Konsistez der Partikelgrößenmesswerte, die an jedem der unterschiedlichen Verdünnungsschritte gemessen werden.
Abbildung 2 zeigt Daten einer Talcum-Slurry, die mit einem Diluter verdünnt und dann gemessen wurden. Die Kurven sind deckungsgleich. Der Grad der Verdünnung hat keinerlei Auswirkung auf die Partikelgröße was bestätigt, dass der Verdünnungsprozess repräsentativ und das Design wirkungsvoll ist.

 

PAT und online Partikelanalytik

Bedingt durch die strenge Qualitätskontrolle für die Endprodukte haben die endgültig freigegebenen Endprodukte der Pharmaindustrie einen sehr hohen Standard. Erfüllen die Produkte vorgegebene Spezifikationen nicht, wird die Charge entweder neu bearbeitet oder verworfen. Die Spezifikation liefert jedoch kaum Auskünfte zu der Fehlerursache.
Gegenüber anderen produzierend Industriezweigen jedoch ist die interne Produktionseffizienz nicht hoch, mit signifikanten Chargenrückläufen aufgrund eines geringen Verständnisses des gesamten Prozessablaufs.

Nach Aussagen der Centre for Drug Evaluation and Research (CDER), erlaubt derzeit eine Good Manufacturing Process bis zu 10% Abfall – eine Fehlerrate weit über der, die in vielen anderen Industriezweigen nicht akzeptiert wird.

Mit der Einführung der PAT Richtlinien verfolgt die FDA das Ziel eine Rahmenregelung für die Einführung neuer Herstelltechnologien zu schaffen, um Prozesseffizienz und Prozessverständnis steigern.

In-Prozess-Partikelanalysegeräte verbessern das Prozessverständnis durch die Beobachtung des Herstellprozesses entweder inline oder online und durch Lieferung kontinuierlicher Echtzeitinformation.

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