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MASSENBILANZIERUNG EINER

1. 100 ffnung der Abluftklappe 171 m h Volumenstrom laut GPCG Anzeige Entfernung von der Rohrwand mm U Hitzdraht V Str mungsgeschwindigkeit u m s 0 1 1 969 6 809 0 2 1 997 7 591 0 3 2 01 7 975 0 4 2 022 8 340 0 5 2 024 8 402 0 6 2 032 8 653 0 7 2 034 8 717 0 8 2 038 8 845 0 9 2 041 8 942 1 2 047 9 137 1 1 2 049 9 203 1 2 2 052 9 303 1 3 2 051 9 270 1 4 2 054 9 370 1 6 2 051 9 270 1 7 2 052 9 303 1 8 2 055 9 403 1 9 2 057 9 471 2 2 062 9 640 2 25 2 061 9 606 235 2 062 9 640 2 75 2 068 9 847 3 2 065 9 743 3525 2 069 9 881 3 5 2 069 9 881 4 2 076 10 126 4 5 2 078 10 197 5 2 084 10 411 5 5 2 091 10 666 6 2 09 10 629 7 2 094 10 776 8 2 102 11 073 9 2 101 11 036 10 2 109 11 338 12 2 114 11 530 14 2 115 11 569 16 2 116 11 608 18 2 122 11 842 20 2 13 12 160 22 5 2 128 12 080 25 2 133 12 280 27 9 2 136 12 402 30 2 135 12 361 32 5 2 137 12 442 35 2 14 12 565 40 2 133 12 280 45 2 133 12 280 50 2 125 11 961 55 2 115 11 569 60 2 086 10 484 233 10 Anhang STR MUNGSPROFILE IM VERGLEICH ZU N HERUNGS FUNKTIONEN Vergleich der Geschwindigkeitsverteilungsgesetze VS 19 m h 16 TO 4 w Ze me 12 T amp 2 T a z o8 1 y 0 5925x 9 3 x Me wert u R 0 8767 D D D Berechnung Potenzgesetz u 2 o6 9 3 y 0 1766Ln x 0 6705 5 Berechnung Reichardt u R 0 8916 a 0 4 4 Potenziell Me wert u Logarithmis
2. 0 00 2 200 MS Zul ssige Mediumstemperatur 7 49 C Umgebungstemperatureinflu 1 10 C Genauigkeit 2 vom Endwert Zur berpr fung der Genauigkeit des gesamten Messsystems werden die Absolutdruckwerte mit denen der Messstelle des Deutschen Wetterdienstes in W rzburg verglichen 5 Dabei ist zu beachten dass in der Meteorologie gew hnlich mit den sogenannten QFF Werten gearbeitet wird bei welchen der auf Meeresh he umgerechnete Absolutdruck angegeben wird 59 Dadurch ist es m glich Wetterdaten unabh ngig von der H he des Messortes zu vergleichen Der QFE Wert hingegen ist der herrschende Absolutdruck Die an der W rzburger Wetterstation auf 272 m ber NN gemessenen Werte werden mittels folgender Umrechnungsformel auf den an der Universit t auf 290 m ber NN herrschenden Absolutdruck umgerechnet H henmeter ber NN P seatevel P t 8 5 5 Pseateve Atmosph rischer Druck auf Meeresh he Pa p Atmosph rischer Druck Pa F r die Berechnungen der Feuchtegehalte ist der QFE Wert zu verwenden 107 5 Experimenteller Teil 5 8 MESSUNG DES VOLUMENSTROMES 5 8 1 Leistungsmerkmale des Fl gelradanemometers Bei der vorliegenden Instrumentierung des Glatt GPCG ist ein Fl gelradane mometer ZS25GA mit 25 mm Durchmesser Fa H ntzsch Gmbh Waiblin gen Deutschland zur Gasgeschwindigkeitsmessung 50 cm hinter dem Luft ansaugstutzen installiert Die Erfassung des prim re
3. oT R p Op _ 0 3779 OP p R T 173 6 Ergebnisse Op _ 0 3779 pp op Rah Aus Tabelle 6 1 werden folgende Werte entnommen Maximalfehler f r die Absolutdruckbestimmung 240 Pa als Summe von Absolut und Differenzdruckmessung Maximalfehler f r die Temperatur 0 35 K Maximalfehler f r die relative Luftfeuchte 0 5 Maximalfehler f r den S ttigungsdampfdruck bei Berechnung mittels ASHRAE Formel 1 des Wertes Hier p 323 K 12349 Pa folglich ein Maximalfehler von 123 Pa Mit der Gaskonstante f r Luft Ri 287 J kg K folgt df 240 Pa 287 323K kg K 98000 Pa 2372 kg K 0 3779 soea 1 035K 98000 Pa 323K 0 3779 0 5 123 Pa 0 3779 12349 Pa 287 323K 2372 323K kg K kg K 0 005 df caan E Lis Mit Pa N m und J N m wird daraus die richtige Einheit f r den Maximal fehler df 4 207 10 m Mit Gleichung 6 13 wird die Dichte der feuchten Luft berechnet Damit folgt f r den relativen Maximalfehler df 4 207 10 48 a 0 004 P 4 93129 8 m 174 Theorie der Massenbilanzierung Beispiel 2 Aus den Messwerten von Beispiel 1 soll der Maximalfehler der Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts gem Gleichung 2 27 622 es a 2 27 BEP ermittelt werden Es gilt f r die partiellen Ableitungen unter Anwendung der Quotientenregel Oy _ 622 pn P Pp Pp 622 9 Py _ 622 P
4. Feuchtegehalt Num_f1 1 Num_f1 1000 TextAttr 0F GOTOXY 15 25 WRITE Aktuelle Messwerte GOTOXY 15 28 5 WRITEL ZEIE Ss An ne ee nzeitzaehler DIV 10 GOTOXY 15 30 WRITE Spezifische Luftfeuchtigkeit g kg Num_f1 4 GOTOXY 15 32 WRITE Feuchtegehalt g kg feuchtegehalt 2 3 GOTOXY 15 34 WRITE Temperatur C 2 Num 2 4 TextAttr 07 u DELAY 163 kalibriert gt 0 1 Sekunde warten zeitzaehler zeitzaehler 1 Mittelwert_feuchtegehalt mittelwert_feuchtegehalt feuchtegehalt UNTIL zeitzaehler MOD 50 0 mittelwert_feuchtegehalt mittelwert_feuchtegehalt 50 GOTOXY 15 40 WRITE Mittelwert Feuchtegehalt mittelwert feuchtegehalt 2 3 WRITELN f zeitzaehler DIV 10 Mittelwert_feuchtegehalt 2 3 Num_f2 4 in Datei schreiben Mittelwert_feuchtegehalt 0 UNTIL KeyPressed WRITE G TextAttr 07 CloseCom ComPort CLOSE f Datei schlie en und speichern NormalCursor END Turbo Pascal Quellcode zur Berechnung der kritischen Spr hrate program KRIT_ SPR Berechnung der kritischen Spr hrate Pharmazeutische Technologie Universit t W rzburg c Ulf K ster 27 September 2001 USES TpCrt const th_a 100 Relative Feuchte der Abluft vartff Temperatur Frischluftfeuchtefiihler th_f Relative Feuchte der Frischluft f Absolutdruck der Frischluft a Absolutdruck der Abluft S F
5. Tabelle 10 4 35 ffnung der Abluftklappe 94 mh Volumenstrom laut GPCG Anzeige Entfernung von der Rohrwand mm U Hitzdraht V Str mungsgeschwindigkeit u m s 0 1 1 762 2 624 0 2 1 812 3 402 0 3 1 832 3 751 0 4 1 8435 3 963 0 5 1 8605 4 290 0 6 1 8705 4 490 0 7 1 872 4 520 0 8 1 8865 4 823 0 9 1 8835 4 760 1 1 8965 5 040 1 1 1 8995 5 106 1 2 1 898 5 073 1 3 1 901 5 139 1 4 1 902 5 162 1 5 1 903 5 184 1 6 1 902 5 162 1 7 1 9025 5 173 1 8 1 905 5 229 1 9 1 907 5 274 2 1 91 5 342 2 2 1 911 5 365 2 4 1 912 5 388 2 6 1 918 5 527 2 8 1 917 5 504 3 1 9265 5 729 3 2 1 927 5 740 3 4 1 928 5 765 3 6 1 929 5 789 3 8 1 9295 5 801 4 1 929 5 789 4 5 1 931 5 837 5 1 9385 6 021 359 1 942 6 108 6 1 944 6 158 6 5 1 944 6 158 T 1 9475 6 247 8 1 9475 6 247 9 1 949 6 285 9 5 1 953 6 387 10 1 954 6 413 11 1 9575 6 504 12 1 964 6 675 13 1 9645 6 688 14 1 965 6 702 15 1 968 6 782 16 1 971 6 863 17 1 9745 6 958 18 1 974 6 944 19 1 973 6 917 20 1 975 6 972 22 1 976 6 999 24 1 979 7 082 28 1 983 7 193 32 1 981 7 137 33 5 1 983 7 193 35 1 983 7 193 40 1 979 7 082 45 1 971 6 863 50 1 966 6 728 55 1 949 6 285 231 10 Anhang 232 Tabelle 10 5 35 ffnung der Abluftklappe 116 m h Volumenstrom laut G
6. 00 00 00 00 15 00 00 30 00 00 45 00 01 00 00 01 15 00 01 30 00 01 45 00 02 00 00 02 15 00 Zeit seit Proze beginn h Abbildung 6 9 Relative Feuchten bei Leertestung des GPCG Unter der Voraussetzung eines konstanten Frischluftfeuchtegehalts sinken die gemessenen relativen Feuchten in und Pout mit steigender Temperatur in der Anlage Die Umrechnung in Feuchtigkeitsgehalte f hrt zu stabileren Ba sislinien 179 6 Ergebnisse 180 97 Frischluft Abluft Feuchtegehalt g kg 0 H H H H H H H H 1 00 00 00 00 15 00 00 30 00 00 45 00 01 00 00 01 15 00 01 30 00 01 45 00 02 00 00 02 15 00 Zeit seit Proze beginn h Abbildung 6 10 Feuchtegehalte bei Leertestung des GPCG Vergleichsmessungen mit der Huger Wetterstation belegen die Richtigkeit der Messwerte der Frischluftfeuchte 6 2 4 Korrektur der Sensordrifts Der Leerbetrieb des GPCG sollte zu identischen Werten von Frisch und Abluftfeuchtegehalt f hren Da die verwendeten Feuchtigkeitsf hler aller dings einen Fehler von jeweils maximal 0 5 der relativen Feuchte und 0 5 C der Temperatur aufweisen beobachtet man in der Praxis zumeist eine Abweichung der beiden Parameter y und Xou wie Abbildung 6 10 zeigt So bald die Messwerte von Frischluft und Abluftfeuchtegehalt divergieren kommt es in der Massenbilanzierung zwangsl ufig zu einer nderung der Wassermasse im Ansatz Voraussetzung f r eine Bilanzierungsrechnung ist daher die bereinstimmung der Mess
7. 229 10 Anhang 230 Tabelle 10 3 28 ffnung der Ablufiklappe 71 mh Volumenstrom laut GPCG Anzeige Entfernung von der Rohrwand mm U Hitzdraht V Str mungsgeschwindigkeit u m s 0 1 692 1 744 0 2 731 2 205 0 3 1 76 2 595 0 4 771 2 754 0 5 189 3 027 0 6 1792 3 075 0 7 809 3 351 0 8 1 81 3 368 0 9 823 3 591 1 825 3 627 1 1 823 3 591 12 829 3 698 1 3 828 3 680 1 4 1 83 3 715 155 832 3 751 1 6 835 3 806 157 838 3 861 1 8 839 3 879 1 9 842 3 935 2 842 3 935 252 1 8425 3 944 2 4 1 8455 4 000 2 6 848 4 048 2 8 853 4 143 3 855 4 182 3 2 852 4 124 3 4 855 4 182 3 6 857 4 221 3 8 858 4 240 4 859 4 260 4 5 865 4 379 5 868 4 439 535 873 4 541 6 871 4 500 6 5 874 4 561 7 874 4 561 8 881 4 707 9 884 4 770 0 885 4 791 1 1 8875 4 845 2 1 89 4 898 3 895 5 007 4 1 9 5 117 14 5 1 9 5 117 5 1 9025 5 173 6 902 5 162 iL 903 5 184 8 1 9055 5 240 9 905 5 229 20 907 5 274 22 907 5 274 24 1 91 5 342 28 911 5 365 32 912 5 388 35 913 5 411 40 1 91 5 342 45 905 5 229 50 895 5 007 55 1 89 4 898 60 869 4 459 Ergebnisse der Str mungsgeschwindigkeitsmessungen
8. 95 96 5 Experimenteller Teil Polynomisches Model k T T H H TH TH T H TH Korrekturwert k dimensionslos a 1 2 yona d L S osuase ynyesod A 35 N oO 10 u 30 40 50 60 70 80 90 100 Gemessene relative Feuchte 1 iod Abbildung 5 21 Polynomisches Model R 0 9403 Abbildung 4 19 zeigt auf dass das lineare Model die Abh ngigkeit des Kor rekturfaktors k von und 9 nicht ausreichend genau beschreibt dies wird auch im Korrelationskoeffizienten deutlich Je komplexer das Model gew hlt wird desto pr ziser kann die Response Surface den St tzstellen angepasst werden Die mit dem quadratischen Model approximierte Funktion k f e 9 ist den Versuchspunkten sehr gut angepasst der Korrelationskoeffizient ist deutlich besser als beim linearen Model Die Verwendung des polynomischen Models birgt in diesem Fall keine weitere Verbesserung der Response Surface der Korrelationskoeffizient wird nicht signifikant besser Die ge mischt quadratischen Terme werden folglich vernachl ssigt Die quadratische Korrekturfunktion f r den Abluftfeuchtesensor lautet damit k 0 017316265 9 8 5185 10 9 0 03127234 p 2 13268 10 p 5 3 1 38734 10 p 9 2 2062 k Korrekturfaktor 9 Vom Abluftfeuchtesensor gemessene Temperatur C Relative Feuchte laut Sensoranzeige Die Projektion der mit dem quadratischen Model konstruiert
9. Bei der Trocknung nichthygroskopischer kapillarpor ser G ter wird eine Trocknungsverlaufskurve beobachtet die eine Unterteilung in nur zwei Ab schnitte erlaubt Die Trocknung ist hierbei mit dem vollst ndigen Verduns ten der letzten Fl ssigkeitsmenge im Innern der Partikeln beendet es stellt sich keine Gleichgewichtsfeuchte ein In der Literatur existieren zahlreiche Ausf hrungen ber die Aufnahme von Trocknungsverlaufskurven bei Wirbelschichttrocknern sowie Hinweise zur Beschreibung des Trocknungsverlaufs eines vollst ndigen WSG Prozesses gt F r idealisierte Modelle finden sich in der Literatur Anweisungen zur Ermitt lung der Trocknungszeit aus den Trocknungsverlaufskurven 2 4 4 Temperatur und Feuchtigkeitsverlauf w hrend einer Trock nung Der zeitliche Verlauf der Temperatur und der Feuchtigkeit der Abluft gibt Aufschlu ber das Geschehen einer Trocknung Wird eine WSG Trocknung eines gen gend feuchten Sch ttgutes mit konstanten Werten von Zulufttem peratur und Volumenstrom durchgef hrt so resultiert folgender prinzipieller Verlauf der Abluftmesswerte Trocknen Abluftfeuchtigkeit Zulufttemperatur Ablufttemperatur Abluftfeuchtigkeit Ablufttemperatur Zeit seit Beginn der Trocknung Abbildung 2 6 Schematischer Verlauf von Temperatur und Feuchtigkeit der Abluft bei WSG Trocknung W hrend des ersten Trocknungsabschnittes liegt die Abluftfeuchtigkeit nahe am S ttigungswert mit Beg
10. hp Spezifische Enthalpie von Wasserdampf kJ kg Die Division dieser Gleichung durch die Masse trockener Luft mr f hrt damit zur Berechnung der spezifischen Enthalpie feuchter Luft hges A hy igi X hy 6 50 hgs Spezifische Enthalpie feuchter Luft kJ kg In bereinstimmung mit dem HESS schen Satz kann die Herstellung von Wasserdampf der Temperatur T gedanklich in zwei Phase geteilt werden zu erst wird Wasser bei O C verdampft und anschlie end auf T aufgeheizt Die spezifische Enthalpie von Wasserdampf entspricht somit der Summe hy h h 6 51 hy Spezifische Verdampfungsenthalpie von Wasser 2491 kJ kg hw Spezifische Enthalpie von Wasser kJ kg Es gilt allgemein AH m c AT 6 52 c Spezifische W rmekapazit t bei konstantem Druck kJ kg C p Ans tze zur Simulation der Wirbelschichtgranulierung Da man nur imstande ist Enthalphie nderungen zu messen k nnen in Ge mischen Enthalphienullpunkte beliebig definiert werden 05 Als unterer Be zugspunkt wird willk rlich O C gew hlt und die Enthalpie trockener Luft sowie fl ssigen Wassers gleich Null gesetzt F r 0 C gelte h 0 gt hy Cy AT gt h c 9 ee 6 53 Fiir 0 C gelte h 0 gt hp c w 9 C rr Spezifische W rmekapazit t trockener Luft bei konstantem Druck kJ kg C C w Spezifische isobare W rmekapazit t des Wasserdampfes kJ kg C F r die spezifische Enthalpie feuchter Luft hges
11. pacitive humidity sensors with regard to the response characteristics 225 9 Summary 226 The volume flow of the humid air is one of the most important parameters of the mass balance For this reason it is important to calibrate the volume flow sensor as precisely as possible The granulator is instrumented with a propel ler type flowrate meter ZS25GA H ntzsch GmbH Waiblingen Germany In order to determine the volume flow most accurately it is obligatory to meas ure the air flow velocity profile inside the tube under several constant volume flow conditions The technical investigation is carried out with a hot wire anemometer The integration of the mathematical function describing the air velocity profiles results in volume flow values that are used for the calibration of the propeller type flowrate meter Turbulent flow is observed throughout the tubes The mass balance requires a conversion from the measured volume flow of humid air into a mass flow As a result the density of the humid air at the positions of the fresh air moisture sensor and of the outlet air moisture sen sor has to be calculated as precisely as possible As the granulator works with a suction fan there is low pressure inside the system This air pressure is dependent on several parameters like volume flow rate powder loading filter obstruction etc As the air pressure deter mines the density and relative humidity of the air it is essential to mea
12. 0 07m 77cm Dies steht in Einklang mit der Faustregel derzufolge die Einlaufstrecke das Zehn bis Zwanzigfache des Rohrinnendurchmessers aufweisen sollte 73 Die Messstelle ist 1 m vom Ende des Rohraufsatzes gew hlt und liegt damit si cher hinter der Einlaufstrecke Da f r die Aufnahme von Geschwindigkeitsprofilen insbesondere dicht an der Wand des Kanals gemessen werden muss kommen f r derartige Messungen nur Sensoren mit geringer Baugr e in Frage Prandtl Rohre gibt es zwar in sehr kleiner Ausf hrung aber dennoch ist damit eine Messung unmittelbar an der Wand nicht m glich da der statische Druck hier nicht exakt bestimmt werden kann F r das aktuelle Problem wird ein Hitzedrahtsensor verwendet da hiermit bis direkt an die Wand des Rohres gemessen werden kann Die Positionierung des Hitzedrahtsensors wird mit einem digitalen H henrei Ber der Firma MITUTOYO Messger te GmbH Oberndorf Deutschland reali siert Das PVP Rohr ist auf der Innenseite mit einem Graphitlack berzogen Der Nullpunkt der Messung wird festgelegt indem der metallische Sensor der Wand langsam angen hert wird bis schlie lich eine leitende Verbindung zustande kommt Kurzschlu Justierung Diese Ann herung des sehr emp findlichen Sensors wird beim ersten Mal zus tzlich optisch mit einem 10 x 30 Fernrohr der Firma SPECWELL berwacht Der H henrei er muss exakt senkrecht zum Rohr justiert sein da aus der Messung eines schr g verlau fenden Querschnitte
13. 353 1996 4 P Frake et al Process control and end point determination of a fluid bed granulation by application of near infrared spectroscopy International journal of pharmaceutics 151 1 75 80 1997 D Jones Factors to consider in fluid bed processing Pharmaceutical technology 9 4 50 62 1985 7 S Fl gel Die Wirbelschichtgranulierung nach dem Gleichstromverfahren in der Pharma zeutischen Technologie Dissertation Universitat Innsbruck 1997 SD E Wurster Air suspension technique of coating drug particles a preliminary report J Am Pharm Ass Sci 48 8 451 456 1959 K F J ger Aufbauagglomeration pharmazeutischer Granulate nach dem Rotor WSG Verfahren unter besonderer Ber cksichtigung der Bindemittelwirkung von Polyvinylpyrrolido nen Dissertation 23 1983 Firma H ttlin GmbH L rrach Firmenbrosch re Unilab 2001 gt Firma INNOJET Technologies L rrach Firmenbrosch re 2001 B Luy Vakuum Wirbelschicht Grundlagen und Anwendungen in der pharmazeutischen Technologie Dissertation 1991 5 F Yanze C Duru M Jacob A process to produce effervescent tablets fluidized bed dryer melt granulation Drug development and industrial pharmacy 26 11 1167 1176 2000 W A Ritschel Allgemeine Verfahrenslehre und mechanische Verfahrenstechnik f r die Fabrikation von Arzneimitteln Pharmazeutische Industrie 33 685 687 1971 5 M Doelling R Nash The deve
14. C Pou 96 580 Pa Die Berechnung des effektiven Volumenstroms erfolgt mit einem Korrekturwert von k 0 890 und ergibt 65 892 m h Die Dichte der Frischluft betr gt 1 1277 kg m Der Feuchtegehalt der Frischluft betr gt 9 010 g kg Die Masse trockener Luft die mit der Frischluft in 5 Sekunden eingetragen wird ergibt sich zu _ 65 892 m h 1 1277 kg m My in 20h 14 2228 10008 0 10228kg 102 28 g Aus der Pressluft addiert sich dazu Mn p 2 5468 10 3 0 00764kg 7 64 g Der Gesamteintrag an trockener Luft in 5 Sekunden betr gt mr out 109 92 g Der Feuchtigkeitsgehalt der Abluft betr gt 22 116 g kg Aus diesen beiden Werten resultiert gem 6 36 ein Wasseraustrag von NR 3 kg Um einen Eindruck ber die Expansion des Fluids durch das verdunstete Was ser zu geben wird an dieser Stelle zus tzlich auch der Abluftvolumenstrom berechnet Er betr gt bei einer Abluftdichte von pout 1 084 kg m gem 6 38 y popa 241g 109 92 8 a 1 084 kg m out 74 62 m h Theorie der Massenbilanzierung und liegt damit um 13 3 ber dem Zuluftvolumenstrom Zum Vergleich Gleichung 6 29 liefert mit diesen Daten _ 74 62m h 1 084 kg m i gt m 2 4308 g 1 2 116 kg 7204 1 Abschlie end soll aufgezeigt werden wie unter diesen Bedingungen ein kon stanter Wassergehalt in der Anlage zu realisieren w re Es gilt f r diesen Fall m t m m
15. M 0 I gt m m m Ss l gt 6 39 pi F r den Eintrag an Wasser mit der Pressluft gilt gem 6 28 m 2 0718 10 3 m 0 0068 Der Eintrag an Wasser durch die Frischluft wird gem 6 22 berechnet _ 11277 kg m 65 892 m h 720n7 1 10008 9 0108 Fi mp 0 922g F r den notwendigen Eintrag an Wasser durch die Spr hfl ssigkeit gilt daher mit 6 39 m 2 431g 0 006 g 0 922 g m 1 503g Es m ssen folglich 1 503 g Wasser mit der Spr hfl ssigkeit in 5 s in die Anlage gepumpt werden um keine Ver nderung der Wassermasse zu erreichen Bei einer 5 m V PVP L sung als Bindemittel betr gt der Massenbruch gem 6 25 50g Win ur i 95 23 50g Gem 6 24 ergibt sich damit eine Spr hfl ssigkeitsmasse von 171 6 Ergebnisse 172 M Yasser 1 503 g M Spr hfl ssigkeit wW u 0 9524 WB 2 Mspriihflissigkeit 1 578 g Aus der Umrechnung auf die Zeiteinheit Minute resultiert eine Spr hrate von 18 937 g min was einer Pumpeneinstellung von ca 33 Skalenteilen entspricht 6 1 5 Fehlerrechnung Zur Bestimmung der Gr e Masse des Wassers im Ansatz zum Zeitpunkt t m ssen wie vorab dargestellt mehrere Parameter bestimmt und miteinander verrechnet werden Alle diese Werte sind mit Fehlern behaftet die sich auf die zu ermittelnde Gr e Mwasser im Ansatz t auswirken Da hier dynamische Prozesse betrachtet werden sin
16. Pa s Aus der daraus resultierenden Dichte der feuchten Luft von p 1 186 kg m ergibt sich die Reynoldszahl zu _u p L _12 564m s 1 186kg m 0 07m Re n 18 5 10 Pa s Messung des Volumenstromes Re 56381 Mit Gleichung 5 35 wird damit der Exponent n berechnet zu n 3 2045 e 5786538 _ 7 384 Nachstehende Abbildung zeigt das Ergebnis dieser Berechnung z E 518 3 gt 4 a x 2 5 k A A 0 S gt 6 R i A 4 A 2 2 a a Z 2 A 9 aa Ay 4 4 z O 44 A A a x Me wert u 10 A Berechnung Potenzgesetz u a 4 4 Abweichung Potenzgesetz 2 4 g g 15 te 0 20 0 5 10 15 20 25 30 35 Abstand von der Rohrunterseite mm Abbildung 5 45 Potenzgesetz f r maximale Durchstr mung des GPCG n 7 384 Es wird deutlich dass die Abweichung der mittels Potenzgesetz ermittelten Wer te von den Messwerten zur Rohrwand hin unvertretbar gro wird Eine Verbesserung der Genauigkeit des Potenzgesetzes ist mit einer statisti schen Kurvenanpassung m glich Mit Hilfe geeigneter Statistiksoftware SAS 8 01 kann der Exponent n durch eine Minimierung der Summe der Fehler quadrate optimiert werden Da die Messung der Maximalgeschwindigkeit in der Rohrmitte fehlerbehaftet ist kann auch dieser Wert statistisch aus der Anpassung des Kurvenzuges ermittelt werden Hierdurch sind folgende Werte ermittelt worden n 10 323 und Umax 12 627 m s Folgende Graph
17. Wasseraktivit t a eingef hrt worden Sie ist definiert als das Verh ltnis von relativem Wasserdampfdruck ber dem Gut zu dem S tti gungsdampfdruck unter gleichen Temperatur und Druckbedingungen ay Wasseraktivitat dimensionslos Wertebereich 0 1 Pw Gleichgewichtsdampfdruck ber dem feuchten Material Pa Pp S ttigungsdampfdruck des Wassers bei gleicher Temperatur und Druck Pa Die Wasseraktivit t kann auch aufgefasst werden als diejenige relative Luft feuchtigkeit die sich einstellt wenn das Gut im Gleichgewicht mit der Luft steht Dem Wasserdampfdruck ber reinem Wasser entspricht eine Wasser aktivit t von aw 1 0 Weist ein Material die Wasseraktivit t von 1 0 auf so l sst sich sein Zustand nicht mehr allein durch den ay Wert charakterisieren da beliebige Mengen freien Haftwassers enthalten sein k nnen In einem sol Die Wasseraktivit t wird daher auch als relative Gleichgewichtsfeuchte bezeichnet Trocknen chen Fall muss zus tzlich der Wassergehalt angegeben werden Der aw Wert ist sehr stark temperaturabh ngig denn bei steigender Temperatur nimmt auch der Wasserdampfpartialdruck zu Eine exakte Bestimmung des ay Wertes einer Probe ist erst dann m glich wenn diese mit der Umgebung thermisch quilibriert ist3 Zwei Sch ttg ter mit gleichem Wassergehalt k nnen unterschiedliche Wasseraktivit ten aufweisen da letztere unter an derem durch die Korngr e und die Porenges
18. a Mittlere r umliche Str mungsgeschwindigkeit m s Unax Maximale Str mungsgeschwindigkeit m s n Exponent gem empirischer Tabelle Die nachfolgende Tabelle zeigt die entsprechenden Werte f r die hydraulisch glatte Rohrstr mung Tabelle 5 14 Mittlere Str mungsgeschwindigkeiten f r hydraulisch glatte Rohrstr mung a 4 5 6 7 8 9 m ee nar 2 104 10 355102 1108 lt 2320 nur bei hydraulisch rauhen Rohren 0 712 0 757 0 792 0 817 0 837 0 853 0 866 0 5 Messung des Volumenstromes u F r den praktischen Bereich gilt 0 84 4 u max Die folgende Graphik verdeutlicht den Zusammenhang zwischen Reynolds zahl und mittlerer Str mungsgeschwindigkeit Die Berechnung erfolgte durch Kombination von Gleichung 5 35 mit 5 36 u 0 83 max 3 6 4 4 4 4 8 5 2 5 6 6 6 4 Ig Re Abbildung 5 47 Verh ltnis mittlerer r umlicher zu maximaler Str mungsgeschwindigkeit bei turbulenter Rohrstr mung F r die maximale F rderleistung des GPCG resultiert damit die mittlere Str mungsgeschwindigkeit zu 2 7 384 7 384 1 2 7 38441 u 12 564m s 10 364m s 5 8 5 3 Universelle Geschwindigkeitsverteilung nach Reichardt Um Str mungsprofile genauer als mit dem Potenzgesetz beschreiben zu k n nen ist eine dimensionslose Beschreibung des Sachverhalts der turbulenten Durchstr mung eines geraden Rohres unternommen worden Ausgangspunkt hierf r ist
19. quenz f die Temperatur des Messgases berechnet Der akustische Feuchte sensor weist folgende Spezifikationen auf e Arbeitsbereich spezifische Luftfeuchtigkeit yf 2 1000 g kg e Aufl sung yr 1g kg e Arbeitsbereich Temperatur T 20 400 C Optimum bei 250 C e Aufl sungT 1 C e Messgenauigkeit 3 e Ansprechzeit too lt 0 1 Sekunde Die Sensorelektronik stellt ber eine emulierte RS 232 Schnittstelle die Messwerte f r die spezifische Luftfeuchtigkeit und die Sensortemperatur zur Verf gung Mit Turbo Pascal 7 0 Borland International Inc wurde ein Pro gramm zur Messwerterfassung geschrieben 5 gt welches die Messwerte alle 0 1 s einliest die spezifische Luftfeuchtigkeit in Feuchtegehalte umrechnet und jeweils den arithmetischen Mittelwert aus 50 Werten in eine Tabelle schreibt Der Prototyp eines solchen akustischen Feuchtesensors wird am Abluftgr ting des GPCG in einer aus Plexiglas gefertigten Messkammer mit den Innenma en 10 x 10 x 30 cm installiert Siehe Programmlisting im Anhang 103 5 Experimenteller Teil 104 Abbildung 5 30 Einbau des akustischen Feuchtesensors in den Abluftkanal des GPCG Durch diesen Versuchsaufbau ist sichergestellt dass der gesamte Sensorkopf thermisch quilibriert ist In der Messzelle kann ein Temperatursensor fixiert werden um die Ablufttemperatur unmittelbar am Feuchtesensor zu messen Durch das Plexiglas k nnte eine eventuelle Wasserkondensation im Abluft
20. 0 849 d 7 cm sowie dem Maximalfehlerwert von u 0 15 m s in Glei chung 5 7 folgt df 0 849 n 5 10 m 0 152 S 3 4 9010 10 Z S 3 m df are F r die Berechnung des Maximalfehlers der Einzelmessung von mri werden wiederum zundchst die partiellen Ableitungen gebildet Ome _ V ap Pin no Xin Om Pin Vi mo 1 l l Xin Mit Anwendung von Quotienten und Kettenregel folgt EEEE mp w Xin Pin SV in Os 7 1 i 720 ee 7201 ors Xin Xin Der Maximalfehler einer Einzelmessung resultiert zu 176 Leertestung des GPCG 3 Be 1 03129 48 ies df h 0 004207 1 767 Nok 14 _ HOGS si 41 8274g kg 41 8274g kg 3 1 03129 8 75 m h 1 0002 7208 1 I 41 8274g kg 2 41 8274g kg df 1 7594 10 kg 1 0121 10 kg 0 09899 g df 0 2178g Der relative Maximalfehler dieser Einzelmessung wird zu df _0 2178g 5 05 Mp 4 3130g L gt 6 2 LEERTESTUNG DES GPCG Die LabView Messwerterfassung liefert zu Ende eines jeden WSG Prozesses eine Microsoft EXCEL Datei mit den im Abstand von 5 Sekunden aufge zeichneten Messwerten sowie deren Darstellung in Diagrammform Es ist erforderlich das Verhalten der Anlage im Leerbetrieb zu kennen bevor die Resultate eines komplexen Granulationsversuches interpretiert werden k n nen 6 2 1 Volumenstrom Der Volumenstrom erreicht 4 Minuten nach dem Prozessstart sei
21. Die Messwerte des Absolutdrucksensors im GPCG weichen von denen der am GPCG tempor r installierten Huger Wetterstation WMR 918H um maximal 100 Pa ab 98 32 98 3 x x X 98 28 Umgebungsdruck GPCG Sensor 98 26 X Umgebungsdruck Huger Wetterstation 98 24 1 Druck kPa 98 22 mi x oe ri LUMU A MAN T 98 18 98 16 oe 98 14 1 i l 00 00 00 00 15 00 00 30 00 00 45 00 01 00 00 01 15 00 01 30 00 01 45 00 Zeit seit Proze beginn h Abbildung 6 14 Vergleichsmessung des Umgebungsluftdrucks mit Huger Wetterstation Diese Differenz ist deutlich geringer als der Maximalfehler von 200 Pa des im GPCG eingebauten Sensors Das obige Diagramm verdeutlicht zudem die Basislinienstabilit t der Absolutdruckmessung Der Anstieg innerhalb der ersten 20 Minuten ist auf Luftdruckschwankungen zur ckzuf hren Der Einbauort des Frischluftfeuchtesensors liegt 80 cm hinter dem Ansaugstut zen der Frischluft der statische Druck an dieser Stelle pin ist nur geringf gig niedriger als der Umgebungsluftdruck p Der statische Druck an der Feuch temessstelle der Abluft Pout wird vom Str mungswiderstand des Anstr mbo dens vom Beladungsgrad des Granulators dem Widerstand der R ckhaltefil ter und von der Saugleistung des Ventilators bestimmt Die Druckdifferenz zwischen Umgebungsluftdruck p und statischem Druck an der Abluftfeuch temessstelle Pout ist stets gr er als die Summe der Druckdifferenzen
22. Dieses L sungsmittel besteht aus Imidazol Schwefeldioxid und Methanol Hierzu wird die Probe zugege ben Ein Magnetr hrer muss die Vorlage kr ftig mischen darf jedoch keinen zu tiefen R hrtrichter oder auch keine Luftblasen bilden Eine Doppelplatin elektrode taucht in die zu titrierende L sung ein Nun wird der Iod haltige Hydranal Titrant Firma Metrohm AG Herisau Schweiz langsam zugef hrt Die Erkennung des Endpunktes der Titration erfolgt mit der Dead stop Methode An die Elektroden wird eine konstante Gleichspannung angelegt Solange die Elektroden in Gegenwart von Wasser polarisiert sind flie t nur ein minimaler Reststrom Sobald nach berschreiten des Titrationsendpunk tes s mtliches Wasser durch das KFR gebunden ist f hrt der berschu an 73 4 Material und Standardmessmethoden 74 freiem Iod zu einer Gelbf rbung der L sung sowiezu einer Depolarisation der Elektroden in deren Folge ein Stromanstieg registriert wird Unmittelbar vor Beginn eines Granulationsprozesses wird eine Titerbestimmung des Karl Fischer Reagenz durchgef hrt Zu die sem Zweck werden mit einer Hamilton Mikrospritze durch den Septumstopfen im Titriergef Oberteil 30 ul destillier tes Wasser zugesetzt Aus dem Verbrauch an KFR bis zum Erreichen des Titrationsendpunktes wird ein Fak tor ermittelt mit welchem bei allen fol genden Versuchen auf die Masse an Wasser in der Vorlage geschlossen wird Abbildung 4 11 Metrohm 701
23. Ebel P Surmann J Bertram Hagers Handbuch Band 2 Methoden 5 302 303 1991 14 Firma Coulter Electronics GmbH Krefeld Handbuch der COULTER LS Serie 1997 141 Firma Metrohm AG Herisau Gebrauchsanweisung KF Titrino 701 12 H Sucker Test methodes for granulates Pharm Ind 44 312 316 1982 1 8 K F J ger Aufbauagglomeration pharmazeutischer Granulate nach dem Rotor WSG Verfahren unter besonderer Ber cksichtigung der Bindemittelwirkung von Polyvinylpyrrolido nen Dissertation 165 1983 144 Murtoniemi E Yliruusi J Kinnunen P Merkku P Leivisk K The advantages by the use of neural networks in modelling the fluidized bed granulation process International jour nal of pharmaceutics 108 155 164 1994 Sp Walzel Zerst uben von Fl ssigkeiten Chemie Ingenieur Technik 62 983 994 1990 146 W Hemming Verfahrenstechnik 5 36 39 1989 7 M Zogg Einf hrung in die mechanische Verfahrenstechnik 3 Auflage 89 90 1993 148 Firma Hygrocontrol GmbH Hanau Datenblatt Hygromess 45 2000 A Haberstroh Firma Hygrocontrol GmbH Haunau Pers nliche Mitteilung 21 12 2000 150 A Haberstroh Firma HYGROCONTROL GmbH Hanau Pers nliche Mitteilung 4 9 2001 SID Lide Handbook of chemistry and physics 78 edition 15 25 1998 2 H Fischer et al Industrielle Feuchtigkeitsmesstechnik unter Ber cksichtigung h herer Temperaturen 98 1990 153 A Haberstroh Firma Hygrocontrol GmbH Hana
24. F r die Wassermasse gilt diese Rech nung nicht da ein Teil des Wassers m glicherweise am Produkt haften bleibt Durch die druckkorrigierte Messung des Feuchtigkeitsgehalts der Abluft yout in Verbindung mit der Kenntnis der Masse trockener Luft die die Maschine verl sst kann unmittelbar eine Aussage ber die dem Ansatz entzogene Mas se Wasser getroffen werden Da in der Verfahrenstechnik seltener mit inkrementellen Betrachtungen ge arbeitet wird sondern der Ansatz ber Massenstr me blich ist sei auch dieses Schema angegeben Theorie der Massenbilanzierung m n m m win TL in TL out m w out P n p P P m WP TLP S Abbildung 6 6 Schema der Massenstr me am GPCG Es gilt dabei f r die Massenstr me trockener Luft Mrr in Mr p Mor ous Da die Masse Wasser im GPCG variabel ist sind die entsprechenden Massen str me nicht zwangsl ufig gleich M yin m m w out F r die folgenden Berechnungen ist die Kenntnis der Masse trockener Luft MrTLin die im Zeitintervall At 5 s durch den Wirbelschichtgranulierer ange saugt wird Voraussetzung Es gilt analog 6 16 Mges in Mw in MTL in Aufl sung nach MTL in ergibt MTL in Mges in Mw in 6 30 Aus der Definition der Dichte gem Gleichung 6 13 folgt f r die Gesamt masse angesaugter feuchter Luft M ges in Pin i Vna Die Umrechnung in das Zeitinkrement 5 sec f hrt analog zu Gleichung 6 21 zu mi 6 31 Um
25. Temperatur C Gemessene relative Feuchte Reale Effektive Feuchte Abweichung 19 5 49 54 5311 111 2880 26 49 52 5928 107 3322 33 48 50 5054 105 2196 42 47 47 8216 101 7481 Tabelle 5 10 Gesattigte Kaliumchlorid L sung Temperatur C Gemessene relative Feuchte Reale Effektive Feuchte Abweichung 19 82 85 2661 103 9830 29 87 83 7661 96 2829 40 87 82 324 94 6253 Tabelle 5 11 Temperatur C Gemessene relative Feuchte Reale Effektive Feuchte Abweichung 22 94 100 1 0638 Abbildung 5 23 Lineares Model der Korrekturfunktion des Frischluftfeuchtesensors Lineares Model K T H TH Korrekturfaktor k R 0 3757 Messung der Zu und Abluftfeuchte Tot CE Evel eee nem en H 1 35 Quadratisches Model k T T H H TH 1 30 1 25 1 20 3 Korrekturfaktor k 1 05 1 00 0 95 0 90 0 85 10 20 30 40 50 60 70 Se Ge 80 90 45 NIS gt emess 100 Or SP relative Fe ene amp amp uch D C te A rs lt Abbildung 5 24 Quadratisches Model der Korrekturfunktion des Frischluftfeuchtesensors R 0 6868 Polynomisches Model k T T H H TH T H TH TH Korrekturfakto et lt Abbildung 5 25 Polynomisches Model der Korrekturfunktion des Frischluftfeuchtesensosr R 0 7649 Aufgrund des
26. ber Anstr mboden und R ckhaltefilter Dies liegt in Str mungsverlusten begr n det AP zu P Pont 6 43 Ap out T Ap Anstr mboden Ap R ckhaltefilter Ap Wirbelschicht Ap Str mungsverlust p Umgebungsluftdruck Pa Pout Statischer Druck an der Feuchtemessstelle der Abluft Pa 183 6 Ergebnisse 184 Die gemessenen Absolutdrucke belegen diese Aussagen 98 2 Umgebung Frischluftfeuchteme stelle 97 74 97 64 Absolutdruck kPa 97 34 Abluftfeuchteme stelle 96 9 i 00 00 00 00 15 00 00 30 00 00 45 00 01 00 00 01 15 00 01 30 00 01 45 00 02 00 00 Zeit seit Proze beginn h Abbildung 6 15 Absolutdrucke bei Leertestung des GPCG mit einem Volumenstrom von 75 m h Der Absolutdruck an der Frischluftfeuchtemessstelle liegt erwartungsgem nur geringf gig unterhalb des Umgebungsdrucks Die maximale Abweichung betr gt bei diesem Experiment 60 Pa Unmittelbar mit dem Anstieg des Vo lumenstroms sinkt der Absolutdruck an der Abluftfeuchtemessstelle Er er reicht w hrend dieses Versuchs eine maximale Differenz von 1 kPa zum Um gebungsdruck 6 3 EINSPR HREN VON WASSER IN DEN LEEREN GPCG 6 3 1 berpr fung der Richtigkeit des akustischen Feuchte sensors Bevor Vergleichsmessungen zum Ansprechverhalten der kapazitiven Feuch tesensoren durchgef hrt werden wird in einem Vorversuch die Richtigkeit des akustischen Feuchtesensors berpr ft Hierzu wird der GPCG mit
27. fluidized bed granulator in pharmaceutical process research 11 Pharmaceutical technology conference Manchester 1992 107 S Watano H Takashima Y Sato T Yasutomo K Miyanami Measurement of moisture content by IR sensor in fluidized bed granulation Effects of operating variables on the rela tionship between granule moisture content and absorbance of IR spectra Chemical pharma ceutical bulletin 44 6 1267 1269 1996 108 U Kopp H Sucker Automatische Wirbelschichttrocknung pharmazeutischer Granulate Pharmazeutische Industrie 55 1 74 78 1993 10 S Watano K Miyanami Image processing for on line monitoring of granule size distribu tion and shape in fluidized bed granulation Powder technology 83 55 60 1995 110 P Merkku J Yliruusi L Hell n Testing of an automated laboratory scale fluidised bed granulator using different bed loads Acta Pharmaceutica Fennica 101 173 180 1992 1 J Werther Measurement techniques in fluidized beds Powder technology 102 15 36 1999 1 R A Mugele H D Evans Droplet size distribution in sprays Industrial and engineering chemistry 43 6 1317 1324 1951 1B K Y Kim W R Marshall Jr Drop size distributions from pneumatic atomizers AIChE Journal 17 3 575 584 1971 114 P Grassmann Physikalische Grundlagen der Verfahrenstechnik 3 688 1983 1 L Juslin J Yiruusi et al Droplet size measurement I
28. glich Die Ansatzgr e ist bei diesem Verfahren auf 600 kg begrenzt 2 5 3 Rotor Verfahren Durch eine Bodenrotorscheibe wird das Gut einer zentrifugalen Beschleuni gung ausgesetzt Die An str mluft passiert den Spalt zwischen Rotorscheibe und Geh use Durch eine H henverstellung der Boden rotorscheibe kann folglich die Anstr mfl che vergr ert werden Das Einspr hen der Bindemittell sung erfolgt entweder als Top Spray oder als Side Spray Verfahren Im Gegensatz zu den zuvor erw hnten Ver Abbildung 2 9 Rotorverfahren mit Side spray Einrichtung 25 2 Stand der Wissenschaft 26 fahren darf die Luftstr mung w hrend des gesamten Prozessablaufs nicht unterbrochen werden da anderenfalls Granuliergut durch den Spalt zwi schen Rotorscheibe und Geh usewand durchflie en w rde Das Rotor Verfahren liefert sph risch geformte verdichtete Granulen Der Feinanteil im Produkt ist geringer als bei anderen WSG Verfahren Die Quali t t der Beschichtung ist vergleichbar mit dem Wurster Verfahren Das Rotor Verfahren bedarf einer komplizierten Prozesssteuerung und weist nur geringe Produktionskapazit ten von maximal 250 kg auf 2 6 NEUE ENTWICKLUNGEN AUF DEM GEBIET DES WSG ANLAGENBAUS 2 6 1 Alternative Prozessgas Verteilerb den Im Fr hjahr 2001 sind zwei neue Alter nativen zum konventionellen siebf rmi gen Anstr mboden f r Wirbelschichtgra nulierer vorgestellt worden Beim Turbo
29. herung F r die Str mungsprofile erscheinen eine potenzielle sowie eine logarithmische Funktion am probatesten u A y 5 49 u A In y B 5 50 u Str mungsgeschwindigkeit m s y Wandabstand m A Konstante statistisch zu bestimmen B Konstante statistisch zu bestimmen Die Ermittlung der Konstanten A und B wird f r beide Funktionstypen f r die sechs aufgenommenen Str mungsprofile in Microsoft EXCEL 2000 durchge f hrt Dieses Tabellenkalkulationsprogramm bestimmt die Konstanten A und B entsprechend der Forderung on 2 min gt ias a U N herung i l Um ein sp teres Rechnen mit diesen statistischen Naherungsfunktionen zu erleichtern wird der Ma stab des Wandabstandes von der Einheit mm aufm bertragen In der folgenden Darstellung sind die Ergebnisse f r die maxima le Durchstr mung des GPCG dargestellt 8 1 Potenzielle N herung y 17 521x 4 R 0 9909 x Me wert u 4 Logarithmisch Me wert u 4 Potenziell Me wert u Str mungsgeschwindigkeit m s Logarithmische N herung y 0 9683Ln x 15 677 R 0 9882 0 0 005 0 01 0 015 0 02 0 025 0 03 0 035 Wandabstand m Abbildung 5 53 Maximale Durchstr mung des GPCG mit 171 m h Anhand des Korrelationskoeffizienten R wird entschieden welche der beiden Funktion 5 49 oder 5 50 geeigneter ist Die folgende Tabelle zeigt die Ergeb nisse Messung des Volumenstromes Tabelle 5 16 Koeffizie
30. jet Treibsatz Abb 2 10 handelt es sich um einen Prozessgas Verteilerboden mit radial verlaufenden Luftzufuhrschlit zen Die Zuluft wird in kreisf rmige Bewegungen versetzt Hieraus resultiert eine kontrollierte und schonende Pro Spr hd sen in horizontaler Anordnung Abbildung 2 11 Turbojet Treibsatz duktbewegung ohne Produktruhezo nen oder sch dliche Turbulenzen Das Einspr hen der Bindemittell sung erfolgt durch diverse tangential am Verteilerboden installierte D sen Der INNOJET Treibsatz besteht aus mehreren sich berlappenden Leit fl chen zwischen deren spaltbilden Spr hd i i den Abst nden die Prozessluft zur pr hd sen in a pa vertikaler Anordnung kreisteilenden Mitte hin austritt3 Durch diese Luftzuf hrung wird e Abbildung 2 10 Innojet Anstr mboden in der Aufsic benfalls eine Produktabla gerung am Prozessgas Verteilerboden unterbun Neue Entwicklungen auf dem Gebiet des WSG Anlagenbaus den Das Einspr hen der Bindemittell sung erfolgt bei diesem Verfahren so wohl durch horizontal als auch duch vertikal auf H he des Anstr mbodens angeordnete Spr hd sen 2 6 2 3 Stoff Spr hd sen Von der Firma H ttlin GmbH ist ein neuartiger Spr hd sentyp entwickelt worden bei dem die mittels Druckluft zerst ubte Granu lierfl ssigkeit von einer eigens konditionierten Luft dem sogenannten Mikroklima um str mt wird Diese zumeist feucht und k hl gehaltene L
31. rzburg Arbeitskreis Prof Dr C M ller Universit t W rzburg Rosenapotheke Melsungen St Laurentius Apotheke Zell am Main T nning Apotheke W rzburg F hrungsakademie der Bundeswehr Hamburg PzBtl 64 Wolfhagen PzGrenBrig 5 Neustadt PzBrig 36 Veitsh chheim Heeresf hrungskommando Koblenz NATO Verwendungen Stipendium Studienstiftung des Deutschen Volkes 1993 bis 1998 257 258 11 LITERATURVERZEICHNIS I Zimmermann Pharmazeutische Technologie 1 389 1998 H Schubert Grundlagen des Agglomerierens Chemie Ingenieur Technik 51 4 266 277 1979 gt J Ber nek K Rose G Winterstein Grundlagen der Wirbelschichttechnik 5 26 1975 D E Wurster Air suspension technique of coating drug particles a preliminary report J Am Pharm Ass Sci Ed v 48 8 451 456 1959 M Scott H Lieberman A Rankell et al Drying as a Unit Operation in the Pharmaceutical Industry J Pharm Sci 52 284 291 1963 N El Gindy M Samaha H Maradny The mixing performance of the fluidized bed for a multicomponent system Pharm Ind 48 403 407 1986 7M Scott et al Continous production of tablet granulations in a fluidized bed I J Pharm Sci 53 314 324 1964 8 A Metha K Adams M Zoglio Evaluation of fluid bed processes for enteric coating sys tems Pharm technol 10 46 56 1986 M Stie Mechanische Verfahrenstechnik 2 346 348 1994 10 M A Gilbertson J G Yates The tilting fl
32. sieren Die Analogie zwischen Wirbelschicht und Fl ssigkeit wird in folgen den Beobachtungen deutlich Wird der Beh lter in welchem die Wirbel schicht erzeugt wird geneigt so stellt sich die Oberfl che der Schicht stets waagerecht ein Wird in der Beh lterwand unterhalb der Wirbelschichtober fl che eine ffnung geschaffen so flie t der Feststoff wie ein Fl ssigkeits strahl heraus Werden in eine Wirbelschicht aus Partikeln gleicher Gr e K rper geringerer Dichte gegeben so schwimmen diese f rmlich auf der O berfl che Aufgrund der beschriebenen hnlichkeiten zur Fl ssigkeit wird die Ausbildung einer Wirbelschicht auch als Fluidisation bezeichnet 2 1 2 Str mungsmechanische Grundlagen Voraussetzung zum Erreichen der Fluidisierung ist dass das Sch ttgut durch den Durchstr mungswiderstand getragen wird Wird der Druckver lust Ap in Abh ngigkeit von der Fluidgeschwindigkeit u in doppelt logarithmischer Darstellung aufgetragen so f hrt dies zur Einteilung in drei prinzipielle Bereiche Leerrohr Festbett i Wirbelschicht Pneumatische i F rderung Ig Druckverlust Ap Ig Fluidgeschwindigkeit u Lockerungsgeschwindigkeit Austragsgeschwindigkeit Abbildung 2 1 Druckverlustverlauf einer homogen fluidisierenden Schicht Auch Fl ssigkeiten k nnen sowohl als Fluid als auch als Wirbelgut Verwendung fin den Es ist auch der Fall denkbar dass aufgrund h herer Dichte des Fluids der Zu
33. strom desto gr er der Differenzdruck Diese Aussagen gelten analog f r die Druckdifferenz ber den Anstr mboden 181 6 Ergebnisse 120 R ckhaltefilter 100 Papaya aa 60 Differenzdruck Pa 40 20 Anstr mboden 0 t t t t t t t 1 00 00 00 00 15 00 00 30 00 00 45 00 01 00 00 01 15 00 01 30 00 01 45 00 02 00 00 Zeit seit Proze beginn h Abbildung 6 12 Differenzdrucke ber Anstr mboden und R ckhaltefilter Das scheinbar starke Rauschen dieser Messwerte liegt darin begr ndet dass diese Ergebnisse an der unteren Grenze des Arbeitsbereichs der Sensoren liegen Bei Produktbeladung des GPCG erreichen die Differenzdrucke ber den Anstr mboden Werte ber 1000 Pa die Warngrenze f r die Belastung der R ckhaltefilter liegt sogar bei 4000 Pa Die Tatsache dass die Differenz drucke ber den beiden H lften des R ckhaltefilters geringf gig differieren wird lokalen Unterschieden in der Filterbeschaffenheit zugeschrieben 6 2 6 Absolutdrucke Aufgrund der geographischen H he W rzburgs von 260 m ber dem Meeres spiegel liegt der durchschnittliche Luftdruck deutlich unterhalb der Stan dardbedingungen von 101 325 Pa wie folgendes Diagramm verdeutlicht 5 1015 1010 1 1005 4 1000 4 995 1 990 4 985 4 Luftdruck mbar 980 4 975 4 Abbildung 6 13 Entwicklung des Luftdrucks in W rzburg 260 m ber NN Oktober 2000 bis Juli 2001 182 Leertestung des GPCG
34. 1 4 1 05 Dichte kg m Abluft 0 95 0 9 t t t t t t 1 00 00 00 00 15 00 00 30 00 00 45 00 01 00 00 01 15 00 01 30 00 01 45 00 Zeit seit Proze beginn h Abbildung 6 35 Dichten der Frischluft und der Abluft Die Dichte der Abluft liegt stets unterhalb der der Frischluft Dies ist auf den geringeren Absolutdruck die h here Temperatur sowie den h heren Feuch tegehalt im Vergleich zur Frischluft zur ckzuf hren W hrend der Spr hpha Deutung der Messergebnisse eines Granulationsprozesses se berlagert der Effekt des Temperaturabfalls der Abluft den des steigenden Feuchtegehalts In der Konsequenz steigt die Dichte der Abluft w hrend die ser Phase an W hrend der Trocknungsphase sinkt die Dichte der Abluft in Folge des Temperaturanstiegs wieder Basierend auf diesen Werten wird die eigentliche Massenbilanzierungsrech nung durchgef hrt Das folgende Diagramm gibt die inkrementelle nderung der Wassermasse wieder 35 Abluft maj Spr hfl ssigkeit ms 2 5 1 Frischluft mp Massen nderung in 5 Sekunden g 051 0 Pre luft mp on ee osoni 00 45 00 01 00 00 Hae 01 30 00 01 45 00 Zeit seit Proze beginn h Abbildung 6 36 Inkrementelle Betrachtung der Massenbilanzierung Der Eintrag an Wasser durch die Frischluft bleibt ber die gesamte Dauer des Experimentes konstant Nach der Unterbrechung des Prozesses zum Be f llen des GPCG steigt mr simultan zum Volumenstrom wie
35. 2 17 kann wie folgt umgeformt werden y Mw 2 18 my My My Ausgehend von 2 16 folgt Xr my My My Einsetzen dieser Gleichung in 2 18 f hrt damit zu Kr my My My my Xy my my e Da die spezifische Luftfeuchtigkeit yr in der Einheit g kg definiert ist in Glei chung 2 16 jedoch Verh ltnisse verrechnet werden ist bei der Anwendung dieser Formel noch jeweils der Faktor 1000 einzuf gen Beispiel X 250g kg 250 150 1000 1000 xy 333 3 g kg Das folgende Diagramm verdeutlicht den Zusammenhang zwischen spezifi scher Luftfeuchtigkeit und Feuchtigkeitsgehalt Methoden der Feuchtigkeitsbestimmung in Gasphasen 250 240 230 220 210 200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Feuchtigkeitsgehalt g Wasser kg trockene Luft 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 Spezifische Feuchtigkeit g Wasser kg feuchte Luft Abbildung 2 15 Vergleich von Feuchtigkeitsgehalt und spezifischer Feuchtigkeit Um eine Beziehung zwischen Wasserdampfpartialdruck und Feuchtigkeitsge halt herzustellen wird auf die Komponenten Wasserdampf und Reinluft das allgemeine Gasgesetz angewandt pV nRT 2 20 Druck Pa Volumen m Stoffmenge mol Gaskonstante Jmol
36. 218 Die Resultate der Siebanalysen verdeutlichen dass h here Feuchtegehalte des zu granulierenden Gutes w hrend der Spr hphase die Partikelgr enver teilung des Produktes zu gr eren Werten hin verschiebt Aus der Festbettbildung bei Anwendung des 2 7 fachen der kritischen Spr h rate wird der kritische Wassergehalt f r die Standardgranulationsmethode berechnet Der Zusammenbruch des Wirbelbettes trat bei einer Wassermasse von 260 g auf 947 g trockenes Sch ttgut auf Der kritische Wassergehalt be tr gt demnach w m 27 5 Abschlie end bleibt festzuhalten dass diese Ergebnisse die Anwendbarkeit der Massenbilanzierungsrechnung im Allgemeinen sowie die des Parameters Kritische Spr hrate im besonderen belegen 7 DISKUSSION UND AUSBLICK Mit dieser Arbeit ist gezeigt worden dass bei ad quater Instrumentierung einer WSG Anlage eine Massenbilanzierung eines Wirbelschichtgranulati onsprozesses durchgef hrt werden kann Der auf diese Art berechnete Ver lauf des Wassergehalts im Granulationsgef w hrend eines WSG Prozesses entspricht exakt dem in der Literatur postulierten Mit der vorliegenden Instrumentierung des GPCG ist eine vollst ndige Beschreibung eines WSG Prozesses mit Ausnahme der W rmeabstrahlung der Anlage m glich Im Verlauf der Arbeiten wurde deutlich wie aufwendig insbesondere die Kalib rierung von Feuchte und Volumenstrommessungen sind Es wurde offen sichtlich dass die Sensorik erst
37. 30 C aufgeheizt und ges ttigter Wasserdampf eingeblasen Durch Bypass Bauweise der Befeuchtungseinheit ist die M glichkeit gegeben definierte Feuchtigkeitsgehalte der Zuluft zu rea lisieren Die Anreicherung der Luft mit Wasser wird auch praktiziert um e lektrostatische Aufladungen zu minimieren Steuerungen von WSG Prozessen 2 12 2 Massenbilanzierungen SCOTT stellte 1964 erstmals berlegungen zu Massenbilanzierungen eines WSG Prozesses an Da die Untersuchungen an einem Versuchsmodell einer kontinuierlich arbeitenden Anlage durchgef hrt wurden sollten sowohl Was ser als auch Feststoffmassenstr me ber cksichtigt werden Gleichzeitig wur den berlegungen zur Erstellung von Energiebilanzen durchgef hrt 1973 publizierte ORM S Denkans tze f r die Wassermassenbilanzierung eines WSG Prozesses28 SCHL NDER f hrte 1976 Messungen der Trock nungsgeschwindigkeiten technischer Substanzen in einer Modellanlage durch und stellte Berechnungen ber die Massenbilanzierung des Trocknungspro zesses an 1992 wurden von CARIUS Untersuchungen zur Erstellung einer Massenbilanzierung eines WSG Prozesses publiziert die aber nie ber das Stadium eines Rechenansatzes hinauskamen Im selben Jahr pr sentierte MERKKU eine Untersuchung ber eine Versuchsanlage mit sehr umfassen der Instrumentierung die als thermodynamisches System beschrieben wur dex 1996 schlug WATANO ein Modell zur Bilanzierung der Wassermasse in einer Rotor WSG
38. 55 erfolgreich angewendet werden207 2 erase 2 42 rc a a a 10 14 0 33Br 1 _1A18nB ossze pe A 0 33B R 9 Durch Einsetzen der Integrationsgrenzen wird die Bestimmungsgleichung f r den vierten Summanden erhalten R 033 Br r 2r 2 A 0 33B 0 33BP 0 33B 246 Integration der Geschwindigkeitsverteilungsgesetze ber den _1418nB osser R 033BR 1 e e 1 R 2R 2 2 A 0 33B 0 33BY 0 33B 0 33B 0 33B 0 33B _AlERB osser R 033BR 1 Ef DR E E A 0 338 0 33B 0 33B 0 33B 0 33B ee e R R 0 33B 0 33BR 1 e 1 e 0 1089 BR 0 66BR 2 2 10 15 Wiederum am Beispiel maximaler Durchstr mung des GPCG wird nun die Vo lumenstromberechnung mit Hilfe des Reichardtschen Ansatzes durchgef hrt Wie in vorausgegangenen Berechnungen ermittelt worden ist gilt A 1 906 m s B 33437 m1 R 0 035 m K 0 40 Einsetzen dieser Werte in die Berechnungsgleichungen ergibt 1 Summand 0 023641788 2 Summand 0 015770718 3 Summand 0 000293044 4 Summand 2 23309 10 5 Summe 0 039097131 m s Die Umrechnung in m h f hrt zu einem Volumenstrom von V 140 749 m3 h Integration der potenziellen N herungsfunktion Wird der Geschwindigkeitsverteilung eine Potenzfunktion zugrundegelegt so l sst sich der entsprechende Volumenstrom ausgehend von Gleichung 5 51 berechnen R V 2n ur dr und u A y 0 Der Wandabstand y wird durch R r ausgedr ck
39. Am Bedienpult werden zus tzlich Anlagezust nde angezeigt sowie gegebenenfalls auftretende St rf lle signalisiert Die von der Herstellerfirma als ECOVIEW bezeichnete Steuerung ist in SIMATIC STEP 5 programmiert 6 l g A i i 5 8 K2 4 i 3 7 Fr 9 _r l N Mitt ih a eg i i 2 8 10 Abbildung 5 5 Konstruktiver Aufbau des GPCG 1 Luftansaugung 2 Elektroheizung 3 Anstr mboden 4 Produkteinsatz mit Spr hsystem 5 Produktr ckhaltefilter 6 R ttelzylinder 7 Abluftklappe 8 Saugventilator 9 Abluftgr ting 10 Steuerschrank mit Bedienpult 5 2 AUSGANGSSITUATION DER INSTRUMENTIERUNG Im Auslieferungszustand umfasste der GPCG die in Abbildung 4 6 zusam mengestellte Instrumentierung Eine Messung der Luftfeuchten des Luftdru ckes sowie der Spr hfl ssigkeitsmasse war nicht m glich Die Str mungsge schwindigkeit wurde mit einem Pitotrohr gemessen welches unmittelbar hin ter dem Frischlufteinla positioniert war und damit v llig falsche Werte liefer te Die Regelungssystem der Zulufttemperatur f hrte zu Schwankungen um den Sollwert von ber 10 C und war damit absolut unbefriedigend Am An fang dieser Arbeit standen daher umfangreiche Umbauma nahmen des GPCG mit der einhergehenden Anpassung der Messwerterfassungssoftware Instrumentierung
40. Anlage vor 9 Der in die Anlage eingebrachte Wassermas senstrom wird als Summe der Massenstr me der Spr hfl ssigkeit und des mit der Frischluft eingebrachten Wassers berechnet Der die Anlage verlas sende Wassermassenstrom wird ber Warmebilanzen approximiert Als Nach teil dieser Methode ist festzuhalten dass die Abluftfeuchtigkeit nicht unmit telbar gemessen wird Im Jahr 2000 gelang es HLINAK 2 den Trocknungs prozess in einem Wirbelschichttrockner ber Warme und Wassermassenbi lanzen zu quantifizieren Bei dieser Arbeit wird insbesondere der Einflu der Feuchtigkeit der Zuluft auf das m gliche Trocknungsergebnis untersucht Es finden sich jedoch in der Literatur keinerlei Hinweise einen gesamten Granu lationsprozess zu bilanzieren 2 12 3 Mathematische Modelle der Wirbelschichtgranulierung In der Literatur gibt es zahlreiche mathematische Modelle zur Beschreibung von Wirbelschicht Zust nden Exemplarisch seien hier die Ausf hrungen von MOLERUS und STIE 1 genannt WALDIE stellte 1987 ein Modell zum Wachstumsmechanismus von Granulen in batchweisen und kontinuierlichen Wirbelschichtgranulierern vor 3 Die hiermit vorhergesagten Partikelgr en waren jedoch stets kleiner als die tats chlich erhaltenen WATANO entwickel te 1996 ein Modell welches die Vorhersage der zu erwartenden Granulat Partikelgr en f r vorgegebene Mischungen von Lactose und Maisst rke bei unterschiedlichen Bedingungen einer Rotorwirbelschicht
41. Bachofen AG Basel Schweiz gew hlt wird 100 g Probe werden auf einem Sieb der lichten Maschenweite von 200 um einer Luft strahlsiebung Typ A320 LS Firma Alpina Augsburg unterzogen In ei nem Vorversuch wird die optimale Siebdauer durch Auftragung des Sieb nn ween r ckstandes in Abh ngigkeit von der Zeit ermittelt In Anlehnung an SUCKER werden weitere 100 g Probe in ein 1000 ml Schraubglas berf hrt und eine halbe Stunde mit 50 Upm im Tur bulamischer bewegt Mit dem derart beanspruchten Sch ttgut wird jetzt e benfalls die Luftstrahlsiebung durchgef hrt Der prozentuale Masseverlust des R ckstandes wird als Abrieb ermittelt g gt M Ricks tand M Ricks tan d nach Beanspruchung Abrieb M Ricks tan d Dieses Bestimmungsverfahren ist an der durchschnittlichen Partikelgr e des Sch ttgutes orientiert Die Einwaage an Sch ttgut in das Mischgef zu Beginn der Beanspruchung wird gleichzeitig als Auftragsmasse auf das Luft strahlsieb angesehen Sollte der Feinanteil nicht quantitativ auf das Luft strahlsieb berf hrt werden k nnen da z B ein Teil an der Gef wand adh riert ist dies f r das Ergebnis der Luftstrahlsiebung unrelevant da jene Par tikeln deutlich kleiner als 200 um sind und daher bei der Siebung im Sieb durchgang gewesen w ren Derartige Feinstaub Verluste sind folglich f r die Bestimmung der Friabilit t unkritisch 75 4 Material und Standardmessmethoden 76 Um
42. DATA neu INPUT T H K LABEL T Temperatur des Sensors C LABEL H Anzeige relative Feuchte LABEL K Korrekturfaktor dimensionslos CARDS 22 7 1 6159 24 6 1 8847 24 5 7 1 6154 29 7 5 150 60 30 7 1 6130 SES TuS 1 4999 31 5 8 1 3784 69 9 1 2030 19 5 9 055 1 07921 29 51 1 01373 31485 49 3 0 99716 45 5 50 0 9354 5348 52 0 87039 24 31 9 1 04254 29 32 45 1 00031 39 31 5 1 00603 45 5 31 3 0 99169 54 31 0 96935 615 29 5 0 98475 21 84 6 1 00414 28 5 83 83 1 01 36 85 0 97435 45 84 0 9731 53 49 82 0 98598 62 79 1 0138 19 93 1 0753 Options PS nocenter Titlel Title2 Korrekturfaktor Feuchte in Abhaengigkeit von T und rel H u Title3 E Title4 kS DoE kE R HTH E TAR 082 d TAHT Tp Title SSS SS SS an A A nn an ann na ee ee 2 Proc print run Proc GLM Data neu Model k T T T H H H T H T T H T H H T T H H output out res p predict r resid Proc print Data res Var T H k predict resid run Turbo Pascal Quellcode zur Messwerterfassung des akustischen Feuch tesensors PROGRAM Sensor Init_GHA Initialisierung Sensorelektronik GHA Update 23 07 1998 A Stofleth Modified 17 07 2001 by U K ster F G 286 Code SN No Numeric Processor R Range check on SB Boolean complete evaluation on S Stack checking on I I O checking on USES Dos TpCrt TpEdit Async CONST ComPort BYTE 1 Nr der S
43. Effect of three independent vari ables on droplet size distribution and spray angle from a pneumatic nozzle International jour nal of pharmaceutics 123 247 256 1995 Teubner Firma Glatt GmbH Binzen Pers nliche Mitteilung 28 07 2000 1 Firma Munters GmhH Hamburg Homepage www munters de 2000 Firma Munters GmbH Hamburg Produktprogramm Luftentfeuchter 2001 119 S Watano T Fukushima K Miyanami Heat transfer and granule growth rate in fluidized bed granulation Chemical pharmaceutical bulletin 44 3 572 576 1996 12 A Hlinak A Saleki Gerhardt An evaluation of fluid bed drying of aqueous granulations Pharmaceutical development and technology 5 1 11 17 2000 121 O Molerus Fluid Feststoff Str mungen 9 11 57 67 1982 12 M Stie Mechanische Verfahrenstechnik 2 348 355 1994 13 B Waldie D Wilkinson L Zachra Kinetics and mechanisms of growth in batch and con tinuous fluidized bed granulation Chemical Engineering Science 42 4 653 665 1987 124 S Watano M Uchigami K Miyanami T Yasutomo Modeling of agitation fluidized bed granulation by random coalescence model Chemical pharmaceutical bulletin 44 7 1357 1360 1996 125 S Watano Y Sato K Miyanami Application of fuzzy logic to moisture control in fluidized bed granulation Journal of Chemical Engineering of Japan 28 3 282 287 1995 12 E Murtoniemi J Yliruusi P Kinnunen P Merkku K
44. Gleichung 2 31 zu V V At 6 20 F r einen Zeittakt von 5 Sekunden gilt nach Umrechnung auf die Zeiteinheit Stunde somit V 6 21 Aus 6 19 und 6 21 resultiert die Berechnungsformel f r die Masse an Was ser Mri die mit der Frischluft im Zeitintervall i mit At 5 s durch die Ma schine angesaugt wird Pin V a pe 6 22 720 Kin 4 Volumenstrom im Ansaugstutzen des GPCG m h n Pin Dichte der feuchten Frischluft kg m mp Wassereintrag durch Frischluft im Zeitintervall i g Zur Beachtung e Da der Feuchtigkeitsgehalt die Einheit g kg hat ist der Zahlenwert von x beim Einsetzen in diese Formel durch 1000 zu dividieren e mpjist definitionsgem in g anzugeben Beispiel Zahlenwerte aus Batchreport von Experiment 0193 12 Minuten nach Prozess beginn Vinepcg 17 m h L Pin 37 5 Xin 9 1 g kg Tin 298 85 K P 97 300 Pa Wasserdampfs ttigungsdruck gem 6 5 Pp 3303 9 Pa Wasserdampfpartialdruck gem 2 14 Pw 0 375 3303 9 Pa Pw 1239 0 Pa Theorie der Massenbilanzierung Somit ergibt sich gem 6 13 eine Dichte von 2 97300 Pa 287 06 Jkg K 298 85K 1239 Pa Pin 1 0 3779 _ 97300 Pa p 113419 09951878 Nm kg p 1 12878 m Der effektive Volumenstrom wird mit Gleichung 5 54 errechnet k 2 10 77 2 10 7 77 7 10 77 0 0077 77 0 6289 k 0 8910 68 61m h
45. KF Titrino mit 703 TI Stand W hrend eines Granulationsprozesses werden mit dem Probenzieher zu ei nem bestimmten Zeitpunkt so viele Probenz ge durchgef hrt bis ein 10 ml Schnappdeckelgl schen gerade vollst ndig mit Material gef llt ist Hierdurch wird verhindert dass Wasser aus der Probe in den berstehenden Luftraum diffundiert und damit das Ergebnis verf lschen w rde Auf einer Analysen waage wird ein W geschiffchen aus Glas tariert und in dieses ca 400 mg wasserhaltiges Granulat z gig eingewogen Die Probe wird in das Reaktions gef berf hrt und das leere W geschiffchen zur ckgewogen Die zu unter suchende Probe muss in dem Hydranal Solvent durch R hren m glichst fein dispergiert werden so dass das Wasser quantitativ erfasst wird und nicht etwa im Inneren gr erer Agglomerate eingeschlossen bleibt Nach Ende ei ner Bestimmung muss das Reaktionsgef vollst ndig entleert und gereinigt werden Nach Zugabe von Solvent wird die Konditionierung der Vorlage au tomatisch durchgef hrt Erst jetzt kann die n chste Messung durchgef hrt werden 4 6 BESTIMMUNG DER FRIABILIT T DER GRANULATE Die Granulatfestigkeit ist ein wichtiges Kriterium in Bezug auf Transport und Verarbeitungseigenschaften Als Beispiel sei die F llung einer Rundl u fertablettenpresse mit einem R hrfl gelf llschuh genannt Die zu verarbei tende Pressmasse muss den mechanischen Beanspruchungen der R hrfl gel soweit standhalten dass
46. Konsequenz zu einer weiten Verbreitung dieser Arbeitstechnik in der pharmazeutischen Industrie 5 F r die batchwei se Produktion pharmazeutischer G ter stehen heutzutage WSG Anlagen mit Kapazit ten zwischen 1 und 800 kg zur Verf gung 2 2 MISCHEN Nachdem das zu granulierende Sch ttgut auch Vorlage genannt in den Wirbelschichtgranulator berf hrt worden ist wird in der ersten Phase des 2 Stand der Wissenschaft WSG Prozesses eine Mischung der Bestandteile durch intensive Verwirbelung ohne Zufuhr von Spr hfl ssigkeit durchgef hrt Die Partikelbewegung ist nur bei Str mungsgeschwindigkeiten oberhalb der Lockerungsgeschwindig keit m glich Die Bewegung der Partikeln resultiert dabei insbesondere durch das Aufsteigen von Gasblasen im Wirbelbett Je gr er der Durchmesser dieser Blasen ist desto besser die Mischg te Die in WSG Anlagen erreichba re Mischg te wird allgemein als sehr gut eingesch tzt und liegt deutlich ber den Resultaten von Turbula oder Kubusmischern Diese den WSG Prozess einleitende Mischphase dauert gew hnlich zwischen 10 und 30 Mi nuten Da das Mischen durch einen warmen Luftstrom erfolgt wird gleichzei tig eine Trocknung erreicht Feststoffpartikeln die eventuell durch anhaften de Feuchtigkeit koh siv geworden sind lassen sich somit besser mischen Zus tzlich f hrt diese Trocknung zu einer Konditionierung der Vorlage W hrend dieser Mischphase kann es zu einer elektrostatischen Auflad
47. Leivisk The advantages by the use of neural networks in modelling the fluidized bed granulation process International journal of pharmaceutics 108 155 164 1994 127 J Kesavan G Peck Pharmaceutical granulation and tablet formulation using neural net works Pharmaceutical development and technology 1 4 391 404 1996 128 G Imanidis Untersuchungen ber die Agglomerierkinetik und die elektrische Leistungs aufnahme beim Granulierprozess im Schnellmischer Dissertation Universitat Basel 1986 12 I Zimmermann Universit t W rzburg Pers nliche Mitteilung 02 12 1999 130 Firma Meggle GmbH Wasserburg Datenblatt zu Lactose Monohydrat 2001 BI U Sindel Dissertation Universit t W rzburg 1998 263 264 132 Firma ISP Technologies INC Wayne USA Homepage http ecom ispcorp com 2001 3 A Wade P Weller Handbook of pharmaceutical excipients 2 392 399 1994 134 V B hler Kollidon Polyvinylpyrrolidone for the pharmaceutical industry 2 136 1993 135 Firma Retsch GmbH amp Co KG Haan Homepage http www retsch de 2001 3 Firma Retsch GmbH amp Co KG Haan Produktbroschiire Analysensiebe 2001 37 I Zimmermann M glichkeiten und Grenzen von Streulichtverfahren Chemie Ingenieur Technik 68 422 425 1996 88 K H Bauer Entwicklung fester peroraler Arzneiformen mit teilchengr enkontrollierter Arzneistofffreisetzung Dissertation Universit t W rzburg 16 1995 139 E Bruchhausen S
48. Probe Nr Zeit seit Prozessbeginn min Einwaage mg Wf 1 32 Zugabe Sch ttgut 272 5 308 2 43 Ende der Mischphase 357 4 535 3 50 354 5 765 4 58 237 8 922 5 65 317 12 518 6 70 Ende der Spr hphase 391 12 607 7 74 474 9 820 8 81 438 5 670 9 99 Ende der Trocknung 471 4 792 199 6 Ergebnisse 200 Am Ende der Mischungsphase ist die Lactose trocken Der gemessene Trock nungsverlust stimmt mit der Spezifikation des EuAB von 4 5 bis 5 5 exakt berein Um basierend auf diesen Messwerten auf die gesamte Masse an Wasser im GPCG zu einem beliebigen Zeitpunkt t schlie en zu k nnen muss zun chst die Masse an wasserfreiem Edukt my berechnet werden Das in den GPCG eingef llte Sch ttgut hat eine Gesamtmasse von 1000 g der Trock nungsverlust betr gt w 5 308 Mit Gleichung 2 6 folgt damit f r die Mas se an Wasser LE 53 08 00 2 Die Masse an wasserfreien Partikeln resultiert aus der Differenz m m m 1000g 53g 947g tr Die Zunahme der Masse an trockenem Sch ttgut durch den Auftrag des Bin demittels im Verlauf der Granulation sowie die Abnahme von My durch das Probenziehen k nnen vernachl ssigt werden Die Masse an trockenem Sch ttgut ist damit f r den gesamten Prozess konstant Durch Einsetzen von Gleichung 2 5 in 2 6 wird folgender Ausdruck erhalten m w 100 i m m Das Aufl sen dieses Terms nach mw liefert einen Ausdruck der bei Kenntnis von Myr und wy unmit
49. Reichardt 23 0473 Logarithmische N herungsfunkti 0 4945 on Potenzielle N herungsfunktion 2 1324 Vergleich der Geschwindigkeitsverteilungsgesetze VS 94 m h y 4 7055x 39 R 0 9373 x MeRwert u Berechnung Potenzgesetz u 34 Berechnung Reichardt u y 0 7314Ln x 4 7931 x Logarithmisch Me wert u R 0 9867 Potenziell Me wert u 24 14 0 H 1 0 5 10 15 20 25 30 35 Entfernung von der Rohrwand mm Abbildung 10 4 Summe der Abweichungsquadra 235 10 Anhang Potenzgesetz 12 1340 Reichardt 41 3319 Logarithmische N herungsfunkti 0 7811 on Potenzielle N herungsfunktion 2 8135 Vergleich der Geschwindigkeitsverteilungsgesetze VS 116 m h 105 a catia 8 x Me wertu Berechnung Potenzgesetz u Berechnung Reichardt u Logarithmisch Me wert u y 5 8851x0 927 R 0 9575 Str mungsgeschwindigkeit m s a 1 3 Potenziell Me wert u y 0 8737Ln x 5 9682 R 0 9901 2 1 0 t t 0 5 10 15 20 25 30 35 Entfernung von der Rohrwand mm Abbildung 10 5 Summe der Abweichungsquadra te Potenzgesetz 15 4121 Reichardt 54 2771 Logarithmische Naherungsfunkti 0 7613 on Potenzielle N herungsfunktion 2 4085 Vergleich der Geschwindigkeitsverteilungsgesetze VS 171 m h x Me wert u Berechnung Potenzgesetz u Berechnung Reichardt
50. Rohres m Fl che Anstr mboden m Integrationskonstante Kapazit t des Kondensators bei Vakuum zwischen den Platten F Schallgeschwindigkeit m s Kapazit t des Kondensators mit Material zwischen den Platten F Spezifische isobare W rmekapazit t eines Gases kJ kg C Rohrinnendurchmesser m Schergef lle s Durchmesser des Hitzdrahtes m Medianwert der Partikelgr enverteilung um Frequenz Hz Erdbeschleunigung 9 81 m s Spezifische Enthalpie von Wasserdampf kJ kg Spezifische Enthalpie feuchter Luft kJ kg Spezifische Enthalpie trockener Luft kJ kg Spezifische Verdampfungsenthalpie von Wasser kJ kg Spezifische Enthalpie von Wasser kJ kg Enthalpie von Wasserdampf kJ Enthalpie feuchter Luft kJ Enthalpie trockener Luft kJ Aquivalente Sandkornrauhigkeit mm Lange m Einlaufstrecke cm Masse kg Massenstrom der Komponente i g min Molare Masse g mol Durch Abluft im Zeitintervall At ausgetragene Masse Wasser g Durch Frischluft im Zeitintervall At eingebrachte Masse Wasser g Molare Masse trockener Luft 28 964 g mol Durch Pressluft im Zeitintervall At eingebrachte Masse Wasser g Durch Spr hfl ssigkeit in At 5s eingebrachte Masse Wasser g Granulierfl ssigkeitsvolumen bei welchem die Prim rpartikeln mit Fl ssigkeit ges ttigt sind ml Granulierfl ssigkeitsvolumen welches von Prim rpartikeln absor biert wird ohne dass es zur Bildung von Fl ssigkeitsbr cke
51. Systems von der Temperatur ist ann hernd linear paia R R 2 40 aR T Temperatur K a Materialspezifischer Temperaturbeiwert K Ro Widerstand bei 0 C Q Rr Widerstand bei der Temperatur T Q Widerstandsthermometer weisen allgemein eine ausgezeichnete Langzeitsta bilit t auf Die eigentliche Messzone eines Widerstandsthermometers umfasst nur die Spitze des jeweiligen Thermoelements Trotz thermischer Isolation unterliegt jede Sensorhalterung einer W rmeleitung Eine Faustregel besagt dass ein Thermof hlers mindestens mit der L nge des siebenfachen Durch messers in das Messmedium eingetaucht sein muss um diesen St reffekt zu kompensieren Bei Widerstandsthermometern sind Messfehler durch Ei generw rmung aufgrund des Messstromes theoretisch m glich praktisch jedoch ohne gro e Bedeutung da die entstandene W rme durch vorbeistr mende Luft abtransportiert wird Messungen in bewegter Luft f hren zu ver l ngerten Reaktionszeiten gegen ber solchen an Feststoffen oder Fl ssigkei ten da Gase nur deutlich geringere W rme bertragungen erlauben Der Ein bau eines Produkttemperaturf hlers sollte daher m glichst dicht ber dem Anstr mboden erfolgen da bei der hier h heren Produktdichte die W rme bertragung schneller erfolgt Die Temperaturverteilung in dem Produktbeh lter einer WSG Anlage ist von MORL untersucht und mathematisch beschrieben worden Durch zentri sche Einf hrung einer vertikal j
52. Wassermolek le mit ihrer hohen Dielektrizit tskonstante in das Polymer hineindiffundieren so kann bei gleicher Spannung mehr elektrische Ladung gespeichert werden Die hieraus resultierende Zunahme der Kapazit t des Kondensators wird mit hochfrequenten Wechselstr men gemessen Kapazitive Feuchtesensoren bieten eine Genauigkeit von bis zu 1 relativer Feuchte Die Langzeitstabilit t wird heutzutage mit 1 rF in f nf Jahren 45 2 Stand der Wissenschaft 46 angegeben Dieser Sensortyp ist unempfindlich gegen Betauung F r die pharmazeutische Praxis ist bedeutsam dass eine Empfindlichkeit gegen ber St uben immer gegeben ist dem kann in gewissen Grenzen mit F hlerkap pen aus Sintermaterial Teflon oder PE begegnet werden Derartige Schutz kappen k nnen zu stark verl ngerten Ansprechzeiten f hren Aufgrund des Messprinzips wird das Messergebnis durch elektromagnetische Felder stark beeinflusst Um unmittelbar in einer Wirbelschicht die sehr h ufig stark e lektrostatisch aufgeladen ist dennoch Messungen durchf hren zu k nnen muss der gesamte Sensor in einen Faradayischen K fig integriert werden Enth lt das Messgas L sungsmittel so ist Vorsicht geboten da zum einen das Messergebnis verf lscht wird zum anderen die empfindlichen Polymer schichten zerst rt werden Kapazitive Feuchtesensoren k nnen sehr klein gebaut werden Die Kapazit tsdifferenz dieser Sensoren ist jedoch vergleichs weise gering mi
53. an Wasser durch han dels bliche Baumwollhandt cher aufsaugen zu lassen und das feuchte ge wogene Gewebe in den GPCG zu berf hren Aus der Differenzw gung am Ende der Trocknung kann genau die abgef hrte Masse an Wasser bestimmt werden Die zugef gte Wassermasse wird hierbei so bemessen dass sie der am Ende einer Standardgranulation im Produkt befindlichen Menge ent spricht Ein Befeuchten von Gewebe mit der Spr hvorrichtung des GPCG scheidet aus da der Stoff nicht die einem Wirbelbett entsprechende Oberfl che aufweist 147 5 Experimenteller Teil 148 5 11 4 Befeuchten und Trocknen von Silicagel Das Befeuchten und Trocknen im Verlauf eines Granulationsprozesses soll zun chst anhand eines einzelnen Stoffes simuliert werden der dem Granu liergef sehr einfach quantitativ entnommen werden kann um so in g nze gewogen werden zu k nnen Es muss folglich ein frei flie endes Sch ttgut gew hlt werden das jedoch gleichzeitig eine ausreichend hohe Abriebfestig keit aufweist Diese Vorversuche werden daher mit Silicagel durchgef hrt Es handelt sich hierbei um ein Kieselgel in Form kleiner Kugeln welche mit ei nem Feuchteindikator impr gniert sind Da sich deren Farbe im wasserfreien Zustand nach blau verf rbt daher auch der Name Blaugel kann der End punkt einer Trocknung bereits visuell erkannt werden Die Versuchsbedin gungen werden hier entsprechend denen des Standardgranulierprozesses gew hlt Zuluf
54. bestimmten Temperatur wird erreicht wenn der Wasserdampfpartialdruck die Gr e des S ttigungs dampfdruckes annimmt Xmax Maximaler Feuchtigkeitsgehalt g kg Aus den bisherigen Betrachtungen folgt dass der Zustand feuchter Luft voll kommen beschrieben ist wenn neben dem Luftdruck p und der Temperatur T eine der Zustandsgr en f p pw oder x bekannt ist 2 9 2 Einflu des Gesamtdrucks auf die Feuchtigkeitsbestimmung in Gasphasen Aus dem allgemeinen Gasgesetz gem Gleichung 2 20 in Verbindung mit Gleichung 2 13 kann leicht aufgezeigt werden dass die thermodynamische Zustandsgr e Feuchtigkeitsgehalt y vom Gesamtdruck p abh ngig ist da die als Bezug benutzte Masse des Reinluftanteils von p beeinflusst wird Pi V R T m und P P Pw L und damit y me pP Die Konsequenz dieses Zusammenhangs verdeutlicht Gleichung 2 28 die den Zusammenhang zwischen maximalem Feuchtigkeitsgehalt der Luft und at mosph rischem Druck beschreibt ar 622 2 P Pp Da der Sattigungsdampfdruck pp nur von der Temperatur determiniert wird aber vom Gesamtdruck p unabh ngig ist gilt Je niedriger der Umgebungs 41 2 Stand der Wissenschaft 42 druck p desto mehr Wasser kann die Luft aufnehmen Da die meisten Feuch tesensortypen als Messgr e die relative Luftfeuchtigkeit verwenden wird im folgenden ein Zusammenhang zwischen und p hergeleitet Aufl sen von 2 27 1 622 Po _ P Pp nac
55. den Summanden Mwin in 6 30 durch einen Term zu ersetzen in den nur messbare Gr en eingehen wird wiederum von der Definition des Feuchtig keitsgehalts 2 17 ausgehend abgeleitet m Y M w in Xin TL in 6 32 Aus 6 30 folgt mit 6 31 und 6 32 durch Aufl sen nach mz jn 167 6 Ergebnisse MTE in PaPa Xin MTL in 3 720 f V in MTL in Xn a V i Pin Mp t 6 33 TL in 720 1 Xi Fur die Masse trockener Luft die mit der Pressluft im Zeitfenster At 5 s eingetragen wird mr gilt analog Vin Pr Ny p 720 1 Xp Da die Pressluft konditioniert ist sind die Dichte und Feuchtigkeitswerte konstant Beim Einsetzen dieser Messwerte ist auf die Umrechnung des Feuchtigkeitsgehalts zu einer dimensionslosen Gr e zu achten der Zahlen wert muss aufgrund der Einheit g kg durch 1000 dividiert werden V aa 1 2074 kg m m 720 47 ae 1000 My p 1 675581 10 Va kg Um die direkte Abh ngigkeit vom Spr hluftdruck zu erhalten wird in diese Gleichung noch 5 55 eingesetzt Mn p 2 54684123 10 p ke 634 Die Masse an trockener Luft die im Zeitfenster At 5 s den Wirbel schichtgranulierer verl sst entspricht gerade der Summe von 6 33 und 6 34 mn m 6 35 TL out MTL in m TL P Die Masse an Wasser die im Zeitfenster At 5 s aus dem Wirbelschichtgra nulierer ausgetragen wird kann nun unmittelbar aus der
56. der GPCG ein 1 5 m langes PVC Rohr mit einem dem Ansaugrohr der Maschine entsprechenden Innendurchmesser angeflanscht Der Ansaugstutzen endet stumpf in der Geh usewand Um in dem aufgesetzten Rohr die gleichen Einlaufverh ltnisse wie an der Messstelle in der GPCG zu simulieren wird an das offene Ende des Rohres eine senkrecht zum Querschnitt verlaufende Platte mit entspre chender ffnung fixiert f Sii dj fg Hr Cj WPAN Abbildung 5 39 Einlaufstrecke vor dem Ansaugstutzen des GPCG Messung des Volumenstromes Zur Ausbildung des vollen Geschwindigkeitsprofils ist eine bestimmte Rohr l nge die sogenannte Einlaufstrecke Lein erforderlich Nach L PRANDTL wird die Einlaufstrecke als diejenige Rohrl nge definiert nach der sich das Geschwindigkeitsprofil um weniger als 1 vom endg ltigen Zustand unter scheidet F r Kreisrohre wird die Lange Lein nach folgender Beziehung abge schatzt 72 Loin a Re d 5 29 Lein Einlaufstrecke cm a Koeffizient f r laminare Str mung Rey 4 lt 2320 gilt a 0 06 f r turbulente Str mung Rej4 gt 2320 gilt a 0 6 b Exponent f r laminare Str mung Rey lt 2320 gilt b 1 f r turbulente Str mung Repu gt 2320 gilt b 0 25 d Rohrinnendurchmesser m Die L nge der Einlaufstrecke an der GPCG ergibt sich bei maximaler theore tischer Geschwindigkeit von u 25 m s unter Standardbedingungen damit zu 25m s 1 15kg m 0 07m 18 10 Pa s 0 25 Loin 06
57. die Unterteilung jedes Geschwindigkeitsprofils einer turbulenten Rohrstr mung in drei Segmente die abschnittsweise beschrieben werden 131 5 Experimenteller Teil Wandabstand y Freie Turbulenz Wancdfurbulenz Laminare Unterschicht Str mungsgeschwindigkeit u Abbildung 5 48 Unterteilung des Geschwindigkeitsprofils einer turbulenten Rohrstr mung Bei der turbulenten Str mung entlang einer Wand wird die Turbulenzbewe gung durch die Wand behindert Infolgedessen verschwinden auch die f r die Turbulenz charakteristischen Schwankungsgeschwindigkeiten bei Ann he rung an die Wand Unmittelbar an der Wand y 0 haftet die Fl ssigkeits schicht fest In einer d nnen Schicht bildet sich eine laminare Str mung aus die sogenannte laminare Unterschicht hier wirken ausschlie lich molekula re Viskosit tskr fte Die lokale fl chenbezogene Wandreibungskraft die ein Fluid auf die Wand aus bt wird als Wandschubspannung 1 bezeichnet und ber den Newtonschen Reibungsansatz definiert 77 du Ty N 5 37 Ww Tw Wandschubspannung N m Dynamische Viskosit t Pa s du Geschwindigkeitsgradient an der Wand s dy y Zur Vereinfachung der Schreibweise wird aus der Wandschubspannung tw der Begriff der Wandschubspannungsgeschwindigkeit u abgeleitet u ZE 5 38 u Wandschubspannungsgeschwindigkeit m s Da eine laminare Grenzschicht einen sehr viel kleineren Geschwindigkeitsgra
58. die unabh ngig von der Beschaffenheit der Frischluft den Granulationsproze so zu steuern vermag dass zielsicher ein Produkt definierter Qualit t erhalten wird 2 7 EINFLUSSFAKTOREN DER WIRBELSCHICHT GRANULATION Aufgrund der Komplexit t des Verfahrens werden Wirbelschichtgranulationen von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst Diese lassen sich in drei Teilbe reiche untergliedern Tabelle 2 5 Einflu faktoren auf den WSG Prozess Apparative Prozess Parameter Produkt Parameter Parameter Anstr mboden Beladung Art des Bindemittels Form des Volumenstrom des Masse des Bindemittels Ansatzbeh lters Fluidisierungsmediums Spr hd sentyp Zulufttemperatur Art der Bindemittell sung Position der Konzentration der Spr hd se At Bindemittell sung Saug oder eh Temperatur der Druckbetrieb Aprel Bindemittell sung Spr hgeschwindigkeit 0 __ Sprtihluftdruck Fluidisierbarkeit Hydrophilie Scale up ent ne Spr hfl ssigkeit ms Hohe des Wirbelbetts des Wirbelbetts Hohe des Wirbelbetts Den bedeutendsten Einflu auf das Ergebnis eines WSG Prozesses hat die Zugabecharakteristik der Agglomerationsfl ssigkeit So kann im Extremfall Einflussfaktoren der Wirbelschichtgranulation das Einspr hen der Bindemittell sung zu dessen Spr htrocknung ohne Auf bauagglomeration f hren 56 Dies kann insbesondere beim Top Spray Verfahren beobachtet werden Die von oben aufgespr hten Tr pfchen treten zue
59. dimensionslose Abstand y logarithmiert wird Das Reichardt Gesetz gilt auch in der freien Atmosph re oft bis in H hen von einigen Hunderten von Metern Messung des Volumenstromes 25 20 Laminar l Logarithmisches Wandgesetz I Reichardt Dimensionslose Geschwindigkeit u 0 01 0 1 1 10 100 1000 10000 Dimensionsloser Wandabstand y Abbildung 5 50 Universelle Geschwindigkeitsfunktionen in halblogarithmischer Darstellung Um die allgemeine Form der dimensionslosen Darstellung auf das jeweilige Messproblem anwenden zu k nnen muss in den Bestimmungsgleichungen f r y und u der Ausdruck der Wandschubspannungsgeschwindigkeit u durch eine rechnerisch unmittelbar zug ngige Gr e ersetzt werden Dies gelingt mit der Rohrreibungszahl durch Anwendung der allgemeinen Glei chung 5 184 19 und Einsetzen in Gleichung 4 38 D u ee in u ga Mit dem so direkt bestimmbaren Wert der Wandschubspannungs geschwindigkeit u folgt f r den dimensionslosen Wandabstand und die di mensionslose Str mungsgeschwindigkeit u y gt y 5 47 v Podel ae 5 48 a 135 5 Experimenteller Teil 136 Im Folgenden wird am Beispiel des maximalen Volumenstromes des GPCG das gemessene Str mungsprofil in eine dimensionslose Darstellung berf hrt und mit dem Kurvenverlauf des Reichardt Gesetzes verglichen Messwerte Berechnete Gr en Umax 12 564 m s
60. eine mit viskosem l be netzte Oberfl che und anschlie ende mikroskopische Analyse durchgef hrt Sehr komplexe Berechnungen der maximalen Spr htropfengr e finden sich bei GRASSMANN 4 Die genannten experimentellen Verfahren weisen alle den Nachteil auf die Spr htropfen nicht in situ zu analysieren 1995 f hrte JUSLIN Messungen der Spr htropfengr e mit der Laserstreulichtanalyse durch 5 Hierdurch wurde es erstmals m glich die Spr htropfen unmittel bar nach Passieren der Spr hd se zu charakterisieren Es finden sich in der Literatur keine Hinweise zu einer on line Bestimmung der Spr htropfengr enverteilung Diese Messungen werden vor Beginn der Granulation mit der jeweiligen Spr hd se au erhalb der WSG Anlage durchgef hrt 57 2 Stand der Wissenschaft 58 2 12 STEUERUNGEN VON WSG PROZESSEN 2 12 1 Konditionierung der Zuluft Um die Reproduzierbarkeit von WSG Prozessen zu verbessern werden heut zutage ca 80 der neu geschaf Sorptionsrotor trockene Luft fenen gro technischen WSG Anlagen mit einer Konditionie feuchte Raumluft rungseinheit f r die Zuluft aus gestattet f r Anlagen im Labor Regenerationsluft feuchte Raumluft ma stab ist dies jedoch nicht EE vorgesehen 6 Eine Entfeuch Lufterhitze ae tung der Frischluft wird durch Abkthlen auf 6 C realisiert Mit Erreichen des Taupunktes Abbildung 2 23 Sorptionsrotor Firma MUNTERS kommt es zur Abscheidu
61. f hrt durch die Verdunstungsk lte zu einer Abk hlung des Thermometers Feuchtkugeltemperatur Der Tem peraturunterschied zu einem trockenen Referenzther mometer wird als psychrometrische Differenz bezeich P net und ist um so gr er je trockener das Fluid ist Bei wasserdampfges ttigter Luft zeigen beide Thermometer Abbildung 2 19 Assmann Aspirationspsychrometer Methoden der Feuchtigkeitsbestimmung in Gasphasen die gleiche Temperatur an Voraussetzung f r eine psychrometrische Be stimmung ist eine Str mungsgeschwindigkeit der Luft von mindestens 2 5 m s Die Genauigkeit einer Psychrometermessung betr gt ca 3 89 Mit ab nehmender Temperatur nimmt die Genauigkeit ab da die Psychrometerdiffe renz kleiner wird Die Halbwertszeit wird bei Verwendung von Thermoelemen ten mit 0 2 Sekunden angegeben Beim Einsatz von Psychrometern ist zu bedenken dass sie durch das verdunstende Wasser die Luftfeuchtigkeit be einflussen Am befeuchteten Docht kann es zu Mikroorganismenwachstum kommen 2 9 5 Lithiumchlorid Hygrometer Lithiumchlorid LiCl zerflie t an feuchter Luft sobald deren relative Feuch tigkeit einen Wert von 11 8 bei 22 C berschreitet Die entstehende Elekt rolytl sung leitet den elektrischen Strom im Gegensatz zum trockenen Salz sehr gut Die technische Realisierung dieses Messprinzips besteht darin ein Thermometer mit Glasfasergewebe zu umh llen welches mit einer LiCl L sung getr
62. feuchtigkeitsbeladene Abluft an dem relativ k hlen Metall konden sieren w rde k nnte diese Masse nicht vom Abluftfeuchtesensor erfasst wer den und die Massenbilanzierung w rde einen scheinbar zu geringen Was seraustrag aus der Anlage ergeben Um die Gewissheit zu haben dass eine derartige Wasserkondensation unm glich ist wird die Taupunkttemperatur der Abluft berechnet Sofern die Rohrwandtemperatur oberhalb dieses Wertes liegt kann Kondensation sicher ausgeschlossen werden Durch Einsetzen der Definition der relativen Luftfeuchtigkeit gem Glei chung 2 14 in die Berechnungsgrundlage des Feuchtigkeitsgehalts 2 26 folgt LP Qo nn 6 14 Pp 622 x Am Taupunkt betr gt die relative Luftfeuchtigkeit genau 100 Durch Ein setzen der Glatt Naherungsformel f r pp 6 7 und g 1 in 6 14 wird folgende Gleichung erhalten 17 08085 9 7 610 76 Ta X p 622 yx Stan Taupunkttemperatur C Durch Aufl sen nach Yr u wird ein Term erhalten der die direkte Berechnung der Taupunkttemperatur erlaubt 7 234 175 17 08085 2 xp 610 76 622 y Dieser Term wird weiter zusammengefasst zu 234 175 In XP 610 76 622 x 9 17 08085 XP Tau 6 15 610 76 622 x Theorie der Massenbilanzierung 6 1 4 Berechnung der Massenbilanzierung Ausgangspunkt der Erstellung einer Massenbilanzierung ist Gleichung 3 1 Im Folgenden wird die inkrementelle Berec
63. geringem Durchmesser des Ansatzbeh l ters k nnen aufsteigende Gasblasen den gesamten Querschnitt des Beh lters Mischen erf llen Die Wirbelschicht wird dabei in mehrere Feststoffkolben zerteilt die nach oben aufsteigen bis sie schlie lich zerplatzen Infolgedessen bildet sich durch den permantenten Zerfall der Wirbelschicht ein periodischer Zustand aus Die Teilchenkonzentration ist sowohl zeit als auch ortsabh ngig Den Vorteilen einer besseren Durchmischung der Phasen sowie einem erleichter ten W rmetransport durch die Blasenbildung stehen die Nachteile eines ver st rkten Partikelabriebs und eines erh hten Verschlei es an produktber h renden W nden gegen ber Kanaldurchbrochene Sch ttschicht Abb 2 2 E Insbesondere bei kleinen durch Feuchtigkeit oder elektrostatische Aufladung k h siven Partikeln ist eine Fluidisierung h ufig nur schwierig zu realisieren Das Fluid passiert vielmehr das ortsfeste Sch ttgut in Str mungskan len eine Auflockerung des Festbetts unterbleibt missgl ckte Wirbelschicht Die Teilchenkonzentration ist allein ortsabhangig Sprudelschicht Abb 2 7 Durch konusf rmige Ausf hrung des Materialbeh lters kann eine Sonder form eines Wirbelbetts realisiert werden Der Fluidstrom steigt in der Mitte des Gef es senkrecht auf und dehnt sich aus Die Fluidgeschwindigkeit nimmt dabei nach oben sowie nach au en hin ab Die Teilchen werden in der Mitte durch das Fluid nach oben g
64. is a crucial parameter for the mass balance The principle of measurement of the humidity sensors used is the modification of the capacity of a condenser Dependend on the relative humidity of the surrounding water diffuses into the sensing element and causes a change of the dielectric constant The time required for the equili bration of this process leads to a time response of the sensor The head of the humidity sensor is covered by a dust filter consisting of sintered metal As the water has to pass the filter material this causes a further delay of the meas uring system If the relative humidity of the medium jumps from 0 up to 90 the sensor displays the 45 level after 2 5 minutes half life periode The temperature inside the dust filter differs from that of the surrounding On this account there is a special climate at the sensing element Neverthe less the moisture content of the humid air inside and outside the dust filter is identical For the determination of the relative humidity of the flowing air an additional temperature sensor at this position is essential Acoustic humidity sensors use airborne sound properties as primary sensing effect This type of measurement system features a very short response time An acoustic humidity sensor prototype HTW University of applied sciences Dresden Germany is used for the dynamic humidity measurements of the outlet air Comparative measurements demonstrate the advantages over ca
65. konsolidieren sich durch Aufnahme weiterer Bindemittell sung Aus Phase 1 verbliebene sowie durch mechanischen Abrieb anfallende Prim rpartikeln k nnen an bestehende Agglomerate angelagert werden Im Fall relativ hoher Spr hraten ist es oft nicht m glich Phase 2 von Phase 1 abzugrenzen Phase 3 Sekund ragglomeration ball growth Bei hoher Klebkraft des Bindemittels und weiterer Zuf hrung von Bindemittell sung kann es zu Koaleszenz der nuclei kommen Es ent stehen unregelm ig geformte bis zu mehreren Zentimetern gro e Granulen Wird ein kritischer Wassergehalt berschritten so kommt es zu einer Festbettbildung Um dies zu verhindern muss der Gasvo lumenstrom erh ht werden Da der WSG Prozess in dieser Phase nur schwer beherrschbar ist wird besagter Zeitabschnitt auch als unkon trolliertes Kornwachstum bezeichnet Da Sekund ragglomeration im allgemeinen ungew nscht ist gilt es die Bin demittelzufuhr w hrend der bergangsphase zu beenden und den so erhal tenen Agglomerationsstatus durch Trocknung zu fixieren Von BECHER sind 12 Trocknen intensive Untersuchungen ber die Abh ngigkeit der Agglomeratbildung von der Position in der Wirbelschicht durchgef hrt worden So wird aufgezeigt dass innerhalb des Spr hkegels ein Partikelwachstum viel wahrscheinlicher ist als in Bereichen oberhalb der Spr hd se 2 3 4 Bedeutung der Gutfeuchte Da die Tendenz der Granulatteilchen miteinander z
66. mit dem akustischen Feuchtesensor zu ermitteln welche die aufgezeigten Abweichungen zufrie denstellend kompensieren k nnte Aus diesem Grund ist es lediglich m glich mit dem akustischen Feuchtesensor den qualitativen Verlauf der Abluftfeuch te zu messen sofern Sensortemperatur und Volumenstrom konstant sind 6 3 2 Relative Feuchte innerhalb und au erhalb des Feuchte messkopfes Die Temperaturunterschiede zwischen der str menden Luft und dem sensiti ven Bereich der Feuchtesensoren beweisen dass im Inneren der Staub schutzfilter eine andere relative Feuchte vorliegen muss als in der Umgebung Aus den Messdaten des Abluftfeuchtef hlers wird der Feuchtegehalt berech net welcher ber den Rohrquerschnitt konstant ist Mit diesem Wert der Temperatur des Abluftstroms und dem Absolutdruck kann dann die relative Luftfeuchtigkeit der Abluft errechnet werden 100 90 Abluft 80 4 70 60 4 50 40 J Feuchtesensor Relative Luftfeuchtigkeit 30 4 20 4 00 00 00 00 15 00 00 30 00 00 45 00 01 00 00 01 15 00 01 30 00 01 45 00 Zeit seit Proze beginn h Abbildung 6 17 Relative Feuchten innerhalb des Feuchtesensors und der Abluft Aus der Abbildung 6 17 kann entnommen werden dass die Abweichung zwi schen dem vom kapazitiven Feuchtesensor ermittelten Messwert und der tats chlichen relativen Feuchte der Abluft bis zu 30 betr gt Dieser in strumentell bedingte Fehl
67. mungsgeschwindigkeiten reagiert der Fl gelradsensor nicht S mtliche Versuche am GPCG werden mit der Luftklappenstellung 4 5 der Zweistoffd se durchgef hrt Wie das nachstehende Diagramm zeigt besteht eine sehr gute lineare Korrelation zwischen dem Spr hluftdruck und dem daraus resultierenden Pressluftvolumenstrom Volumenstrom m h 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 4 5 Spr hluftdruck bar Abbildung 5 57 Pressluftverbrauch der Spr hd se Da der Zusammenhang zwischen Spr hluftdruck und Pressluftvolumenstrom eine Ursprungsgerade ist k nnen die Werte f r ps lt 1 4 bar problemlos ext rapoliert werden Die gemessenen Daten stehen in guter bereinstimmung mit den Herstellerangaben Der Pressluftvolumenstrom wird f r Spr hluft drucke ber 1 3 bar wie folgt berechnet V 1 519975 p 5 55 V dd Pressluftvolumenstrom m h 5 10 BESTIMMUNG DER GRORENVERTEILUNG DER SPRUHFLUSSIGKEITSTROPFEN In der Literatur finden sich keine Untersuchungen mit der im GPCG einge bauten Zweistoffd se weshalb die Bestimmung der Tropfengr enverteilung experimentell realisiert wird Die entsprechende Messung kann in Vorversu chen au erhalb des GPCG durchgef hrt werden da davon ausgegangen wird dass die Bildung der Bindemitteltropfen in entscheidender Weise nur von den Bedingungen an der Spr hd se nicht aber vom umgebenden Medi um beeinflusst wird Da sich die Brechungsindices von Luft und Spr hfl s sigkeit signifi
68. nach Abschlu der Umbauma nahmen Ablufttemperatur Differenzdruck Hh Zulufttemperatur Produktr ckhaltefilter Spr hluftdruck Produkttemperatur Differenzdruck Anstr mboden A Str mungsgeschwindigkeit Frischlufttemperatur Abbildung 5 6 Instrumentierung des GPCG vor Aufnahme der Umbauma nahmen 5 3 INSTRUMENTIERUNG NACH ABSCHLUB R DER UM BAUMARNAHMEN Als Ergebnis der Nachr stungen erm glicht der GPCG jetzt die Aufzeichnung folgender Messgr en Tabelle 5 1 Am GPCG installierte Sensoren neue Messf hler in Fettdruck dargestellt Messgr e Messbereich a End Hersteller Frischlufttemperatur 50 600 C Fa Thermocogaz Hamburg Temperatur Frischluftfeuchtef hler 0 100 C Hygromess 0 100 rel Transmitter Frischluftfeuchtigkeit a k Fa Hygrocontrol euchte GmbH Hanau Fl gelrad Str mungs sensor ZS25GA mit Volumenstrom 0 4 40 m s 25 mm Fa H ntzsch Waiblingen Br nn ik 000 Typ 40 4304 Absolutdruck Umgebungsluft Absolutdruck Umgebungsluft Fa Jumo Fulda Differenzdruck DTO R 604A 0 Frischluftfeuchtemessstelle O 2000 Pa Fa Dwyer Michigan USA Zulufttemperatur 000000000000 __ 50 4600 C 600 C Pt 100 83 5 Experimenteller Teil Messgr e Messbereich od Hersteller Str mungswiderstand von Anstr mboden und Produkt 92900 Pa opel Produkttemperatur 50 600 C a 100 Sprithluftdruck
69. nicht das Granulat aufgrund der Reibungsbean spruchung zermahlen wird und dabei seine Flie f higkeit einb t Da die Bruchfestigkeit einzelner Granulen nur mit relativ hohem instrumen tellem Aufwand zu messen ist wird hier lediglich die Friabilit t der Granulate bestimmt Das EuAB sieht keine derartige Untersuchung vor Zur Durchf h rung eines Abriebtests f r Granulate finden sich jedoch in der Literatur ver schiedene Vorschl ge Es findet keine chemische Reaktion des Iods mit dem Lactose Monohydrat statt vergleiche EuAB Monographie von Lactose Monohydrat Bestimmung der Friabilit t der Granulate e SUCKER setzt die Siebfraktion 710 500 um einer 90 min tigen Beanspruchung im Turbulamischnung bei 50 Upm aus Nach anschlie ender Luftstrahlsiebung auf 500 um wird der Abrieb als prozentualer Anteil des Masseverlustes ermittelt e J GER berf hrt das Sch ttgut in einen modifizierten Fria bilit tstester und forciert die Beanspruchung der Partikeln durch Zugabe von Glaskugeln e MURTONIEMI unterzieht das Granulat einer 5 min tigen Belastung im Turbulamischer ebenfalls unter Zusatz von Glaskugeln Da die Zugabe von Glaskugeln zum Funktionsprinzip einer Kugelm hle ber leitet und dies keine realistische Beanspruchung f r Granulatpartikeln dar stellt wird die Friabilit t hier dahin gehend gepr ft dass als Beanspru chung ein 30 min tiger Umw lzvor gang in einem Turbulamischer Typ T2A Willi A
70. nkt ist Das Gewebe seinerseits ist mit einer Silber oder Platin elektrode umwickelt an die eine Wechselspannung angelegt ist Ein Teil des Stromflusses erfolgt ber die LiCl L sung die sich dadurch erw rmt und verst rkt Wasser verdunsten l t Ab dem Punkt an dem die LiCl L sung auskristallisiert steigt der Widerstand des getr nkten Gewebes der Stromflu und die Aufheizung reduzieren sich Jetzt nimmt das Gewebe wie der Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft auf Durch diesen Regelkreis stellt sich eine bestimmte Umwandlungstemperatur am Thermometer ein die na hezu linear mit dem Taupunkt der Umgebungsluft korrelliert 2 9 6 Kapazitive Feuchtesensoren Das Messprinzip dieser Feuchtesensoren beruht auf der nderung der Kapa zit t eines mit einem hygroskopischen Dielektrikum versehenen Plattenkon densators in Abh ngigkeit von der Feuchtigkeit der Umgebungsluft Als Bei spiel f r die technische Realisierung dieses Sensorkonzepts sei die Bauweise der kapazitiven Feuchtesensoren der Firma HYGROCONTROL GmbH Hanau n her erl utert Auf einem Glas oder Keramiktr ger wird durch Aufdamp fen einer Metallschicht die untere Kondensatorplatte gebildet Hierauf wird in D nnschichttechnik ein Film eines hygroskopischen Polymers aufgetragen dieses bildet das Dielektrikum des Plattenkondensators Durch Aufdampfen eines d nnen wasserdampfdurchl ssigen Goldfilms wird die obere Konden satorplatte gebildet Wenn bei hoher Luftfeuchtigkeit
71. of substantial modification the machine contains an extensive instru mentation Among other things the relative humidity the temperature and the absolute pressure of the fresh as well as of the outlet air and moreover the volume flow are measured The data collection is accomplished using a LabVIEW software National Instrumens Corporation Austin Texas USA at collection intervals of 5 seconds Subsequently the data is transferred to a Microsoft EXCEL worksheet for evaluation The granule formulation consists of a lactose monohydrate GranuLac 200 Meggle GmbH Wasserburg Germany and cross linked polyvinylpyrrolidone Polyplasdone XL ISP Technologies Inc Wayne US as tablet disintegrant A solution of polyvinylpyrrolidone Kollidon 90 F BASF AG Ludwigshafen Germany in purified water is used for the granulation of the material The measurement of the relative humidity of the air flow is realized by capaci tive humidity sensors Hygromess Transmitter Hygrocontrol GmbH Hanau Germany At a given temperature an excess of a water soluble salt in contact with its saturated solution and contained within an enclosed space produce a constant relative humidity which is used for the calibration of the sensing elements Based on the measured data of temperature and relative humidity a three dimensional function for the calibration factor is calculated via re sponse surface technique The response time of the humidity sensors
72. p 1 186 kg m p 101325 Pa v 1 569 10 m s gem Gleichung 5 1 v 23 C Re 56381 9 45 n 7 384 gem Gleichung 5 27 n 18 5 10 Pa s u 10 364 m s gem Gleichung 5 28 F r das PVC Rohr wird eine quivalente Sandkornrauhigkeit von ks 0 0015 mm angenommen Durch Einsetzen der Zahlenwerte in Gleichung 5 20 wird ersichtlich dass ein hydraulisch glattes Rohr vorliegt Re Ks 56381 015mm 1 208 lt 65 d 70mm Die Rohrreibungszahl wird folglich mit dem Blasius schen Gesetz 5 21 be rechnet _ 0 3164 4 56381 Mit den so erhaltenen Werten f r sowie v und u k nnen die erhaltenen Mess werte unmittelbar in eine dimensionslose Darstellung berf hrt werden 0 0205 Gem Gleichung 5 39 sE 10364m s 0 0205 F SE ae a y 33437 m ae Eo 56010 wis VB 4 Gem Gleichung 5 40 goal ae l 2 u 1 906m s u u C 10 364m s 0 0205 Die Dicke der laminaren Unterschicht kann aus Gleichung 5 39 berechnet wer den 5 gt y 33437m y y lt 0 15 mm Die folgende Graphik zeigt den Vergleich zwischen den zu dimensionslosen Gr en transformierten Messwerten des Versuchs maximaler Durchstr mung des GPCG und den nach dem Reichardtschen Gesetz zu erwartenden Werten Messung des Volumenstromes 30 25 20 Me wert u Reichardt u Dimensionslose Str mungsgeschwindigkeit u a 0 1 1 10 100 1000 10000 Dimensionsloser Wandabstand y Abbi
73. schlechten Korrelationskoeffizienten scheidet auch hier das lineare Model zur Beschreibung der Korrekturfunktion des Frischluftfeuchte sensors aus Begr ndet in der h heren Komplexit t des polynomischen Mo dels ist die Anpassung der Response Surface an die St tzstellen hierbei bes ser als bei dem quadratischen Model was sich dementsprechend in einem besseren Korrelationskoeffizienten manifestiert Der Verlauf dieser kompli zierten Ausgleichsfl che ist jedoch physikalisch nicht mehr interpretierbar 99 5 Experimenteller Teil 100 F r die Beschreibung der Korrekturfunktion des Frischluftfeuchtesensors wird daher das quadratische Model zugrunde gelegt k 9 43 10 9 1 6487 10 9 9 911551 10 8 7676 10 p 5 4 5 3727 10 9 1 2127 k Korrekturfaktor 9 Vom Frischluftfeuchtesensor gemessene Temperatur C Relative Feuchte laut Sensoranzeige Die Projektion dieser Flache auf die x y Ebene verdeutlicht den Zusammen hang 100 204 1 2 Messwert relativer Feuchte gt ber 1 Temperatur Frischluftfeuchtesensor C Abbildung 5 26 Quadratisches Model f r die Korrektur des Frischluftfeuchtesensors Innerhalb eines Bereichs von ca 50 bis 70 relativer Feuchte liefert der Frischluftfeuchtesensor die wahren Werte beim bergang zu niedrigeren relativen Feuchten werden hingegen viel zu geringe Feuchten angezeigt der Korrekturwert k nimmt d
74. sor erfasst werden kann Die berpr fung der Arbeitshypothese soll anhand nachstehender Versuchs planung in vier Phasen erfolgen Tabelle 3 1 Versuchsdesign zur Entwicklung der Massenbilanzierung Material Spr hfl s Phase im Ansatz sigkeit Zielsetzung e Basislinienstabilit t I _ _ e bereinstimmung von Zu und Abluft feuchte e Quantifizierung des Rauschens e Quantifizierung des Ansprechverhaltens Il Wasser der Feuchtesensoren e Steady state Wasserbilanz e Bestimmung der kritischen Spr hrate Feuchtes ged III Sch ttgut e Quantifizierung Trocknungsprozess Bindemittel Quantifizierung WSG Prozess IV Sch ttgut l sun e Bestimmung von Arbeitsbereichen f r 8 Standardgranulate 63 4 Material und Standardmessmethoden 64 4 MATERIAL UND STANDARD MESSMETHODEN 4 1 MATERIALIEN F R DIE GRANULATION Als Probenmaterial wurde eine Standardformulierung entwickelt die folgende Anforderungen erf llt e Toxikologisch unbedenklich e Weit verbreitet in der pharmazeutischen Praxis e Preiswert e Verwendbar als Placebogranulat f r Tablettierversuche gute Verpressbarkeit sowie gute Zerfallseigenschaften Als F llstoff wird Lactose Monohydrat verwendet Tabelle 4 1 Stoffdaten von GranuLac 200 Materialien f r die Granulation Aus der Messung der Korngr enverteilung geht hervor dass neben Partikeln zwischen 150 und 200 um ein hoher Feinanteil mit Durchmessern um 10 um zu
75. system visuell erkannt werden Da der Sensor f r berdruckbedingungen ausgelegt ist wird der Abluftleitungsschlauch vom hausinternen Abluftsys tem welches mit Unterdruck arbeitet getrennt Allein aufgrund des Str mungswiderstandes in dem rauen Abluftleitungsschlauch ist sichergestellt dass in der Plexiglasmesszelle ein berdruck herrscht Um ein Aufheizen und Befeuchten der Raumluft w hrend eines Granulationsprozesses zu verhin dern wird der Abluftleitungsschlauch aus dem Raum herausgef hrt Da die ses Messprinzip kalibrierungsfrei arbeitet ist laut Sensorhersteller eine Null punktbestimmung nicht erforderlich In einer Reihe von Vorversuchen wird jedoch berpr ft wie robust die Messung mit dem akustischen Feuchtesen sor gegen ber nderungen des Volumenstroms sowie der Ablufttemperatur sind Zur Bestimmung des Ansprechverhaltens der Feuchtesensoren wird in den leeren thermisch quilibrierten GPCG Wasser mit unterkritischer bis maxi mal kritischer Spr hrate eingespr ht so dass die nderung des Abluftfeuch tegehalts so schnell wie m glich erfolgt und nicht durch Kondensations und Verdampfungsprozesse an den Gef w nden verz gert wird 5 6 7 Sonstige Vergleichsmessungen der Luftfeuchtigkeit Um zus tzliche Referenzwerte der Raumluftfeuchtigkeit zu erhalten werden die Messwerte einer Funkwetterstation WMR 918H Firma HUGER Electro nics GmbH Villingen Deutschland herangezogen Die Sendeeinheit wird unmittelbar
76. u Berechnung Mittengesetz u Potenziell Me wert u Logarithmisch Me wert u y 8 9414x00974 R 0 9909 Str mungsgeschwindigkeit m s y 0 9683Ln x 8 9881 R 0 9882 0 t t t t 0 5 10 15 20 25 30 35 Entfernung von der Rohrwand mm 236 Vergleich der S ttigungsdampfdruckwerte verschiedener Summe der Abweichungsquadra te Potenzgesetz 40 0846 Reichardt 126 76 Logarithmische N herungsfunkti 1 0622 on Potenzielle N herungsfunktion 0 6865 VERGLEICH DER S TTIGUNGSDAMPFDRUCKWERTE VERSCHIEDENER NAHERUNGSFUNKTIONEN Tabelle 10 7 Vergleich der S ttigungsdampfdruckwerte verschiedener N herungsfunktionen Temperatur Temperatur Pp Tabellen im Po Pp gem Abweichung Pade Abweichung oes an C K wert Pa ASHRAE ASHRAE ASHRAE N herung Glatt Br formel 0 273 15 611 6 42 611 21 0 03 610 78 0 04 635 69 4 04 2 275 15 706 6 56 705 95 0 01 705 84 0 02 730 09 3 41 4 277 15 814 6 70 813 48 0 06 813 71 0 04 836 84 2 81 6 279 15 935 6 84 935 25 0 03 935 84 0 09 957 32 2 39 8 281 15 1073 6 98 1072 84 0 01 1073 83 0 08 1093 06 1 87 10 283 15 1228 ig 1228 00 0 00 1229 39 0 11 1245 71 1 44 12 285 15 1403 7 25 1402 59 0 03 1404 39 0 10 1417 07 1 00 14 287 15 1599 7 38 1598 67 0 02 1600 86 0 12 1609 12 0 63 16 289 15 1819 1h 1818 44 0 03 1821 01 0 11 1823 98 0 27 18 291 15 2064 7 63 2064 29 0 01 2067 20 0 16 2063 98 0 00 20 293 15 2339 7 76 2338 80 0 01 234
77. vom Einspr hen von Wasser in den leeren GPCG F r die berpr fung dieses dynamischen Verhaltens w re ein alternativer Messumformer notwendig welcher ebenfalls als Messsignal die relative Feuchte ausgibt und eine sehr kurze Ansprechzeit aufweist Da ein derartiger Sensor derzeit nicht verf gbar ist wird die berpr fung der Richtigkeit der Messwerte des kapazitiven Feuchtef hlers hier indirekt durchgef hrt Der aus der Umrechnung von relativer Abluftfeuchte Absolutdruck und Sensor temperatur berechnete Abluftfeuchtegehalt wird mit den Messwerten des a kustischen Feuchtesensors verglichen Dessen Messkurve belegt dass der Feuchtegehalt der Abluft eine Sprungfunktion darstellt Unmittelbar mit Be ginn der Spr hphase steigt der Abluftfeuchtegehalt sprunghaft auf einen konstanten Wert an mit Ende des Einspr hens von Wasser sinkt der Abluft feuchtegehalt rapide auf sein Ausgangsniveau ab Dies steht in bereinstim mung mit der erwarteten Entwicklung Der aus den Messdaten des kapaziti ven Feuchtef hlers errechnete Verlauf des Abluftfeuchtegehalts weist hinge gen zeitliche Verz gerungen auf Erst acht Minuten nach Beginn des Spr hens wird ein konstanter Abluftfeuchtegehalt gemessen mit dem gleichen zeitlichen Verzug wird nach Ende der Spr hphase der Feuchtegehalt der Frischluft wieder erreicht Die zeitliche Verz gerung des Messsignals der relativen Abluftfeuchte liegt sowohl im Ansprechverhalten des Sensors selbst als auch in de
78. von 0 400 m h wird auf ein Ausgangssignal von 4 bis 20 mA linear abgebildet Da von der Herstellerfirma geflissentlich auf eine Kalibrierung verzichtet wurde und laut Aussage der Firma Glatt die systematische Abweichung eines Fl gelradanemometers sehr h ufig bis zu 10 betr gt war eine eigene Kalibrierung unumg nglich Mit 108 Messung des Volumenstromes der Problematik einer derartigen Instrumentierung hat sich unter anderem LUY auseinandergesetzt 5 8 2 Ermittlung der Stromungsverhaltnisse Bei Str mungen in einem Rohr treten ganz bestimmte typische Str mungs formen auf die unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweisen Die Kenntnis dieser Str mungsform ist Voraussetzung f r eine geeignete Geschwindingkeitsbestimmung Zur Beschreibung von Str mungsverh ltnis sen ist von dem englischen Physiker Osborne REYNOLDS 1842 bis 1912 erstmals die nach ihm benannte dimensionslose Kennzahl definiert worden die das Verh ltnis der an einem Str mungsteilchen angreifenden Tr gheits kr ften zu den Z higkeitskr ften angibt u Str mungsgeschwindigkeit m s p Dichte kg m d Durchmesser des Rohres m n Dynamische Viskosit t Pa s Str mungen bei geometrisch hnlichen Randbedingungen sind demnach trotz verschieden gro er Abmessungen oder Geschwindigkeiten und sogar mit verschiedenen Fluids dann mechanisch hnlich wenn nur die Reynolds zahl gleich ist Das Verh ltnis von Viskosit t zu Dic
79. von Sxrit die die Kenntnis der aus dem Spr hvorgang resultierenden Ab lufttemperatur voraussetzten Eine Berechnung allein basierend auf den Zu standsgr en der Zuluft war hingegen nicht m glich 2 3 2 Bindungsmechanismen in Granulaten Die Bindungsmechanismen die einer Agglomeration zugrunde liegen wurden erstmals 1958 durch RUMPF beschrieben Die f r den Zusammenhalt der Prim rpartikeln innerhalb eines Agglomerates relevanten Kr fte werden dem zufolge nach dem Zeitpunkt ihres Wirksamwerdens in zwei Gruppen einge teilt 2 3 2 1 Tempor r wirksame Kr fte Fl ssigkeitsbindungen Bei der Feuchtagglomeration bertr gt die Agglomerationsfl ssigkeit Bin dungskr fte zwischen den Prim rpartikeln Diese Fl ssigkeitsbindungen ha ben ausschlie lich w hrend der Dauer der Granulation bestand Die Zugabe einer geeigneten Menge Agglomerationsfl ssigkeit f hrt zu einer Verdichtung des Granulates Dieser Zustand wird sp ter durch Feststoffbr cken fixiert Wird einem por sen Sch ttgut Fl ssigkeit zugef gt so f llt diese zu einem gewissen Teil dessen Hohlraumvolumen aus Der Quotient aus Fl ssigkeits volumen Vp zu Hohlraumvolumen Vy wird als Fl ssigkeitss ttigungsgrad S bezeichnet 2 Stand der Wissenschaft 10 S Fl ssigkeitss ttigungsgrad Vi Fl ssigkeitsvolumen cm Vu Hohlraumvolumen des Sch ttgutes cm SCHUBERT hat 1973 die Zugfestigkeit eines feuchten Schtttgutes in Ab h ngigkeit
80. 0 V RT Die Berechnung der spezifische Gaskonstante eines beliebigen Gases erfolgt gem Gleichung 2 24 zu Folglich gilt f r die hier interessierenden Gasgemische 8 314J K mol Luft R 0 287J g K i 98 964 g mol d 1 1 vae Jha ei Sr 18 016 g mol Aus Gleichung 6 9 mit 6 10 resultiert DEREN ae P R T Es gilt folglich f r die Dichte p feuchter Luft 157 6 Ergebnisse p Di yE 6 11 p Partialdruck trockener Luft Pa pw Partialdruck des Wasserdampfes Pa Die Summe der Partialdrucke von trockener Luft und Wasserdampf ent spricht dem Gesamtdruck p p pL pw In Gleichung 6 11 kann daher der Partialdruck trockener Luft ersetzt werden durch nachstehenden Ausdruck pL p pw 6 12 Es gilt folglich p P Pw Le RT RT u Ry Pp Pw R Pw RyR T Ryp Rw Pw R Pw Ry R T p P f Pw Aue R T P PRy p P J1 De R R T P Ry Das Verh ltnis der beiden Gaskonstanten hat den Wert L R _ My _ 18 016 g mol 0 62209 Ry M 28 96 g mol Durch Einsetzen dieses Zahlenwertes in obige Gleichung erh lt man somit p 2 1 037792 6 13 P L p Dichte feuchter Luft kg m p Gesamtdruck Pa R 0 28706 kJ kg K T Absolute Temperatur K pw Wasserdampfpartialdruck Pa Da der Term p R T der Dichte trockener Luft entspricht ist aus dieser Gleichung ersichtlich dass feuchte Luft leichter als trocke
81. 0 d S PM 4000 Spr hfl ssigkeitsmasse 0 4000 g Fa Mettler Greifensee Schweiz Druckdifferenz Produktr ckhaltefilter 0 5000 Pa GBEL Temperatur im Abluftfeuchtesensor 0 100 C Hygromess 0 100 rel Transmitter Abluftfeuchtigkeit 2 Tel Fa Hygrocontrol euchte GmbH Hanau Ablufttemperatur 0000000000 50 600 C Pt 100 Differenzdruck 0 2000 Pa ee an Abluftfeuchtemessstelle T USA ii aie ii Externe Temperaturmessstelle Fa R ssel Die folgende Abbildung zeigt die Einbauorte der Sensoren im berblick Ablufttemperatur i Abluftfeuchtigkeit Temperatur Abluftfeuchtef hler Differenzdruck Abluftfeuchteme stelle Differenzdruck Produktr ckhaltefilter Produkttemperatur Differenzdruck Anstr mboden I 77 4 iS N Pao J 886 N N oe N Sj N ll if Abluftklappen ffnung Frischlufttemperatur Volumenstrom Externer Temperaturf hler Frischluftfeuchtigkeit Zulufttemperatur Masse Spr hfl ssigkeit Temperatur Frischluftfeuchtef hler Spr hluftdruck Differenzdruck Frischluftfeuchteme stelle Umgebungsdruck Abbildung 5 7 Einbauorte der Sensoren am GPCG 5 4 MESSWERTERFASSUNG UND DATENAUSWERTUNG Temperaturmessungen In Zusammenarbeit mit dem Hersteller des GPCG wurde eine zentrale Mess werterfassungssoft
82. 1 161 30 69 Tabelle 5 3 Temperatur C 7 5 9 11 249 11 027 10 8269 Ges ttigte Magnesiumchlorid L sung Gemessene relative Feuchte Reale Effektive Feuchte 149 99 137 84 120 30 Abweichung 24 31 5 32 84 104 25 29 32 5 32 51 100 03 39 31 5 31 69 100 60 31 3 31 04 99 17 54 31 30 05 96 94 Tabelle 5 4 29 5 29 05 98 47 Ges ttigte Magnesiumnitrat L sung Temperatur C Gemessene relative Feuchte Reale Effektive Feuchte Abweichung 19 5 50 5 54 5 107 92 29 51 51 7 101 37 37 5 49 3 49 16 99 72 45 5 50 46 77 93 54 53 5 51 44 39 87 04 Tabelle 5 5 Ges ttigte Kaliumchlorid L sung Temperatur C Gemessene relative Feuchte Reale Effektive Feuchte Abweichung 21 84 6 84 95 100 41 28 5 83 83 83 101 36 85 82 82 97 44 45 84 81 74 97 31 82 80 85 98 60 62 79 80 09 101 38 93 5 Experimenteller Teil 94 Tabelle 5 6 Temperatur C Gemessene relative Feuchte Reale Effektive Feuchte Abweichung 19 93 100 107 53 Die folgende Abbildung zeigt die Rohdaten dieser Versuchsreihe in einer drei dimensionalen Darstellung Dabei wird der Korrekturfaktor k in Abh ngig keit der Sensortemperatur sowie der
83. 11 56899781 16 11 60774924 18 11 84214494 20 12 15973981 22 5 12 07979515 25 12 28034268 2th S 12 40177165 30 12 36120333 32 5 12 44243214 35 12 56496789 proc nlin method marquardt parms n 5 to 15 by 1 model u 12 56496789 r 35 1 n der n 12 56496789 n 2 log r 35 r 35 1 n output out b p yhat r yresid run proc plot data b plot u r a yhat r b yresid r c vpos 50 run 250 Programme und Makros SAS Quellcode zur Ermittlung des Exponenten n sowie der maximalen Str mungsgeschwindigkeit in Rohrmitte im Potenzgesetz I NAME TITLE KEYS PROCS DATE TEL Email SAS QUELLCODE Geschwindigkeitsverteilung_GPCG_max sas Stroemungsprofil Maximalgeschwindigkeit Ermittlung der Naeherungsfunktion des Potenzgesetzes fuer n und umax NLIN NLIN PLOT 04 08 2000 49 171 2720032 u koester pharmazie uni wuerzburg de c Ulf Koester Ay i 2f 2 3 7 3 i Bef tf 7 ii t4 A7 OI E E H e E e H K E e HE E E e A K H e Ae E e e e E E H e E E A E E E A E K E K E K k k K kk a DATA neu INPUT r u LABEL r Abstand von der Rohrwand mm LABEL u Stroemungsgeschwindigkeit m s 08884275 91410092 74666942 39971019 01945653 52994524 16549018 44615329 41506437 37466038 03434537 02998652 69728939 69783696 69728939 02998652 03299267 70577105 4021635 06122918 40
84. 17 08085 9 p 610 78 2 er Cp r Cp 0 622 Ans tze zur Simulation der Wirbelschichtgranulierung Da ein Aufl sen dieser Gleichung nach 9 nicht m glich ist wird die Abluft temperatur nummerisch bestimmt Beginnend bei 0 C wird der Wert f r 9 in 0 01 C Schritten erh ht bis die Differenz in Gleichung 6 58 gerade gr er als Null wird Mit dem so erhaltenen Wert der Ablufttemperatur wird jetzt der Feuchtegehalt der Abluft gem 2 28 ermittelt Pole 622 X out p _ Pp 8 6 59 Diese Berechnung kann graphisch anhand des Mollier Diagramms durch Verschiebung parallel zur Adiabate nachvollzogen werden F r die Massenstr me des Wassers gilt analog zu den Berechnungen in der Massenbilanzierung mit dem bergang in die Einheit g min folgende Zah lenwertgleichung Mi Massenstrom Wassereintrag durch die Frischluft g min Die Masse an trockener Luft die mit der Pressluft eingetragen wird ist so gering dass sie f r diese Berechnungen vernachl ssigbar ist Es gilt daher My Massenstrom trockener Luft g min N pie eat 6 62 TE 60 in in w in Mit dem so bestimmten Massenstrom an trockener Luft wird unmittelbar der Massenstrom an Wasser in der Abluft zug ngig M y out X out Mr 6 63 Als letzten Schritt der Berechnung wird die kritische Spr hrate als Differenz der beiden Wasser Massenstr me ermittelt Tyg My M 6 64 w out
85. 2 Voraussetzung f r die Massenbilanzierung ist dass im Bereich der Feuchte messstellen s mtliches Wasser gasf rmig vorliegt da Kondensat nicht von den Feuchtesensoren erfasst wird Durch Messung der Rohrwandtemperatur und Berechnung der Taupunkttemperatur der Abluft kann eine Kondensati on von Wasser an der Stelle der Abluftfeuchtemessung ausgeschlossen wer den Durch Anwendung der Massenbilanzierungsrechnung kann gezeigt werden dass der Wassergehalt im Granulationsgef im Verlauf der Spr hphase kon tinuierlich ansteigt um w hrend der Trocknungsphase in drei Trocknungs abschnitten wieder auf den Ausgangswert zur ckzugehen F r den Fall der Standardrezeptur folgt aus der Erstellung der Wasserbilanz dass im Verlauf eines Granulationsprozesses mit der Frischluft mehr als doppelt so viel Wasser in die Anlage eingetragen wird wie aus dem Einspr hen der Bindemittell sung resultiert Die Berechnung der Enthalpie der feuchten Zuluft zusammen mit den An nahmen eines adiabatischen Verdampfungsprozesses und einer S ttigung der Abluft erlauben die Bestimmung einer kritische Spr hrate bei welcher s mtliches durch die Spr hfl ssigkeit eingetragenes Wasser durch die Abluft herausgef rdert wird Die Richtigkeit dieser Berechnung kann durch Ein spr hen von Wasser in eine leere Anlage verifiziert werden F r die verwendete Standardrezeptur wird aufgezeigt dass eine zufriedenstel lende Aufbauagglomeration bei einer Spr hra
86. 2 00 0 13 2331 61 0 32 22 295 15 2645 7 88 2644 75 0 01 2648 16 0 12 2629 61 0 58 24 297 15 2985 8 00 2985 13 0 00 2988 65 0 12 2960 89 0 81 26 299 15 3363 8 12 3363 13 0 00 3366 65 0 11 3328 62 1 02 28 301 15 3781 8 24 3782 21 0 03 3785 57 0 12 3736 21 1 18 30 303 15 4246 8 35 4246 03 0 00 4249 08 0 07 4187 32 1 38 32 305 15 4758 8 47 4758 53 0 01 4761 06 0 06 4685 89 1 52 34 307 15 5323 8 58 5323 91 0 02 5325 68 0 05 5236 15 1 63 36 309 15 5945 8 69 5946 64 0 03 5947 39 0 04 5842 63 1 72 38 311 15 6630 8 80 6631 47 0 02 6630 91 0 01 6510 17 1 81 40 SiS 7381 8 91 7383 46 0 03 7381 26 0 00 7243 96 1 86 42 315 15 8205 9 01 8207 97 0 04 8203 77 0 01 8049 54 1 89 44 317 15 9108 9 12 9110 67 0 03 9104 10 0 04 8932 82 1 92 46 319 15 10094 9 22 10097 60 0 04 10088 22 0 06 9900 10 1 92 48 321 15 11171 9 32 11175 09 0 04 11162 47 0 08 10958 07 1 91 50 323 15 12344 9 42 12349 86 0 05 12333 53 0 08 12113 87 1 86 52 Zou 13623 9 52 13628 98 0 04 13608 46 0 11 13375 08 1 82 54 327 15 15012 9 62 15019 89 0 05 14994 69 0 12 14749 71 1 75 56 329 15 16522 9 71 16530 44 0 05 16500 05 0 13 16246 30 1 67 58 331 15 18159 9 81 18168 85 0 05 18132 77 0 14 17873 86 1 57 60 333 15 19932 9 90 19943 76 0 06 19901 51 0 15 19641 94 1 46 62 335 15 21851 9 99 21864 23 0 06 21815 34 0 16 21560 64 1 33 64 337 15 23925 10 08 23939 73 0 06 23883 77 0 17 23640 60 1 19 237 10 Anhang Temperatur Temperatur Pp Tabellen Bu Pp gem Abweichung
87. 2 4 5 Faktoren die die Trocknung beeinflussen 2 4 6 Einfluss der Restfeuchtigkeit auf die Granulateigenschaften 2 4 7 Steuerung der Trocknung 2 5 In der Praxis etablierte WSG Verfahren 2 5 1 Top Spray Verfahren 2 52 Bottom Spray Verfahren nach Wurster 2 5 3 Rotor Verfahren 2 6 Neue Entwicklungen auf dem Gebiet des WSG Anlagenbaus 2 6 1 Alternative Prozessgas Verteilerb den 2 6 2 3 Stoff Spr hd sen 2 6 3 WSG Verfahren mit organischen L sungsmitteln 2 6 4 Vakuum Wirbelschicht 2 6 5 Schmelzgranulation 2 6 6 WSG Anlagen mit Mikrowellenheizung 2 6 7 Kontinuierliche WSG Anlagen und Sonstige Neuentwicklungen 2 7 Einflussfaktoren der Wirbelschichtgranulation 2 8 Methoden zur Bestimmung des Wassergehalts in Feststoffen 2 8 1 Gravimetrische Verfahren 2 8 2 Bestimmung des ausgetriebenen Wassers 2 8 3 Karl Fischer Titration 2 8 4 Calciumcarbid Methode 2 8 5 Dielektrizit tsmessungen 2 8 6 Infrarot Wassergehaltsbestimmung 2 8 7 NIR Wassergehaltsbestimmung 2 8 8 Mikrowellen Absorption 2 8 9 Leitf higkeitsmessverfahren NARA A SI 2 8 10 Neutronenstrahlung 2 9 Methoden der Feuchtigkeitsbestimmung in Gasphasen 2 9 1 2 9 2 2 9 3 2 9 4 2 9 5 2 9 6 2 9 7 2 9 8 2 9 9 Ma e f r die Luftfeuchtigkeit Einflu des Gesamtdrucks auf die Feuchtigkeitsbestimmung in Gasphasen Taupunkt Hygrometer Psychrometer Lithiumchlorid Hygrometer Kapazitive Feuchtesensoren Resistive Feuchtesensoren Spektroskopische Verfahren Akustisch
88. 21635 46524818 42995316 81202 81202 12629757 19708557 41149267 66553543 62898492 77570677 07333073 03582134 33836488 5303359 56899781 60774924 84214494 15973981 07979515 28034268 40177165 36120333 44243214 56496789 proc nlin method marquardt parms n 6 to 12 by 1 umax 12 to 13 by 1 umax r 35 1 n umax n 2 log r 35 r 35 1 n r 35 1 n output out b p yhat r yresid CARDS 0 1 6 8 0 2 7 5 0 3 7 9 0 4 8 3 O55 8 4 0 6 8 6 0 7 8 7 0 8 8 8 0 9 8 9 1 9 1 EL 9 2 12 9 3 143 92 1 4 93 1 6 9 2 est 9 3 1 8 9 4 Lie 9 4 2 9 6 2525 9 6 255 9 6 2415 9 8 3 947 3 25 9 8 ER 9 8 4 10 4 5 10 5 10 959 10 6 10 al 10 8 11 9 TL 10 bi 12 11 14 11 16 11 18 11 20 12 225 Ley 29 12 27 85 12 30 12 32 5 i2 35 12 model u derim der umax run proc plot plot u r run data b a yhat r b yresid r c vpos 50 251 Anhang SAS Quellcode zur Bestimmung der Kalibrierfunktion des Abluftfeuchte sensors N be SAS QUELLCODE ep Le bA gx NAME Abluftfeuchtesensor sas 7 Le sy Le TITLE Kalibrierung Abluftfeuchtesensor Ef LE Abhaengigkeit von Temperatur und Feuchte ay ag ey iss KEYS regression response surface methods Ef PROCS GIM Si DATE 11 02 2001 yf LE TEL 49 171 2720032 ga FE Email u koester pharmazie uni wuerzburg de amp 7 ER ve c Ulf Koester JE ef OGIO ICICI III III
89. 3 3611 20 8 2 68 21 2678 2 317 6 45251 3 958 25 4 15 26 4655 2 396 6 90002 4 36723 29 5 681 30 9648 2 453 7 23222 4 68695 Messung des Volumenstromes 6 y 1 1221x 1 9996 R 0 9999 U a gt 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 4 5 5 u0 45 Abbildung 5 40 Ergebnis der Kalibrierung des Hitzdrahtsensors Die Umkehrfunktion dieser Kalibriergeraden ergibt damit die Berechnungs grundlage f r Str mungsgeschwindigkeiten anhand von Spannungssignalen 1 2 0 5 933 71996 5 a 1221 ies 5 8 4 4 Ergebnisse der Str mungsgeschwindigkeitsmessung An der GPCG wurden in der Betriebsart Abluftklappen Steuerung auf sechs Niveaus konstante Volumenstr me eingestellt und mit dem Hitzedrahtsensor das jeweilige Geschwindigkeitsprofil bestimmt Aufgrund der turbulenten Str mungsverh ltnisse sind charakteristische Schwankungen der Geschwin digkeitsmesswerte zu registrieren Da ein kontinuierliches Aufzeichnen der Spannungsmesswerte in Abh ngigkeit von der Zeit nicht m glich war wurde auf jeder Messstufe der Minimal und Maximalwert des Signals in einem Be obachtungszeitraum von einer Minute notiert und der arithmetische Mittel wert als Messwert verwendet Hieraus wurden unter Anwendung der Glei chung 5 33 die Str mungsgeschwindigkeiten errechnet Die bertragung in eine Graphik erlaubt den Vergleich der so erhaltenen Str mungsprofile Messergebnisse siehe Anhang 125 5 Experimentelle
90. 30 00 01 45 00 Zeit seit Proze beginn h Abbildung 6 27 Lufttemperatur im Inneren des GPCG 195 6 Ergebnisse 196 Wie diese Versuchsergebnisse zeigen steigt die Temperatur im Inneren der Anlage trotz Bel ftung w hrend eines Granulationsprozesses auf ber 40 C an Bei Messungen im Winter mit h heren Zulufttemperaturen wurden Tem peraturschwankungen von ber 25 C gemessen Dies beeinflusst das W r meleitungsverhalten der Sensoren Weiterhin kann der Abbildung entnom men werden dass das Einspr hen von Bindemittell sung zu einem deutli chen Temperaturabfall auch im Inneren der Anlage f hrt Nach Abschlu der Trocknungsphase steigt die Temperatur erwartungsgem wieder an 6 5 7 Differenzdrucke der Ruckhaltefilter Die beiden R ckhaltefilter werden alle 25 Sekunden asynchron f r jeweils 6 Sekunden abger ttelt W hrend dieser Zeit wird die Kammerklappe hinter dem zu reinigenden Filter geschlossen der gesamte Volumenstrom geht jetzt durch das jeweils andere Filter Der Differenzdruck ber das abzur ttelnde Filter geht in dieser Zeit auf Null zur ck in der anderen Filterh lfte steigt entsprechend dem regional erh hten Volumenstrom der Filterwiderstand stark an Das folgende Diagramm zeigt die Differenzdrucke ber die beiden parallel geschalteten R ckhaltefilter in logarithmischer Darstellung Die st r ker hervorgehobene Kurve bildet den Mittelwert von jeweils 10 Messwerten ab 10000 Spr hpha
91. 4 vom wahren Wert ab Zur berpr fung dieser Angabe wird ein sogenanntes Standard Reticule PS 62 vermessen Hierbei handelt es sich um ein in Glas fixiertes und mikroskopisch ausgewertetes Partikelkollektiv mit einem mittleren Durchmesser von 46 5 um Eine Zehnfachbestimmung ergab Von der Richtigkeit deutlich abzugrenzen ist der Begriff der Pr zision die als Wieder holstandardabweichung d h wiederholte Bestimmung in einem Labor von einer Person mit derselben Charge und demselben Ger t definiert ist 71 4 Material und Standardmessmethoden 72 einen Mittelwert von 47 11 um mit einer relativen Standardabweichung von 0 29 Die Richtigkeit dieses Messsystems wird daher als hinreichend be wertet Um die Ergebnisse des Malvern Particle Sizers mit Trockendispergierung mit einem alternativen Messverfahren zu vergleichen wurde ein Coulter LS 230 Small volume module Software Control Pro gram Version 2 11 M rz 1997 Coulter Electronics GmbH Krefeld Deutsch land benutzt Das Messprinzip ist dem des Malvern Particle Sizers vergleichbar Laser mit 4 mW Leistung Abbildung 4 10 Coulter LS 230 Messwellenlange 750 nm 126 Dreieranordnung Messbereich 0 04 bis 2000 unBhofortiochtiote tedrftigin dar Coulter LS 230 Uber eine sogenannte Polarisation Intensity Differential Scat tering PIDS Messanordnung mit welcher Partikelgr eninformationen f r Teilchen im Gr enbereich von 0 1 bis 0 4 um z
92. 6 3 Einspr hren von Wasser in den leeren GPCG 184 6 3 1 berpr fung der Richtigkeit des akustischen Feuchtesensors 184 6 3 2 Relative Feuchte innerhalb und au erhalb des Feuchtemesskopfes 186 6 3 3 Ansprechverhalten der kapazitiven Feuchtesensoren 187 6 3 4 Versuch der Entschmierung der Messkurven 188 6 3 5 Bewertung des Ansprechverhaltens der Feuchtesensoren 189 6 4 Trocknungsversuche 189 6 4 1 Trocknung von Baumwolle 189 6 4 2 Befeuchten und Trocknen von Silicagel 191 6 5 Deutung der Messergebnisse eines Granulationsprozesses 191 6 5 1 Volumenstrom 192 6 5 2 Spr hluftdruck 192 6 5 3 Spr hfl ssigkeitsgewicht und Spr hrate 193 6 5 4 Temperatur der Zuluft des Produkts und des akustischen Feuchtesensors 194 6 5 5 Temperaturen an den Feuchtesensoren 194 6 5 6 Temperatur im Inneren der Anlage 195 6 5 7 Differenzdrucke der R ckhaltefilter 196 6 5 8 Differenzdruck ber den Anstr mboden 197 6 5 9 Absolutdrucke 197 6 5 10 Luftfeuchten 198 6 5 11 Granulatfeuchtigkeit 199 6 5 12 Massenbilanzierung der Granulierung 202 6 6 Eigenschaften des Standard Granulates 206 6 6 1 Partikelgr enverteilung 206 6 6 2 Friabilit t 206 6 6 3 Rasterelektronenmikroskopie 207 6 7 Ans tze zur Simulation der Wirbelschichtgranulierung 154 6 7 1 Berechnung der Enthalpie feuchter Luft 212 6 7 2 Berechnung der kritischen Spr hrate 214 6 7 3 Anwendung des Parameters kritische Spr hrate in der Praxis 216 7 DISKUSSION UND AUSBLICK 219 8 ZUSAMMENFASSUN
93. 64 dry powder feeder user manual 3 1986 185 S Hogekamp Uber eine modifizierte Strahlagglomerationsanlage zur Herstellung schnell dispergierbarer Pulver Dissertation TH Karlsruhe 34 36 1997 186 O Krischer W Kast Trocknungstechnik 1 21 1978 187 I Zimmermann Pharmazeutische Technologie 417 1998 88 D Lide Handbook of chemistry and physics 78 6 8 1998 189 F Meier Firma Glatt GmbH Binzen Pers nliche Mitteilung 11 8 1999 90 A Wexler ASHRAE Fundamentals Handbook 5 2 1981 IH D Baehr Thermodynamik Eine Einf hrung in die Grundlagen und ihre technischen Anwendungen 208 217 1996 192 Zimmermann Pharmazeutische Technologie 111 112 1998 13 E Glaser P Surmann Praktische Mathematik in der Pharmazie 221 222 1981 L Zipser HTW Dresden Pers nliche Mitteilung 13 09 2001 W F Hemminger H K Cammenga Methoden der Thermischen Analyse 187 193 1989 1 W Hemminger G H hne Grundlagen der Kalorimetrie 99 109 1979 7 T Handtke Dissertation Universit t W rzburg 2000 18 F Marco M Rodriguez de Rivera Thermogenesis comparative study of several deconvo lution methods in time invariant calorimetry Thermochimica Acta 89 315 324 1985 1 S Bell et al Qualitative and quantitative evaluation of deconvolution for ion mobility spectrometry Analytica Chimica Acta 303 163 174 1995 20 J Voigt H Lippold J Krusche Verfahren zur dynamischen Ko
94. A Trocknungs abschnitt 20 Feuchtegehalt a 3 Trocknungsabschnitt a Feuchtegehalt des Sch ttgutes 3 Trocknungsgeschwindigkeit min 5 00 50 00 01 00 00 01 10 00 01 20 00 01 30 00 01 40 00 Zeit seit Proze beginn h Abbildung 6 39 Trocknungsverlaufskurve und Trocknungsgeschwindigkeit Dieser Abbildung kann entnommen werden dass der erste Trocknungsab schnitt in dem die freie Feuchte an der Oberfl che der Partikeln sowie an den Beh lterw nden verdunstet ca 7 Minuten dauert Diese Phase ist durch eine konstante Trocknungsgeschwindigkeit gekennzeichnet Das Trock nungsgut hat in diesem Zeitfenster die adiabatische Beharrungstemperatur Der Knickpunkt in der Trocknungsverlaufskurve markiert das Ende dieses Stadiums Im zweiten Trocknungsabschnitt welcher durch eine stark abfal lende Trocknungsgeschwindigkeit charakterisiert ist wird das kapillar ge bundene Wasser verdunstet Der dritte Trocknungsabschnitt wird durch die asymptotische Ann herung der Trocknungsgeschwindigkeit an den Wert Null beschrieben W hrend die ser Phase die hier ca 12 Minuten dauert wird hygroskopisch gebundenes Wasser entzogen 205 6 Ergebnisse 206 6 6 EIGENSCHAFTEN DES STANDARD GRANULATES 6 6 1 Partikelgr enverteilung Mit der Laserstreulichtanalyse kann die Entwicklung der Partikelgr enver teilung im Verlauf eines Granulationsprozesses ermittelt
95. AE Abweichung Pe ia C K wert Pa ASHRAE ASHRAE ASHRAE N herung Glatt el formel 66 339 15 26163 10 17 26180 19 0 07 26116 77 0 18 25893 08 1 03 68 341 15 28576 10 26 28595 97 0 07 28524 79 0 18 28329 93 0 86 70 343 15 31176 10 35 31197 90 0 07 31118 71 0 18 30963 63 0 68 72 345 15 33972 10 43 33997 26 0 07 33909 93 0 18 33807 33 0 48 74 347 15 36978 10 52 37005 82 0 08 36910 34 0 18 36874 85 0 28 76 349 15 40205 10 60 40235 82 0 08 40132 33 0 18 40180 70 0 06 78 351 15 43665 10 69 43700 01 0 08 43588 80 0 17 43740 12 0 17 80 353 15 47373 10 77 47411 61 0 08 47293 20 0 17 47569 10 0 41 82 355 15 51342 10 85 51384 37 0 08 51259 49 0 16 51684 39 0 67 84 Solo 55585 10 93 55632 55 0 09 55502 20 0 15 56103 54 0 93 86 359 15 60119 11 00 60170 92 0 09 60036 39 0 14 60844 92 1 21 88 361 15 64958 11 08 65014 80 0 09 64877 72 0 12 65927 73 1 49 90 363 15 70117 11 16 70180 01 0 09 70042 40 0 11 71372 04 T79 92 365 15 75614 11 23 75682 95 0 09 75547 22 0 09 77198 82 2 10 94 367 15 81465 11 31 81540 53 0 09 81409 57 0 07 83429 93 2 41 96 369 15 87688 11 38 87770 24 0 09 87647 44 0 05 90088 17 2 74 98 371 15 94301 11 46 94390 10 0 09 94279 42 0 02 97197 33 3 07 100 373 15 101320 11 53 101418 72 0 10 101324 72 0 00 104782 14 3 42 INTEGRATION DER GESCHWINDIGKEITSVERTEILUNGS GESETZE UBER DEN ROHRQUERSCHNITT Numerische Integration Die Berechnung des Integrals 5 51 kann numerisch erfolgen Mit Hilfe der Trapezregel wird jew
96. Aufheizen des akustischen Feuchtesensors kann sicherge stellt werden dass Mess und Referenzluftstrom von Beginn der Messung an die gleiche Temperatur haben Der Temperatureffekt wird damit eliminiert 219 7 Diskussion und Ausblick 220 Bei Verwendung einer gr eren Messzelle sollte es m glich sein konstante Str mungsverh ltnisse am akustischen Feuchtesensor zu erhalten so dass der Einflu des Volumenstroms auf das Messergebnis ausgeschlossen wird Dabei ist zu gew hrleisten dass das Ansprechverhalten des Messsystems nicht berm ig verschlechtert wird Zwar erm glicht die Massenbilanzierung das Arbeiten mit variablen Frischluftfeuchtegehalten f r berpr fungen der Reproduzierbarkeit des gesamten Messsystems w re hingegen eine Konditionierung der Frischluft sehr hilfreich Bei Verwendung alternativer Rezepturen sollten insbesondere Massenbilan zierungen von Krustengranulationen durchgef hrt werden um zu berpr fen ob w hrend der Granulationsphase mit einem konstanten Wassergehalt des Sch ttgutes gearbeitet werden kann Bei der Berechnung der kritischen Spr hrate ist die in der Anlage gespeicher te W rme vernachl ssigt worden Eine Erh hung der Richtigkeit dieser Be rechnung k nnte bei Aufstellung einer W rmebilanz der gesamten WSG Anlage erzielt werden Hierzu w ren eine Vielzahl von Temperaturmessungen an der Au enseite des GPCG erforderlich Die bertragung der Massenbilanzierung auf alterna
97. Beim Erreichen des Fl ssigkeitss ttigungsgrades 1 ist die Beherrschung eines WSG Vorganges meist nicht mehr m glich Mit Feststoffpartikeln gef llter Tropfen droplet suspension e S gt l e Die Fl ssigkeit umh llt den Feststoff vollst ndig e An Stelle der konkaven Oberfl che in den Poren tritt eine konvexe Oberfl che des Fl ssigkeitstropfens e S mtliche kapillaren Haftkr fte zwischen den Parti keln verschwinden e Das Agglomerat wird durch die Oberfl chenspannung des Tropfens zusammengehalten Granulieren Voraussetzung f r reproduzierbare Feuchtgranulierungen ist daher die Durchf hrung der Agglomerationsprozesse bei definierten Feuchtegehalten des Agglomerationsguts 2 3 2 2 Permanent wirksame Kr fte Feststoffbr cken Die hier zu behandelnden Kr fte determinieren die Festigkeit des getrockne ten Granulats Ihre Reichweite ist im allgemeinen kurz Es wird hier nur auf die bei WSG Prozessen relevanten Bindungsmechanismen eingegangen Erh rtende Bindemittel Bei Klebstoffgranulaten kommt es schon w hrend der Granulation sp tes tens aber in der Trocknungsphase durch die Entfernung der Agglomerations fl ssigkeit zu einer Konzentrierung der Bindemittell sung Die L sung wird z hfl ssiger und letztendlich erh rten die gel sten Polymeren Hierdurch werden aus frei beweglichen Fl ssigkeitsbr cken zunehmend feste Bindemit telbr cken mit vergleichsweise hoher Bindungskraft Der Zusammenh
98. Damit resultiert die in 5 s eingetragene Wassermasse nach 6 22 zu _ 1 1287 kg m 68 61m h D pans 9 1 2 Mm ol mri 9 6993 104 kg mri 0 970 g 6 1 4 2 Eintrag von Wasser durch die Spr hfl ssigkeit Die Masse Spr hfl ssigkeit die im Zeitintervall At 5 s eingetragen wird er gibt sich aus der Differenz der Masse im Ansatzgef zu Anfang und Ende des Zeitraums Sofern eine w ssrige L sung als Spr hfl ssigkeit verwendet wird muss noch der Anteil Bindemittel aus dieser Masse herausgerechnet werden Es gilt M Gesamt M Yasser H M Bindemittel 6 23 Mwasser Masse Wasser in der Bindemittell sung g Mpindemittei Masse Bindemittel in der Bindemittell sung g MGesamt Gesamtmasse Bindemittell sung g F r den Massenbruch Wws gilt W m Wasser WB m Gesamt 163 6 Ergebnisse 164 My P W _ Bindemittel er zis indemitte 6 25 M Gesamt Wwg Massenbruch Wasser in der Bindemittell sung F r die im Zeitintervall At 5 s eingetragene Wassermasse gilt damit Msi W we Mspr hft ssigkeit vor 5 sec Mgpr hfl ssigkeit jetzt 6 26 6 1 4 3 Eintrag von Wasser durch die Pressluft Der Pressluft Volumenstrom wird in Abh ngigkeit vom Spr hluftdruck so berechnet als w rde das Spr hen in eine leere Maschine mit Atmosph ren druck erfolgen Falls der Zuluftvolumenstrom durch die Pressluft beeinflusst werden sollte w rde dies durch das im Zuluftroh
99. Definitionsglei chung des Feuchtigkeitsgehalts berechnet werden In Analogie zu 2 17 gilt 168 Theorie der Massenbilanzierung _ My out X out me TL out Mit dem zuvor berechneten Wert von M r out und dem gemessenen druckkor rigierten Wert Yout gilt somit M 4 X out MTL out 6 36 Erg nzend sei noch kurz dargestellt wie sich der Abluftvolumenstrom be rechnen l sst Aus der Definition der Dichte 6 18 resultiert V ges out out P out Die Masse an feuchter Luft die die Maschine im Zeitintervall At 5 s ver l sst Mges out entspricht gerade der Summe der Massen von Wasser und tro ckener Luft Es gilt folglich Der Abluftvolumenstrom ergibt sich durch Division von Gleichung 6 37 durch das Zeitinkrement At 5 s u Kou a Vou out 5 sec 5 3600 und f hrt damit zu 7 1 M 4 MTL out 720h P out out 6 38 Diese Gleichung bietet die M glichkeit die Zunahme des Abluftvolumen stroms gegen ber dem Zuluftvolumenstrom zu berechnen Zum anderen sind hiermit alle Parameter bestimmt um auch mit Gleichung 6 29 die Masse Wasser zu berechnen die durch die Abluft im Zeitfenster At 5 Sekunden aus dem Wirbelschichtgranulierer gef rdert wird 169 6 Ergebnisse 170 Beispiel Zahlenwerte aus Batchreport von Experiment 0193 1 10 02 h nach Prozessbe ginn V 74m h Pim 36 2 Vin 28 4 C Din 98 150 Pa P 3 0 bar Pou 65 5 Vout 33 1
100. Dieser Sensortyp ist insbesondere f r die Anwendung in der Papier Holz und Lebensmittelindustrie konzipiert 2 10 METHODEN ZUR VOLUMENSTROMBESTIMMUNG IN GASPHASEN Die Bestimmung des momentan durch einen definierten Rohrquerschnitt flie enden Fluidvolumens wird als Durchflussmessung bezeichnet Der Quotient aus Volumen und Zeit tr gt allgemein die Bezeichung Volumen strom gt V V m 2 31 t V Volumenstrom m h V Fluid Volumen m 47 2 Stand der Wissenschaft 48 At Zeitintervall h Die exakte Bestimmung des Luftvolumendurchsatzes durch die WSG Anlage ist die Grundvoraussetzung f r eine zuverl ssige Massenbilanzierung Wie Modellrechnungen zeigen f hren schon Abweichungen der Volumenstrom messwerte von mehr als 10 zu Fehlern in der Massenbilanzierung die eine weitere Auswertung verhindern Die Erfassung des Luftvolumenstroms ist somit die kritische Messgr e schlechthin Messtechnisch zug ngig ist die Gasgeschwindigkeit u Bei Kenntnis der Rohrquerschnittsflache Aron ergibt sich damit der entsprechende Volumen strom zu V Any U 2 32 V Volumenstrom m h Rohr Rohrquerschnittsfl che m u Gasgeschwindigkeit m s Zur Bestimmung von Gasgeschwindigkeiten existieren eine Reihe unter schiedlicher Messprinzipien Die Auswahl eines Verfahrens richtet sich nach dem Messbereich der jeweiligen Problemstellung Gasgeschwindigkeits messger te werden allgemein als Anemomet
101. Drahtes von Luft realisiert Es bildet sich eine Grenzschicht aus die wie ein W rmeisolator wirkt Je h her die Str mungsgeschwindigkeit ist desto d n ner wird die Grenzschicht und um so besser kann der W rme bergang vom Draht an die Luft erfolgen Dieser Sachverhalt wird quantitativ durch das Kingsche Gesetz beschrieben O L AT A Ar C P dyp u 2 37 Abgef hrter W rmestrom W L L nge des Hitzdrahtes m AT Temperatur nderung K W rmeleitf higkeit des Gases W mK C Spezifische isobare W rmekapazit t des Gases kJ kg C p Dichte des Gases kg m dyp Durchmesser des Hitzdrahtes m u Str mungsgeschwindigkeit m s Es existieren zwei Messverfahren f r den Betrieb eines Hitzdrahtanemome ters a Konstanter Strom Messung der nderung des Widerstandes mittels Pr zisions br ckenschaltung Abnehmende Empfindlichkeit bei zunehmender Geschwindig keit Nur f r Geschwindigkeiten bis 20 m s geeignet b Konstanter Widerstand Messung des elektrischen Stromes der zur konstanten Tempe rierung des Widerstandsdrahtes ben tigt wird F r gr ere Geschwindigkeiten Str mungsgeschwindigkeit steigt mit der vierten Potenz des Br ckenstromes an Methoden zur Volumenstrombestimmung in Gasphasen Um den Arbeitsbereich eines Hitzdrahtanemometers ermitteln zu k nnen ist die Kenntnis der Str mungsverh ltnisse um einen solchen Draht Vorausset zung Die folgen
102. Fl ssigkeiten als Fluid zu realisieren Im Gegensatz dazu ist die Konzentration der Parti keln in der Wirbelschicht bei der Verwendung von Gasen als Fluid immer orts und zeitabh ngig Die sogenannten Inhomogenen Wirbelschichten werden in verschiedene Arten unterteilt 12 Abbildung 2 2 Wirbelschichtzusttinde Klassierende Wirbelschicht Abb 2 2 B Wird ein Sch ttgut unterschiedlicher Korngr e aber konstanter spezifischer Dichte fluidisiert so ordnen sich die kleinen Partikeln vornehmlich im obe ren die gr eren im unteren Bereich der Schicht an Die Teilchenkonzentra tion ist vom Ort nicht aber von der Zeit abh ngig Sortierende Wirbelschicht ohne Abbildung Ein Sch ttgut bestehend aus Partikeln gleicher Gr e aber unterschiedlicher Dichte wird unter Fluidisierungsbedingungen aufgeteilt Partikeln hoher spe zifischer Dichte halten sich vorzugsweise im unteren solche mit niedriger Dichte hingegen im oberen Bereich der Wirbelschicht auf Die Teilchenkon zentration ist vom Ort nicht aber von der Zeit abh ngig Brodelnde Wirbelschicht Abb 2 2 C Die in der technischen Praxis am h ufigsten beobachtete Form ist durch das Aufsteigen von partikelfreien Gasblasen gekennzeichnet Da die Oberfl che der Wirbelschicht heftig bewegt wird kommt es zu guter Durchmischung des Sch ttgutes Die Teilchenkonzentration ist zeit und ortsabhangig Sto ende Wirbelschicht Abb 2 2 D Insbesondere bei WSG Anlagen mit
103. G 221 XII 9 SUMMARY 224 10 ANHANG 228 Ergebnisse der Str mungsgeschwindigkeitsmessungen 228 Str mungsprofile im Vergleich zu N herungsfunktionen 234 Vergleich der S ttigungsdampfdruckwerte verschiedener N herungsfunktionen 237 Integration der Geschwindigkeitsverteilungsgesetze ber den Rohrquerschnitt 238 Programme und Makros 250 Publikationen 256 Lebenslauf 257 11 LITERATURVERZEICHNIS 258 XII Abk rzungsverzeichnis ASHRAE CCD CIP EuAB GPM GPCG IR KF KFR LiCl LSA NIR NN NT PEG PVP rF SAS Upm VS VT WSG American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engi neers Charge Coupled Device Clean in Place Europ isches Arzneibuch 1997 Good Manufacturing Practice in the Manufacture and Quality Control of Drugs and Pharmaceutical Specialities Glatt Powder Coater Granulator 1 1 CN 6533 Infrarot Karl Fischer Karl Fischer Reagenz Lithiumchlorid Laserstreulichtanalyse Nahinfrarot Spektroskopie Normal Null Meeresh he Nachteil Polyethylenglykol Polyvinylpyrrolidon relative Feuchte Statistisches Analyse System Softwarepaket Vol 8 01 Umdrehungen pro Minute Volumenstrom Vorteil Wirbelschichtgranulierung XV XVI Mathematische Symbole A Arohr Astr m C Co Cis Cmat Cp d D dup Div 0 5 f S hp hges hy hy Msmax Msmin Msp Mstart MTL Mir Mw mw et Konstante Querschnittsfl che eines
104. GPCG 1 1 einer Elektroheizung auf die Solltemperatur aufgew rmt 5 1 2 Arbeitsturm und Granuliereinsatz Der Arbeitsturm besteht aus dem austauschbaren Arbeitsbeh lter f r das vorgesehene Verfahren Top Spray Wurster oder Rotor sowie dem Filterge h use Bei der f r die vorliegende Arbeit verwendeten Anlage ist lediglich ein Granuliereinsatz f r das Top Spray Verfahren verf gbar Der an einem Schwenkarm befestigte Materialbeh lter wird w hrend des Betriebes der An lage pneumatisch gegen die oberhalb installierten R ckhaltefilter gepresst F r Bef llungs oder Entladezwecke wird der Granuliereinsatz abgesenkt und aus dem Arbeitsturm geschwenkt Der Materialbeh lter enth lt e Je ein Langfenster vorn und hinten zur Beobachtung des Prozesses e Zwei Stutzen f r die Aufnahme einer Spr hd se der nicht verwendete D senstutzen wird mit einem Blindstopfen verschlossen TL 5 Experimenteller Teil 78 e Einem Feinsieb als Anstr mboden mit einer lichten Maschenweite von 100 um e Einem Probenentnahmestutzen e Einem Messstutzen f r die Aufnahme eines Temperaturf hlers 5 1 3 Spr heinrichtung Die Granulierfl ssigkeit wird mit einer stufenlos regelbaren Schlauchpumpe zur Spr hd se gef rdert Da diese Pumpe nur bez glich ihrer Drehzahl re gelbar ist muss zun chst ihre volumetrische Dosierung quantifiziert werden Das folgende Diagramm zeigt das Ergebnis der F rderleistung von Wasser F rder
105. K Absolute Temperatur K HAs lt D F r Wasserdampf Py Va RT 2 21 F r Reinluft Pr V n RT 2 22 Mit der Definition der Molmasse gem M m m 2 23 n m Masse g M Molare Masse g mol folgt damit f r die beiden Gleichungen 2 21 und 2 22 m Pe W 39 2 Stand der Wissenschaft 40 My Pr V RE TL Die spezifische Gaskonstante eines beliebigen Gases sowie von Gasgemischen wird berechnet gem R 2 24 Es gilt folglich Py V Py V my Ry T com Mw RT Pr V V m Rp T m Pr TL Xt TL R T Mit der Defintion des Feuchtigkeitsgehalts y gem Gleichung 2 17 folgt da mit Py V My _ Ry T _ Pw Rr X gt Mrr Pau V Ry Pr Ry T Der Partialdruck der Reinluft kann mit Gleichung 2 13 substituiert werden Rn Pw x Ry P Pyw Daraus resultiert 1 My Pw 2 25 My P Pw Mw Molare Masse des Wassers 18 016 g mol Mr Molare Masse trockener Luft 28 964 g mol Einsetzen dieser Zahlenwerte f hrt zu x 0 6220135 Er P Pw Da der Feuchtegehalt y gem Gleichung 2 17 in g kg definiert ist muss dieser Term noch mit dem Faktor 1000 multipliziert werden Es gilt damit allgemein Methoden der Feuchtigkeitsbestimmung in Gasphasen y 622 4 _ 2 26 P Pw F r die Umrechnung von relativer Feuchte in den Feuchtegehalt gilt nach Einsetzen von Gleichung 2 14 analog Der maximale Feuchtigkeitsgehalt bei einer
106. MASSENBILANZIERUNG EINER WIRBELSCHICHTGRANULIERUNG DISSERTATION zur Erlangung des NATURWISSENSCHAFTLICHEN DOKTORGRADES der BAYERISCHEN JULIUS MAXIMILIANS UNIVERSIT T W RZBURG vorgelegt von ULF K STER AUS MELSUNGEN W RZBURG 2001 ULF K STER APOTHEKER UND HAUPTMANN D R GARTENSTRA E 15 34212 MELSUNGEN Alle Rechte der Vervielf ltigung und Ver ffentlichung vorbehalten Nachdruck auch nur auszugsweise nur mit schriftlicher Einwilligung des Verfassers Graphische Gestaltung Satz und Druck U K ster MASSENBILANZIERUNG EINER WIRBELSCHICHTGRANULIERUNG DISSERTATION zur Erlangung des NATURWISSENSCHAFTLICHEN DOKTORGRADES der BAYERISCHEN JULIUS MAXIMILIANS UNIVERSIT T W RZBURG vorgelegt von ULF K STER AUS MELSUNGEN W RZBURG 2001 Eingereicht am 0 0ss nenn bei der Fakult t f r Chemie und Pharmazie l GUtACHTER oss 22a Be 2 Gutachter sushi der Dissertation 1 Pr fer u res 2s Pr fer seen k CA naa b ETSI AE A E N der m ndlichen Pr fung Tag der m ndlichen Pr fung Doktorurkunde ausgeh ndigt am Widmung Diese Arbeit ist folgenden Personen gewidmet meinen Eltern den Mitgliedern der Lerngruppe mit denen ich f nf Jahre einen erfolgreichen gemeinsamen Weg gegangen bin Frau Apothekerin Susanne M ller geb Lederer Franken Apotheke Karlstadt Herrn Apotheker Ulrich Willecke Burg Apotheke Burgsinn mein
107. N gt Ss a e 205106 Produkt 102 Abbildung 6 44 REM Aufnahme des Produkts am Ende der Spr hphase in 20 facher Vergr erung 209 6 Ergebnisse 210 Es ist gut zu erkennen dass am Ende des Trocknungsprozesses relativ sph rische Partikeln brigbleiben es sind praktisch keine durch Sekund ragglo meration tempor r gebildeten Partikeln mehr existent Die Partikeln variieren in der Gr e zwischen 150 und 500 um Das in der Spr hfl ssigkeit gel ste Bindemittel reichert sich w hrend der Agglomerationsphase an der Partikeloberfl che in Form eines Films an Aus diesem Grund ist es nur schwer m glich Festk rperbr cken aus erh rtetem Bindemittel an der Granulatoberfl che sichtbar zu machen Erschwerend kommt hinzu dass nach berschreiten einer gewissen Vergr erung der E lektronenstrahl deutlich sichtbare Ver nderungen an der Probe bewirkt We nige Sekunden nach Einstellung der Vergr erung w lbt sich die Oberfl che auf das Umfeld bekommt Risse Bei den vorliegenden Proben waren derartige Zerst rungen bei Vergr erungen jenseits von 5000 zu beobachten Die fol gende Aufnahme zeigt derartige Ver nderungen die beim Fokussieren mit 10 000 facher Vergr erung entstanden sind E AU x3000 10pm 205106 Produkt 102 Abbildung 6 45 REM Aufnahme des Granulates in 10 000 facher Vergr erung Dennoch ist es gelungen Aufnahmen von Bindemittelbr cken zu machen Eigenschaften des Standar
108. Oberfl chenstruktur der Partikeln keinen Einflu auf das Messergebnis hat Es ist weiterhin vorteilhaft dass dieser NIR Methoden werden auch zur Bestimmung der Korngr e eines Sch ttgutes verwendet Methoden zur Bestimmung des Wassergehalts in Feststoffen Sensortyp unmittelbar den Messwert liefert also keine zeitliche Verz gerung des Messsignals verursacht Ein Nachteil besteht jedoch darin dass Wasser nur bis zu einer Tiefe von ca 5 cm in die Produktschicht hinein detektiert werden kann Dieses Feuchtemessverfahren kann daher bei gr eren Pro benvolumina nur unter der Voraussetzung eines r umlich konstanten Feuch tegehalts angewendet werden Ein weiteres Manko besteht in der Tatsache dass nur nichtleitendes Material durchstrahlt werden kann Die Mikrowellen Feuchtemessung erfordert eine produktspezifische Kalibrierung Vorausset zung f r nachfolgende Messung ist dabei eine konstante Sch ttdichte und Porosit t des Messmediums Mit Mikrowellenfeuchtesensoren ist es daher m glich z B in Rohrleitungen mit konstantem Materialfluss zu arbeiten nicht aber in der sich ndernden Beladung eines Wirbelschichtgranulierers 2 8 9 Leitf higkeitsmessverfahren Die elektrische Leitf higkeit eines im trockenen Zustand nichtleitenden Stof fes nimmt mit steigendem Wassergehalt zu Die Abnahme des Widerstandes bei geringen Wassergehalten erfolgt zun chst in mehreren Zehnerpotenzen um mit steigender Feuchtigkeit der
109. PCG Anzeige Entfernung von der Rohrwand mm U Hitzdraht V Str mungsgeschwindigkeit u m s 0 1 1 8205 3 548 0 2 1 8665 4 409 0 3 887 4 834 0 4 908 35 29 0 5 916 5 481 0 6 916 5 481 0 7 927 5 740 0 8 1 9235 5 657 0 9 936 5 959 1 944 6 158 1 1 1 9475 6 247 1 2 948 6 259 1 3 1 95 6 310 1 4 1 9485 6 272 1 5 954 6 413 1 6 957 6 491 1 7 1 9575 6 504 1 8 1 9575 6 504 1 9 966 6 728 2 1 9665 6 742 2 2 967 6 755 2 4 1 9655 6 715 2 6 969 6 809 2 8 971 6 863 3 973 6 917 3 25 1 9715 6 876 3 5 974 6 944 3 75 981 7 137 4 1 9785 7 068 4 5 985 7 249 5 983 7 193 39 1 9865 7 291 6 988 7 334 6 5 993 7 476 7 998 7 620 13 2 0005 7 693 8 2 001 7 708 8 5 2 004 7 796 9 2 007 7 885 10 2 011 8 005 11 2 015 8 126 12 2 0175 8 202 14 2 023 8 371 16 2 027 8 495 18 2 029 8 558 20 2 0345 8 732 22 5 2 0333 8 694 25 2 039 8 877 27 5 2 0385 8 861 30 2 039 8 877 32 5 2 039 8 877 35 2 039 8 877 37 5 2 038 8 845 40 2 0325 8 669 45 2 028 8 527 50 2 0155 8 141 55 2 011 8 005 60 2 7 679 Ergebnisse der Str mungsgeschwindigkeitsmessungen Tabelle 10 6
110. Pp ap p pp p 9 Pp Ox _0 p 9 pp 1 622 p py __ 622 9 Pp ap p 0 Pp p 9 py y _ 622 p Py 622 py __ 622 9 p Ap p 0 Pp p 9 Pp F r den Maximalfehler einer Einzelmessung folgt damit 622 12349 Pa 98000 Pa 622 0 5 12349 Pa 0 005 df 2 98000 Pa 0 5 12349 Pa 98000 Pa 0 5 12349 Pa 240 Pa _622 0 5 98000Pa 98000 Pa 0 5 12349 Pa 123 Pa df 0 4463 0 1093 0 4445 df 1 0002 Das Ergebnis dieser Rechnung ist zun chst scheinbar ohne Einheit Da diese Gr e als Massengehalt definiert ist k rzen sich die Einheiten hier folgerichtig heraus Da der Feuchtegehalt jedoch die Einheit g kg hat ist dies hier noch zu erg nzen Mit dem Zahlenwert f r den Feuchtegehalt folgt f r den relativen Ma ximalfehler F 1 0002 Ta E 24 X 41 8274 kg Beispiel 3 Ausgehend von den Messwerten von Beispiel 1 und 2 wird die Masse an Was ser mit ihrem Maximalfehler berechnet die bei einem Volumenstrom von 75 m h in einem 5 s Intervall in den GPCG gef rdert wird Es gilt gem Glei chung 6 22 175 6 Ergebnisse kg m AE N I a My E 720 1 Xn 720h7 14 _ 41 8274 kg 4 3130 g Da die Fehlerangabe des Fl gelradanemometers auf einer Str mungsge schwindigkeit basiert muss zun chst die Umrechnung in den Maximalfehler der Volumenstrommessung durchgef hrt werden Durch Einsetzen der Werte PF
111. Praxis fast ausschlie lich dann zur Anwendung wenn sogenannte Fehlchargen einem Produktionsprozess wieder zugef hrt wer den sollen Im Gegensatz dazu ist das Agglomerieren als das Zusammenf gen disperser Stoffe zu gr eren Stoffgebilden definiert und impliziert damit allgemein eine beliebige Kornvergr erungsoperation Bei diesem auch als aufbauende Granulation bezeichneten Prozess werden kleine Einzelpartikeln Prim rpartikeln durch Bindungen zu gr eren in ihrer Form m glichst einheitlichen Granulaten zusammengef gt Die folgende Abbildung gibt einen berblick ber die technische Realisierbarkeit 1 Einleitung Aufbauende Granulation Agglomeration Feuchtgranulation Trockengranulation Zugabe von L sungsmittel Zugabe von Bindemittel Mit Druck Mit W rme Krustengranulat Klebstoffgranulat Brikettgranulat Schmelzerstarrungsgranulat Pa See Exzenterpresse Spr hturm Kompaktierwalze K hlwalze Wirbelschichtgranulator Pelletierteller __Kompaktierwaize Abbildung 1 1 bersicht ber aufbauende Granulationsverfahren S mtliche Granulationsverfahren umfassen die Grundoperationen Mischen der Prim rpartikeln Aggregieren und Klassieren der Produkte Wenn mindes tens ein Bestandteil des zu granulierenden Sch ttgutes in einem L sungsmit tel l slich ist so k nnen durch Zugabe dieser Fl ssigkeit Pulve
112. Probe immer weiter abzuflachen Leitf higkeitsmessverfahren sind bei ungleichm iger Wasserverteilung sehr nied rigen sowie sehr hohen Wassergehalten ungeeignet FUNAKOSHI beschreibt die Anwendung dieses Messverfahrens bei einer WSG Anlage Die Anode taucht in die Wirbelschicht ein die Gef wand fungiert als Kathode Die Messung erlaubt allein Aussagen ber die an der Oberfl che gebundene Feuchtigkeit Nachteilig ist hierbei die Notwendigkeit einer produktspezifi schen Kalibrierung 2 8 10 Neutronenstrahlung Das Prinzip dieser Messung beruht darauf dass schnelle Neutronen durch Streuung an den gleich schweren Wasserstoffkernen abgebremst werden jedoch bei der Streuung an Atomkernen h herer Masse kaum an Geschwin digkeit verlieren In der Umgebung einer Quelle f r schnelle Neutronen bli cherweise Americum Beryllium Mischungen entsteht eine Wolke langsamer Neutronen deren Konzentration im wesentlichen nur vom Wasserstoffgehalt des umgebenden Volumens abh ngt Durch die Kombination eines derartigen Neutronenemitters mit einem Messorgan f r langsame Neutronen blicher weise ein 3He Z hlrohr wird eine Feuchtesonde erhalten Die Neutronen bremsung bleibt unbeeinflusst von Temperatur Druck pH Wert Porosit t und chemischer Bindung des Materials Da bei dem System sowohl Kristall wasser als auch chemisch gebundener Wasserstoff mit erfasst werden ist auch bei diesem Messverfahren eine produktspezifische Kalibrierung erfo
113. Proben mit einer Schicht dicke von 1 bis 10 mm in Transmission vermessen werden Feststoffe k nnen im NIR mittels diffuser Reflexion praktisch ohne Probenvorbereitung unter sucht werden Dies kann z B durch Eintauchen von Glasfasersonden in die Probe erfolgen Um Wasser zu detektieren wird eine Messwellenl nge von 1990 nm empfohlen eine simultane Hintergrundmessung kann z B bei 1740 nm durchgef hrt werden NIR Messungen erfordern produktspezifische zumeist nichtlineare Kalibrierungen Da sich im Verlauf eines WSG Prozesses durch die Zugabe des Bindemittels die stoffliche Zusammensetzung des Pro duktes ndert sind unterschiedliche Kalibrierungen f r die Spray und die Trockenphase erforderlich Zus tzlich beeinflussen Partikelgr enverteilung und Sch ttdichte die Messung 2 8 8 Mikrowellen Absorption Das Messprinzip ist mit dem der IR Bestimmung identisch Die Wellenl ngen liegen bei diesen Verfahren im cm Bereich entsprechend einer Frequenz im Bereich 2 6 bis 4 Gigahertz Ein 1994 vorgestelltes Messverfahren beruht auf der Ver nderung der Resonanzfrequenz eines Mikrowellenresonators 7 Es ist damit m glich die beiden Gr en Frequenzverschiebung und Absorption zu messen Durch multifrequente Messung und Ber cksichtigung von Phasen verschiebung und D mpfung k nnen Fehler minimiert werden Der Vorteil der Mikrowellen Absorptionsmessung besteht darin dass das Produkt voll st ndig durchdrungen wird und die
114. Spr hd se welche hier als sogenannte Zweistoffd se syn onym Pneumatische D se gefertigt ist Aufbau des Wirbelschichtgranulators Glatt GPCG Fl ssigkeitskanal Gasringkanal Verstellbarer Gasschlitz Spr hkegel Expansionswinkel gt gt 20 Abbildung 5 3 Schema einer Zweistoffdiise mit verstellbarem Gasschlitz Bei Zweistoffd sen wird die f r das Zerst uben der Fl ssigkeit erforderliche Energie durch das Zerst ubergas geliefert Durch Entspannung der Druckluft nach Passieren der D se wird die Fl ssigkeit beschleunigt und in einzelne Tr pfchen zerteilt Aus der hier verwendeten D senform resultiert eine soge nannte u ere Mischung bei welcher die beiden Medien erst nach Verlassen des Spr hkopfes in Kontakt treten Durch die in D senn he entstehende Sekund rstr mung wird die Fl ssigkeit als Film auf der Ausstr mfl che aus gebreitet und zur Abrisskante geschleppt Hier findet die eigentliche Zerst u bung statt Aufgrund eines im Gaskanal eingebauten Drallk rpers ist die Ausbreitung des turbulenten Strahls mit einem Expansionswinkel von ber 20 m glich 5 ber den verstellbaren Gasschlitz kann die Strahlform beein flusst werden D sen dieses Bautyps erzeugen einen Unterdruck im Fl ssig keitskanal und sind daher selbstansaugend Um jedoch reproduzierbare Fl ssigkeitsraten zu erreichen wird die Spr hfl ssigkeit mit einer F rder pumpe mit relativ niedrigem Druck zugef hrt Mit zunehmend
115. Temperaturen Luftatmosph ren definierter relati ver Feuchtigkeit aufweisen Aus den gemessenen Daten von Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit wird dabei mittels Response surface Technik eine dreidimensionale Korrekturfunktion ermittelt Das Ansprechverhalten der Feuchtesensoren ist ein kritischer Parameter f r die Massenbilanzierung Das f r Feuchtesensoren obligatorische Sinterfilter f hrt zu zeitlichen Verz gerungen der Messung Da innerhalb dieses Schutz k rpers aufgrund des Temperaturunterschiedes zum Messmedium ein eige nes Mikroklima herrscht kann die relative Feuchte der str menden Luft nur bei Einsatz eines zus tzlichen externen Temperaturf hlers berechnet wer den Eine Verbesserung der dynamischen Feuchtemessungen stellen akusti sche Feuchtesensoren in Aussicht Die Messung des Volumenstroms erfolgt durch ein unged mpftes Fl gelrada nemometer Zur Kalibrierung dieses Sensors werden mit einem Hitzedrahta nemometer Str mungsprofile in einer Einlaufstrecke bei verschiedenen Vo lumenstrombedingungen aufgenommen Aus der Integration der Str mungs geschwindigkeit ber den Rohrquerschnitt wird der aktuelle Volumenstrom ermittelt In der gesamten Anlage herrschen stets turbulente Str mungsver h ltnisse Die Messung des statischen Druckes an den Stellen der Feuchtemessungen ist Voraussetzung f r die korrekte Berechnung des Feuchtegehalts sowie der Dichte der feuchten Luft 221 8 Zusammenfassung 22
116. Wie die Fehlerrechnung belegt hat ist ein maxima ler zuf lliger Fehler von 0 2 g f r die nderung im Zeitintervall i anzusetzten Es wird daher eine bedingte Summierung durchgef hrt Nur wenn die nde rung gr er als 0 2 gist geht sie in die Berechnung von Mwasser im Ansatz t ein 200 Bedingte Summierung 150 100 Summen g a le f 01 00 00 01 15 00 01 30 00 01 45 00 00 00 00 45 00 50 Konventionelle Summierung 100 Zeit seit Proze beginn h Abbildung 6 38 Ergebnis der Massenbilanzierung Deutung der Messergebnisse eines Granulationsprozesses Dem Ergebnis der Massenbilanzierung wird entnommen dass der Feuchte gehalt wir des Sch ttgutes ab dem Beginn der Spr hphase kontinuierlich zunimmt um erwartungsgem am Ende dieser Phase seinen Maximal wert zu erreichen Idealerweise sollte die Trocknungsverlaufskurve wieder auf das Niveau des Beginns der Spr hphase zur ckfallen Die Abweichung von 30 g muss mit der vorliegenden Messanordnung als statistischer Fehler akzeptiert werden Abschlie end sei kurz auf die Trocknungskinetik dieses WSG Prozesses ein gegangen Da die Trocknungsgeschwindigkeit gem 2 6 als Differenzenquo tient aus Feuchtegehalt und Zeit definiert ist muss zun chst die Trock nungsverlaufskurve Wwy t ermittelt werden danach erfolgt die Ableitung die ser Kurve nach der Zeit 25 gt 7 2 5 1 Trocknungs abschnitt F
117. a tionsunterst tzten kontinuierlichen Wirbelschichttrockner berf hrt wird3 Abluft Filter i To 2 Abbildung 2 13 Kontinuierlich arbeitender Wirbelschichttrockner Der Wirbelschichttrockner versetzt das feuchte Granulat durch starkes Vib rieren des Bodens der Trocknerkammer und gleichzeitiges Einblasen erhitzter Luft von unten in eine Art Wirbelbettzustand Durch die Vibrationen werden Blasen oder Kanalbildungen innerhalb der Wirbelschicht unterbunden3 Da ber die L nge der Wirbelschichtkammer hinweg ein Temperaturgradient der Zuluft geschaffen wird kann das Produkt am Anfang schnell mit hei er Luft angetrocknet werden um dann im weiteren Prozessverlauf schonend weiter zu trocknen und abzuk hlen Der Sch ttguttransport erfolgt durch das Zu sammenwirken von Vibration des Bodens und Umlenken des Luftstroms Ein Vorteil dieses Systems besteht in der Tatsache dass hier deutlich weniger hei e Luft zum Fluidisieren ben tigt wird als bei konventionellen WSG Anlagen was ein Energiesparpotential darstellt Als Nachteil steht dem je doch eine gegebenenfalls stark schwankende Verweilzeit der Einzelpartikeln in der Trockenkammer gegen ber Granulatk rner mit zu geringer Aufent haltsdauer verlassen die Anlage in feuchtem Zustand w hrend andere durch die thermische Belastung Qualit ts Edukt Entstaubung salini m ngel erleiden k nnten Als weiterer Nachteil ist im Vergleich zu her k mmlichen WSG Anlagen schlec
118. abh ngig vom Gesamtdruck p Im Fall unges ttigter feuchter Luft ist kein kondensiertes Wasser vorhanden Entsprechend des Daltonschen Gesetzes breiten sich der Wasserdampf Gas kein Kondensat und die Luft im Raum so aus als wenn sie allein vor handen w ren Experimentell k nnte man den Wasserdampfpartialdruck pw herstellen indem man im gleichen Volumen zun chst ein Vakuum herstellt und danach die identische Masse Wasser verdampft Nach dem Gesetz von DALTON setzt sich der Druck einer Mischung idealer Gase aus der Summe der Partialdrucke aller beteiligten Gase zusammen F r den Spezialfall feuchter Luft gilt analog dass die Summe aus Wasserdampf partialdruck und Partialdruck der trockenen Luft den Gesamtdruck feuchter Luft ergibt P P P 2 13 p Gesamtdruck feuchter Luft Pa pw Wasserdampf Partialdruck Pa p Partialdruck der trockenen Luft Pa Das Verh ltnis des Wasserdampf Partialdrucks zum S ttigungsdampfdruck bei dieser Temperatur wird als relative Luftfeuchtigkeit p bezeichnet Methoden der Feuchtigkeitsbestimmung in Gasphasen pw Wasserdampf Partialdruck Pa Pp S ttigungsdampfdruck Pa o Relative Luftfeuchtigkeit Da der S ttigungsdampfdruck unabh ngig vom atmosph rischen Luftdruck ist ist auch die Angabe der relativen Feuchte unabh ngig vom Gesamtdruck Neben dem Wasserdampfpartialdruck existieren eine Reihe weiterer abgeleite ter Ma e f r die Charakterisierung einer Wasserdam
119. aften Van der Waals Kr fte Diese auch als Haftkraft bezeichnete Anziehung macht sich bei kleinen Par tikeln deutlich bemerkbar und ist unter anderem f r koh sives Verhalten von Sch ttg tern mit einhergehenden Flie problemen verantwortlich So kann es z B w hrend des Mischvorganges mikronisierter Pulver zu Bildung von Ag glomeraten kommen deren Festigkeit jedoch sehr gering ist Sofern die Teil chenabst nde ausreichend klein sind werden van der Waals Kr fte f r Par tiklen unter 10 um wirksam Nach GILBERTSON scheinen f r die gew hn lich bei WSG Prozessen verwendeten Sch ttg ter Van der Waals Kr fte keine nennenswerte Rolle zu spielen Formschl ssige Bindungen Ihr Vorkommen ist auf faserf rmige pl ttchenf rmige sowie sperrige Parti keln beschr nkt Bei geeigneter Bewegung und Pressung verhaken ver steln oder verfilzen sich die Teilchen ineinander 11 2 Stand der Wissenschaft 2 3 3 Phasen der Granulation nach Sch fer und Worts LINKSON hatte 1973 den Granulationsverlauf in einer Granuliertrommel un tersucht und dabei festgestellt dass das Wachstum der Granulen von der Partikelgr enverteilung des Ausgangsmaterials sowie vom Feuchtigkeitsge halt w hrend der Prozesses beeinflusst wird F nf Jahre sp ter publizierten die beiden d nischen Wissenschaftler SCHAEFER und WORTS allgemeine Hinweise ber die Steuerung von WSG Verfahren die bis heute ihre grund legende Bedeutung beibe
120. alibrierung zul sst Die Beobachtung dass der Sensor tendenziell zu hohe Messwerte liefert steht in bereinstimmung mit der Tatsache dass in turbulenten Str mungs feldern unged mpfte Fl gelradanemometer durch die auftretenden Quer str mungen zus tzliche Beschleunigungen erhalten 5 9 BESTIMMUNG DES PRESSLUFT VOLUMEN STROMES DER SPR HD SE Die zur Zerst ubung der Spr hfl ssigkeit erforderliche Luftmenge muss f r die Massenbilanzierung quantifiziert werden Absicht ist es den Pressluftvo lumenstrom durch das Fl gelradanemometer des GPCG messen zu lassen Zu diesem Zweck wird der Ansaugstutzen des GPCG zun chst mit Klebeband luftdicht verschlossen In die Klebebandfl che wird eine ffnung mit der Gr e der Spitze der Spr hd se geschnitten Die D se wird mit einem Stativ so vor dieser ffnung fixiert dass s mtliche Pressluft in die leere Maschine ge pumpt wird Um ein Ansaugen von Falschluft durch den Anschluss der Spr hd se f r die Spr hfl ssigkeit zu unterbinden wird dieser Stutzen e benfalls zugeklebt Durch diesen Versuchsaufbau ist gew hrleistet dass die Bestimmung des Pressluft Volumenstromes der Spr hd se Pressluft quantitativ durch den GPCG gepumpt und gemessen wird Sollte im Verlauf eines Granulationsprozesses das Ansaugverhalten der Raumluft durch den Pressluftvolumenstrom beeinflusst werden so w rde dies unzwei felhaft durch das Fl gelradanemometer detektiert werden Bei der Aufzeich
121. alt des Agglomerats basiert jetzt auf Adh sions und Koh sionskr ften Diese Kleb stoffverbindungen weisen die h chsten Festigkeiten auf sie liegen etwa in der Gr enordnung von Sinterbr cken Kristallisation gel ster Stoffe Sofern die Mischung der Prim rpartikeln leicht l sliche Komponenten enthal ten kann durch Zugabe eines geeigneten L sungsmittels eine Krustengranu lation durchgef hrt werden In der Trocknungsphase konzentriert sich der gel ste Stoff im Zwickelwasser auf und bildet abschlie end Kristallbr cken Ist die L slichkeit des Stoffes hingegen gering so erfolgt die Auskristallisation indessen im zwischenpartikul ren Bereich ohne Ausbildung von Feststoff br cken Die Festigkeit dieser Kristallbr cken ist oft nicht so hoch wie die von Bindemittelbr cken in KlebstoffgranulatenS APPELGREN f hrt die ge gen ber Tablettiermassen mit anderen Herstellungsverfahren deutlich besse ren Tablettiereigenschaften von WSG Granulaten auf deren geringen Anteil von Kristallbr cken zur ck Elektrostatische Anziehung Derartige anziehende Kr fte treten nur bei Teilchen unterschiedlicher Ladung auf Die wirksame Kraft wird durch das Coulombsche Gesetz beschrieben Ein negativer Effekt besteht in der Pulveranlagerung an Beh lterw nden welche zum Teil auch w hrend des Spr hvorganges nicht abgel st werden k nnen2 Die Festigkeit elektrostatischer Bindungen liegt weit unterhalb der von van der Waals oder Kapillarkr
122. anlage erlaubt Eine Aufbaugranulation ist demzufolge gegeben wenn die durch Fl ssig keitsbr cken zwischen zwei Partikeln bestehende Bindungskraft gr er ist als die durch den Rotor bedingte Trennkraft Die Ergebnisse der Modellrech nungen stimmen mit den gemessenen Werten gut berein Es ist jedoch kei 59 2 Stand der Wissenschaft 60 ne bertragung dieses Modells auf andere WSG Systeme beschrieben M RL publizierte 1998 ein mathematisches Modell mit welchem die Berechnung der Trocknungskinetik in WSG Anlagen m glich wird 03 Es wird aufgezeigt dass die Trocknungsgeschwindigkeit nicht von der Menge der eingespr hten Fl ssigkeit jedoch von dem verwendeten Feststoff und seinem Partikel durchmesser abh ngt Die bertragung auf pharmazeutische Prozesse ist jedoch nur eingeschr nkt m glich da dieses Modell f r Glasperlen entwickelt wurde jedoch Absorptions und Desorptionsvorg nge durch das Sch ttgut au er acht l sst 2 12 4 Fuzzy logic 1995 pr sentierte WATANO die Steuerung des Feuchtegehalts eines Sch tt gutes in einer Rotor WSG Anlage ber einen linguistischen Algorithmus S Als Eingangsgr en f r die Steuerung werden hierbei der aktuelle Feuchte gehalt sowie dessen zeitliche nderung verwendet 2 12 5 Neuronale Netze Neuronale Netze stellen eine besondere Art von Simulationswerkzeugen dar sie k nnen als Netzwerke anpassungsf higer Knoten betrachtet werden die von einzelnen Aufgabenstellun
123. anulators as well as the according granulation processes 227 10 Anhang 10 ANHANG ERGEBNISSE DER STR MUNGSGESCHWINDIGKEITS MESSUNGEN Tabelle 10 1 15 Offnung der Abluftklappe 19 m h Volumenstrom laut GPCG Anzeige Entfernung von der Rohrwand mm U Hitzdraht V Str mungsgeschwindigkeit u m s 0 01 482 0 287 0 03 475 0 263 0 1 461 0 218 0 2 474 0 260 0 3 476 0 267 0 4 493 0 328 0 5 1 51 0 398 0 6 515 0 420 0 7 328 0 480 0 8 332 0 500 0 9 335 0 515 1 gt 46 0 573 1 1 355 0 623 1 2 354 0 617 1 3 1 55 0 595 1 4 359 0 646 1 9 gt 64 0 675 1 6 gt 68 0 700 1 7 369 0 706 1 8 374 0 737 1 9 379 0 769 2 378 0 763 2 2 sl 0 782 2 4 387 0 822 2 6 393 0 864 2 8 396 0 885 3 394 0 871 3 2 601 0 921 3 4 603 0 935 3 6 602 0 928 3 8 604 0 943 4 607 0 965 4 2 609 0 980 4 4 607 0 965 4 6 613 1 011 4 8 615 1 026 5 618 1 050 352 617 1 042 5 4 614 1 019 5 6 617 1 042 5 8 616 1 034 6 618 1 050 6 2 612 1 003 6 4 618 1 050 6 6 624 1 098 6 8 626 1 114 7 623 1 090 4 621 1 074 8 627 1 123 8 5 627 1 123 9 622 1 082 9 5 625 1 106 10 624 1 098 228 Ergebnisse der Str mungsgeschwindigkeitsmess
124. anzeige der Feuchtesensoren Im Mikroprozessor des Messumformers wird die erste Nachkommastelle des Temperaturmesswertes ber cksichtigt Die Messwerterfassung des GPCG hingegen rundet die Werte auf ganze Zahlen in der Folge sind die Tempera turabweichungen hier m glicherweise gr er als systemintern Die Abwei chungen werden als gerade noch zul ssig bewertet Zur Kalibrierung der Feuchtemessung der Sensoren werden Feuchtigkeits quellen sogenannte Hygrostatenfl ssigkeiten verwendet die bei definier ter Temperatur in einem geschlossenen System Atmosph ren bestimmter relativer Luftfeuchtigkeit schaffen Die Firma Hygrocontrol hat ein Kalibrier verfahren entwickelt bei dem Lithiumchlorid L sungen verschiedener Kon zentration Anwendung finden Nach dem Entfernen der Verkleidung des GPCG werden die beiden Feuchtesensoren aus ihren Aufnahmen im Zu und Messung der Zu und Abluftfeuchte Abluftleitungssystem herausgezogen und so fixiert dass der Sensorkopf je weils nach unten ragt Nach Entfernen des Sinterfilters wird auf den Sensor kopf eine spezielle Klimakammer vorsichtig aufgeschraubt Die Salzl sungen liegen gebrauchsfertig in Ampullen vor und m ssen lediglich auf ein Textil gewebe in der Klimakammer bertragen werden Es ist darauf zu achten dass die gesamte Kalibriervorrichtung thermisch quilibriert ist und eine Temperatur zwischen 20 und 24 C aufweist Die Kalibrierung erfolgt poten tiometerfrei und mikroprozesso
125. ardgranulationsprozes ses zu befeuchten und zu trocknen sowie gleichzeitig W gungen der Ge samtmasse des feuchten Stoffes durchzuf hren konnte nicht erreicht wer den Das Silicagel unterliegt bei diesen Wirbelschichtbedingungen einem starken Abrieb die entstandenen feinen Bruchst cke adh rieren im feuchten Zustand an den Gef w nden so dass eine quantitative Entnahme des Sch ttguts nicht m glich ist Lediglich der Endpunkt der Trocknung kann mit dem Farbumschlag von Rosa nach Blau visuell gut erkannt werden 6 5 DEUTUNG DER MESSERGEBNISSE EINES GRANULATIONSPROZESSES Im folgenden werden die Verl ufe der Messwerte s mtlicher am GPCG instal lierter Sensoren w hrend eines Standardgranulationsprozesses erl utert Der Prozess lief nach folgendem Zeitschema ab Phase 1 a O 30 min Aufheizen und quilibrieren der Anlage 30 min Prozessunterbrechung zum Einf llen Phase 1 b der Prim rpartikeln 32 0 52 min Mischen des Sch ttgutes Phase 2 0 52 1 13h Spr hphase mit Granulation Phase 3 1 13 1 42 h Trocknung des Produkts 191 6 Ergebnisse 192 Die Skalierung der Zeitachsen sind in allen folgenden Diagrammen einheit lich gehalten 6 5 1 Volumenstrom Der gesamte Granulationsprozess wird mit einem konstanten Volumenstrom Sollwert von 76 m h gefahren Da sich im Verlauf der Granulation Filterwi derst nde und der Str mungswiderstand ber das Sch ttgut ndern muss die Steuerung des GPCG b
126. artialdruck mit Gleichung 2 14 berechnet 7 5 622 7 5 2338 8 Pa l 50662 5 Pa 25 8 Py 0 258 2338 8 Pa 603 6 Pa Da das Messprinzip des Sensors in der Erfassung des Wasserdampfpartial drucks liegt zeigt die Messwerterfassung dementsprechend den korrekten Wert von 25 8 relativer Luftfeuchtigkeit an In der Messpraxis der Hygrometrie werden relative Luftfeuchtigkeiten gemes sen und daraus die Feuchtigkeitsgehalte berechnet Die folgende Abbildung zeigt die Spannweite der Feuchtigkeitsgehaltswerte die aus der Umrechnung der fiktiven Messwerte 50 und T 303 15 K resultieren 24 23 22 21 20 Feuchtegehalt g kg cJ 12 50000 60000 70000 80000 90000 100000 110000 Gesamtdruck Pa Abbildung 2 18 Wasseraufnahmeverm gen der Luft in Abh ngigkeit vom Gesamtdruck am Beispiel 50 relatier Feuchte und einer Temperatur von 303 15 K 43 2 Stand der Wissenschaft 44 Die Bedeutung des Zusammenhangs zwischen Luftfeuchtigkeit und Gesamt druck f r die vorliegende Problemstellung besteht darin dass die Abluft auf grund des Saugmechanismus des Wirbelschichtgranulierers einen Unter druck gegen ber den Raumbedingungen aufweist und damit deutlich mehr Wasser aufnehmen kann Es finden sich jedoch in der Literatur keine Hin weise auf Durchf hrung entsprechender statischer Druckmessungen an WSG Anlagen 2 9 3 Taupunkt Hygrometer Wir
127. auf Porzellansch lchen berf hrt und sofort im Trockenschrank Memmert GmbH amp Co KG Schwabach Deutsch land ber drei Stunden bei 60 C getrocknet Hierdurch werden Sekund r agglomerationen verhindert Die Proben werden ebenfalls nach der Stan dardmethode vermessen 153 6 Ergebnisse 154 6 ERGEBNISSE 6 1 THEORIE DER MASSENBILANZIERUNG F r die Berechnung der Massenbilanzierung ist die Kenntnis etlicher Para meter notwendig deren Berechnung im Folgenden dargelegt wird 6 1 1 Ermittlung der S ttigungsdampfdruckkurve von Wasser ber einem Fl ssigkeitsspiegel in einem isolierten Gef bildet sich nach Einstellen eines Gleichgewichts ein stoffspezifischer und temperaturabh ngi ger Dampfdruck aus Der funktionelle Zusammenhang zwischen S ttigungs dampfdruck und Temperatur wird entsprechend der Boltzmann Verteilung der kinetischen Energie der Fl ssigkeitsmolek le beschrieben1 86187 gem ERS P b e 6 1 Pp S ttigungsdampfdruck Pa b Konstante W Molare Verdampfungsenergie J mol 1 R Universelle Gaskonstante 8 314 J K 1 mol 1 T Absolute Temperatur K Messwerte des S ttigungsdampfdrucks von Wasser k nnen einschl giger Literatur entnommen werden 88 Zur Bestimmung der Koeffizienten wird Gleichung 6 1 zun chst logarithmiert W l In P Inb 6 2 D RT 6 2 und mit den Wertepaaren InPp 1 T eine lineare Regression durchgef hrt Aus der so erhaltenen sogenannten Aug
128. auhigkeitserhebungen sind wesentlich gr er als die Dicke der laminaren Unterschicht Sa 117 5 Experimenteller Teil 118 0 25 Ze o o 5 27 Re yf 3 715 S Nikuradse A Ds if 114 5 28 Vo ks 5 8 3 4 Str mungszustand an der Messstelle des Fliigelradanemometers Bei der niedrigsten Str mungsgeschwindigkeit von tmin 1 44 m s betr gt die Reynoldszahl bei Standardbedingungen _ 1 44m s 1 179kg m 0 07m S 6602 18 10 Pa s Re Die Entscheidung ber die Art der Wandrauhigkeit f r diese turbulente Str mung wird anhand der Gr e des folgenden Terms ermittelt k 0 0015mm Re T 6602 0 14 lt 65 mm Da nach der Relation 5 19 folglich ein hydraulisch glattes Rohr vorliegt ergibt sich damit die Rohrreibungszahl 6 nach dem Blasius schen Gesetz mit Glei chung 5 21 zu 0 3164 4 6602 Anhand analoger Rechnungen wurde f r den Arbeitsbereich des GPCG mitt 0 0351 lere Str mungsgeschwindigkeiten zwischen 1 und 25 m s die jeweilige Rohr reibungszahl bestimmt Folgendes Diagramm zeigt die Ergebnisse Messung des Volumenstromes 2 5 Rohrreibungszahl 0 02 o o D a Rohrreibungszahl nach BLASIUS 0 5 Mittlere Str mungsgeschwindigkeit m s Abbildung 5 38 Rohrreibungszahl in Abh ngigkeit der Str mungsgeschwindigkeit Es wird deutlich dass im gesamten Arbeitsbereich des GPCG an der Mess stelle des Fl g
129. axis zeigt sich hingegen eine bessere Korrelation wenn der Wurzelausdruck durch den Exponenten 0 45 ersetzt wird Ein Zu sammenfassen der Konstanten ergibt damit AT 4 B u 5 30 A Konstante B Konstante Die Verkn pfung dieses Ausdruckes mit dem elektrischen Strom im Hitze draht wird ber die Definition der Stromw rme erreicht W P t Q W Elektrische Arbeit Ws P Leistung W t Zeit s Q W rmemenge J Messung des Volumenstromes Die elektrische Leistung eines Gleichstroms entspricht dem Produkt aus Spannung multipliziert mit Stromst rke P U I U Spannung V I Stromst rke A Aus der Definition des W rmestroms Durch Aufl sen des Ohmschen Gesetzes nach der Stromst rke R folgt damit U 9 7 Durch Einsetzen dieses Ausdruckes in Gleichung 5 30 und Aufl sen nach U ergibt sich somit U AT A B u R Der Faktor AT wird nun ersetzt durch Umformen von Gleichung 2 36 zu 1 R ar 1 Sam gt v8 AB Boon a Rat a kalt Der letzte Faktor dieser Gleichung wird als berhitzungsverh ltnis a be zeichnet warm _ kalt F r das Messverfahren konstanter Widerstand wird zun chst das berhit zungsverh ltnis a experimentell bestimmt Danach werden die konstanten Zahlenwerte zu zwei neuen Konstanten zusammengefasst 123 5 Experimenteller Teil 124 Tee Alp ee 5 32 Mit dieser Gleichung ist ein linearer Zusammenhang zw
130. ay In der Praxis etablierte WSG Verfahren Bedingungen hergestellten Granulen weisen im allgemeinen eine por sere Oberfl che und eine niedrigere Sch ttdichte auf als jene die mit anderen Verfahren produziert wurden Die Batchgr e kann bis zu 1500 kg Prim r partikeln umfassen Mit dieser Technik ist auch ein Coaten m glich die Qualit t der so hergestellten Film berz ge reicht aber nicht an die anderer Verfahren heran 2 5 2 Bottom Spray Verfahren nach Wurster Dieses Verfahren findet fast ausschlie lich zum Coaten Verwendung FL GEL beschreibt jedoch auch die Anwendung zur Aufbaugranulation In einer zylindrischen Kammer in der ein weiterer Zylinder mit halben Durchmesser der Au enkammer als F hrungszy linder Steigrohr enthalten ist befindet sich am Boden die in Str mungsrichtung justierte Spr h dtise Diese Granuliermethode wird daher auch als Gleichstromverfahren bezeichnet Der An str mboden besteht aus einer Lochplatte mit nach au en hin kleiner werdender Perforierung Eine Beeinflussung des Systems ist zum einen durch die nderung des Perforierungsmusters zum an deren durch eine Variation des Abstandes von Anstr mboden zum F hrungszylinder m glich Mit Abbildung 2 8 Wurster system dem Wursterverfahren k nnen besonders gleich m ige Oberfl chen auf den gecoateten Produkten erzielt werden Auch ist auf diese Weise das Coaten von Partikeln mit Durchmessern unter 50 um m
131. bschnittes Da die Kapillarkr fte insbesondere durch die Struktur der Partikeln be stimmt werden ist die Dauer des ersten Trocknungsabschnitts nicht vor ausberechenbar Zweiter Trocknungsabschnitt gt gt gt Verdunstung kapillar stark gebundener Feuchte Exponentiell abfallende Trocknungsgeschwindigkeit Im Inneren des Gutes bilden sich Feuchtigkeitsprofile aus die Schicht mit der maximalen hygroskopischen Feuchte wandert immer tiefer in die Par tikeln Der Feuchtigkeitsgehalt an der Oberfl che der Partikeln sinkt auf die Gleichgewichtsfeuchte mit der Trocknungsluft ab 19 2 Stand der Wissenschaft 20 gt Zus tzlich zum W rme bergang an der Oberfl che der Partikeln muss die W rmeleitung in das Gut als Widerstand ber cksichtigt werden gt Da der Transport der Fl ssigkeit aus den tiefen Partikelnschichten prim r ber Dampfdiffusion erfolgt wird der Stoff bergang verlangsamt gt Hat die Schicht mit der maximalen hygroskopischen Feuchte den tiefsten Punkt im Gut erreicht so ist das Ende dieser Trocknungsstufe erreicht Dritter Trocknungsabschnitt gt Das gesamte Gut zeigt hygroskopisches Verhalten gt Die Trocknungsgeschwindigkeit n hert sich mit der Zeit asymptotisch dem Wert Null gt Die Entsprechung von Dampfdruck im Innern des Sch ttgutes mit dem Dampfdruck der Trocknungsluft markiert das Ende dieses Abschnittes gt Eine weitere Trocknung ist unter diesen Bedingungen nicht m glich
132. ch Me wert u 0 2 0 5 10 15 20 25 30 35 Entfernung von der Rohrwand mm Abbildung 10 1 Summe der Abweichungsquadra te Potenzgesetz 0 9301 Reichardt 2 5055 Logarithmische N herungsfunkti 0 5850 on Potenzielle N herungsfunktion 0 7463 Vergleich der Geschwindigkeitsverteilungsgesetze VS 50 m h 4 55 4 3 5 T oO 2 2 2254 z 5 y 2 0669x 708 2 2 xX Me wert u R 0 9457 amp Berechnung Potenzgesetz u 2 15 Berechnung Reichardt u Potenziell Me wert u y 0 4342Ln x 2 2622 3 Logarithmisch Me wert u R 0 9858 0 5 of 4 1 0 5 10 15 20 25 30 35 Entfernung von der Rohrwand mm Abbildung 10 2 Summe der Abweichungsquadra te Potenzgesetz 1 9194 Reichardt 10 9231 234 Str mungsprofile im Vergleich zu N herungsfunktionen Str mungsgeschwindigkeit m s Logarithmische N herungsfunkti 0 3985 on Potenzielle N herungsfunktion 2 4759 Vergleich der Geschwindigkeitsverteilungsgesetze VS 71 m h x Me wert u Berechnung Potenzgesetz u Berechnung Reichardt u Potenziell Me wert u Logarithmisch Me wert u y 3 3641x0 R 0 9306 y 0 607Ln x 3 4498 R 0 9873 5 10 15 20 25 30 35 Entfernung von der Rohrwand mm Abbildung 10 3 Str mungsgeschwindigkeit m s gt Summe der Abweichungsquadra te Potenzgesetz 5 4216
133. che Kristalle von der ges ttigten L sung bedeckt sind da anderenfalls die kristallinen Partikeln Wasser aus der Atmosph re absorbieren und damit das Mikroklima st ren w rden Ferner ist daf r Sorge zu tragen dass der Sensorkopf nicht in Kon takt mit den Salzl sungen kommt da Auskristallisationen auf dem Dielektri kum zu irreversiblen Sch den des Sensors f hren Nach Fixierung des Sensors wird die gesamte Klimakammer in einen mit PEG gef llten Lauda Thermostaten eingetaucht Nach Starten der Messwerterfas sung wird die PEG Bad Temperatur sukzessive von 20 C beginnend in 10 89 5 Experimenteller Teil 90 Schritten bis auf 80 C erh ht Das Aufheizen auf die n chste Temperatur stufe erfolgt erst dann wenn die Temperatur am Feuchtesensor sowie die gemessene relative Feuchte ber 10 Minuten einen konstanten Wert aufwei sen Die folgende Abbildung zeigt das Versuchsergebnis f r die Kalibrierung des Abluftfeuchtesensors mit Lithiumchlorid 90 40 80 70 30 60 Sensortemperatur i 25 _ gt 50 4 l A 5 Temperatur PEG Bad 5 E l 20 ao 3 vi nn ALL i 15 30 m N er rT i TR o I F As jr 10 20 i i fi m AI TN W TNR i Aid 10 4 me am 4 Relative Feuchte 5 Feuchtegehalt 00 00 00 01 00 00 02 00 00 03 00 00 04 00 00 05 00 00 06 00 00 07 00 00 08 00 00 Zeit seit Proze beginn h Abbildung 5 13 Temperaturverlauf der Kalibrierung der Feu
134. chen Gesetz errechnet werden R A y _ p 5 12 t 8n V Volumen m t Zeit s R Rohrradius m Ap Druckverlust Pa n Dynamische Viskosit t Pa s 1 L nge des Rohres m Mit Gleichung 2 30 wird deutlich dass der durch Reibungskr fte bedingte Druckverlust der Str mungsgeschwindigkeit direkt proportional ist 112 Messung des Volumenstromes _R R Ap 8 n V A uz n R2 u S y l u Ape R 5 13 Bei der turbulenten Str mung entlang einer Wand treten neben der durch die Viskosit t bedingten z hen Schubspannung Schubspannung N m Kraft N Fl che m Dynamische Viskosit t Pa s Schergef lle s Str mungsgeschwindigkeit m s Wandabstand m sc bs pmea noch zusatzliche Schubspannungen auf die von der Generierung der Turbu lenz herr hren und als Scheinviskosit t bezeichnet werden Diese liegen in periodischen Hin und Herbewegungen des Fluid infolge der Turbulenzer scheinungen begr ndet Ausgangspunkt f r die Herleitung des Zusammen hangs zwischen Str mungsgeschwindigkeit und Druckverlust bei turbulenter Str mung ist das Kr ftegleichgewicht zwischen Druckkr ften auf die Stirnfl che eines Fluidzylinders und der durch die Schubspannung entlang der Man telfl che desselben bedingten Kr fte 6 F Schubspannung F Druckkr fte Sy Druckkr fie ade gt a d N z a J E Schub spannung Abbildung 5 36 Kr fte an einem str m
135. chfestigkeit der Granulen e Je geringer der F llungsgrad der Anlage desto gleichm iger die Ver teilung der Spr hfl ssigkeit w hrend der Granulationsphase und desto enger die Partikelgr enverteilung des Endprodukts 7 Als Beispiel f r den Einflu eines Scale Up sei der Hinweis von Jones er w hnt die Soll Dichte des Produkts im Laborma stab mindestens 20 un terhalb des erw nschten Wertes anzusetzen der sp ter auf der Produktions anlage erzielt werden soll 2 8 METHODEN ZUR BESTIMMUNG DES WASSERGEHALTS IN FESTSTOFFEN Die Kenntnis der Feuchtigkeit in Feststoffen ist f r die technologische Ent wicklung die Produktion sowie die Lagerung des Produkts von entscheiden der Bedeutung Im Folgenden werden daher die verf gbaren Bestimmungs methoden kurz vorgestellt und bewertet 2 8 1 Gravimetrische Verfahren Das Prinzip dieser Bestimmungsverfahren besteht darin aus einer feuchten Probe das Wasser m glichst quantitativ zu entfernen und aus der Gewichts differenz zwischen wasserhaltiger und wasserfreier Probe auf den urspr ngli chen Wassergehalt zu schlie en Alle diese Verfahren sind mit dem Nachteil behaftet keine Unterscheidung zwischen Wasser und anderen fl chtigen Komponenten wie z B organischen L sungsmitteln zu treffen Ein weiteres Manko stellt der teilweise hohe Zeitbedarf von bis zu 4 Stunden pro Probe dar 2 8 2 Bestimmung des ausgetriebenen Wassers Die Spezifit t der Wassergehaltsbe
136. chnik 45 396 401 1973 C Appelgren Recent advances in granulation technology and equipment Drug develop ment and industrial pharmacy 11 26 725 741 1985 3 M Gilbertson J Yates The tilting fluidized bed a re examination Powder technology 89 29 36 1996 P B Linkson J R Glastonbury G J Duffy The mechanism of granule growth in wet pellet ising Trans Instn Chem Engrs 51 251 259 1973 3 T Sch fer O Worts Control of fluidized bed granulation Arch Pharm Chemi 6 69 82 1978 R D Becher Untersuchung der Agglomeration von Partikeln bei der Wirbelschicht Spriihgranulation Fortschrittberichte VDI Reihe 3 Verfahrenstechnik Nr 500 1997 27 Y Funakoshi M Yamamoto Y Matsumura A novel agglomeration granulation system utilizing a centrifugal fluidizing drive Powder technology 27 13 21 1980 238 Z Orm s K Pataki B Csukas Studies on granulation in a fluidised bed III Calculation of the feed rate of granulating liquid Hungarian journal of industrial chemistry 1 463 474 1973 H Stahl Feuchtigkeit und Trocknen in der pharmazeutischen Technologie 132 1980 F Thurner S Maul Bestimmung der Trocknungsverlaufskurve l sungsmittelfeuchter G ter durch kontinuierliche Messung der Abluftzusammensetzung VT Verfahrenstechnik 17 585 592 1983 3l H Stricker Physikalische Pharmazie 504 1987 32 M W Scott et al Drying as unit operation
137. chnittstelle VAR Zeichen CHAR Escaped BOOLEAN Taste WORD Str_fl Str_f2 StrFrage STRING Num_f1 Num_f2 Error Codel Code2 INTEGER Zeitzaehler LONGINT 252 Programme und Makros T TEXT Feuchtegehalt Mittelwert feuchtegehalt REAL PROCEDURE InitCom CONST Baudrate LONGINT 9600 DataBits BYTE 8 Parity CHAR N StopBits BYTE 1 BEGIN IF OpenCom ComPort 256 256 THEN BEGIN ComParams Comport Baudrate DataBits Parity StopBits SetRTSMode ComPort TRUE 1 1 SetCTSMode ComPort TRUE ClearCom ComPort B END ELSE BEGIN WRITELN Error 01 COM Port ComPort not opened 7 HALT 1 END PROCEDURE WriteCom Data STRING BEGIN ComWrite ComPort Data ComWaitForClear ComPort End PROCEDURE ReadCom BEGIN Zeichen ComReadChW ComPort END ek zirket ir hesn Ener ie ee ee ee Hauptprogramm gt 77 37 3 7 79 5 BEGIN TEXTBACKGROUND 0 CLRSCR HiddenCursor Escaped FALSE TextAttr 07 GOTOXY 15 2 WRITE Hochschule f r Technik und Wirtschaft Dresden FH GOTOXY 15 4 WRITE Pharmazeutische Technologie Universit t W rzburg GOTOXY 15 10 WRITE Messwerterfassung f r akustischen Feuchtesensor GOTOXY 15 16 WRITE Messwerte werden in die Datei TextAttr SOF WRITE a AKUST_FS DAT TextAttr 07 GOTOXY 15 17 WRITE auf Diskette geschrieben GOTOXY 15 19 WRITE Bitte geben S
138. chtesensoren Wie die Versuchsbeobachtung zeigt dauert die quilibrierung f r jede Stufe mindestens 20 Minuten Bei h heren Temperaturen liegt die PEG Bad Temperatur bis zu 10 C ber dem im Inneren der Klimakammer gemessenen Wert dies liegt in der W rmeleitung des Sensors begr ndet Um die real vorliegenden relativen Feuchten zu ermitteln werden der Litera tur 5 f r die vier verwendeten ges ttigten Salzl sungen diskrete Werte ent nommen und mit einer linearen bzw polynomischen Regression eine Glei chung zur Berechnung von Werten bei beliebigen Temperaturen erstellt Messung der Zu und Abluftfeuchte 11 10 9 rel Feuchte 10 8 0 0002x 0 0079x 11 234 R 0 9999 10 7 10 6 10 5 j 20 30 40 50 60 70 80 Temperatur C Abbildung 5 14 Relative Feuchte ber ges ttigter LiCl L sung 35 33 32 31 30 rel Feuchte 29 0 00108937x 0 00796801x 33 66239422 R 0 9999 27 26 25 Tc Abbildung 5 15 Relative Feuchte ber ges ttigter Magnesiumchlorid L sung 91 5 Experimenteller Teil 92 65 60 y 0 2982x 60 346 R 1 55 rel Feuchte 50 45 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Temperatur C Abbildung 5 16 Relative Feuc
139. ck f r die Berechnung des Volumenstromes in Abh ngigkeit von der in der Rohrmit te gemessenen maximalen Str mungsgeschwindigkeit 1 1 Er V 2nu R 10 2 F r das Beispiel maximalen Volumenstromes gilt demzufolge 12 565 0 035m S 1 1 2 Pa ae m m V 0 03988 0 03988 S EEE ars 3600 3 3 V 143 579 7 Die entsprechende Berechnung f hrt bei den anderen Str mungszust nden des GPCG zu folgenden Werten Tabelle 10 10 Ergebnisse der Berechnungen mittels Potenzgesetz VS laut GPCG m h Umax m s n VS laut Potenzgesetz m h 19 1 259 6 19 13 894 50 3 733 6 73 41 914 71 5 411 6 92 61 087 94 7 193 7 08 81 561 116 8 877 7 19 100 949 242 Integration der Geschwindigkeitsverteilungsgesetze ber den 171 12 565 7 38 143 579 Integration des Reichardtschen Gesetzes Die Berechnung des Integrals 5 51 mit dem Reichardtschen Gesetz erfolgt analog durch Einsetzen des Geschwindigkeitsverteilungsgesetzes in den In tegralausdruck gem u uw uw 8 const A G R V 2n fu r dr und gem Gleichung 5 48 u 0 mP pegle Die Variable der dimensionslosen Str mungsgeschwindigkeit wird mit Glei chung 5 45 substituiert gt 2n Ff 5 y V In l y 7 8 l e 1 2 e 7 r dr Atl 11 E nel anf ba er V In l x rarat 78 1 r dr 2 up 7 r dr y A 3K Ay Als Ergebnis weiterer Zusammenfassun
140. d Granulates xSo000 Spm 205106 Exr 102 SrrEnd Abbildung 6 46 REM Aufnahme einer Bindemittelbr cke in 5000 facher Vergr erung Da sich CrossPVP mit seiner schwammf rmigen Struktur sehr deutlich von den kantigen GranuLac Partikeln unterscheidet ist es m glich Prim rparti keln dieses Sprengmittels in Granulatpartikeln zu identifizieren Die folgende Aufnahme zeigt Bindemittelbr cken zwischen CrossPVP und Granulac Prim rpartikeln in 3000 facher Vergr erung x3S000 VOT fa aT 205106 Produkt 102 Abbildung 6 47 REM Aufnahme einer Bindemittelbr ck in 3000 facher Vergr erung 211 6 Ergebnisse 212 6 7 ANS TZE ZUR SIMULATION DER WIRBELSCHICHT GRANULIERUNG Im Folgenden werden zun chst die f r eine Simulation erforderlichen Be rechnungen f r die kritischen Parameter eines WSG Prozesses durchgef hrt 6 7 1 Berechnung der Enthalpie feuchter Luft Die Enthalpie H eines zusammengesetzten Systems entspricht der Summe der Enthalpien der das System aufbauenden Komponenten F r feuchte Luft ohne Wasserkondensatbildung gilt folglich H H H 6 48 Hees Enthalpie feuchter Luft kJ Hy Enthalpie trockener Luft kJ Hp Enthalpie von Wasserdampf kJ Da die Enthalpie stets als Produkt von Masse m und spezifischer Enthalpie h beschrieben werden kann gilt H pes My hy My hy 6 49 mr Masse trockener Luft kg hy Spezifische Enthalpie trockener Luft kJ kg mw Masse Wasser kg
141. d dynamic principles of analysis and design 459 1998 J Zierep K B hler Str mungsmechanik 83 1991 1I B Eck Technische Str mungslehre 8 Auflage 1 107 1978 12 W Bohl Technische Str mungslehre 8 152 1989 IB S Mickeler Fachhochschule Schweinfurt Pers nliche Mitteilung 2000 174 L Prandtl K Oswatitsch K Wieghardt F hrer durch die Str mungslehre 8 Auflage 206 1984 175 S Mickeler Pers nliche Unterlagen FH Schweinfurt 2000 1 W Bohl Technische Str mungslehre 8 Auflage 123 1989 117 W Nitsche Str mungsmesstechnik 75 1994 178 J Zierep Grundz ge der Str mungslehre 6 Auflage 137 1997 1 FLUENT Deutschland GmbH Darmstadt Homepage Theory manual to FIDAP Turbu lence modeling http www fluent de und http www krist uni freiburg de fidapman theroy th10_03 08 htm 1999 180 G R cker M Neugebauer G Willems Instrumentelle pharmazeutische Analytik 2 Auf lage 419 1992 S Firma Glatt GmbH Binzen Technisches Datenblatt Zweistoffd se f r die Granulation Mo del 970 54 2000 182 M Nebelung Jahresbericht Fraunhofer Institut f r keramische Technologien und Sinter werkstoffe 26 27 1997 18 H Tsujimoto T Yokoyama The characterization of microgranules produced by tumbling fluidized bed granulator with opposed pulsed jet assembly KONA powder and particle 16 242 244 1998 265 266 184 Firma Malvern Instruments GmbH Herrenberg PS
142. d ein Korrekturfaktor k f r das fest installier 119 5 Experimenteller Teil 120 te Fl gelradanemometer bestimmen Da die Geschwindigkeitsverteilung ihre Form bei verschiedenen mittleren Geschwindigkeiten ndert ist eine Be stimmung dieses Korrekturfaktors k bei unterschiedlichen Volumenstr men erforderlich Zur Rohrwand hin sollten die Messpunkte f r ein Str mungsprofil enger beieinander liegen als in der Mitte Das Versuchsde sign wird wie folgt aufgebaut Variation des am GPCG einzustellenden Volu menstromes auf f nf Niveaus zwischen 25 m h und maximaler ffnung der Abluftklappe sowie Messungen der Str mungsgeschwindigkeit vom Wandabstand 0 1 mm beginnend in o mm Schritten Es ist darauf zu achten dass die Steuerung des Luftdurchsatzes des GPCG im Betriebsmodus Abluftklappenstellung durchgef hrt wird Somit ist ein konstanter Volumenstrom gew hrleistet W rde hingegen der Modus Volumenstromsteuerung am GPCG angew hlt so w rde automatisch ein Regelkreis aufgebaut als dessen Folge der aktuelle Volumenstrom permanent um den Sollwert schwankt und damit keine stabilen Messbedingungen schafft 5 8 4 2 Apparative Realisierung Die Messstelle f r das Fl gelradanemometer liegt an einer sehr schwer zu g ngigen Stelle im GPCG Der Einbau eines Referenzsensors mit dem ber den gesamten Rohrquerschnitt vermessen werden kann erscheint hier nicht m glich Aus diesem Grund wird vor den Ansaugstutzen
143. d nur Einzelmessungen m glich Es gilt da her den Maximalfehler einer Einzelmessung zum Beobachtungszeitpunkt t zu ermitteln 92 193 F r eine Funktion z f a b c gr ndet der maximale Fehler auf dem totalen Differential af L dar L dbs Lace 6 40 a oc df Maximalfehler der Einzelmessung of Oa da Maximalfehler des Parameters a Partielle Ableitung der Funktion f nach a Da sich die einzelnen Terme in dieser Darstellung je nach Verteilung von po sitiven und negativen Vorzeichen kompensieren und so ein falsches Resultat vort uschen k nnten werden anstatt der Maximalwerte deren Betr ge sowie die Betr ge der partiellen Ableitungen eingesetzt Somit gilt f r den Maximal fehler einer Einzelmessung a Zp als A db Ob let 6 41 Wird der mit dieser Gleichung berechnete maximale Fehler df auf den Mittel wert der Zielgr e z bezogen so resultiert daraus der relative Maximalfehler df os 6 42 Z relativer Maximalfehler Die Daten der Messungenauigkeit der Sensoren wird von den Herstellern entweder direkt als Maximalfehler oder als prozentuale Abweichung vom Endwert also dem gr tm glichen Messwert angegeben Dadurch l sst sich Eine Mittelwertbildung eines Parameters zu einem Zeitpunkt t w re nur dann m glich wenn mehrere Sensoren f r die selbe Messgr e am selben Messort installiert w ren Theorie der Massenbilanzierung der Maximalfehler un
144. d unges ttigte feuchte Luft abgek hlt so kommt es bei Unterschreiten einer bestimmten Temperatur zur Kondensation des Wassers Aufgrund des Taubeschlages wird diese Temperatur als Taupunkttemperatur bezeichnet Sie ist ein eindeutiges Ma f r den Wassergehalt der Luft Bei der einfachsten experimentellen Anordnung wird ein blankpolierter Metallspiegel auf der R ckseite durch K hlfl ssigkeit langsam abgek hlt und dabei die Tempera tur mittels Thermoelement bestimmt Der Taupunkt wird f r den Betrachter durch Niederschlag feiner Wassertr pfchen sichtbar Diese Methode erlaubt sehr pr zise Wassergehaltsbestimmungen Heutzutage sind Taupunktsmes sungen automatisierbar Durch photoelektrisches Scannen eines Taupunkt spiegels welcher thermoelektrisch so geregelt wird dass st ndig ein sehr geringer Taubeschlag existiert ist sogar eine kontinuierliche Messung m g lich Taupunkt Hygrometer bieten folgende Vorteile e Sehr hohe Genauigkeit der Taupunktbestimmung bis 0 01 C e Zeitkonstante der Messung ca 1 Sekunde e Nahezu unempfindlich gegen ber L sungsmitteln im Messgas 2 9 4 Psychrometer Das Messprinzip eines Psychrometers besteht darin E N P wird Der Messkopf eines Thermometers ist mit einem dass ein wasserbenetzter K rper im Luftzug abgek hlt Baumwoll Gewebe umh llt welches permanent mit des N tilliertem Wasser feucht gehalten wird Vorbeistr mende unges ttigte Luft entzieht dem Gewebe Feuchtigkeit und
145. de Graphik zeigt den funktionellen Zusammenhang von Rey noldszahl und cw Wert f r einen umstr mten Kreiszylinder 10000 1000 100 unterkritisch 0 1 0 01 0 01 0 1 1 10 100 1000 10000 100000 1000000 10000000 Ig Re Abbildung 2 22 c Wert in Abh ngigkeit von der Reynoldszahl f r umstr mte Kreiszylinder In Abh ngigkeit von der Reynoldszahl k nnen drei Zust nde bei der Umstr mung eines Kreiszylinders beobachtet werden Schleichende Umstr mung e Re lt 1000 e Stokes sche Bedingungen e Str mung schlie t sich wieder hinter dem Kreiszylinder e Keine Wirbelbildung e Str mung bt hohe Widerstandskraft auf Kreiszylinder aus Unterkritische Bedingungen e 1000 lt Re lt 4 105 e Laminare Grenzschicht e Abl sepunkt der Grenzschicht etwa am gr ten Durchmesser e Gro es wirbelbehaftetes Totwassergebiet im Str mungsschatten e Hinter dem Kreiszylinder herrscht Unter druck 7 e Str mung bt hohe Widerstandskraft auf Totwassergebiet Kreiszylinder aus Ablosepunkt 51 2 Stand der Wissenschaft berkritische Bedingungen Re gt 4 105 Abl sepunkt _ Turbulente Grenzschicht Abl sepunkt hinter Meridiankreis Wesentlich kleineres Totwassergebiet Hinter dem Kreiszylinder herrscht geringer berdruck e Widerstandskraft geringer als bei unterkri tischer Umstr mung Totwassergebiet Won Das Kingsche Gesetz bes
146. dem Beh lter resultiert Dieser wird an einem Manometer abgelesen und ist streng proportional der Stoffmenge des in der Probe enthaltenen Wassers Aufgrund der Temperaturabh ngigkeit des Beh lterinnendrucks ist eine Temperaturkonstanz Voraussetzung f r eine exakte Bestimmung 2 8 5 Dielektrizit tsmessungen Die Kapazit t eines Plattenkondensators ist von dem Medium zwischen den beiden Platten abh ngig Betr gt die Kapazit t bei Vakuum Co so ndert sich ihr Wert nach Einbringen einer Testsubstanz auf C Das Verh ltnis dieser beiden Werte wird als relative Dielektrizitatskonstante bezeichnet und stellt ein Ma f r die Wechselwirkung des elektrischen Feldes mit den Molek len der Substanz dar amp Dielektrizitdtskonstante dimensionslos bei 20 C Co Kapazit t des Kondensators bei Vakuum zwischen den Platten F Cat Kapazit t des Kondensators mit Material zwischen den Platten F Je polarer eine Substanz ist desto gr er ist ihre relative Dielektrizi t tskonstante Der stoffspezifische Wert von gr liegt f r Gase bei ca 1 f r tro ckene Nichtleiter zwischen 2 und 10 Die relative Dielektrizit tskonstante von Wasser liegt mit 80 4 deutlich ber dem zuvor benannten Bereich Es kann somit eine Korrelation zwischen der relativen Dielektrizit tskonstante eines Sch ttgutes und dessen Wassergehalt ermittelt werden Die entsprechenden Messger te bestehen aus einem Messkondensator mit einer Schaltung zur Bestimmu
147. den dass ein linearer Zusammenhang zwischen dem Sollvolumenstrom am GPCG und der daraus resultierenden Str mungs geschwindigkeit in der Rohrmitte besteht 126 Messung des Volumenstromes 5 8 5 Bestimmung des Geschwindigkeitsverteilungsgesetzes Im Folgenden soll eine mathematische Beschreibung der erhaltenen Str mungsprofile in Form einer Funktion u f y ermittelt werden Ziel ist es durch Messung der maximalen Str mungsgeschwindigkeit in der Rohrmitte auf das gesamte Str mungsprofil schlie en zu k nnen Laut Theorie zeigen turbulente Geschwindigkeitsprofile einen Knick hier wird die h chste Str mungsgeschwindigkeit gemessen Im Vergleich zu einem parabolisch verlau fenden Geschwindigkeitsprofil einer laminaren Str mung zeigen turbulente Str mungsprofile generell einen deutlich abgeflachteren v lligeren Verlauf Turbulenzen wirken demnach weitgehend ausgleichend auf die Geschwindig keitsverteilung Mit wachsender Reynoldszahl wird das Str mungsprofil im mer rechteckf rmiger Str mungsgeschwindigkeit laminar turbulent mittlere Str mungsgeschwindigkeit Wandabstand Abbildung 5 43 Vergleich laminares mit turbulentem Str mungsprofil 5 8 5 1 Potenzgesetz Das Geschwindigkeitsverteilungsgesetz f r eine turbulente Str mung in ei nem kreisf rmigen Rohr kann allgemein nach dem Potenzgesetz formuliert werden gem 97 1 2 r x Ron u Str m
148. den Vergleich wird die Berechnung des Volumenstromes nach Gleichung 2 32 ber das Produkt von Rohrquerschnittsfl che und mittlerer Str mungsgeschwindigkeit durchgef hrt V nR u n 0 035 m 10 878 m s V 0 04186m s V 150 7084m h Dieser Wert weicht damit um weniger als 1 von dem mittels numerischer Integration bestimmten Wert ab Integration des Potenzgesetzes Das Integral 5 51 kann alternativ berechnet werden indem die Stammfunkti on des Geschwindigkeitsverteilungsgesetzes ermittelt wird Absicht der fol genden Berechnungen ist es einen mathematischen Zusammenhang zwi schen der maximalen Str mungsgeschwindigkeit in der Rohrmitte und dem daraus resultierenden Volumenstrom herzuleiten Durch Kombination der Gleichungen 5 51 und 5 34 mit z d 2r u r dr und TE A R resultiert durch Einsetzen des Potenzgesetzes in den Integralausdruck 1 k A R r n P ar rum r dr A f 2 V r R r n dr Rr Durch Anwendung der allgemeinen Integrationsregel 08 n 2 n l f xax b dx ier aa C 10 1 a n 2 a n l sst sich die Stammfunktion einfach ermitteln 1 2 tji Ve Pnu R r R R r VR cor 242 crea n n 0 241 10 Anhang R R r R R r 4 2 2 1 n n 0 Durch Einsetzen der Integrationsgrenzen resultiert zun chst PTU nax WR ve R r ru I R R ee n n Durch weiteres Zusammenfassen folgt damit ein allgemeiner Ausdru
149. der auf den Ba siswert an Der Wassereintrag durch die Spr hfl ssigkeit ms entspricht di rekt der Umrechnung der Spr hrate auf die Zeiteinheit 5 Sekunden Der obi gen Abbildung kann entnommen werden dass der Wassereintrag durch die konditionierte Pressluft vernachl ssigbar ist Durch Aufsummieren der Einzeldaten i kann die Masse an Wasser ermittelt werden die seit Prozessbeginn bis zum Zeitpunkt tin den GPCG eingebracht bzw ausgetragen worden ist 203 6 Ergebnisse 204 2000 lt Wasseraustrag Abluft 1800 gt m 1600 Wassereintrag Frischluft 1400 1200 1000 Summen m g 800 Wassereintrag Spr hfl ssigkeit 600 400 Wassereintrag Pre luft 00 00 00 00 15 00 00 30 00 00 45 00 01 00 00 01 15 00 01 30 00 01 45 00 Zeit seit Proze beginn h Abbildung 6 37 Summe des im Verlauf des Prozesses bewegten Wassers Dieser Abbildung kann z B entnommen werden dass w hrend des gesamten Prozesses 1189 g Wasser mit der Frischluft in den GPCG eingetragen worden sind Bezogen auf die Masse an zugef hrter Bindemittell sung 520 g ist dies eine enorme Menge F r jedes Zeitintervall i wird aus eingebrachter und herausgef rderter Masse an Wasser die nderung der Wassermasse in der Anlage ermittelt Die ab schlie ende Rechenoperation besteht darin diese Ver nderungen aufzu summieren um damit die Masse an Wasser im GPCG zu einem beliebigen Zeitpunkt t zu ermitteln
150. des Fl ssigkeitss ttigungsgrades untersucht Die Festigkeit nimmt demzufolge mit steigendem S zu Dabei k nnen folgende Bereiche unter schieden werden Tabelle 2 1 Fl ssigkeitss ttigungsgrade Haftfl ssigkeitsbereich e S lt 0 01 e _Anlagerung weniger Fl ssigkeitsmolek le auf der Par tikeloberfl che e Keine freie Beweglichkeit der Fl ssigkeit e Adsorptionsschichten k nnen molekulare Anzie hungskr fte von Korn zu Korn bertragen sofern sich diese ber hren nur an Rauhigkeitsspitzen Zwickel und Br ckenbereich pendular state e 0 01 lt S lt 0 3 e Bildung von Fl ssigkeitsbr cken beginnend an den Ber hrpunkten der Partikeln e Fl ssigkeitsmolek le frei beweglich e Einzelne isolierte Fl ssigkeitsbr cken bergangsbereich funicular state e 0 3 lt S lt 0 8 e sowohl Fl ssigkeitsbr cken als auch mit Fl ssigkeit aufgef llte Porenr ume Kapillarbereich capillary state e O8 lt S lt 1 e s mtliche Kapillaren des Sch ttgutes mit Fl ssigkeit ges ttigt e wird das Agglomerat nicht vollkommen von der Fl s sigkeit umschlossen bilden sich am Rand der Poren konkave Oberfl chen und der entstehende kapillare Unterdruck bestimmt die Festigkeit des Agglomerats e lt Agglomerat wird nur durch die Oberfl chenspannung der Granulierfl ssigkeit an der Oberfl che des Granu latpartikels zusammengehalten e Die Kr fte im Inneren des Agglomerats heben sich auf e
151. dienten an der Wand besitzt weist sie im Vergleich zur turbulenten eine deutlich reduzierte Wand reibung auf 132 Messung des Volumenstromes Die Wandschubspannungsgeschwindigkeit ist eine charakteristische Gr e wandnaher Str mungen und wird vielf ltig zur Beschreibung der hnlichkeit von Grenzschichten verwendet Der Quotient aus Str mungsgeschwindigkeit und Wandschubspannungsgeschwindigkeit liefert die dimensionslose Str mungsgeschwindigkeit u y 5 40 Jede turbulente Geschwindigkeitsverteilung l sst sich nun als Funktion der dimensionslosen Str mungsgeschwindigkeit in Abh ngigkeit des dimensions losen Wandabstandes beschreiben u f y 5 41 F r die Bestimmung dieses universellen funktionellen Zusammenhangs ist zun chst eine r umliche Unterteilung eines turbulenten Str mungsprofils in folgende drei Intervalle erforderlich Tabelle 5 15 Einteilung turbulenter Str mungsprofile Dimensionslo ser Bezeichnung Charakteristik Wandabstand y 0 5 Viskose laminare Turbulente Diffusion Unterschicht nme 5 30 30 ___Ubergangsgebiet gt 30 Wandturbulenz a De sion vernachlassigbar Fur die viskose Unterschicht gilt unter der Annahme einer konstanten Schubspannung ein linearer Zusammenhang zwischen dem dimensionslosen Wandabstand und der dimensionslosen Str mungsgeschwindigkeit Dies l sst sich durch direkte Integration von Gleichung 5 14 ber den Wandab stand y zeige
152. druck 3 bar 100 12 g min SS 36 g min 24 g min Verteilungssumme Q3 i Tropfengr e um Abbildung 5 58 Verteilungssummen der Spr htropfengr en bei einem Spr hluftdruck von 3 bar Diese Versuchsergebnisse belegen dass kleinere Spr hraten bei gleichem Spr hluftdruck zu feineren Dispergierungen f hren Als charakteristische Spr htropfengr e wird der Medianwert D v 0 5 definiert Hierunter ver steht man den Partikeldurchmesser bei welchem die Verteilungssummen kurve den Wert 50 annimmt Der D v 0 5 Wert teilt also die Partikelgr enverteilung in zwei gleiche H lften und wird daher auch nicht von Extremwerten der Verteilung beeinflusst Der Modalwert bezeichnet diejenige Partikelgr e die in der Verteilung am h ufigsten vorkommt er korrespondiert folglich mit dem absoluten Maximum der Verteilungsdichte funktion 145 146 5 Experimenteller Teil Tabelle 5 20 Medianwerte der Spr htropfengr en D v 0 5 in um 12 g min 24g min 36 g min 1 bar 55 38 58 73 60 93 2 bar 38 22 41 30 47 34 3 bar 28 00 31 82 35 02 Mit der Response surface Technik wird unter Zuhilfenahme der SAS Software ein Polynom zweiten Grades ermittelt mit dem die Berechnung der mittleren Spr htropfengr e m glich wird D v 05 4 4p 4p 4 5 4 8 4 p 8 4 p S ApS 4 p S 5 56 D v 0 5 Medianwert der Partikelgr e um Ao Ps Spr hluftdruck bar A
153. e Feuchtesensoren 2 10 Methoden zur Volumenstrombestimmung in Gasphasen 2 10 1 2 10 2 2 10 3 Fl gelradanemometer Prandtl Rohr Hitzdrahtanemometer 2 11 An WSG Anlagen etablierte Online Messverfahren 2 11 1 2 11 2 2 11 3 2 11 4 2 11 5 2 11 6 2 11 7 2 11 8 Problemstellung und Anforderungen an Sensoren Frischluft Zuluft Produkt und Ablufttemperatur Zu und Abluftfeuchte Produktfeuchte Volumenstrom Partikelgr e Ausbildung der Wirbelschicht Bestimmung der Gr e der Spr hfl ssigkeitstropfen 2 12 Steuerungen von WSG Prozessen 2 12 1 2 12 2 2 12 3 2 12 4 2 12 5 2 12 6 Konditionierung der Zuluft Massenbilanzierungen Mathematische Modelle der Wirbelschichtgranulierung Fuzzy logic Neuronale Netze Dimensionslose Darstellung der Zugabe von Granulierfl ssigkeit 3 ARBEITSHYPOTHESE 4 MATERIAL UND STANDARDMESSMETHODEN 4 1 Materialien f r die Granulation 4 2 Rasterelektronenmikroskopie 4 3 Siebanalyse 4 4 Laserdiffraktometrie 4 5 Karl Fischer Titration 4 6 Bestimmung der Friabilit t der Granulate 5 EXPERIMENTELLER TEIL 5 1 Aufbau des Wirbelschichtgranulators Glatt GPCG 5 1 1 5 1 2 5 1 3 Zuluftleitungssystem Arbeitsturm und Granuliereinsatz Spr heinrichtung 64 64 69 69 70 73 74 5 1 4 R ckhaltefilter 5 1 5 Abluftleitungssystem 5 1 6 Anlagensteuerung 5 2 Ausgangssituation der Instrumentierung 5 3 Instrumentierung nach Abschlu der Umbauma nahmen 5 4 Mess
154. e Messkurven vor Eine Ent schmierung w rde hierbei zu einer falschen Interpretation der Messergebnisse f hren e Das Ansprechverhaltern der kapazitiven Feuchtesensoren ist auch abh ngig vom Anstr mverhalten Es m sste daher f r jeden Str mungszustand ein eigenes Zeitverhalten der Sensorik beschrieben und individuell entschmiert werden 1992 wurde von VOIGT ein Patent zur dynamischen Korrektur von Messfeh lern bei Polymer Feuchtesensoren angemeldet20 Durch Anwendung eines speziellen Algorithmus gelang es Langzeit Hysterese Effekte zu kompensie ren2 Eine Anwendung auf dynamische Effekte im Minutenbereich ist je doch nicht m glich BROEDEL meldete 1998 ein Patent zur Erh hung des Ansprechverhaltens beliebiger Arten von Sensoren an In Bezug auf Feuch temessf hler ist die Anwendung dieser mathematischen Korrektur der Mess kurven jedoch nur bei konstanten Str mungsverh ltnissen m glich 6 3 5 Bewertung des Ansprechverhaltens der Feuchtesensoren Wie die vorangegangenen Messungen zeigen weisen die verwendeten kapaziti ven Feuchtesensoren als Nachteil die langen Ansprechzeiten auf Unter den extremen Bedingungen des Einspr hens von Wasser in eine leere Anlage macht sich die daraus resultierende Verschmierung der Messkurve bis zu acht Minuten bemerkbar Es ist jedoch zu erwarten dass die nderungen der Abluftfeuchte w hrend eines Granulationsprozesses aufgrund von Absopti ons und Desorptionsvorg ngen am Sch ttgut d
155. e Prozesszeitraum wird in konstan te Zeitintervalle i der Dauer At aufgeteilt F r den aktuellen Wassergehalt im Ansatzgef folgt somit i i i i Masser im Ansatz M start zn ba ga yim a Nm Xm 3 1 i i i l i l Mwasser im Ansatz t Masse Wasser im Ansatzbeh lter zum Zeitpunkt t g Mstart Masse Wasser im Ausgangsprodukt g Mr Durch Frischluft im Zeitintervall i eingebrachte Masse Wasser g my Durch Pressluft im Zeitintervall i eingebrachte Masse Wasser g Ms Durch Spr hfl ssigkeit im Zeitintervall i eingebrachte Masse Wasser g MA Durch Abluft im Zeitintervall i ausgetragene Masse Wasser g Steuerungen von WSG Prozessen Aus den bisherigen Ausf hrungen ist ersichtlich dass eine derartige Mas senbilanzierung eines Wirbelschichtgranulationsprozesses nur unter folgen den Voraussetzungen m glich ist e Dichtigkeit der gesamten Anlage kein Ansaugen von Fehlluft e Basislinienstabilit t der Feuchtesensoren e Konstanter Feuchtigkeitsgehalt ber den gesamten Rohr querschnitt an der Einbaustelle eines Feuchtesensors e Sehr schnelles Ansprechverhalten der Feuchtesensoren e Exakte Messung des Volumenstromes e Pr zise Berechnung der Dichte der Luft um auf Massen str me umrechnen zu k nnen e Kenntnis des Luftdruckes und der Lufttemperatur am Ort der Feuchtigkeitsmessung e Verhinderung der Wasserkondensation im Bereich der Abluftfeuchtemessung da nur verdampftes Wasser vom Sen
156. ehr gro en apparativen Aufwand m glich da hierzu experimentell ein sprunghafter Wechsel der Feuchtebedingungen der Luft realisiert werden m te Die beiden folgenden Abbildungen zeigen Messergebnisse des Herstellers mit den in dieser Arbeit verwendeten Feuchtesensoren 53 Die Anstr mung des Sensors erfolgte mit einer Str mungsgeschwindigkeit von 1 m s 100 90 80 70 60 50 40 Messwert Relative Feuchte 30 20 Zeit min Abbildung 5 27 Sprungfunktion 0 auf 90 relativer Feuchte Die Halbwertszeit to ist als diejenige Zeitspanne definiert in der eine abfal lende physikalische Gr e auf die H lfte ihres Anfangswertes abgesunken ist Diesem Diagramm wird bei einem Ordinatenwert von 45 eine Halbwertszeit von tos 2 5 min entnommen 101 5 Experimenteller Teil 102 100 90 80 Messwert Relative Feuchte gt oO Zeit min Abbildung 5 28 Sprungfunktion 90 auf 0 relativer Feuchte Anstr mung mit 1 m s Das Zeitverhalten der Feuchtesensoren beim bergang zu niedrigeren relati ven Luftfeuchtigkeiten ist schlechter als das bei dem zuvor behandelten Fall was in einer Halbwertszeit von to 5 5 min deutlich wird Die Ursache hier f r wird in dem Diffusionsvorgang gesehen Aus diesem Grund dauert auch das Kalibrieren der Feuchtesensoren mit dem Kalibrierstandard 0 r
157. eils der Teilvolumenstrom eines Kreisrings berechnet Die Summe dieser Anteile entspricht dem Gesamtvolumenstrom der das Rohr passiert Die Kreisringe werden jeweils durch zwei Messpunkte der Str mungsgeschwindigkeitsmessung begrenzt Es gilt V myu r Ar i l Fur die Berechnung des Teilvolumenstroms werden jeweils die arithmeti schen Mittelwerte der Messwerte der begrenzenden Messpunkte verwendet U tu Der erste Messpunkt liegt aus messtechnischen Gr nden immer im Abstand 0 1 mm von der Rohrwand entfernt Folglich gilt f r den u ersten Kreisring V 2n 35mm 22 0 1 mm 238 Integration der Geschwindigkeitsverteilungsgesetze ber den F r den inneren Kreis gilt yr _ rn Urast FU max Vast nr 2 Exemplarisch sind die Messwerte und deren Auswertung am Beispiel 100 ffnung der Abluftklappe entsprechend einem Volumenstrom von 171 m h laut GPCG Anzeige dargestellt Tabelle 10 8 Integration des Str mungsprofils f r maximalen Volumenstrom 239 10 Anhang 240 Entfernung von der Str mungsgeschwindigkeit Partieller Volumenstrom Rohrwand mm m s m h Summe 152 111 Der effektive Volumenstrom betr gt 152 11 m h und liegt damit um 11 unter dem von dem GPCG gelieferten Messwert Bei allen weiteren Versuchen liegt der durch numerische Berechnung ermittelte Wert des Volumenstroms im Durchschnitt 11 7 unter dem GPCG Wert wie folgende bersicht zeigt Tabelle 10 9 Ergebnis nu
158. eine geeignete Siebdauer sicherzustellen wird die Luftstrahlsiebung des Standardgranulates im Minutentakt unterbrochen und der Siebr ckstand gewogen 100 90 Siebr ckstand i a Ableitung min so 16 70 14 60t 28 nol 5 v sot 7102 Z 3 a 40 8 lt 30 Te 20 T4 10 to a o 0 Siebdauer min Abbildung 4 12 Bestimmung der Siebdauer aus der zeitlichen nderung des Siebr ckstandes Nach 8 min betr gt die nderung des Siebr ckstandes mit der Zeit nur noch 0 8 min Da l ngere Siebdauern die Trennung nicht verbessern w rden sondern eher zu weiterem Abrieb des Granulates f hren d rften wird die Siebdauer auf 8 min festgelegt Aufbau des Wirbelschichtgranulators Glatt GPCG 5 EXPERIMENTELLER TEIL 5 1 AUFBAU DES WIRBELSCHICHTGRANULATORS GLATT GPCG Der Glatt Powder Coater Granu lator 1 1 im folgenden GPCG bezeichnet ist ein Laborger t zur Entwicklung von Rezeptu ren Die Maschine ist nur f r den Betrieb mit nicht explo siblen nicht brennbaren Stoffen der Gefahrenklasse ST O geeig net Der GPCG ist in der vorlie genden Ausstattung mit einem konischen Produktbeh lter f r das Top Spray Verfahren be st ckt Der Granuliereinsatz weist ein Beh lternutzvolumen von ca 5 l auf 5 1 1 Zuluftleitungssystem Die Zuluft wird der Raumluft entnommen Nach Passieren eines Filters wird die Zuluft in Abbildung 5 1 Glatt WSG Laboranlage
159. einer Zulufttemperatur von 60 C leer gefahren und nach einer drei igmin tigen quilibrierphase der Volumenstrom sukzessive reduziert Einspr hren von Wasser in den leeren GPCG 200 Feuchtegehalt akustischer Feuchtesensor 150 Frischluftfeuchtegehalt 100 gt Ad Y 8 TA 67 RASA 51 44 Volumenstrom 50 34 ra 21 1 0 0 Feuchtegehalt g kg Temperatur C Volumenstrom m h Temperatur akustischer Feuchtesensor 7 t 0 00 00 00 10 00 00 20 00 00 30 00 00 40 00 00 50 00 01 00 00 01 10 00 01 20 00 Zeit h Abbildung 6 16 Ergebnisse der berpr fung der Richtigkeit des akustischen Feuchtesensors W hrend der thermischen quilibrierphase steigt die Temperatur der Abluft und damit auch die des akustischen Feuchtesensors Dies f hrt widererwar ten zu einem Anstieg der Messwerte dieses Sensors Der Vergleich mit dem Frischluftfeuchtegehalt zeigt hingegen auf dass der Feuchtegehalt des Fluids w hrend dieses Versuchs konstant ist Zus tzliche Vergleichsmessungen mit der am Ansauggr ting des GPCG installierten HUGER Wetterstation belegen die Richtigkeit des kapazitiven Frischluftfeuchtesensors Die Ursache des Drifts des akustischen Feuchtesensors wird in der w hrend dieses Zeitfens ters nicht gegebenen thermischen Aquilibrierung des Messf hlers gesehen 194 Die Messung des akustischen Feuchtesensors ist nur dann richtig wenn bei Mess und Referenzoszillator die gleichen Temperatu
160. elativer Luftfeuchtigkeit mindestens eine Stunde Der Wendepunkt in der Kurve in Abbildung 4 25 verdeutlicht dass es sich hier nicht um einen exponentiellen Zusammenhang handelt Je h her die Anstr mgeschwindigkeit ist desto schneller erfolgt die quilibrierung des Feuchtesensors und somit verringert sich die Reaktionszeit Die Anstr mgeschwindigkeit hat jedoch keinen Einflu auf die Anzeige des Endwertes F r die quantitative Beschreibung der Masse an Wasser im GPCG ist eine m glichst kurze Ansprechzeit der Feuchtesenso ren erforderlich Ihre Reaktionszeit wird in hohem Ma e von der Beschaffen heit des Filtermaterials des Sensorkopfes beeinflusst Aus den hier verwende ten Edelstahlfiltern resultieren k rzere Ansprechzeiten als bei den sonst bli chen Teflon Sinterfiltern zu erwarten sind Die Ansprechzeit eines kapazitiven Feuchtesensors wird des weiteren von der St rke der Platinschicht die auf das Dielektrikum aufgetragen ist beeinflusst Da das zu registrierende Was ser durch diese Schicht hindurchdiffundieren muss f hren d nnere Platin schichtdicken zu schnelleren Reaktionszeiten Die Dicke der Platinschicht betr gt bei den hier verwendeten Sensoren ca 30 nm auf jeder Seite des Die lektrikums Zwar sind im Handel inzwischen auch Sensoren mit einer Schichtdicke von ca 15 nm verf gbar die ein bis zu 5 fach schnelleres An sprechverhalten aufweisen als Nachteil aber eine unvertretbar hohe Sensor drift zeigen fehlende Ba
161. ellen Bildverarbeitungssoftware ausgewertet Es ist damit m glich in Echtzeit sowohl Partikelgr enverteilung als auch die Partikelform zu analysieren 2 11 7 Ausbildung der Wirbelschicht Um die Einstellung eines stabilen Wirbelbettes zu realisieren und quantifizie ren zu k nnen sind verschiedene Messmethoden entwickelt worden Differenzdruckbestimmungen MERKKU instrumentierte 1992 eine WSG Anlage mit Differenzdrucksenso ren welche die Belegung des Anstr mbodens sowie die Beladung der Pro duktr ckhaltefilter analysieren 0 R ntgenstrahlung GILBERTSON untersuchte die Bildung von Wirbelschichten mit Hilfe von R ntgenstrahlung Diese Art von Sensorik bleibt aufgrund von Sicherheits aspekten auf die Forschung an Modellen begrenzt Optische Methoden Die einfachste Art Informationen ber die Ausbildung einer Wirbelschicht zu erhalten besteht in der Aufnahme von Photos oder Videos durch einen trans parenten Einblick in das Ansatzgef Durch Anwendung geeigneter Bildver arbeitungssysteme gelingt es die Partikelgeschwindigkeit sowie deren Bewe An WSG Anlagen etablierte Online Messverfahren gungsrichtung zu analysieren Eine Zusammenstellung g ngiger Messverfah ren findet sich bei WERTHER 2 11 8 Bestimmung der Gr e der Spr hfl ssigkeitstropfen Da wie in Kapitel 2 7 dargestellt die Tr pfchengr e der Spr hfl ssigkeit die Agglomerierkinetik eines WSG Verfahrens beeinflu t ist eine Bestimm
162. elradanemometers Str mungsbedingungen eines hydraulisch glatten Rohres vorliegen 5 8 4 Messung der Geschwindigkeitsverteilung im Rohrquer schnitt 5 8 4 1 Versuchsdesign Die meisten in der Praxis auftretenden Rohrstr mungen sind turbulent wie dargestellt herrschen auch beim GPCG diese Verh ltnisse Die Kurve welche die Geschwindigkeitsvektoren im Rohrquerschnitt einh llt wird als Ge schwindigkeitsverteilung bezeichnet Die Ableitung der Gesetzm igkeit f r die Geschwindigkeitsverteilung ist f r Systeme mit turbulenter Str mung auf rein theoretischem Wege nicht m glich da neben der Reynolds Zahl noch die Wandbeschaffenheit des Rohres ber cksichtigt werden muss Die Geschwin digkeitsverteilung kann f r turbulente Str mungsverh ltnisse allgemeing ltig in drei Bereiche unterteilt werden a An der Rohrwand ist u 0 b Innerhalb der d nnen laminaren Unterschicht baut sich die Geschwindigkeit nach der parabolischen Verteilung der Laminarstr mung auf c Innerhalb des turbulenten Str mungsbereichs verl uft die Geschwindigkeitsverteilung wesentlich flacher als bei der laminaren Rohrstr mung Absicht ist es mit einer Referenzsonde an verschiedenen Punkten im Rohr querschnitt die Str mungsgeschwindigkeit zu messen um durch Integration des so aufgenommenen Geschwindigkeitsprofils ber die Querschnittsfl che auf den wahren Volumenstrom schlie en zu k nnen Mit dem derart ermittel ten Wert l sst sich abschlie en
163. em Zerst u bungsdruck wird die Strahlgeschwindigkeit am D senaustritt gr er und damit die Zerst ubung feiner Wird bei konstantem Druck und Fl ssigkeits durchsatz durch Ver nderung des Gasschlitzes der Spr hkegel verbreitert so werden die Tropfen feiner 46 Zweistoffd sen bieten folgende Vorteile e Bildung sehr feiner Tr pfchen e Enge Tropfengr enverteilung e Sprthkegel ohne signifikanten Unterschied der Tropfengr e in Kern und Randzone 4 e Viskosit t der Fl ssigkeit ist beliebig e Leichte Handhabung auch bei geringer Durchsatzmenge e Einfache bertragung der Betriebsparameter aus dem Labor ma stab auf gr ere Anlagen e Gr te Oberfl chenentwicklung bei geringstem Energieaufwand Um w hrend der Spr hpausen ein Verstopfen der Spr hd se durch aufstei gende Partikeln zu unterbinden kann ein konstanter Freiblasdruck vorge 79 5 Experimenteller Teil 80 w hlt werden durch den die D se mit Pressluft freigehalten wird Es sei dar auf hingewiesen dass ein Verstopfen der Sp hd se nicht etwa zu einem An stieg des Spr hluftdruckes f hren w rde Es ist daher wichtig w hrend der Spr hphase die Funktion der D se visuell oder anhand der Abnahme des Gewichtes der Spr hfl ssigkeit zu berpr fen 5 1 4 Ruckhaltefilter Der im oberen Teil des GPCG installierte Filter trennt die aus der Wirbel schicht ausgetragenen feinen Partikeln aus der Abluft ab Um die Dichtigkeit der Anlage z
164. em anderen Beh ltnis auf gefangen werden konnten um sie dort zu regenerieren Seit den fr hen 50er Jahren fand die Wirbelschichttechnik vielf ltige Nutzung in der Verfahrens technik und dabei insbesondere in der chemischen Reaktionstechnik Als Beispiele seien die Aufbereitung von Erzen Mineralien sowie Gas Gas Reaktionen mit einem Feststoff als Katalysator oder Gas Feststoff Reaktion wie die Kohleverbrennung genannt Grundlagen des WSG Verfahrens Im Jahre 1958 wurde von D E WURSTER erstmals die pharmazeutische An wendungsm glichkeit von Wirbelschichtverfahren beschrieben Seit Mitte der 60er Jahre fand diese Technik Anwendung bei Trocknungsprozessen5 sp ter wurden Mischungs Granulations und Film berzugsverfahren etabliert Absicht dieser Arbeit ist es einen Beitrag zur besseren Beschreibung und zum tieferen Verst ndnis von Wirbelschichtgranulationen zu liefern um da mit die Voraussetzungen f r die Steuerung sowie die Erstellung von Simula tionen derartiger Prozesse zu schaffen 2 Stand der Wissenschaft 2 STAND DER WISSENSCHAFT 2 1 GRUNDLAGEN DES WSG VERFAHRENS 2 1 1 Das Wirbelschicht Verfahrensprinzip Das allgemeine Prinzip eines Wirbelschichtprozesses besteht darin eine auf einem Siebboden Anstr mboden ruhende Masse von Feststoffpartikeln durch einen aufw rts gerichteten Gasstrom Fluid in einen Schwebezu stand zu berf hren um damit einen fl ssigkeits hnlichen Zustand zu reali
165. em milit rischen Ziehvater welcher mir erfolgsorientiertes Handeln sowie Durchhalteverm gen vermittelt hat und mir auch in extremen Stresssituationen immer Vorbild gewesen ist Herrn Oberstleutnant i G und Diplom Kaufmann Dirk Waldau G3 PzBrig 14 Hessischer L we Neustadt Hessen as al im Oktober 2001 Danksagung Mein Dank gilt in besonderem Ma e e Herrn Prof Dr Ingfried Zimmermann f r die interessante Themenstellung die Freiheit in der Durchf hrung die fachliche wie materielle Unterst tzung der Arbeit aber auch die wohlwollende Haltung gegen ber meinem Reserve offiziersstatus mit den sich daraus ergebenen Forderungen sowie viele inte ressante Diskussionen auch abseits fachspezifischer Probleme e Meinem Kollegen und Freund Apotheker Kai Kretzler f r die hervorragende Zusammenarbeit die fachlichen sowie menschlichen Gespr che und die vie len lockeren Spr che ber manche ZeitgenossInnen e Apothekerin Susanne M ller und Diplommathematiker Johannes M ller f r viele sch ne Stunden und zweckdienliche wie hilfreiche Diskussionen w h rend der Promotionszeit sowie f r das Korrekturlesen dieser Arbeit e Den Mitarbeitern der Werkstatt Herr Georg Walter Herr Karl Vollmuth und Herr Matthias V lker f r die tatkr ftige und unb rokratische Hilfe beim Transport der Maschine nach Dresden dem Bau der Volumenstrommess strecke sowie der Messzelle f r den akustischen Feuchtesensor e Dem Netzwerkadminis
166. ementsprechend zu 5 6 4 Basislinienstabilit t Eine stabile Basislinie des Feuchtemesssignals ist Voraussetzung f r die Er stellung einer Massenbilanzierung Um eventuelle Sensordrifts zu quantifizie ren wird exemplarisch der Abluftfeuchtesensor mit einer mit ges ttigter Li thiumchloridl sung bef llten Klimakammer versehen und bei 24 C f r 2 5 h im PEG Bad temperiert Die lineare Regression der Feuchtigkeitsmesswerte in Abh ngigkeit von der Zeit liefert einen Sensordrift von 0 06 h Dieser Wert ist so gering dass er nicht f r die weiteren Berechnungen ber cksich tigt werden muss Messung der Zu und Abluftfeuchte 5 6 5 Zeitverhalten der Feuchtesensoren ndert sich die Luftfeuchtigkeit eines Messobjekts so folgt die Anzeige des Feuchtigkeitssensors nicht gleichzeitig sondern mit einer gewissen Verz ge rung Die Art und Weise nach der die Anzeige des Sensors einem zeitlich ver nderlichen Messwert folgt wird als Zeitverhalten oder auch als Ansprechzeit bezeichnet Das Reaktionsverhalten eines Feuchtigkeitssensors auf die nderung der Luftfeuchtigkeit wird mit einer bergangsfunktion beschrieben Es wird der relative Verlauf der Feuchtigkeitsanzeige nach einer sprunghaften nderung der Luftfeuchtigkeit in Abh ngigkeit von der Zeit notiert Anhand dieser Funktion werden Kennwerte wie die Zeitkonstante die Halbwertszeit oder die 9 10 Wertzeit ermittelt 52 Eine direkte Messung der Ansprechzeit ist nicht ohne s
167. en Wassergehalt Trocknungsgeschwindigkeit e Zeit 1 2 3 Zeit Abbildung 2 5 Zeitlicher Verlauf von Wassergehalt im Sch ttgut sowie Trocknungsgeschwindigkeit Erster Trocknungsabschnitt gt gt gt Verdunstung der freien Feuchte der Oberfl che An der Oberfl che der Partikeln verdunstende Fl ssigkeit wird in ausrei chendem Ma aus dem Inneren des Gutes nachgef rdert Verdunstungsrate wird allein durch Lufttemperatur Luftfeuchte und Luft geschwindigkeit bestimmt nicht aber duch die Art des Gutes Nach Beendigung eines thermischen Anlaufvorgangs gekennzeichnet durch ein Einlaufen der Trocknungsverlaufskurve nimmt das Gut die adi abatische Beharrungstemperatur an Konstante Trocknungsgeschwindigkeit W rme bertragung durch das Fluid nur an der Gutsoberfl che der Parti keln Dieser Trocknungsabschnitt endet wenn der kapillare Zug im Inneren der Partikeln nicht mehr ausreicht um die an der Oberfl che verdunstende Fl ssigkeitsmenge zu ersetzen Die Gutsoberfl che weist nun den maximalen hygroskopischen Feuchte gehalt auf d h denjenigen Wassergehalt der sich bei einer relativen Feuchte von 100 durch Sorption von Feuchte an die Partikeloberfl che einstellt Da die Feuchte unterhalb der maximalen hygroskopischen Feuchte st rker gebunden ist sinkt die Trocknungsgeschwindigkeit der Knickpunkt in der Trocknungsverlaufskurve markiert das Ende des ersten Trocknungsa
168. en Response Surface in die x y Ebene erleichtert die Interpretation Messung der Zu und Abluftfeuchte 100 1 25 1 15 1 05 1 10 80 0 950 1 00 0 900 60 4 Messwert relative Feuchte Temperatur Abluftfeuchtesensor C Abbildung 5 22 Korrekturwert k fiir den Abluftfeuchtesensor quadratisches Model Der Abluftfeuchtesensor liefert im Bereich um 60 relativer Feuchte nahezu wahre Werte in allen anderen Arbeitsbereichen zeigt dieser Sensor eine zu geringe Feuchtigkeit an Da die Frischluft in einem kleineren Temperaturbereich als die Abluft variiert erfolgt die Kalibrierung dieses Sensors bei sonst unver nderter Vorgehens weise nur im Intervall 15 C bis 40 C Die folgenden Tabellen zeigen die Ergebnisse Tabelle 5 7 Ges ttigte Lithiumchlorid L sung Temperatur C Gemessene relative Feuchte Reale Effektive Feuchte Abweichung 22 9 11 311 125 6778 27 8 5 11 3015 132 9588 35 9 11 2655 125 1722 22 9 11 311 125 6778 Tabelle 5 8 Ges ttigte Magnesiumchlorid L sung Temperatur C Gemessene relative Feuchte Reale Effektive Feuchte Abweichung 16 31 3 33 25602734 106 2493 18 33 33 16601416 100 5031 21 33 5 33 01465384 98 5512 30 34 5 32 44292092 94 0375 40 35 31 60068182 90 2877 97 5 Experimenteller Teil Tabelle 5 9 Ges ttigte Magnesiumnitrat L sung
169. end des laufenden Prozesses Granulat ent nommen werden kann S mtliche Abluftleitungen sind aus gut w rmeleitendem Edelstahl gefertigt Nachdem die feuchte Abluft den Granuliereinsatz verlassen hat k nnte es durch Abk hlung an den Rohrw nden zur Wasserkondensation kommen Um diesen Effekt zu verhindern sind die Abluftleitungen zus tzlich mit han dels blichen Schaumstoff Rohrisolationen mit einer Wandst rke von 13 mm versehen worden Die Luftmengensteuerung erfolgt ber eine stufenlos einstellbare Abluftklap pe der Ventilator arbeitet immer mit konstanter Leistung Folgender Graphik ist der experimentell ermittelte Zusammenhang zwischen Abluftklappen ff nung und daraus resultierendem Volumenstrom zu entnehmen Aufbau des Wirbelschichtgranulators Glatt GPCG ffnung der Abluftklappe Schlie en der Abluftklappe Volumenstrom m h laut GPCG Anzeige 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Abluftklappen ffnung Abbildung 5 4 Korrelation Abluftklappenstellung zu resultierendem Volumenstrom Dieser Abbildung kann entnommen werden dass eine Ver nderung des ff nungsgrades der Abluftklappe sich im Intervall 10 bis 50 auf den Volu menstrom auswirkt Aus geometrischen Gr nden hat eine dar berhinausge hende ffnung keinen weiteren nennenswerten Einflu auf den Luftdurch satz Die Hysterese zwischen ffnung und Schlie en der Abluftklappe liegt im Einbau des Positionsgebers begr
170. enden Fluidzylinder Es gilt folglich durch Berechnen der entsprechenden Oberfl chen A Mantelfl che OS Asurnfl che i Ap 113 5 Experimenteller Teil 114 673 n d I t Ap a et d 5 15 Die Schubspannung im turbulenten Fall ist also in erster N herung dem Quadrat der Str mungsgeschwindigkeit proportional 5 16 Aus Dimensionsgr nden ist diesem Ausdruck die Dichte hinzugef gt worden Durch Einsetzen von Gleichung 5 15 in 5 16 und Einf gen einer Proportiona litatskonstante resultiert p l u 2 d p C Der Faktor 2 wird aus Konventionsgr nden eingef gt Die Proportionalitats konstante wird als Rohrreibungszahl nach MOODY bezeichnet Sie ist eine dimensionslose Gr e Vergleicht man zwei Str mungsverh ltnisse gleicher Reynoldszahl und gleicher dimensionsloser Rauhigkeit so hat in beiden F llen den gleichen Zahlenwert Die Rohrreibungszahl kann eine Funktion der Reynoldszahl sein Als Grundformel f r die Berechnung von gilt _2 d Ap p l u G 5 17 An dieser Stelle wird durch Einsetzen von Gleichung 5 15 in 5 17 ein Zu sammenhang zwischen der Schubspannung t und der Rohrreibungszahl entwickelt der sp ter ben tigt werden wird ee 2 d AT 8 T p u d p u T 5 18 Um den Einflu der Rauhigkeit einer Oberfl che auf die Str mung zu unter suchen sind von J NIKURADSE in den fr hen 30er Jahren des letzen Jahr hunderts ausf hrliche Str mun
171. er bezeichnet 2 10 1 Fl gelradanemometer Fl gelradanemometer sehen u erlich wie Axiall f ter aus Das axiale Fl gelrad muss so angestr mt werden dass Ger teachse und Richtung der Ge schwindigkeit zusammenfallen Aufgrund von Rei bungsverlusten wird stets eine Abweichung vom theoretisch linearen Zusammenhang zwischen Drehzahl und Geschwindigkeit beobachtet Es muss folglich immer eine Kalibrierung durchgef hrt wer Abbildung 2 20 Fl gelrad den Die Drehzahl ist nahezu unabh ngig von Dich nn te Druck und Temperatur des Messmediums Der Messbereich von Fl gelradanemometern liegt blicherweise bei 0 2 bis 40 m s F r Messungen in engen Rohren sind Sensoren mit Fl gelraddurch messern von 10 mm verf gbar 2 10 2 Prandtl Rohr Am halbkugelf rmigen Kopf des hakenf rmigen Staurohres wird an der Boh rung mit dem Durchmesser d ein Gesamtdruck der Str mung gemessen der als Summe von statischem und dynamischem Druck resultiert Methoden zur Volumenstrombestimmung in Gasphasen p st p ges Abbildung 2 21 Schema eines Prandtl Rohres P ges Pst F Payn 2 33 Pst Statischer Druck Pa Payn Dynamischer Druck Pa Senkrecht zur Str mungsrichtung sind im Abstand von ca 3 des Durch messers des Prandtl Rohrs seitlich Schlitze im Staurohr angebracht an de nen lediglich der statische Druck pst anliegt Durch Verbinden der Anschl s se beider Bohrungen an ein Differenzdruckmanometer kann der dynam
172. er die Abluftklappenstellung den Volumenstrom permanent nachregeln wie folgendes Diagramm verdeutlicht 100 100 90 80 ill 80 Mey ddl dtd mi p mie ul manny AER EY a la ry ar am nee ill hen ni n ven kA PAA Bi fi nr 70 T E o0 Volumenstrom Sollwert u Volumenstrom Aktuell 2 2 Abluftklappe Aktuell 750 S 5 E 3 Ss 40 40 lt gt 30 20 20 Bef llung des GPCG 10 0 0 N i 00 00 00 00 15 00 00 30 00 00 45 00 01 00 00 01 15 00 01 30 00 01 45 00 Zeit seit Proze beginn h Abbildung 6 22 Volumenstrom und Abluftklappenstellung Der zeitliche Mittelwert des Volumenstromes liegt mit 76 16 m h und einer Standardabweichung von 2 83 genau im geforderten Bereich Die GPCG Steuerung erreicht also trotz variierender Str mungswiderst nde einen kon stanten Volumenstrom 6 5 2 Spr hluftdruck Solange nicht gespr ht wird ist an der Spr hd se ein Freiblasdruck von 1 5 bar berdruck angelegt um ein Verstopfen der Auslass ffnung zu verhin dern Das Vorliegen eines berdrucks bedeutet nicht automatisch auch eine Pressluftstr mung an der Spr hd se sollte letztere tats chlich verstopft sein w rde dennoch der Freiblas bzw der Spr hluftdruck angezeigt werden Die Funktionsf higkeit der Spr hd se l sst sich jedoch durch visuelle Beo bachtung bzw durch Abnahme der Spr hfl ssigkeitsmasse im Ansatzgef berpr fen Ein konstanter Volumenstrom erleichtert die I
173. er nimmt mit hohen Abluftfeuchten und niedrigen Temperaturen stark zu Die Ergebnisse verdeutlichen dass mit den Feuchte sensoren allein also ohne zus tzlichen Temperaturf hler im Messmedium die relative Luftfeuchtigkeit nicht richtig bestimmt werden kann Mit der in dieser Arbeit verwendeten Instrumentierung ist es jedoch m glich sowohl den Feuchtegehalt als auch die relative Feuchte des Messmediums richtig zu ermitteln Einspr hren von Wasser in den leeren GPCG 6 3 3 Ansprechverhalten der kapazitiven Feuchtesensoren Das Einspr hen von Wasser in den mit einer Zulufttemperatur von 60 C thermisch quilibrierten GPCG erfolgt mit unterkritischer Spr hrate so dass s mtliche Fl ssigkeit sofort verdampft Da sich daher in der Anlage kein kondensiertes Wasser befindet wird am Ende der Spr hphase ein abrupter Abfall der Abluftfeuchtigkeit erwartet Die vom kapazitiven Feuchtesensor erhaltenen Messkurven zeigen dass die relative Abluftfeuchte unmittelbar mit dem Beginn der Spr hphase ansteigt und auch sofort nach Spr hende wieder absinkt 171 Spr hphase 131 A Feuchtegehalt Abluft 50 ad Feuchtegehalt akustischer Feuchtesensor S Feuchtegehalt Frischluft rl nr Eu o gt w 6 Feuchtegehalt g kg Relative Feuchte 20 Relative Feuchte Abluft 40 00 00 45 00 00 50 00 00 55 00 01 00 00 01 05 00 01 10 00 01 15 00 01 20 00 Zeit seit Proze beginn h Abbildung 6 18 Messwerte
174. er verwen deten Analysensiebe bestehen aus Drahtsiebgewebe mit rechteckiger Maschenform Die Siebfl che weist einen Durchmesser von 200 mm auf Der Hersteller empfiehlt folgende maximale Aufgabemengen 69 4 Material und Standardmessmethoden 70 Tabelle 4 4 Aufgabemengen auf Siebb den mit 200 mm Durchmesser Nennweite der Empfohlene maximale Materialmenge bei 200 Sieb ffnung um mm Durchmesser der Siebfl che cm Alle Siebungen werden mit einer Aufgabemasse von 100 g durchgef hrt Die Siebdauer betr gt jeweils 10 Minuten und wird mit genau 3000 Schwingun gen pro Minute durchgef hrt Die Schwingungsh he betr gt bei allen Sie bungen jeweils 1 5 mm 4 4 LASERDIFFRAKTOMETRIE Die Messung der Korngr enverteilungen der Sch ttg ter erfolgt in dieser Arbeit mittels Laserdiffraktometrie Synonym Laserstreulichtanalyse LSA Messgr e ist dabei das von einem Partikelkollektiv erzeugte in einem be stimmten Raumwinkel erfasste Beugungsmuster einer Laserlichtquelle die das Messvolumen mit einem Lichtstrahl konstanter Intensit t und Wellen l nge durchleuchtet Ein Laserbeugungsmessger t besteht aus einer opti schen Bank mit darauf installierter Sende und Empfangseinheit Empfangseinheit Sendeeinheit Messzone Abbildung 4 9 Malvern ParticleSizer 2600 Die Empfangseinheit bildet das gebeugte Licht mit einem Linsensystem be stehend aus sogenannten Fourier Linsen auf die Messebene ab Ist die We
175. ergehalts innerhalb eines Partikels aufweist und das Produkt am Ende des Prozesses mit einer niedrigeren Temperatur als bei den sonst blichen Betriebsarten entnommen werden kann Das ECONDRY Verfahren hat sich jedoch aus Kostengr nden nicht durchsetzen k nnen 8 1996 wurde von STEFFENS die M glichkeit aufgezeigt die Produktfeuchte w hrend eines WSG Prozesses mittels NIR Spektroskopie zu berwachen und damit eine Steuerung des Prozesses zu entwickeln FRAKE publizierte 1997 die praktische Anwendung dieses Verfahrens 5 Als Nachteil ist auch hier wiederum die Notwendigkeit einer produktspezifischen Kalibrierung zu nen nen 2 5 IN DER PRAXIS ETABLIERTE WSG VERFAHREN In der pharmazeutischen Praxis haben sich einige Bauformen von WSG Anlagen durchgesetzt die im Folgenden kurz erl utert werden 2 5 1 Top Spray Verfahren Bei diesem am weitesten verbreiteten Verfahren wird eine Bindemittell sung von oben auf die zu granulierende Vorla ge aufgespr ht was den Namen Gegenstrom verfahren begr ndet Der Produktbeh lter ist hierbei konisch gestaltet Am Anstr mboden ist der Str mungsquerschnitt am geringsten Da sich dieser Querschnitt mit zunehmender H he vergr ert nimmt die Str mungsgeschwindig keit entsprechend ab Im oberen Bereich str men die fluidisierten Partikeln in Richtung der Beh lterwand und gleiten dann an ihr zu Abbildung 2 7 Top Spray Wirbelschic r ck zum Anstr mboden Die unter Top Spr
176. erissen bewegen sich nach au en und gelangen ber den Rand des Beh lters wieder nach unten zum Anstr mbo den um erneut herausgeschleudert zu werden Aus der trichterf rmig gestal teten Ansatzbeh lterform resultiert damit eine font nenartige Partikelbewe gung Diese Gestaltung der Beh lterform ist insbesondere bei zur Kanalbil dung neigenden Sch ttg tern ein probates Mittel zur sicheren Fluidisierung 2 1 3 Wirbelschicht Granulations Prozesse WSG Wurden Wirbelschichtprozesse anf nglich nur f r die Trocknung von Sch tt g tern verwendet so finden sie seit den 60er Jahren des vergangenen Jahr hunderts auch f r Granulationsverfahren im Bereich der pharmazeutischen Technologie Anwendung Zur Durchf hrung einer Feuchtgranulation sind allgemein drei Grundoperationen nacheinander durchzuf hren Mischen Granulieren und Trocknen WSG Prozesse bieten gegen ber allen anderen Herstellungsverfahren den Vorteil alle genannten Schritte in der selben Ma schine durchf hren zu k nnen Ein weiterer Vorzug besteht darin dass die GMP Richtlinien bei derartigen Anlagen einfacher als bei anderen Verfahren zu realisieren sind Da die Fluidisierung fast ausnahmslos durch Saugventi latoren realisiert wird und daher in den Anlagen Unterdruck herrscht sind die Gefahren des Austritts toxischer Materialien sowie Cross contamination sehr stark verringert Die enorme Reduktion des Arbeitsaufwandes und damit der Produktionskosten f hrte als
177. erst beim 2 bis 6 fachen der Lockerungsge schwindigkeit Die St rke interpartikul rer Kr fte ist abh ngig von der Feuchtig keit des zur Fluidisierung verwendeten Gases van der Waals Kr fte sind vernachl ssigbar Reale Wirbelschichten zeigen auch in diesem Bereich einen mit der Str mungsgeschwindigkeit u leicht ansteigenden Druckverlust weil die zunehmende Bewegung der Partikeln und die Wandreibung Energie verbrauchen Bereich III Pneumatische F rderung Die Fluidgeschwindigkeit bersteigt die Sinkgeschwindigkeit der einzelnen Partikeln Austragspunktgeschwindigkeit Wirbelschicht geht in den Zustand einer Flugstaubwolke ber Partikeln werden aufgrund zu hoher Str mungsgeschwindigkeit des Fluids aus der Wirbelschicht herausgetragen Der Druckverlust im Wirbelschichtbeh lter steigt entsprechend dem eines vollturbulent durchstr mten Rohrleitungselements pro portional zum Quadrat der Geschwindigkeit an Die Porosit t erreicht Werte nahe bei 1 2 Stand der Wissenschaft Um der Gefahr einer pneumatischen F rderung entgegenzuwirken sind alle g ngigen WSG Anlagen mit R ckhaltefiltern oberhalb des Granulationsgef es ausgestattet Der ideale Zustand eines Wirbelbetts wird als homogene Wirbelschicht Abb 2 2 A bezeichnet Alle Partikeln werden gleichm ig vom Fluid um str mt und im Wirbelbett verteilt Dieser Zustand ist nur mit Partikeln aus schlie lich gleicher Korngr e und Dichte in Verbindung mit
178. esiumoxid eingebettet Temperatur nderungen f hren zu Widerstands nderungen welche durch einen Messumformer in ein Stromst rkesignal von 4 bis 20 mA umgewandelt werden Der gute W rme bergang zwischen Schutzrohr und Temperatursensor erm glicht kurze Ansprechzeiten Bei ei ner Anstr mung der PT100 Sensoren mit Luft bei einer Geschwindigkeit von 3 m s betr gt die Halbwertszeit des Temperatursignals tos 7 2 s die Zeit bis zum Erreichen von 90 des Sollwerts too 20 5 s Die von der Firma Thermocoax gebauten Sensoren des Typs TLA 10 10 weisen einen Durch messer von nur 1 mm auf die Ansprechzeit betr gt hier sogar nur to 0 6 s 85 5 Experimenteller Teil 86 5 6 MESSUNG DER ZU UND ABLUFTFEUCHTE Um die Massenbilanzierung durchf hren zu k nnen ist der GPCG mit spe ziellen Feuchtesensoren ausgestattet worden 5 6 1 Messprinzip und Leistungsmerkmale der Feuchtesensoren Die von der Firma HYGROCONTROL GmbH Hanau gefertigten Feuchtesenso ren mit der Bezeichnung Hygromess Transmitter sind kapazitive Feuchtesenso ren Zwischen zwei Platinelektroden mit Platinanschlussdr hten befindet sich ein dielektrisches hygroskopisches Polymer Zur automatischen Kompensation des Tem peratureinflusses auf die Bestimmung der relativen Feuchte erfolgt die Temperatur messung mit einem in den Sensorkopf integ rierten Thermoelement Dieses Bauteil be findet sich in einem Abstand von 2 mm von der als Dielektrikum verwende
179. euchtigkeit zur Rohrwand hin an Die Um rechnung in Feuchtigkeitsgehalte f hrt jedoch zu konstanten Werten Da in die Massenbilanzierung nur der letztgenannte Parameter eingeht ist die Posi tionierung des Feuchtesensors folglich unkritisch Messung des statischen Druckes 5 7 MESSUNG DES STATISCHEN DRUCKES Um den Zustand feuchter Luft umfassend beschreiben zu k nnen ist die Kenntnis des statischen Luftdruckes erforderlich Da eine Berechnung dieses Druckes anhand der Verntilatorleistung und des Str mungswiderstandes der Leitungssystems nicht m glich ist werden an den Stellen der Luftfeuchte messung Anschl sse f r eine statische Luftdruckmessung angebracht Ein von der Firma JUMO Fulda gefertigter Druckmessumformer Typ 4304 ermit telt den herrschenden Atmosph rendruck Messbereich u sn 90 000 110 000 Pa Hinstellzeit ccc tect lt 20 ms Umgebungstemperatureinflu lt 0 02 K Zul ssige Mediumstemperatur 10 50 C Kennlinienabweichung lt 1 vom Endwert Kalibrierzeiten Herstellerkalibrierung vor Aus PE TEE FAR NER EHESTEN SE RAR NER REN lieferung danach j hrlich Von diesem Basiswert aus wird der Druckunterschied zu den beiden Feuch temessstellen ber Differenzdruck Messumformer Typ 604A 1 der Firma DWYER Michigan USA gemessen Messbereich 0nn 1 O 20 600 Pa Einstellzeit
180. eutlich langsamer von statten geht Hier sollte die Verschmierung der Messsignale deutlich weniger Bedeu tung haben Ferner sollte sich die Verschmierung der Abluftfeuchtemesskur ve zu Begin und Ende der Spr hphase kompensieren Das Ansprechverhal ten der kapazitiven Feuchtesensoren wird daher als dem Messproblem gerade noch angemessen erachtet 6 4 TROCKNUNGSVERSUCHE 6 4 1 Trocknung von Baumwolle Aufgrund der im Vergleich zu einer Wirbelschicht geringen Oberfl che und dem sehr guten Wasserbindeverm gen von Baumwolle l uft die Trocknung 189 6 Ergebnisse sehr viel langsamer als bei konventionellen Sch ttg tern ab Dies zeigt sich in der Auswertung der Versuchsergebnisse bereits daran dass die Abluft feuchte nur Werte um 25 annimmt und damit weit von der S ttigung ent fernt ist Feuchtegehalt Abluft EN Feuchtegehalt Frischluft 90 80 701 60 50 Relative Feuchte 40 4 1 D Absolute Feuchte g kg relative Feuchte Frischluft j 10 relative Feuchte Abluft 30 20 44 0 t t t t 0 00 00 00 00 15 00 00 30 00 00 45 00 01 00 00 01 15 00 01 30 00 01 45 00 02 00 00 02 15 00 Zeit seit Proze beginn h Abbildung 6 19 Luftfeuchtigkeiten W hrend dieses Versuchs wurden aus dem feuchten Baumwolltuch 155 6 g Wasser entfernt Bestimmung mittels R ckw gung Das trockene Material hat eine Masse von 18 0 g Die Massenbilanzierung liefert f
181. f den Standardwert 75 m h zun chst mit ausgeschalteter Heizung f r mindestens 1 5 h gefahren Im n chsten Versuchsschritt wird der Zuluft temperatur Sollwert auf den Standard von 50 C eingestellt und der GPCG mindestens 1 5 h thermisch quilibriert Ein weiterer Versuch wird mit der maximalen Zulufttemperatur von 80 C unternommen 5 11 2 Einspr hen von Wasser Das Ziel dieser Versuchsreihe besteht darin zum einen das Ansprechverhal ten der Feuchtesensorik zu quantifizieren sowie zum anderen die Anwend barkeit des Parameters kritische Spr hrate ms krit zu berpr fen Zu die sem Zweck wird die Spr hrate derart variiert dass sie zuerst deutlich unter halb dann genau beim Wert von ms krt und danach offensichtlich berhalb liegt W hrend dieser Versuche wird durch das Langfenster im Granulierge f beobachtet ob sich Wasser an der Gef wand niederschl gt Die Spr h d se ist in der oberen Spr hposition fixiert Das gesamte R ckhaltefiltersys tem wird ausgebaut um eine Verz gerung des Abluftfeuchtesignals durch Sorptionsvorg nge des texilen Filtermaterials auszuschlie en Es wird demi neralisiertes Wasser mit einem konstanten Spr hluftdruck von 3 bar einge spr ht 5 11 3 Trocknen von feuchtem Gewebe Das schlagartige Einbringen einer definierte Wassermasse in den Granulier einsatz des GPCG bietet die M glichkeit Trocknungsverl ufe isoliert zu be trachten und exakt zu quantifizieren Es bietet sich
182. fen den Effekt der Staubschutzfilter sowie der W rmeleitung der Sensorhalter begr ndet Deutung der Messergebnisse eines Granulationsprozesses 45 Abluftstrom 40 a F 35 4 T 2 A e E Frischluftfeuchtef hler 2 5 e 305 25 Frischluftstrom 20 H 1 00 00 00 00 15 00 00 30 00 00 45 00 01 00 00 01 15 00 01 30 00 01 45 00 Zeit seit Proze beginn h Abbildung 6 26 Temperaturen an den Feuchtesensoren Die Abweichung der Temperatur im Frischluftfeuchtef hler zu der im Frisch luftstrom betr gt maximal 2 C Die Richtung der Abweichung variiert dabei von Experiment zu Experiment Die wahre Ablufttemperatur liegt w hrend der Mischphase oberhalb des Wertes des Abluftfeuchtef hlers W hrend der Spr hphase f llt die Ablufttemperatur um 17 C ab die Temperaturabnahme im Abluftfeuchtef hler setzt zwar zeitgleich ein betr gt hier aber nur 10 C Die Konsequenzen dieses Sachverhalts werden bei der Betrachtung der rela tiven Feuchten offenkundig 6 5 6 Temperatur im Inneren der Anlage Um die thermische Belastung der Sensorik im Maschinengeh use des GPCG zu quantifizieren wird der externe Temperaturf hler so im Innenraum der Anlage platziert dass die dortige Lufttemperatur gemessen wird 47 401 39 38 37 36 Spr hphase 35 Temperatur C 34 33 32 344 30 i 00 00 00 00 15 00 00 30 00 00 45 00 01 00 00 01 15 00 01
183. ffecting granule growth Archiv for pharmacy og chemi 6 69 82 1978 A Gupte Das Granulieren in der Wirbelschicht Pharmazeutische Industrie 35 1 17 20 1973 Firma Arizona Instrument Tempe Arizona USA Homepage Computrac CT 3000 www azic com 2000 A Burger Hunnius Pharmazeutisches W rterbuch 7 Auflage 422 1993 7 O Mandal Erstellung und Validierung einer kombinierten NIR Raman Bibliothek zur Iden tit tskontrolle organischer und anorganischer Substanzen Dissertation Universit t Gesamthochschule Duisburg 4 1999 7 J Rantanen J Yliruusi et a On line monitoring of moisture content in an instrumented fluidized bed granulator with a multi channel NIR moisture sensor Powder Technology 99 163 170 1998 ce D scher W G hlert Die Mikrowellen Resonatortechnik Ein neues Prinzip der Feuch temessung fiir die Zuckerindustrie Zuckerindustrie 119 1994 Berthold Technologies Produktbeschreibung Feuchtemessung Micro Moist LB 356 2001 C D scher R Herrmann Die Mikrowellen Resonatortechnik Ein neues Prinzip der Feuchtemessung in Sch ttg tern LVT Fachzeitschrift f r Lebensmittel und Verpackungs technik 2 1997 Franz Ludwig Gesellschaft f r Mess und Regeltechnik mbH Firmenbroschiire 2001 81 Y Funakoshi M Yamamoto et al A novel agglomeration granulating system utilizing a centrifugal fluidizing drive Powder Technology 27 13 21 1980 82 Berthold Tec
184. forderlich ist Je h her die Bindungsw rme ist desto schwieriger ist das Wasser vom betreffenden Sch ttgut zu entfernen Zur Beschreibung des massenbezogenen Anteils gebundener Feuchtigkeit eines Sch ttguts existieren die im folgenden aufgef hrten Definitionen Das EuAB bezeichnet den auf die Masse des feuchten Guts bezogenen Massever lust in Prozent m m als Trocknungsverlust wr Mp TM w A 100 2 4 m Masse an Wasser g m Masse feuchtes Gut g m Masse wasserfreies Gut g Ausgehend von der Summe m m m 2 5 folgt damit F r genauere Untersuchungen insbesondere die Bestimmung von Trock nungsraten ist die Angabe des Feuchtegehaltes wtr synonym Wasserge halt bezogen auf die Masse an Trockensubstanz zu bevorzugen 2 Es bestehen die folgenden Beziehungen zwischen Trocknungsverlust und Feuchtegehalt 15 2 Stand der Wissenschaft 16 100 w w 100 w 29 f 100 w l Die folgende Abbildung zeigt den Zusammenhang zwischen wir und wy Sie verdeutlicht dass bei Feuchtegehalten ber 10 eine deutliche Abweichung zwischen beiden Gr en vorliegt Trocknungsverlust w 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Feuchtegehalt wy Abbildung 2 4 Zusammenhang von Feuchtegehalt und Trocknungsverlust Als weitere Ma zahl f r die in einem Sch ttgut gebundene Feuchtigkeit ist der Begriff der
185. ft bei einem Druck von 100 000 Pa Die dynamische Viskositat der Luft bei 100 000 Pa Druck kann auch anhand folgender N herungsformel berechnet werden n Dynamische Viskosit t der Luft Pa s no Dynamische Viskosit t der Luft bei 0 C 17 19 uPa s Ty 273 15 K T Absolute Temperatur K Eine exakte Berechnung der Viskosit t beliebiger Gase erl utert MIDDLEMANI SS Dem Diagramm 5 34 wird f r 25 C ein Wert von n 18 10 Pa s entnommen Hiermit kann nun nach Gleichung 5 10 ber den gesamten Str mungsgeschwindigkeitsbereich des GPCG die jeweilige Reynoldszahl be rechnet werden 111 5 Experimenteller Teil 1 000 000 J Reynoldszahl 100 000 N 10 000 Kritische Reynoldszahl 100 0 5 10 15 20 25 Str mungsgeschwindigkeit m s Abbildung 5 35 Reynoldszahl der Str mung im Ansaugstutzen der GPCG Nach Gleichung 5 10 liegen laminare Str mungsverh ltnisse bis zu einer Str mungsgeschwindigkeit von eel Re _ 18 10 Pa s 2320 0 51 m s p d 1 179 kg m 0 07 m Da die niedrigste Str mungsgeschwindigkeit des GPCG deutlich gr er als dieser Wert ist liegen folglich in s mtlichen Betriebszust nden der Anlage mit Sicherheit turbulente Str mungsverh ltnisse vor 5 8 3 Ermittlung der Rohrwandreibung 5 8 3 1 quivalente Sandkornrauhigkeit und Rohrreibungszahl Bei der laminaren Durchstr mung eines Rohres kann der Volumenstrom mit dem Hagen Poiseuille s
186. g wird ersichtlich dass die Kalibrierung des Fl gelradanemometers nicht mit einem linearen Korrekturfaktor m glich ist Vielmehr wird f r jeden der sechs gemessenen Str mungszust nde ein eigener Korrekturfaktor k Kalibrierwert Vere G Anzeige errechnet Tabelle 5 19 Korrekturfaktoren fiir die Volumenstromanzeige VS laut GPCG m h 19 50 71 94 116 171 VS Kalibrierwert m h 14 319 43 708 65 083 87 229 107 572 152 168 Korrekturfaktor 0 7536 0 8741 0 9166 0 9279 0 9273 0 8898 Durch eine nichtlineare Regression wird damit eine Kalibrierfunktion k f Wesens 5 53 ermittelt Die Berechnung wird in Microsoft EXCEL 2000 implementiert und f hrt zu folgendem Resultat 141 5 Experimenteller Teil 142 Korrekturfaktor k f N herungsfunktion 0 75 y 0 0000000002x 0 0000002157x 0 0000666105x 0 0077456805x 0 6289236962 R 0 9995516586 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Volumenstromanzeige laut GPCG m h Abbildung 5 55 Kalibrierfunktion Fliigelradanemometer F r die Kalibrierung des Fl gelradanemometers wird daher folgende Funkti on verwendet x ER 5 54 k 2 10 x 2 10 x 7 10 x 0 0077 x 0 6289 Die Umrechnung der falschen Volumenstrommesswerte auf die wahren Werte ist erst in der Messwerterfassung m glich da der Messwertumformer des Fl gelradanemometers lediglich eine unzureichende lineare K
187. geflachter als bei lami narer Str mung mit Grundstr mung Versuch von Reynolds e Parabelf rmige Geschwindig keitsverteilun Re lt Rexrit 2320 Re gt Rexrit 2320 Das in den GPCG eingebaute Sauggebl se erzielt laut Hersteller einen maxi malen Volumenstrom von 86 1 s 309 6 m h 6 Zum Erzielen eines Wir belbetts im GPCG sind erfahrungsgem mindestens 20 m h Luftdurchsatz notwendig Der Rohrdurchmesser des Ansaugstutzens betr gt 70 mm Mit Gleichung 2 30 resultieren aus diesen Daten folgende mittlere Str mungsge schwindigkeiten m 20 Vi 3600 s ra min u_ Arm 0 035 m n Umin 1 44 m s Analog gilt f r die theoretische maximale Str mungsgeschwindigkeit 3 309 6 m elan 3600s Akohr 0 035 m T Umax 22 35 m s Fur Luft mit einer Temperatur von 25 C 30 relativer Luftfeuchtigkeit und einem Luftdruck von 101325 Pa ergibt sich nach der spater herzuleitenden Gleichung 6 13 eine Dichte von B 101325 Pa 0 28706 4J kg K 298 15 K P 1 osr AAO Pa 101325 Pa p 1 179 kg m Um die Reynoldszahl der Str mung im Ansaugrohr des GPCG berechnen zu k nnen wird noch die dynamischen Viskosit t der Luft ben tigt Messung des Volumenstromes Dynamische Viskosit t Pa s N e 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Temperatur C Abbildung 5 34 Dynamische Viskosit t der Lu
188. gegen ist 0 9 4 Verteilungssumme 0 8 lt Verteilungsdichte 0 7 4 0 6 5 N t N 0 5 4 N ua a Verteilungsdichte q 0 4 Verteilungssumme Q 0 3 0 2 4 0 15 0 1 1 10 100 1000 Partikelgr e um Abbildung 4 1 Partikelgr Benverteilung von GranuLac 200 bestimmt mit Coulter LS 230 in Isopropanol Die breite Korngr enverteilung des GranuLac 200 ist in den REM Aufnahmen deutlich zu erkennen x50 500pm 5 205106 Granutlac Abbildung 4 2 REM Aufnahme von GranuLac in 50 facher Vergr erung Die Wasserdampf Sorptionsisotherme verdeutlicht dass GranuLac nahezu linear mit steigender relativer Feuchte Wasser adsorbiert jedoch maximal 0 06 Wasser aufzunehmen vermag 65 4 Material und Standardmessmethoden 66 0 07 0 06 0 05 0 04 0 03 0 02 Wasseraufnahme 0 01 0 01 0 02 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Relative Luftfeuchtigkeit Abbildung 4 3 Wasserdampf Sorptionsisotherme von GranuLac 200 Meggle Als Spr hfl ssigkeit f r die Klebstoffgranulation wird eine 5 ige m V Polyvinylpyrrolidonl sung benutzt Diese Substanzklasse ist in der pharma zeutischen Praxis weit verbreitet da die Polymere sehr gut spezifiziert sind ein breiter Viskosit tsbereich der L sungen einstellbar ist und diese sehr gute Klebkr fte aufweisen Tabelle 4 2 Stoffdate
189. gemessenen relativen Luftfeuchtigkeit dargestellt Rohdaten Abluftfeuchtesensor Korrekturfaktor k dimensionslos a ECH 6 0 zx ao 50 Sa 100 h D 60 5 60 80 gr 70 gt 20 40 Gemessene Q hte D relative Feuc gt Abbildung 5 18 Rohdaten Ablufifeuchtesensor Um eine Funktion zu ermitteln die aus den gemessenen Werten relativer Feuchte und Temperatur den Korrekturwert k liefert wird die Response Surface Technik angewendet Mit Hilfe der Statistiksoftware SAS 8 01 SAS Institute Inc Cary NC USA werden die Response Surfaces nacheinander f r ein lineares f r ein quadratisches sowie ein gemischt quadratisches Mo del berechnet Siehe Programmlisting im Anhang Messung der Zu und Abluftfeuchte 1 8 16 Lineares Model eT k T H TH 6 22 14 3 9 zo E Lo 12 O E x5 1 0 0 8 20 S a30 40 SAS OR 90 Cs amp 60 60 70 80 gt 70 20 30 40 50 K o 10 Gemessene wa 5 e relative Feucht Abbildung 5 19 Lineares Moedel R 0 6381 TERE Holl E E 1 8 DENE i H i Quadratisches Model P 1 6 k T T2 H H2 TH 53 2 1 4 EQ FA XS 1 2 fe l X Do 1 0 0 8 20 Abbildung 5 20 go 90 3 70 a 4o 50 60 7 Q o 10 20 Gemessene relative Feuchte 7 Quadratisches Model R 0 9400
190. gen ausgehend lernen Die Entwicklung eines neuronalen Netzes vollzieht sich in vier Stufen 1 Spezifikation der Netzwerkarchitektur Input Knoten versteckte E benen Output Knoten 2 Normalisierung Input und Output Variablen werden auf Werte zwi schen 0 und 1 normalisiert 3 Training Stufe das neuronale Netz lernt den Zusammenhang zwi schen unabh ngigen und abh ngigen Variablen bei kleiner Daten zahl 4 Test Stufe unabh ngige Variablen werden vorgegeben die abh ngi gen Variablen durch das neuronale Netz ermittelt und schlie lich deren Abweichung von den tats chlichen Werten berechnet Neuronale Netze sind insbesondere dann gut anwendbar wenn der Zusam menhang zwischen Einflu gr en und Ergebnissen nicht beschrieben ist Ein weiterer Vorteil besteht in der Ber cksichtigung verschiedener abh ngiger und unabh ngiger Variablen in einem Modell Seit 1994 gibt es Anwendun gen dieser Technik f r die Simulation von WSG Prozessen wobei die Granu lateigenschaften nicht aber die Versuchsbedingungen simuliert werden Versuche mittels Neuronaler Netze Eigenschaften der aus dem Granulat ge pressten Tabletten vorherzusagen blieben bisher erfolglos 7 Nachteil dieser Arbeiten ist dass das eigentliche Verst ndnis des Prozesses nicht gefragt ist sondern vielmehr gleichsam mit einem Black Box Denken agiert wird Steuerungen von WSG Prozessen 2 12 6 Dimensionslose Darstellung der Zugabe von Gran
191. gen wird folgende Gleichung erhalten R _yt eR 15 67 rear e rdr AET ue ote r dr 10 3 0 0 0 R R P filee a rods Jetzt muss noch der dimensionslose Wandabstand mit Hilfe von Gleichung 5 47 substituiert werden y IE ymconst y B y v V8 Der Wandabstand y ist gerade die Differenz aus Rohrradius und Parameter r y R r und somit y B R r Das Einsetzen dieses Ausdruckes f r y in Gleichung 10 3 ergibt eine Summe von Integralen deren Integranden neben Konstanten nur noch die Variable r enthalten und damit l sbar werden Aus bersichtlichkeitsgr nden wird die se Summe der Integrale im Folgenden summandenweise bearbeitet 1 Summand 243 10 Anhang R Ef inv B R r r dr 10 4 K9 Substitution der Summe im Logarithmusausdruck x 1 K B R r gt ser KB Mit Wii aa lt gt PB dr KB folgt damit aus Gleichung 10 1 27 fin EE f Ax KB ral x Tay os fxn vax BR 1 mal A a x In x dx KBR 1 In x dx 10 5 Gem den allgemeinen Integrationsregeln in xdx xInx x C fx Inxdx x ny C 10 6 m l m 1F lasst sich nun 10 5 leicht berechnen m ofS 7 BR e x a c Fr ofS rear een Del Resubstitution mit x 1 xB R r f hrt schlie lich zu R Qn erste pree AB 7 A lt BR 1 1 B R r In 1 B R r H 10 7 Aus bersichtlichkeitsgr nden werden die beiden Summanden innerhalb der eck
192. gewandte Forschung und Technologie an der Hochschule f r Technik und Wirtschaft Dresden FH Homepage www htw dresden de 2001 L Zipser F W chter H Franke Acoustic gas sensors using airborne sound properties Sensors and Actuators B 68 162 167 2000 W Bohl Technische Str mungslehre 8 Auflage 239 246 1989 Firma H ntzsch Instruments GmbH Waiblingen Informationsbrosch re Fl gelrad Str mungssensoren FA 2 1998 M Stie Mechanische Verfahrenstechnik 1 2 251 1995 10 R Fretz Anforderungen an moderne Sensoren f r den Einsatz in der pharmazeutischen Verfahrenstechnik In Prozess Kontrolle fester Arzneiformen APV Seminar 1988 37 44 1990 1I Firma KRITEC Ebersburg Homepage www kritec de 2001 Herr Sch nknecht Firma Thermocoax Hamburg Pers nliche Mitteilung 28 6 2001 103 S Heinrich L M rl Temperatur und Konzentrationsverteilung bei der Wirbel schichtspr hgranulation Chemie Ingenieur Technik 70 976 979 1998 104 M Trojosky Modellierung des Stoff und W rmetransports in fl ssigkeitsbed sten Gas Feststoff Wirbelschichten Dissertation Technische Universit t Magdeburg 1991 105 W Carius P Schmidt In Prozess Feuchtemessung in der Wirbelschicht 1 Mitteilung Eine Untersuchung mit verschiedenen Messmethoden Pharmazeutische Industrie 58 Nr 11 970 973 1992 10 P Merku J Yliruusi A Kaukonen L Hellen E Kristoffersson The use of an automated
193. gilt somit Be Cp TL SE hy Cp yw 9 Aus dem Einsetzen der konstanten Zahlenwerte resultiert schlie lich hys 1 005 Q y 22 j 1 93 6 55 ETC g BG Diese Gleichung verdeutlicht dass die Enthalpie feuchter Luft mit steigender Temperatur und steigendem Feuchtegehalt zunimmt Sie ist die Grundlage zur Erstellung des 1923 nach dem deutschen Physiker MOLLIER benannten Diagramms 0 15 3 rz R oe 15 relative Luftfeuchtigkeit 60 4 oc ws 50 PB 40 K me SS RO 30 t he u SE Agent ne WN TD NS 5 w u Se iS Bay Tau Den v 8 10 S Gesamtdruck p 966 6 kPa IS a Ss 0 x 5 10 15 20 25 30 35 45 5 Wassergehalt x gWasser kg trockene Luft Abbildung 6 48 Mollier Diagramm 213 6 Ergebnisse 214 6 7 2 Berechnung der kritischen Spr hrate Die Absicht der Berechnung besteht darin f r definierte Zuluftbedingungen den maximal erreichbaren Feuchtegrad der Abluft zu postulieren um damit die Voraussetzungen f r die Berechnung der kritischen Spr hrate zu schaf fen Hierzu wird ein adiabatischer Trocknungsprozess angenommen Die zum Verdampfen des eingespr hten Wassers erforderliche Energie
194. gsmessungen an Rohren durchgef hrt wor den auf deren Oberfl che Sandk rner definierter Gr e fixiert waren Der Durchmesser der verwendeten Sandk rner wurde als Sandkornrauhigkeit ks mm definiert Die bertragung der Versuchsergebnisse auf technisch Messung des Volumenstromes rauhe Rohre wird durch den Begriff der quivalenten Sandkornrauhigkeit k erm glicht Hierunter wird die Sandkornrauhigkeit verstanden die bei gleicher Reynoldszahl den gleichen Reibungskoeffizienten liefert 67 Bei BOHL findet sich eine Zusammenstellung ber die Rauhigkeit g ngiger Werkstoffe168 f r die vorliegende Problemstellung wird demzufolge f r die aus poliertem Edelstahl gefertigten Luftleitungsrohre ein Wert von ks 0 0015 mm angesetzt Der Quotient aus Rohrdurchmesser und quivalenter Sand kornrauhigkeit wird als relative Wandrauhigkeit bezeichnet F r die Untersuchung des Einflusses der Rohrreibung auf die Ausbildung eines Str mungsprofils m ssen laminare und turbulente Str mungen ge trennt betrachtet werden 5 8 3 2 Laminare Str mung F r die laminare Str mung l sst sich die Rohrreibungszahl aus Gleichung 5 13 ableiten Syl 28n plu Ap R j 2 zen 2 u2 ips 64n plu p u d 2 d _ 64 pl u TET v _ 64 plu Oo Re 2 d Fur laminare Str mung betr gt die Rohrreibungszahl also 2 STE 5 19 Die Versuche von NIKURADSE best tigen dass im laminaren Gebiet die Rauhigkeit keinen E
195. h der relativen Luftfeuchtigkeit f hrt damit zu X P 9 Pp 622 9 pp x p 622 pp X Pp po 3g 2 29 622 4 Pp Aus dieser Gleichung kann unmittelbar entnommen werden dass die relative Luftfeuchtigkeit dem Gesamtdruck p direkt proportional wird wenn Luft konstanten Feuchtigkeitsgehalts bei gleicher Temperatur expandiert bzw komprimiert wird Anhand eines einfachen Beispiels soll dieser Sachverhalt illustiert werden In einem Kolben an dessen Wandung ein Feuchtigkeitssensor fixiert ist befinde sich feuchte Luft folgender Zusammensetzung p 101325 Pa sensor T 293 15 K Sha p 2338 8 Pa x 7 5 g kg Abbildung 2 16 Kolben in Ausgangsposition Die relative Luftfeuchtigkeit wird gem Gleichung 2 29 berechnet zu a ise 101325 Pa 51 6 622 Pp 622 7 5 2338 8 Pa F r den Wasserdampfpartialdruck gilt gem Gleichnung 2 14 Pw P Pp 9 51 2338 8 Pa 1207 2 Pa Der Feuchtigkeitssensor wird mit diesem Wert kalibriert Methoden der Feuchtigkeitsbestimmung in Gasphasen Nun wird der Druck im Kolben auf die H lfte reduziert Die Zusammensetzung der Luft ndert sich nicht durch thermisches quilibrieren bleibt die Temperatur konstant o 50662 Pa T 293 15K 2338 8 Pa Sensor Po x 7 5 g kg Abbildung 2 17 Verminderter Druck im Kolben Die relative Luftfeuchtigkeit wird wiederum gem Gleichung 2 29 der Wasser dampfp
196. h lineare Transformationen so in einem Diagramm zusammengestellt dass der Anstieg die Funktionen Mwasser im Ansatz i t zu Beginn der Spr hphase s mtlich im Koordinatenursprung liegen Ans tze zur Simulation der Wirbelschichtgranulierung 300 Experiment 0196 a 250 200 150 Experiment 0197 400 L Experiment 0194 Experiment 0193 Masse Wasser im Ansatz g 50 00 00 00 00 15 00 01 00 00 50 1 Zeit h Abbildung 6 49 Vergleich der Ergebnisse der Massenbilanzierungsrechnung Diese Abbildung verdeutlicht dass das Einspr hen einer konstanten Masse an Bindemittell sung mit verschiedenen Spr hraten zu unterschiedlichen tempor ren Wassergehalten im Ansatzgef f hrt Um zu ermitteln welchen Einflu dies auf die Beschaffenheit der erhaltenen Granulate hat wurden von den vier Produkten Siebananlysen durchgef hrt 1 ee D 0 8 0 7 0 6 0 5 0 3 Exp 0193 1 7 fach Exp 0194 0 8 fach 02 Exp 0196 2 fach Exp 0197 1 7 fach Summenkurve Q 0 1 o4 t t 1 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Partikelgr e um Abbildung 6 50 Einflu der Granulationsbedingungen auf die Partikelgr enverteilung Div O S Experiment 0193 265 um Div O S Experiment 0194 150 um Div 0 5 experiment 0197 290 um Div O S Experiment 0196 620 um 217 6 Ergebnisse
197. halten haben Der Wachstumsmechanismus f r Granulen bei der WSG kann demzufolge in drei Phasen unterteilt werden Phase 1 Keimbildung nucleation Mit dem Beginn des Aufspr hens von Bindemittell sung kommt es zur Ausbildung von Fl ssigkeitsbr cken zwischen zwei oder mehreren Prim rpartikeln es entstehen sogenannte Keime nuclei Da die Zug festigkeit der Fl ssigkeitsbr cken umgekehrt proportional zum Durchmesser der Partikeln ist bilden sich aus den kleinen Prim rpar tikeln leicht nuclei die Wahrscheinlichkeit des Zusammenlagerns von zwei entstandenen Keimen ist hingegen gering Mit steigender Was sermasse auf der Oberfl che der Partikeln nimmt die Anzahl der Fl s sigkeitsbr cken und damit die Wachstumsrate der Agglomerate zu Es gilt allgemein e Je gr er die Wassermasse in der Wirbelschicht desto schneller das Granulatwachstum e Je gr er die Tropfen der Spr hfl ssigkeit desto gr er sind die daraus resultierenden Agglomerate e Je st rker die Haftkraft des Bindemittels desto sta biler sind die entstehenden Granulate e Je h her die Konzentration an Bindemittel desto fester sind die resultierenden Granulate Phase 2 bergang transition Nachdem der berwiegende Teil der Prim rpartikeln zu Agglomeraten zusammengelagert ist geht bei weiterem Einspr hen von Bindemittel l sung die Wachstumsrate zun chst zur ck Die anfangs durch Fl s sigkeitsbr cken zusammengehaltenen Agglomerate
198. hnologies Produktbeschreibung Feuchtemessger t LB 350 2001 8 C Waller Klimamessung Unterrichtseinheit an der Universit t f r Angewandte Kunst www cwaller de klimames htm 1999 K Schaber Skriptum Technische Thermodynamik f r Chemieingenieure und Verfahrens techniker 239 2000 261 262 3 P H Stahl Feuchtigkeit und Trocknen in der pharmazeutischen Technologie 6 1980 8 W L ck Feuchtigkeit Grundlagen Messen Regeln 33 43 1964 7 J Dohmann FH Lippe Pers nliche Mitteilung Lemgo 23 03 2001 88 Firma G Lufft Mess und Regeltechnik GmbH Fellbach Homepage http www lufft de 2000 Zentrum f r Interdisziplin re Technikforschung ZIT Skriptum zum Wasserkreislauf http www zit tu darmstadt de lehre umweltwissenschaften wasserkreislauf kap03 html 2001 Firma HYGROCONTROL GmbH Hanau Deutschland Firmenpublikation Feuchte messtechnik 1996 l A Haberstroh Firma HYGROCONTROL GmbH Hanau Pers nliche Mitteilung 4 9 2001 K Borho Feuchtigkeitsmessung und Steuerung der Produktfeuchte bei Trocknungsprozes sen In Prozess Kontrolle fester Arzneiformen APV Seminar Darmstadt 63 80 1990 E Schl nder et al Experimentelle Bestimmung der Trocknungsgeschwindigkeit von durch str mten Haufwerken durch die kontinuierliche Messung der Abluftfeuchte Verfahrenstechnik 10 766 769 1976 L Zipser HTW Dresden Pers nliche Mitteilung 20 03 2001 Zentrum f r an
199. hnung f r den konkreten Fall der vorliegenden Messwerterfassung aufgezeigt Die LabView Software zeichnet die Messwerte in Takten von jeweils At 5 Sekunden auf Die Berechnung der Massenbilanzierung erfolgt separat in einem Microsoft EXCEL 2000 Arbeits blatt Das erste Zeitintervall i 1 umfa t die ersten f nf Sekunden ab Beginn der Messwerterfassung Die nachstehende Berechnung der Massenbilanzie rung beschreibt die nderungen w hrend eines derartigen Zeitabschnittes i Es werden dabei jeweils die Volumenelemente ber cksichtigt die in einem solchen Zeitintervall durch den GPCG gef rdert werden 6 1 4 1 Eintrag von Wasser durch die Frischluft Ausgehend von der Definition des Feuchtigkeitsgehaltes x gem 2 17 My x g kg 2 17 My resultiert die Gesamtmasse an feuchter Luft mges die in einem Volumenele ment enthalten ist aus der Summe Mges My MTL 6 16 Die Absicht besteht nun darin einen Ausdruck zu finden der die Masse an Wasser in einem Volumenelement feuchter Luft beschreibt Aufl sen von 2 17 nach mr und Einsetzen in 6 16 ergibt Aufl sen nach mw m 6 17 1 1 X Mit der allgemeinen Definition der Dichte gem m p 7 6 18 resultiert aus 6 17 Mgs PV gt m PT 6 19 1 X 161 6 Ergebnisse 162 Das Volumen feuchter Luft welches im Zeitintervall At von der Maschine an gesaugt wird ergibt sich aus der Definition des Volumenstroms in
200. hte ber ges ttigter Magnesiumnitrat L sung 90 89 88 87 y 0 0009x 0 1932x 88 612 R 1 86 85 84 83 rel Feuchte 82 81 80 79 78 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Temperatur C Abbildung 5 17 Relative Feuchtigkeit ber ges ttigter KCI L sung Durch Bef llen der Kliimakammer mit deionisiertem Wasser wird ein zus tzli cher Kalibrierstandard f r 100 relative Luftfeuchtigkeit verwendet Da die Auswerteelektronik der Feuchtesensoren nicht f r die Eingabe von Temperatur Kalibrierdaten ausgelegt ist muss die Umrechnung in die wah ren relativen Feuchtigkeiten extern erfolgen F r jeden durch Temperatur und Feuchtigkeit definierten Kalibrierpunkt wird ein Korrekturfaktor k e rechnet gem wahrer Wert Ber 5 1 Messwert Messung der Zu und Abluftfeuchte Es gilt damit O reat KS resne P messen P Messwert Prea Wahre relative Feuchte k Korrekturfaktor Orear Relative Feuchte laut Sensoranzeige Die Kalibrierung des Abluftfeuchtesensors liefert folgende Rohdaten Tabelle 5 2 Ges ttigte Lithiumchlorid L sung Temperatur C Gemessene relative Feuchte Reale Effektive Feuchte Abweichung 22 7 11 311 161 59 24 6 11 3084 188 47 7 11 3075 161 54 29 7 5 11 2949 150 60 30 7 11 29
201. hte Mischg te zu nennen 1993 wurde eine Anlage in die phar mazeutische Produktion eingef hrt die als Anlage zur Granuliertrock nung AGT bezeichnet wird Die AGT Anlage arbeitet vergleichbar mit Produktaustrag einem Top Spray System Zum An Abbildung 2 14 Schema einer AGT Anlage f fahren des Prozesses besteht die Notwendigkeit Startk rner zu 29 2 Stand der Wissenschaft 30 zugeben Die kontinuierliche Zuf hrung der Prim rpartikeln erfolgt mit ei nem Tr gerluftstrom Da die Porosit t des Anstr mbodens nach au en hin zunimmt wird ein ansteigender Str mungsgradient geschaffen welcher die Klassierung des Sch ttgutes erleichtert In der Mitte des Anstr mbodens ist Produktaustragsrohr eingebaut in welchem Klassierungsluft aufsteigt Bei dieser Windsichtung ist die Gr e der klassierten Partikeln eine Funktion der Luftstr mungsgeschwindigkeit In der Abluft enthaltener Staub wird ber ein Zyklon abgeschieden und dem Prozess wieder zugef hrt Es sind heutzutage WSG Anlagen mit vollautomatischem validierbarem GMP konformem Reinigungsablauf Clean In Place CIP verf gbar Allein die konventionellen Filter m ssen noch manuell ausgetauscht werden da sie nicht CIP f hig sind Alle brigen Reinigungsschritte erfolgen jedoch im ge schlossenen Zustand der Anlagen ohne manuelle Eingriffe Trotz aller Innovationen auf dem Gebiet des WSG Anlagenbaus ist gegenw r tig keine Steuerung verf gbar
202. hte eines Fluids hat die Dimension L n ge Zeit und wird als kinematische Viskosit t bezeichnet v Kinematische Viskosit t m s Es gilt somit Re 5 10 Bei der Str mung in einem glatten geraden Rohr ist in Abh ngigkeit von der Gr e der Reynolds Zahl laminare oder turbulente Str mung zu beobachten Der bergang von laminarer zu turbulenter Str mung wird bei berschreiten der sogenannten kritischen Reynolds Zahl beobachtet Bei kreisrunden Rohren ist der Wert von 2320 f r Rexrit empirisch ermittelt worden je nach Turbulenzgrad der Zustr mung kann die kritische Reynoldszahl auch Werte bis 4000 annehmen ein solcher Zustand ist aber relativ unwahrscheinlich 109 5 Experimenteller Teil 110 Tabelle 5 12 Schichtstr mung Lamina la teinisch Schicht Teilchen bewegen sich auf zur Rohrachse parallelen Stromli nien ohne sich untereinander zu vermischen Teilchen bewegen sich ausschlie lich innerhalb der freien Wegl nge der Molek le In die Rohrachse eingebrachter Farbstrahl mischt sich nicht Gegen berstellung von laminaren und turbulenten Str mungsverh ltnissen Laminare Str mung Turbulente Str mung Wirbelbehaftete Str mung Querbewegungen neben der in Rohrachse gerichteten Str mung Makroskopische Querbewegungen durch Turbulenzballen eddies In die Rohrachse eingebrachter Farbstrahl vermischt sich mit der Grundstr mung Geschwindigkeitsverteilung we sentlich ab
203. ich mm um um 63 100 300 Vor jeder Messung wird ein Nullabgleich durchgef hrt um eventuelle Fremd lichteinfl sse kompensieren zu k nnen Die Intensit tsverteilung des gebeug ten Lichts wird von einem 286 PC AT 12 MHz mit 1 MB Hauptspeicher mit dem von Malvern entwickelten Programm SB OB erfasst Die Messdauer f r eine Probe kann frei gew hlt werden Die Partikelkonzentration in der Mess zone darf nicht zu niedrig sein da sonst das Messsignal zu schwach ist Ist die Anzahl der Partikeln im Laserstrahl hingegen zu hoch wird die Messung durch Mehrfachbeugung gest rt Aus diesem Grund wird vor jeder Messung eine berpr fung der Lichtintensit t am Detektor unter den herrschenden Messbedingungen durchgef hrt Die zeitlichen Mittelwerte der Lichtintensit ten werden als Messwerte f r ein nummerisches Auswerteverfahren gespei chert Von einem Startwert einer Partikelgr enverteilung ausgehend errech net die Malvern Software das dementsprechende theoretische Beugungsmus ter Mit einem Iterationsverfahren wird diese Partikelgr enverteilung solange angepa t bis die Abweichung von theoretisch zu erwartender zu praktisch gemessener Streulichtverteilung vorgegebene Grenzwerte unterschreitet Die Kongruenz des mit einer analytischen Methode gefundenen Mittelwertes mit dem wahren Wert wird als Richtigkeit bezeichnet 3 Laut Hersteller weicht der mit dem Particle Sizer 2600 bestimmte mittlere Partikeldurchmesser um maximal
204. ie den Titel des Versuchs ein GOTOR 19 2 WRITER N a ae BS er TextAttr SOF GOTOXY 15 21 READLN Strfrage TextAttr 07 GOTOXY 15 26 WRITE Bitte an der Sensorelektronik Periodenzahl 200 anw hlen InitCom Schnittstelle ffnen ASSIGN f a AKUST_FS DAT Datei verbinden REWRITE f Erzeugen der Datei WRITELN f Zeit s Feuchtegehalt g kg Temperatur akustischer Feuchtesensor C ten berschrift zeitzaehler 0 Zeitz hler starten TextAttr 8F GOTOXY 15 30 WRITE Start der Aufzeichnung mit beliebiger Taste TextAttr 07 REPEAT UNTIL KEYPRESSED Zeichen READKEY WRITE G CLRSCR GOTOXY 15 10 WRITE Aufzeichnung der Messwerte in 5 Sekunden Takten GOTOXY 15 12 WRITE in die Datei a AKUST_FS DAT TextAttr 8F GOTOXY 15 45 WRITE Ende der Aufzeichnung mit beliebiger Taste TextAttr 07 REPEAT REPEAT Str EL fS r7 Strings l schen Str_f23 WriteCom CHR 11 Befehl zur Messwert bertragung REPEAT ReadCom Null Terminator unterdr cken IF NOT Zeichen 0 THEN Str_fl Str_fl Zeichen UNTIL Zeichen 0 REPEAT ReadCom Null Terminator unterdr cken IF NOT Zeichen 0 THEN Str_f2 UNTIL Zeichen 0 Str_f2 Zeichen VAL Str_f1 Num_f1 Codel String gt Integer Strfrage Spal 253 Anhang VAL Str_f2 Num_f2 Code2 IF Codel 1 THEN BEGIN Num_f1 0 Num f2 0 END
205. iert ist eine deutlich geringere Probenmenge von ca 0 5 g ausreichend Die Justierung der Vibrationsrinne ist unkritisch Da es durch die Vibrationen der Rinne zu einer Trennung des aufgegebenen Sch ttgutes in verschiedene Korngr enklassen kommen kann ist es erfor derlich die Messzeit so zu w hlen dass jeweils das gesamte Probenvolumen erfasst wird Bei zu kurzer Messdauer werden nur die gr eren Partikeln er fasst da diese die Rinne zuerst verlassen 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 arenes Teil des Probenvolumens der Rinne Gesamtes Probenvolumen Massenanteil Q3 50 100 150 200 250 300 350 Partikelgr e um oO Abbildung 5 63 Trennung des Schiittgutes auf der Vibrationsrinne Standardgranulat 152 Probenaufgabe f r Granulate am Malvern Particle Sizer Sofern nicht explizit anders angegeben werden alle Partikelgr enbestim mungen in dieser Arbeit mit dem beschriebenen Versuchsaufbau durchge f hrt Je mehr die Partikeln von der Kugelform abweichen desto breiter er scheint die mittels LSA bestimmte Partikelgr enverteilung 85 Wie die raster elektronenmikroskopischen Aufnahmen des Standardgranulats verdeutli chen k nnen die in dieser Arbeit zu vermessenden Partikeln mit guter N he rung als sph risch angesehen werden Um die Korngr enverteilung des Sch ttgutes im Verlauf der Granulation zu verfolgen werden mit dem Pro benziehen erhaltene feuchte Proben
206. igen Klammern durch Einsetzen der Integrationsgrenzen getrennt berech net 244 Integration der Geschwindigkeitsverteilungsgesetze ber den 1 xB R ieee 2 4 2 1 any BR 2 4 F r den zweiten Term gilt KBR 1 1 B R r In 1 B R r 1 KBR 1 1 In 1 1 BR 1 1 BR In 1 BR 1 BR 1 1 In 1 BR 1 In 1 KBR 1 Die Berechnungsformel f r den ersten Summanden 10 3 resultiert damit zu a arp BO aR Inf eR nf car 10 8 2 4 2 4 2 Summand R R 2 15 67 r dr 7 87 ee _ 7 8nR As A r A 2 7 81R 10 9 A 3 Summand R _ B R r pee fe 1 sr dr A 0 Entsprechend den allgemeinen Integrationsregeln xe dx f ax 1 C 10 10 a eae ce 10 11 gilt BR R B _bon 11 free dr A 0 B 15 60 7 ell B e ERE Rae A B 2r 121 245 10 Anhang R 1887 60 B ark r e 10 12 AB 0 Durch Einsetzen der Integrationsgrenzen resultiert daraus B _ 1887 6n Bry _ _ 1887 61 He TR AB 11 AB 1887 67 BR 2 l e 10 13 AB 11 4 Summand R beer a R r r e PR dy A 0 1 4187 AALO aera ar ge etetea A Lo 0 y R R u 1 4187 BR re 89 dy a mern A L 0 0 Gem 10 11 gilt folgerichtig 1 4180 2 R HE age rear Be BR Jreorar 0 0 14 e 933 BR r ie Br Tp jr onde 0 0 Auch in diesem Fall k nnen die allgemeinen Integrationsregeln 10 10 und 4
207. ik zeigt die Ergebnisse der verschiedenen Berechnungen der Geschwindigkeitsverteilung im Vergleich siehe Programmlisting im Anhang 129 5 Experimenteller Teil 130 14 pa x K x x 20 15 z E 10 3 5 Q E 15 2 E Q oO D e z 2 R e 0 2 2 e A A 5 E E S 1 5 3 oa lt x Me wert u Berechnung Potenzgesetz u 12 10 u berechnet mit n 10 323 und umax 12 627 A Abweichung Potenzgesetz 1 15 e Abweichung f r n 10 323 0 20 i 0 5 10 15 20 25 30 35 Abstand von der Rohrunterseite mm Abbildung 5 46 Potenzgesetz f r maximale Durchstr mung des GPCG Mit den statistisch angen herten Werten f r n und Umax l sst sich das Str mungsprofil zufriedenstellend mit Hilfe des Potenzgesetzes berechnen 5 8 5 2 Berechnung der mittleren Str mungsgeschwindigkeit W hrend bei der laminaren Durchstr mung eines Rohres der volumetrische Mittelwert der Str mungsgeschwindigkeit genau der H lfte der maximalen Str mungsgeschwindigkeit entspricht kann diese Beziehung nicht f r turbu lente Verh ltnisse gelten da sich hier bekanntlich das Str mungsprofil mit der Reynoldszahl ndert Aus dem Potenzgesetz kann eine Berechnungsfor mel abgeleitet werden die es erlaubt nach experimenteller Bestimmung der maximalen Str mungsgeschwindigkeit auf die r umliche mittlere Str mungsgeschwindigkeit ti zu schlie en u 2 n 5 36 miO max
208. in Str mungsrichtung gesehen noch vor der Heizung Der Abluftfeuchtesensor befindet sich im Abluftrohr ca 1 5 m hinter den R ckhaltefiltern Der GPCG kann unter extremen Bedingungen derart gefahren werden dass die Ablufttemperatur an dieser Stelle Werte um 85 C annimmt Damit entstehen Temperaturdifferenzen zwischen dem Inne ren des Abluftrohres und der Umgebungsluft von bis zu 60 C Die Sensor halter sind aus Teflon gefertigt um die W rmeableitung zu minimieren Den noch ist die Temperatur am Sensorkopf stets niedriger als in der zu messen den Abluft Der Feuchtesensor liefert den Messwert der relativen Feuchte im Inneren des Sinterfilters Dieser Wert entspricht aber nicht zwangsl ufig der relativen Feuchte im zu messenden Medium da hier die Temperatur h her liegt Der Hersteller der Sensoren empfiehlt zur Bestimmung der relativen Feuchte hei er Luft daher folgendes Vorgehen Aus den Messwerten der relativen Feuchte und der Temperatur am Sensorkopf wird zun chst der Feuchtegehalt berechnet Mit einem zus tzlichen Temperaturf hler ist die Temperatur der hei en Luft zu messen Aus diesem realen Temperaturwert und dem Feuchtegehalt kann dann die relative Feuchte der hei en Luft be rechnet werden Die beiden baugleichen Sensoren k nnen zu Kalibrierzwe cken leicht ausgebaut werden Da die Anschlussleitungen eine ausreichende L nge aufweisen k nnen beide Sensoren auch gegeneinander vertauscht werden 5 6 3 Kalibrierung der Fe
209. in the pharmaceutical industry I Journal of Pharmaceutical Sciences 52 286 1963 3 H Sucker P Fuchs P Speiser Pharmazeutische Technologie 2 417 1991 4 Firma Dr Wernecke amp Partner Potsdam Homepage http www dr wernecke de 2000 35 A Schade Herstellung von pharmazeutischen Granulaten in einem kombinierten Feuchtgranulations und Mehrkammer Wirbelschichttrocknungs Verfahren Dissertation Uni versit t Basel 29 1992 36 V Vanecek M Markvart The drying of granular solids in a fluidized bed Fluidized bed drying 69 81 1966 37 J Carstensen Solid pharmaceuticals mechanical properties and rate phenomena 147 149 1980 38 V Vanecek M Markvart Fluidized bed drying 33 81 1966 3 P H Stahl Feuchtigkeit und Trocknen in der pharmazeutischen Technologie 133 135 1980 O Krischer W Kast Trocknungstechnik 1 287 292 1978 4 H Stahl Trocknung pharmazeutischer Granulate in Eintopfsystemen Pharmazeutische Industrie 61 656 661 1999 2 U Kopp Automatische Wirbelschichttrocknung pharmazeutischer Granulate Dissertation Universit t Basel 1987 259 260 P Stahl The econdry method equilibration as a new principle for controlling the batch drying process Die Pharmazeutische Industrie 38 6 566 571 1976 K Steffens K List Supervising and controlling of granulation processes by near infrared spectroscopy Die Pharmazeutische Industrie 58 4 347
210. ines Gummihammers auf das Granulations gef l sen Phase 3 Trocknen des Granulates e Prozessende sobald der Feuchtegehalt der Abluft das Niveau von Ende Phase 1 erreicht hat e Zulufttemperatur 70 C e Volumenstrom 75 m h Das entstandene Granulat wird sofort durch ein Sieb der Maschenweite 1000 um gesiebt der Durchgang wird in Schraubgef e abgef llt Das Produkt wird im folgenden als Standardgranulat bezeichnet 5 13 PROBENAUFGABE F R GRANULATE AM MALVERN PARTICLE SIZER Aufgrund der guten L sungseigenschaften der verwendeten Hilfsstoffe m s sen nasse Bestimmungsverfahren des Standardgranulats wie z B Nasssie bung oder Dispergierungen ausgeschlossen werden Die Ermittlung der Par tikelgr enverteilung am Ende eines Granulationsprozesses kann problemlos mit einer Siebanalyse durchgef hrt werden Um die nderung der Korngr 149 5 Experimenteller Teil 150 enverteilung im Verlauf einer solchen Herstellung zu verfolgen m ssen w hrend des laufenden Betriebes des GPCG Proben gezogen werden Ein Probenzug am GPCG erlaubt die Entnahme von ca 5 ml Probenvolumen eine Siebanalyse ist mit einer solch geringen Menge nicht durchf hrbar Aus die sem Grund ist eine modifizierte Laserstreulichtbestimmung entwickelt wor den Der Laser Granulometer ParticleSizer 2600 erm glicht mit dem Trockenpro bengeber PS 64 die Bestimmung der Partikelgr enverteilung eines Sch tt gutes nach dessen Dispergierung in
211. influ auf die Rohrreibungszahl hat Die laminare Str mung kompensiert die Unebenheiten und macht sie praktisch unwirksam 5 8 3 3 Turbulente Str mung Die turbulente Str mung ist ungleich schwieriger zu behandeln als die lami nare Die Untersuchung einer turbulenten Str mung in einem Rohr zeigt dass in Wandn he eine laminare Unterschicht zu beobachten ist Die Dicke dieser Schicht sowie die Rauhigkeit der Rohrwand beeinflussen das globale auch Widerstandsziffer oder Reibungskoeffizient genannt und oftmals mit 1 abge 115 5 Experimenteller Teil 116 Str mungsverhalten Die folgende Abbildung zeigt die Auftragung der Rohr reibungszahl in Abh ngigkeit von der Reynoldszahl E me gs e Ser 2 hydraulisch rauh 0 03 ie laminar turbulent 0 018 0 016 0 014 Rohrreibungszahl A 0 012 0 010 0 009 0 008 Re xrit 0 007 yy SEU EE RU Seed oe di Eb kan nn JH L Li aS eS ES OS ee BE DE BE EI DE EEE DE IE DE ED EEE EI EN dl L ES ie E aes u 56 8 103 2 ie ek 2 AE Kae 2 3 4 56 8108 2 3 4 5 6 365107 2 Reynolds Zahl Re Abbildung 5 37 Rohrreibungszahl in Abh ngigkeit der Reynoldszahl Der linke Bereich f r Reynoldszahlen kleiner als Rexrit 2320 beschreibt la minare Str mungsverh ltnisse Bei bersteigen der kritischen Reynoldszahl steigen die C Werte sprunghaft an Es ist deutlich zu erkennen dass die Tur bulenz die Rohrreibung
212. inn des folgenden Abschnittes sinkt ihr Wert na hezu linear ab um sich danach asymptotisch einem Endwert zu n hern Das Trocknungsgut steht jetzt mit der Zuluft im Gleichgewichtszustand eine Fortf hrung des Prozesses unter diesen Umst nden w rde keine Verbesse rung des Trocknungsergebnisses mehr zur Folge haben Der Temperaturverlauf verh lt sich spiegelbildlich zu dem der Abluftfeuchtig keit W hrend des ersten Trocknungsabschnittes hat die Ablufttemperatur einen konstant niedrigen Wert der sogar unterhalb der Umgebungstempera tur liegen kann Mit fortschreitender Trocknung w hrend des zweiten Ab schnitts steigt die Ablufttemperatur an um sich schlie lich asymptotisch der Zulufttemperatur anzun hern Bedingt durch W rmeverluste der Anlage liegt die Ablufttemperatur auch am Ende der Trocknung geringf gig unterhalb der Zulufttemperatur 2 4 5 Faktoren die die Trocknung beeinflussen Der Verlauf einer Trocknung w hrend eines WSG Prozesses wird von mehre ren h ufig nicht konstanten Faktoren beeinflusst Produkt e Das zu granulierende Material per se beeinflusst den Trocknungspro zess zum einen durch die Wechselwirkung mit der Fl ssigkeit hohe Bindungskr fte verz gern die Trocknung zum anderen durch die spe zifische W rmekapazit t sowie W rmeleitf higkeit Letztere wird bei Granulaten allgemein als relativ schlecht bewertet e Die Korngr enverteilung determiniert die Oberfl che des zu trock nenden Sch t
213. ird von einem warmen Luftstrom berzogen Dampfbildung entsteht nur an der Oberfl che des Guts die thermische Belastung ist gering 5 Wirbelschichttrocknung Es handelt sich um eine Sonderform der Kon vektionstrocknung Die zur Erw rmung des Gutes sowie zur Verdunstung der Fl ssigkeit ben tigte Energie r hrt allein von der vorbeistr menden Luft her weshalb es sich hierbei um eine Trocknung unter adiabatischen Bedingungen handelt Da der aufheizende Luftstrom gleichzeitig zum Auf lockern des Sch ttgutes dient sind hohe Str mungsgeschwindigkeiten er forderlich Daher verl uft der Phasen bergang als Verdunstung berall gleichm ig und die thermische Belastung des Sch ttgutes ist u erst gering 2 4 3 Trocknungskinetik Zur Beschreibung eines Trocknungsvorganges wird im allgemeinen der Feuchtegehalt des zu trocknenden Guts in Abh ngigkeit von der Zeit darge stellt der entsprechnende Funktionsgraph w t wird als Trocknungsver laufskurve bezeichnet Die Ableitung dieser Kurve nach der Zeit ergibt die Trocknungsgeschwindigkeit v r _ dw 0 2 11 ir a 2 11 Vy Trocknungsgeschwindigkeit min Wi Feuchtegehalt t Zeit min Wird die Trocknung eines hygroskopischen kapillarpor sen Sch ttgutes unter konstanten u eren Bedingungen Temperatur des Fluids wie der Umgebung Volumenstrom Luftfeuchtigkeit durchgef hrt so sind theoretisch drei Ab schnitte der Trocknung zu unterscheiden 38 Trockn
214. ische Druck payn ermittelt werden Fur Geschwindigkeiten von Gasen und D mpfen unterhalb von 100 m s gilt dabei u 2 Don P u Geschwindigkeit m s Payn Dynamischer Druck Pa p Dichte der Luft g m Diese Berechnung l sst den Z higkeitseinflu unber cksichtigt der sich bei niedrigen Reynoldszahlen bemerkbar macht Die Str mungsrichtung sollte mit der Achse des Staurohres bereinstimmen Abweichungen von bis zu 10 beeinflussen die Messgenauigkeit jedoch praktisch nicht 2 10 3 Hitzdrahtanemometer Hitzdrahtanemometer dienen zur Messung kleiner Geschwindigkeiten in der Aerodynamik Das Messprinzip eines solchen Sensors beruht auf der nde rung des elektrischen Widerstandes eines Metalldrahts in Abh ngigkeit von der Temperatur Dabei gilt AR a Rp AT 2 35 AR Widerstands nderung Q a Materialspezifischer Temperaturbeiwert 1 K Rkat Kaltwiderstand Q 49 2 Stand der Wissenschaft AT Temperatur nderung K Der Warmwiderstand ergibt sich damit zu Ram Ray t AR warm kalt Ryarm Warmwiderstand Q Aus dem Zusammenfassen beider Gleichungen resultiert Rs Ran 1 a AT 2 36 Ein in einer Gasatmosph re ruhender Widerstandsdraht durch den elektri scher Strom flie t produziert W rme die an die Umgebung abgegeben wird Dieser Prozess wird als freie Konvektion bezeichnet Im Gegensatz dazu wird eine sogenannte erzwungene Konvektion durch das Umstr men eines
215. ischen der Str mungsgeschwindigkeit u des Fluids und dem Spannungssignal U des Hitz drahtes bei konstantem Widerstand geschaffen Der Sensor hat einen Kaltwiderstand bei 19 C Raumtemperatur von Rx 3 22 Q Die Arbeitstemperatur des Sensors betr gt 250 C Bei einem Hei widerstand von Rw 5 898 Q ergibt sich damit ein berhitzungsverh ltnis von a 0 832 Der einzustellende Gesamtwiderstand des Messsystems d h inclusive Zuleitungskabel betr gt 6 692 Q Die am Windkanal eingestellte Str mungsgeschwindigkeit wird jeweils grob mit Hilfe einer Lamprechtsonde ermittelt der genaue Wert resultiert aus der Auswertung des am Prandtl Staurohr gemessenen Differenzdruckes Es wur den folgende Messwerte erhalten Tabelle 5 13 Messwerte der Kalibrierung Lamprechtsonde u m s Prandtl payn mbar Prandtl u m s Hitzedraht U V Y U a Ren 0 83 0 004 0 82165 585 3 0195 0 9154 1 03 0 006 1 00631 613 3 12713 1 00283 1 6 0 015 1 59111 674 3 36812 1 23244 2 0 022 1 92694 711 3 51866 1 34335 3 0 05 2 90496 1 78 3 80817 1 6159 3 5 0 072 3 48596 818 3 9725 1 75406 4 5 0 121 4 51906 868 4 19402 1 97139 5 6 0 18 5 51178 917 4 41693 2 15567 6 0 212 5 98169 937 4 50958 2 23651 7 0 278 6 84981 972 4 67402 2 37714 8 0 368 7 88097 2 008 4 84623 2 53198 9 1 0 47 8 90645 2 041 5 00683 2 67527 10 0 57 9 80829 2 068 5 14017 2 79394 15 1 296 14 7897 2 195 5 7909
216. it s AT Temperatur nderung K tos Halbwertszeit s to Zeit bis zum Erreichen von 90 des Sollwerts s Tin Frischlufttemperatur K Tout Ablufttemperatur K Tp Presslufttemperatur K u Str mungsgeschwindigkeit m s Mittlere Str mungsgeschwindigkeit m s Umax Maximale Str mungsgeschwindigkeit m s uy Str mungsgeschwindigkeit an der Position x m s V Volumenelement welches im Zeitintervall At 5 s bewegt wird m Va Volumenstrom feuchter Frischluft m h Vai Volumenstrom feuchter Abluft m h V Pressluftvolumenstrom m h Vr Fl ssigkeitsvolumen cm Vu Hohlraumvolumen des Sch ttgutes cm Ww Elektrische Arbeit Ws Wr Trocknungsverlust m m Wer Feuchtegehalt m m Whim Kritischer Feuchtegehalt des Sch ttgutes m m Wws Massengehalt Wasser in der Bindemittell sung y Wandabstand m Z Zielgr e Indizierungen sn der Frischluft err der Abluft oh der Pressluft ay Wasser TL trockene Luft XVII Griechische Symbole PK Pout Pp Pout Tw Xout VTau XVIII Materialspezifischer Temperaturbeiwert 1 K Dichte des Gases kg m Dichte des Fluids unter Wirbelbedingungen kg m Frischluftdichte kg m Wahre Feststoffdichte kg m Abluftdichte kg m Pressluftdichte kg m Trocknungsgeschwindigkeit Dynamische Viskosit t Pas Kinematische Viskosit t m s Relative Frischluftfeuchte Spezifische Luftfeuchtigkeit g
217. itzt nur f r Stokes sche Str mungsverh ltnisse G l tigkeit W hrend unter erzwungener Konvektion ein W rme bergang infolge vorgege bener Str mung eines Fluids verstanden wird meint freie Konvektion eine W rmeabgabe in ruhender Atmosph re aus der eine Str mung resultiert z B durch Aufsteigen warmer Gasblasen Die untere Grenze des Arbeitsbe reichs eines Hitzdrahtanemometers wird durch den bergang von erzwunge ner zu freier Konvektion bestimmt Dieser Wechsel zwischen beiden Konvek tionsarten wird nach einer Konvention erreicht wenn das Produkt von Rey nolds und Prandtl Zahl den Wert 0 08 erreicht Die nach dem deutschen Physiker Ludwig PRANDTL 1875 1953 benannte dimensionslosen Kenn gr e Pr beschreibt das Verh ltnis der Viskosit t eines Fluids zu seiner Tem peraturleitfahigkeit Pr E 2 38 Pr Prandtl Zahl n Dynamische Viskosit t Pa s Cp Spezifische isobare W rmekapazit t des Gases kJ kg K W rmeleitf higkeit des Gases W mK F r Luft bei 20 C ergibt sich damit 15 10 Pa ke K g Pr J 0 02 _ m K s Priun 0 7575 Die entsprechende minimale Str mungsgeschwindigkeit f r den Beginn er zwungener Konvektion eines Hitzdrahtes in Luft l sst sich damit berechnen gem Re Pr 0 08 An WSG Anlagen etablierte Online Messverfahren Re u d 0 08 V Pr v 0 08 u 2 39 Pr d Diese Str mungsgeschwindigkeit begrenzt de
218. kant voneinander unterscheiden ist die Bestimmung der Spr htropfengr e mit der Laserdiffraktometrie m glich 82 183 115 Hierzu Bestimmung der Gr enverteilung der Spr hfl ssigkeitstropfen wird die Messanordnung so gew hlt dass die Spr hd se des GPCG im Ab stand von 15 cm mittig oberhalb des Laserstrahles fixiert ist Diese Distanz entspricht dem durchschnittlichen Abstand von Spr hd se und Wirbelbett w hrend eines Granulationsprozesses Es wird die Sammellinse mit der Brennweite 100 mm verwendet Im Spr htest Betrieb des GPCG wird der resultierende Spr hkegel f r zwei Minuten der oben beschriebenen Messung unterzogen Mit diesem Versuchsaufbau erfolgt eine integrale Erfassung der Tropfengr e des gesamten Spr hkegels Die Durchmesser der bei einer Zerst ubung mit einer Zweistoffd se resultie renden Tropfen h ngen von der Dichte Viskosit t und Oberfl chenspannung der zu dispergierenden Fl ssigkeit der Spr hrate sowie dem Spr hluft druck ps ab Da zu s mtlichen Granulationsversuchen dieser Arbeit stan dardm ig eine 5 m V PVP Granulierfl ssigkeit verwendet wird sieht das Versuchsdesign nur die Variation der Parameter Spr hrate und Spr hluft druck vor Es wird ein 3 Versuchsdesign gew hlt bei welchem die Einflu gr e ps die Werte 1 2 und 3 bar und die Werte 12 24 und 36 g min annimmt Die folgende Abbildung zeigt die Summenverteilungen der Spr htropfengr en f r den Spr hluft
219. kg Feuchtigkeitsgehalt der Frischluft g kg Relative Pressluftfeuchte Feuchtigkeitsgehalt der Pressluft g kg Relative Abluftfeuchte Zeitkonstant s Wandschubspannung N m Feuchtigkeitsgehalt der Abluft g kg Temperatur C Taupunkttemperatur C Symbol fiir partielle Differentiation W rmeleitf higkeit des Gases W mK Dimensionslose Kennzahlen Cw Er PF Pr Sp m Sp t R berhitzungsverh ltnis Wasseraktivit t Widerstandsbeiwert umstr mter K rper Relative Dielektrizit tskonstante bei 20 C Rohrreibungszahl Korrekturfaktor Von Karman Konstante Profilfaktor Prandtl Zahl Granulierfl ssigkeitsmenge Zugabezeit der Granulierfl ssigkeitsmen ge Reynolds Zahl Korrelationskoeffizient Fl ssigkeitss ttigungsgrad Molenbruch der Komponente i C haar Cy 2 d Ap pl u wahrer Wert Messwert Ms Ms min Ms max Ms min Set XIX JE MEHR DIE WAFFEN MIT DENEN WIR FECHTEN MECHANISIERT WERDEN DESTO WENIGER MECHANISCH DARF DER GEIST SEIN DER SIE F HRT J F C Fuller Anweisung f r F hrung und Einsatz 222 100 Die Panzerkompanie Grundlagen des WSG Verfahrens 1 EINLEITUNG Der Begriff Granulat leitet sich vom lateinischen Wort granula K rner ab und umfasst k rnige Haufwerke Nicht nur in Instant Sportgetr nken oder in gewissen Di tetika sondern auch als eigene Arzneiform finden Granulate weite Verbreit
220. l lenl nge des Lichtes das in eine Probe einf llt sehr viel kleiner als die Teil chendurchmesser so gilt vereinfacht nach der Fraunhofer Theorie 37 dass bei gegebener konstanter Wellenl nge Licht an gro en Partikeln mit hoher Intensit t um kleine Winkel an kleinen Partikeln hingegen mit niedriger In tensit t um gro e Winkel gebeugt wird Die Gesamtintensit t des gebeugten Lichts h ngt von der Zahl der Partikeln im Messvolumen ab Durch eine Fou rierlinse wird das Beugungsmuster aller Einzelpartikeln auf einen Multi Laserdiffraktometrie Element Detektor abgebildet Partikeln gleicher Gr e verursachen an belie bigen Positionen im Lasermessstrahl das gleiche Beugungsmuster in der Messebene Die Positionierung des Probenaufgabesystems ist demzufolge unkritisch In dieser Arbeit wurde ein Laser Granulometer ParticleSizer 2600 der Firma Malvern Instruments GmbH Herrenberg eingesetzt Das Ger t verwendet einen Helium Neon Laser mit einer Wellenl nge von X 633 nm Der Detektor besteht hierbei aus 32 konzentrischen Segmenten Die Fl chen der Detektor Ringelemente nehmen von innen nach au en d h von kleinen zu gro en Streuwinkeln logarithmisch zu 88 Durch Verwendung unterschiedlicher Sammellinsen kann eine Partikelgr e zwischen 1 2 und 564 um bestimmt werden Tabelle 4 5 Arbeitsbereiche des Particle Sizer bei Verwendung unterschiedlicher Linsen Brennweite der Linse Untergrenze Messbereich Obergrenze Messbere
221. ldung 5 51 Dimensionslose Darstellung der Messwerte maximaler Volumenstrom am GPCG in halblogarithmischer Auftragung Der halblogarithmischen Darstellung kann entnommen werden dass die ge messenen Werte immer gr er sind als die nach dem Reichardtschen Gesetz zu erwartenden Die Abweichung nimmt zur Rohrwand hin betrachtlich zu 25 gt N 3 N a N Dimensionslose Str mungsgeschwindigkeit u Me wert u 10 Reichardt u ji A Differenz Me wert Reichardt aN 514 iw Wonanata a 4 aS 5 A 4 A 4 4 A A A 0 t t t t t 1 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Dimensionsloser Wandabstand y Abbildung 5 52 Dimensionslose Darstellung der Messwerte maximaler Volumenstrom am GPCG Die lineare Darstellung zeigt dass beide Kurven die gleiche Qualit t aufwei sen Das Reichardtsche Gesetz ergibt immer zu niedrige Werte der Str mungsgeschwindigkeit die Abweichung nimmt mit der Ann herung an die Rohrwand hin zu 5 8 5 4 Statistische N herungsfunktion Eine weitere M glichkeit die Geschwindigkeitsverteilung zu beschreiben besteht darin eine statistische N herungsfunktion zu ermitteln Im Unter 137 5 Experimenteller Teil 138 schied zu den vorangegangenen Methoden basiert diese N herungsfunktion nicht auf einem physikalisch begr ndeten und damit theoretisch ableitbaren Zusammenhang sondern resuliert allein aus der Forderung nach Minimie rung der Abweichungen der Messwerte von der N
222. lopment of a microwave fluid bed processor II Drying performance and physical characteristics of typical pharmaceutical granulations Pharmaceu tical research 9 11 1493 1501 1992 M Scott H Lieberman A Rankell J Battista Continuous production of tablet granula tions in a fluidized bed I Journal of pharmaceutical sciences 53 3 314 320 1964 7 Z Orm s B Csuk s Investigations on continuous fluidized bed granulation V Interna tional Congress of Chemical Engineering Chemical Equipent Design and Automation 1975 T K blitz L Ehrhardt Continuous variable frequency fluid bed drying of pharmaceutical granulations Pharmaceutical Technology 62 81 1985 gt M Ulrich Kontinuierlich in die Wirbelschicht Chemie Anlagen Verfahren 28 11 34 1995 A Schade Herstellung von pharmazeutischen Granulaten in einem kombinierten Feuchtgranulations und Mehrkammer Wirbelschichttrocknungsverfahren Dissertation Uni versit t Basel 1992 61 A Gottschalk A process for continuous production of spherical granules with high density Powder handling amp processing 1993 M E Aulton M Banks Fluidized bed granulation factors influencing the quality of the product International Journal of Pharmaceutical Technology and Product Manufacture 2 24 29 1981 amp T Sch fer O Werts Control of fluidized bed granulation III Effects of inlet air tempera ture and liquid flow rate on gran
223. lt f r den S ttigungs dampfdruck Pp InP b c T d T e T f In T 6 8 mit den Koeffizienten a 5800 2206 b 1 3914993 c 0 048640239 d 0 41764768 10 e 0 14452093 107 f 6 5459673 Um eine Aussage ber die G te der drei Berechnungsformeln treffen zu k n nen werden die Ergebnisse der entsprechenden Berechnung diskreter Werte im Temperaturintervall O C bis 100 C mit den in der Literatur aufgef hrten Werten verglichen Bereits der graphische Vergleich der Ergebnisse der drei Berechnungsverfahren liefert den Beweis f r die berlegenheit der ASHRAE Formel Augustus ASHRAE Abweichung zum Tabellenwert 1 00 i ra Glatt 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 Temperatur K Abbildung 6 2 Vergleich der Richtigkeit der N herungsformeln Im Folgenden werden daher die Berechnungen des S ttigungsdampfdrucks des Wassers anhand der ASHRAE Formel durchgef hrt Siehe Anhang 156 Theorie der Massenbilanzierung 6 1 2 Berechnung der Dichte feuchter Luft Die Dichte p feuchter Luft setzt sich additiv aus den Partialdichten von tro ckener Luft und Wasserdampf zusammen 2 m Masse trockener Luft m Masse Wasser p Partialdichte trockener Luft pw Partialdichte des Wasserdamp fes Aus dem allgemeinen Gasgesetz gem Gleichung 2 20 pV nRT und der Definition der molaren Masse gem Gleichung 2 23 ms n folgt M ar se 6 1
224. lumenstromes aus Geschwindigkeitsverteilung und Leitungsquerschnitt 5 8 7 Umsetzung der Ergebnisse in die Kalibrierung des Fl gelradanemometers 5 9 Bestimmung des Pressluft Volumenstromes der Spr hd se 5 10 Bestimmung der Gr enverteilung der Spr hfl ssigkeitstropfen 5 11 Trocknungsversuche 5 11 1 Leertestung der Anlage 5 11 2 Einsprithen von Wasser 5 11 3 Trocknen von feuchtem Gewebe 5 11 4 Befeuchten und Trocknen von Silicagel 5 12 Die Standard Granuliermethode 5 13 Probenaufgabe f r Granulate am Malvern Particle Sizer 80 82 82 83 84 107 108 108 109 112 112 115 115 118 119 119 120 122 125 127 127 130 131 137 139 140 141 86 144 147 147 147 147 148 148 149 XI 6 ERGEBNISSE 154 6 1 Theorie der Massenbilanzierung 154 6 1 1 Ermittlung der S ttigungsdampfdruckkurve von Wasser 154 6 1 2 Berechnung der Dichte feuchter Luft 157 6 1 3 Berechnung der Taupunkttemperatur 160 6 1 4 Berechnung der Massenbilanzierung 161 6 1 4 1 Eintrag von Wasser durch die Frischluft 161 6 1 4 2 Eintrag von Wasser durch die Spr hfl ssigkeit 163 6 1 4 3 Eintrag von Wasser durch die Pressluft 164 6 1 4 4 Austrag Wasser duch die Abluft 165 6 1 5 Fehlerrechnung 172 6 2 Leertestung des GPCG 177 6 2 1 Volumenstrom 177 6 2 2 Temperaturen 178 6 2 3 Basislinienstabilit t der Feuchtesensoren 179 6 2 4 Korrektur der Sensordrifts 180 6 2 5 Str mungswiderst nde der Filter 181 6 2 6 Absolutdrucke 182
225. m h betr gt die Abweichung durchschnittlich 64 Pa mit einer Standardabweichung von 13 Pa 197 6 Ergebnisse 98 500 Umgebungsdruck Aton ur Porz een OO nor Aa 98 000 Frischluftme stelle Spr hphase 97 500 97 000 Abluftme stelle 96 500 Absolutdruck kPa 96 000 95 500 95 000 94 500 t H t 1 00 00 00 00 15 00 00 30 00 00 45 00 01 00 00 01 15 00 01 30 00 01 45 00 Zeit seit Proze beginn h Abbildung 6 30 Absolutdruckmesswerte Der Absolutdruck an der Abluftfeuchtemessstelle liegt bereits w hrend des Leerbetriebs des GPCG um 900 Pa mit einer Standardabweichung von 77 Pa unterhalb des Umgebungsluftdruckes Nach dem Einf llen des Sch ttgu tes in den GPCG sink der statische Luftdruck am Abluftfeuchtesensor auf 96 7 des Umgebungsluftdruckes ab Sobald mit fortschreitender Auf baugranulation der Str mungswiderstand der R ckhaltefilter wieder ab nimmt steigt auch der Absolutdruck an der Abluftfeuchtemessstelle wieder an 6 5 10 Luftfeuchten Aufgrund der unterschiedlichen Temperaturen an den Messstellen divergie ren die relativen Feuchten von Frisch und Abluft sehr stark 100 90 Frischluft Abluft 80 Relative Feuchte a 3 7 00 00 00 00 15 00 00 30 00 00 45 00 01 00 00 01 15 00 01 30 00 01 45 00 Zeit seit Proze beginn h Abbildung 6 31 Relative Feuchten an den kapazitiven Feuchtesensoren 198 Deu
226. medium Wasser bei 22 C a e gt a gt w a w So N y 0 6111x 0 R 0 9998 F rderleistung g min N a a 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Pumpeneinstellung Skalenteile Abbildung 5 2 F rderleistung der Schlauchdosierpumpe Die eingespr hte Menge an Bindemittell sung wird im Verlauf eines Granula tionsprozesses durch eine Analysenwaage PM 4000 Firma Mettler Toledo Greifensee Schweiz erfasst welche die Masse des Ansatzgef es dieser L sung wiegt Vor Beginn jedes Experiments wird das gesamte Pumpsystem vom Ansaugschlauch bis einschlie lich der Spr hd se gef llt Wird an schlie end w hrend des WSG Prozesses die Spr hpumpe eingeschaltet so entspricht die Abnahme der Masse des Vorratsgef es unmittelbar der in die Anlage eingespr hten Masse an Granulierfl ssigkeit Der Granuliereinsatz weist zwei D senstutzen f r die Aufnahme der Spr h d se auf Es wird standardm ig die obere Spr hposition gew hlt bei wel cher die Spr hd se ein H he von 25 cm ber dem Anstr mboden hat Um das zu granulierende Sch ttgut gleichm ig mit einem Bindemittelfilm beschichten zu k nnen m ssen aus der Granulierfl ssigkeit feine Tr pfchen hergestellt werden Dies wird als Zerst uben bezeichnet Zur Vergr erung der Oberfl che muss die Koh sion der Materie berwunden werden Dies erfolgt in einer
227. mittelbar ermitteln Eine Zusammenstellung dieser Wer te findet sich in folgender Tabelle Tabelle 6 1 Maximalfehler der Sensorik Messgr e Messbereich Maximalfehler Frischlufttemperatur 50 600 C 0 4K Temperatur N Frischluftfeuchtef hler eile 0 35K Frischluftfeuchtigkeit 0 100 rel Feuchte 0 5 r F Volumenstrom 0 4 40 m s 0 15 m s Absolutdruck Umgebungsluft Absolutdruck Umgebungsluft 90 000 110 000 Pa 000 110 000 Pa 200Pa Pa Differenzdruck 40 Pa Frischluftfeuchtemessstelle Oconee Zulufttemperatur sd __ 50 4600 C 600 C 04K 4 K Spr hfl ssigkeitsmasse g mA g Temperatur im 7 Abluftfeuchtesensor Ceo 0 35 K Abluftfeuchtigkeit 0 100 rel Feuchte t 0 5 r F Ablufttemperatur sd 50 600 C 600 C 04K 4K Differenzdruck 40 Pa Abluftfeuchtemessstelle 0 2000 Pa mom sen Exemplarisch wird im Folgenden f r zwei wichtige Parameter der Massenbi lanzierung die Berechnung des Maximalfehlers einer Einzelmessung ausf hr lich aufgezeigt In einem dritten Beispiel wird dann der Einflu dieser Maxi malfehler auf die Massenbilanzierung dargestellt Beispiel 1 Zum Zeitpunkt t habe die Messwerterfassung folgende Werte aufgezeichnet 9 50 T 323K p 98 000 Pa Aus Gleichung 6 13 f r die Berechnung der Dichte feuchter Luft p 1 0 3779 2 22 6 13 R T P folgt f r die partiellen Ableitungen To Op R T P __P oarT9 Po
228. mmerischer Bestimmung VS laut GPCG VS gem nummerischer Bestimmung Abweichung m h m h 14 3889 43 92921303 64 87253741 87 07869663 107 6407272 152 1109475 Eine Erh hung der Genauigkeit ist m glich wenn der Berechnung an Stelle der Messwerte die ber die N herungsfunktion ermittelten Str mungsge schwindigkeitswerte zugrunde gelegt werden Die folgende Abbildung zeigt das mit der logarithmischen N herungsfunktion 5 50 ermittelte Str mungs profil sowie den partiellen Volumenstrom eines Kreisrings mit der einheitli chen St rke von 0 1 mm Str mungsgeschwindigkeit m s oO gt Partieller Volumenstrom m h u gem N herungsfunktion m s Partieller VS gem N herung m h 0 5 10 15 20 25 30 35 Wandabstand mm Abbildung 10 6 Diskrete Volumenstromberechnung mittels N herungsfunktion Intervallbreite der Kreisringe 0 1 mm Dieser Darstellung ist zu entnehmen dass der Partialvolumenstrom der Kreisringe im wandnahen Bereich den gr ten Beitrag zum Gesamtvolumen strom liefert Hier ist demnach eine besonders exakte Messung des Str mungsprofils mit geringem Abstand der Messpunkte erforderlich Im vorlie genden Fall maximalen Volumenstromes ist die N herungsfunktion u 0 9683 In y 8 9881 Integration der Geschwindigkeitsverteilungsgesetze ber den verwendet worden Hierbei wird ein Volumenstrom von 151 901 m h er rechnet Zum erg nzen
229. n Foy ey 2s 5 42 Mit Hilfe einfacher Turbulenzhypothesen gelang es PRANDTL eine Beziehung f r den wandnahen Turbulenzbereich abzuleiten das sogenannte logarithmi sche Wandgesetz 178 133 5 Experimenteller Teil 134 1 u Iny C f r y gt 30 5 43 K x von Karman Konstante C Integrationskonstante Nach Messungen von NIKURADSE betr gt 0 40 und C 5 5 Mit dem bergang zum dekadischen Logarithmus resultiert daraus die Glei chung i 5 75 1g 5 5 f r y gt 30 5 44 Durch Messungen von NIKURADSE und REICHARDT ist auch der ber gangsbereich 5 lt y lt 30 intensiv untersucht worden REICHARDT ist es ge lungen eine Funktion zu entwickeln die den funktionellen Zusammenhang zwischen y und ut in allen drei Schichten beschreibt 7 2 F M gie Lmh y 7 8 1 e ae 5 45 Die folgende Graphik zeigt den Kurvenverlauf der beiden abschnittsweise definierten sowie den der universellen Geschwindigkeitsverteilungsfunktion Die zwei Pfeile markieren die Grenzen des Definitionsintervalls 255 Laminar Logarithmisches Wandgesetz Reichardt 20 a a Dimensionslose Geschwindigkeit u 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Dimensionsloser Wandabstand y Abbildung 5 49 Universelle Geschwindigkeitsfunktionen In der Literatur findet sich h ufiger eine halblogarithmische Darstellung der drei Funktionen bei welcher der
230. n densationen am Sensor f hren k nnen wird oftmals eine Bypass L sung angewendet bei welcher ein Teil des Abluftvolumenstromes abgezweigt und durch eine separate Heizung soweit erw rmt wird dass die Taupunkttempe ratur deutlich berschritten wird Taupunktdetektoren finden aufgrund ihres hohen Preises nur selten Anwen dung Um 1990 fanden resistive Feuchtesensoren Anwendung bei denen der Widerstand einer Elektrolytl sung gemessen wurde die Feuchtigkeit mit dem Messmedium austauschte Trotz Temperaturkompensation waren die Mess werte auch wegen der starken zeitlichen Verz gerung des Messsignals unbe friedigend KOPP bewertete damals die Abluftfeuchtemessung als nicht er folgversprechend Die weiteste Verbreitung nicht zuletzt aufgrund ihrer niedrigen Beschaffungskosten haben inzwischen kapazitive Feuchtesensoren erlangt 06 2 11 4 Produktfeuchte Da schon fr hzeitig die Produktfeuchte als der Schl sselparameter zur Steu erung des Granulatwachstums in einem WSG Prozess identifiziert war wur den viele Anstrengungen unternommen diese Gr e zu messen Neben der stichprobenweisen Bestimmung mittels Feuchtewaagen bzw Karl Fischer Titration wurden verschiedene Methoden zur Online Messung entwickelt WATANO stellte 1996 einen IR Feuchtigkeitssensor vor IR Strahlung wird fast ausschlie lich von an der Oberfl che der Partikeln angelagertem Wasser absorbiert Diffusionsvorg nge innerhalb der Granulen f hren daher
231. n kommt ml Granulierfl ssigkeitsvolumen aktuell ml Masse Wasser im Ausgangsprodukt g Masse trockener Luft in kg Masse wasserfreies Sch ttgut g Molare Masse des Wassers 18 016 g mol Masse Wasser in g Myaserimana t Masse Wasser im Ansatzbeh lter zum Zeitpunkt t g n p Pi Pi P Sealevel Pin Pout P Ap Pp Stoffmenge mol Atmosph rischer Druck Pa Partialdruck der Komponente i Pa Dampfdruck der reinen Komponente i Pa Atmosph rischer Druck umgerechnet auf Meeresh he Pa Statischer Druck an der Messstelle Frischluftfeuchte Pa Statischer Druck an der Messstelle Abluftfeuchte Pa Leistung W Druckverlust des str menden Fluids Pa S ttigungsdampfdruck des Wassers Pa Payn Dynamischem Druck Pa PL Partialdruck trockener Luft Pa Ps Spr hluftdruck bar Pst Statischer Druck Pa Pw Partialdruck des Wasserdampfes Pa Pa Gleichgewichtsdampfdruck ber feuchtem Material Pa Q W rmemenge J Q Abgef hrter W rmestrom W r Abstand Messpunkt von Rohrmitte m R Universelle Gaskonstante 8 314 J K mol AR Widerstands nderung 9 Raat Kaltwiderstand Q R Gaskonstante f r Luft 0 287 J g1 K1 RRohr Radius des Rohres m Rw Gaskonstante f r Wasser 0 461 J g1 K Rwarm Warmwiderstand 2 Ro Widerstand bei 0 C Q Rr Widerstand bei der Temperatur T Q S Spr hrate g min S prit Kritische Spr hgeschwindigkeit der Bindemittell sung g min t Ze
232. n Arbeitsbereich eines Hitzdrah tanemometers nach unten Die obere Grenze wird durch die maximale schlei chenden Umstr mung und damit dem linearen Bereich der Funktion Wider standsbeiwert c in Abh ngigkeit der Reynoldszahl festgesetzt In der Praxis k nnen Messungen bis zu Reynoldszahlen von 10 mit Hitzdrahtanemometern durchgef hrt werden 2 11 AN WSG ANLAGEN ETABLIERTE ONLINE MESSVERFAHREN 2 11 1 Problemstellung und Anforderungen an Sensoren In den letzten Jahren war man bem ht ein tieferes Verst ndnis der Prozesse in pharmazeutischen Produktionsanlagen zu erhalten um damit diese Ar beitsabl ufe automatisieren zu k nnen Letztendliches Ziel ist hierbei die Verbesserung der Qualit t der Arzneimittel Voraussetzung f r die Steuerung eines WSG Prozesses ist die exakte Kenntnis der aktuellen Betriebsparameter der Anlage Aus diesem Grund werden WSG Anlagen mit unterschiedlichster Sensorik ausgestattet Mit dem Einbau eines Messf hlers allein ist es nicht getan Die Arbeitsbedingungen in der pharmazeutischen Verfahrenstechnik verlangen einen Schutz des Sensorelements Aus diesem Grund werden Messumformer eingesetzt welche den eigentlichen Sensor als wichtigstes Element enthalten aber auch eine Signalverarbeitung zu einem genormten Ausgangssignal z B 4 20 mA durchf hren An Messumformer f r den Einsatz in WSG Anlagen sind allgemein folgende Anforderungen zu stellen 00 e Ein in weiten Grenzen einstellbarer Messbereich e G
233. n Messsignals Fl gel raddrehzahl erfolgt durch einen induktiven N herungsinitiator Die Dreh zahlbestimmung geschieht damit ohne jede Bremswirkung auf das Fl gelrad Der Sensor weist folgende Spezifiktionen auf Messbereich 0 0 0 4 40 m s Temperaturbestandigkeit 20 125 C Maximalfehler Einzelmessung 0 15 m s Ansprech eit enenn 1 108 Reproduzierbarkeit gt 99 Das Verh ltnis von rtlicher Str mungsgeschwindigkeit zur mittleren Ge schwindigkeit des Rohrquerschnitts wird als sogenannter Profilfaktor PF 6 bezeichnet PF 2 5 6 u PF Profilfaktor u x Str mungsgeschwindigkeit an der Position x m s Mittlere Str mungsgeschwindigkeit m s ndert sich das Str mungsprofil im Rohrquerschnitt bei unterschiedlichen Volumenstr men so muss f r jeden Str mungszustand ein eigener Profilfak tor bestimmt werden In der vorliegenden Instrumentierung ist dem Messum former jedoch ein konstanter Wert von PF 0 849 vorgegeben Mit diesem Wert des Profilfaktors wird der Volumenstrom im gesamten Rohrquerschnitt mit folgender Formel berechnet V PF Ap u x 5 7 V Volumenstrom m h Aror Querschnittsfl che des Rohres m Ein Messumformer Typ Ula 230 VAC LDG16 Fa H ntzsch GmbH Waiblin gen Deutschland wandelt das Messsignal Str mungsgeschwindigkeit in ein Volumenstromsignal um Der Wertebereich
234. n der Anlage beeinflusst durch die Geometrie die Leistung des Gebl ses und der Gestaltung des Anstr mbodens das Fluidisierungsverhalten e Die Gr e der Wandfl chen bestimmt die W rmeabstrahlung der An lage e Es existieren Anlagen mit beheizbaren Wandflachen die aufgrund des dadurch erm glichten erh hten W rmeeintrages die Trocknung be schleunigen e Es besteht die M glichkeit die Zuluft mit hohem technischen Auf wand bez glich definierter Feuchtigkeit zu konditionieren Econdry Verfahren 2 Aus diesen berlegungen heraus ergeben sich folgende Konsequenzen f r die Gestaltung eines Trocknungsprozesses gt je st rker die Bindung des Wassers an das Gut ist desto drastischer sind die erforderlichen Trocknungsbedingungen gt je geringer die Partikelgr e und je h her die Kapillarit t des zu tro ckenden Guts ist desto leichter erfolgt die Trocknung gt je besser der W rme bergang durch Konvektion Kontakt oder Strah lung ist desto effektiver wird die Trocknung sein gt je gr er die Differenz zwischen Wasserdampf Partialdruck des Gutes und der Gasphase des Trockners ist desto besser erfolgt die Trocknung 22 Trocknen 2 4 6 Einfluss der Restfeuchtigkeit auf die Granulateigenschaften Die folgende bersicht verdeutlicht wie die im Granulat verbleibende Rest feuchte die Qualit t des Produktes beeinflusst 2 52 Tabelle 2 4 Einflu der Restfeuchte auf die Granulatbeschaffenheit Du
235. n eines Trocknungsverlaufes wurde bisher als unm glich angesehen 30 2 4 1 Grundlagen und Definitionen Eine Trocknung hat das Ziel eine Fl ssigkeit von einem Feststoff oder auch einer anderen Fl ssigkeit abzutrennen Sie ist eine wichtige pharmazeutisch technologische Grundoperation Feuchte Sch ttguter k nnen Wasser auf unterschiedliche Art gebunden ha ben Tabelle 2 2 Bindung von Wasser in Sch ttg tern Erl uterung Beispiel e An der Oberfl che sowie in gr eren Hohlr umen im Inneren Nasse Festk rper von Feststoffen oberfl chen e Frei beweglich e Physikalisch gebunden Glasfritten Mole KAPILLARWASSER e Freie Beweglichkeit kularsiebe 0 5 HYDRATATIONS Quellungswasser WASSER e Nicht st chiometrisch gebunden Gele Z B Gelatine 0 20 e Physikalisch gebunden Alle hydrophilen e Auch Wasserstoffbr ckenbildung Festk rper e Vollst ndige Entfernung erfor oberfl chen an dert intensives Trocknen feuchter Luft HAFTWASSER ADSORBIERTES WASSER Trocknen Bin Erl uterung Beispiel ae 3 e Kristallhydrate e Chemisch gebunden KRISTALLWASSER Entfernung des Wassers erst bei CaClz 6 H20 5 40 hohen Temperaturen unter Zer st rung der Kristallstruktur KONSTITUTIONS e Chemisch gebunden Ca OH 2 20 100 WASSER Unter dem Begriff Bindungsw rme versteht man dabei den Energiebetrag der zur Aufhebung der Bindung des Wassers an den Feststoff er
236. n von Plasdone K 90 133 Materialien f r die Granulation Quervernetztes Polyvinylpyrrolidon dient mit einem Massengehalt von 3 als sehr effektives Tablettensprengmittel Tabelle 4 3 Stoffdaten von Polyplasdone XL Die Laserstreulichtanalyse zeigt dass Polyplasdone XL eine sehr einheitliche Korngr enverteilung aufweist r 0 05 0 045 0 04 0 035 gt A 5 Summenverteilung r 0 03 5 3 g 2 Verteilungsdichte 0 025 A 2 p H 0 02 E i gt 0 015 0 01 0 005 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Partikeldurchmesser um Abbildung 4 4 Partikelgr enverteilung von Polyplasdone XL bestimmt mit Trockendispergierung PS 64 am Malvern Particle Sizer 2600 REM Aufnahmen zeigen die eigent mliche Struktur dieses Hilfsstoffes 67 4 Material und Standardmessmethoden 68 a j 7 y x50 200 tai 205106 Cross PVP Abbildung 4 5 REM Aufnahme von Polyplasdone XL in 50 facher Vergr erung In der 500 fachen Vergr erung wird die schwammartige Struktur des Cross PVP deutlich es ist kein Feinanteil zu finden N x500 50pm 205106 Cross PVP Abbildung 4 6 REM Aufnahme von Polyplasdone XL in 500 facher Vergr erung Die Wasserdampf Sorptionsisotherme belegt dass Polyplasdone XL in bereinstimmung mit seiner Funktion als Sprengmittel ein sehr gro es Was seraufnahmeverm gen aufweist Rasterelektronenmikrosk
237. nach einer thermischen quilibrierung der gesamten Anlage stabile Basislinien erreicht die Voraussetzung f r die Be rechnung einer Massenbilanzierung sind Nicht untersch tzt werden d rfen Probleme mit dem dynamischen Verhalten der Messumformer Die Abwei chungen der Trocknungsverlaufskurve zu Beginn der Spr hphase gegen ber dem Ende der Trocknungsphase werden haupts chlich auf derartige Mes sungenauigkeiten zur ckgef hrt Verbesserungsm glichkeiten werden daher bez glich der Ansprechzeit und der Richtigkeit der Feuchtesensoren gesehen Am Ende dieser Arbeit soll in einem Ausblick aufgezeigt werden welches Entwicklungspotenzial in der Massenbilanzierung von WSG Anlagen steckt H chste Priorit t in der Verbesserung der Instrumentierung sollte dem An sprechverhalten der Feuchtesensoren zugewiesen werden Die dynamische Korrekur der Messkurven ist dazu ein probates Instrument zweckm iger hingegen ist die Verwendung von Messumformern mit verbessertem Zeitver halten Bei der gegenw rtigen Instrumentierung arbeitet der Abluftfeuchtesensor h ufig dicht an der oberen Grenze seines Arbeitsbereichs Durch aktives Auf heizen der Abluft k nnte die relative Feuchte soweit gesenkt werden dass die Sensorik im optimalen Bereich arbeitet Alternativ w re auch eine Messung hinter dem Sauggebl se bzw unmittelbar vor dem Abluftgr ting m glich da hier die Temperatur deutlich ber der an der Abluftmessstelle liegt Durch ein aktives
238. nce of an aqueous fluidized bed granulation process PARTEC 2001 International Congress for Particle Technology Nuernberg Germany 27 29 March 2001 256 Lebenslauf LEBENSLAUF Name K ster Ulf Geburtstag 19 Februar 1972 Geburtsort Kassel Religion evangelisch Familienstand ledig Eltern Horst Dietrich K ster Oberstudienrat a D Doris K ster geb Weinmann Fachlehrerin Schulbesuch 4 Jahre Grundschule in Melsungen 2 Jahre F rderstufe in Melsungen 4 Jahre gymnasialer Zweig der Gesamtschule Melsungen 3 Jahre Oberstufengymnasium Melsungen Berufsausbildung 2 Jahre Ausbildung zum Reserveoffizier Panzertruppe 6 Monate Pharmaziestudent PJ bei Beiersdorf Lilly GmbH Hamburg 6 Monate Pharmaziestudent PJ in der Friesen Apotheke Westerland Universit re 8 Semester Studium der Pharmazie an der Bayerischen Ausbildung Julius Maximilians Universit t W rzburg 6 Semester Promotionsstudium am Lehrstuhl f r Pharmazeutische Technologie der Bayerischen Julius Maximilians Universit t W rzburg unter Leitung von Prof Dr I Zimmermann Abschl sse Abitur 1991 Offizierpr fungen KTS 2 Munster OSH Hannover 1993 1 pharmazeutisches Staatsexamen 1995 2 pharmazeutisches Staatsexamen 1997 3 pharmazeutisches Staatsexamen 1998 Approbation als Apotheker 2000 Praktika Friesen Apotheke Westerland Sylt Beiersdorff Lilly GmbH Hamburg B Braun Melsungen AG Krankenhausapotheke Uniklinikum W
239. nden Die folgende 500 fache Vergr erung zeigt die Oberfl che eines solchen Granulatpartikels 207 6 Ergebnisse 208 EA el 3 x500 50pm 205106 Nr 6 102 30 M Abbildung 6 42 REM Aufnahme der Oberfl che eines Granulatpartikels in 500 facher Vergr erung Die Prim rpartikeln sind noch deutlich im Granulatkorn zu erkennen Diese Aufnahme zeigt die zerkl ftete viele Poren beeinhaltende Struktur der Gra nulatpartikeln Damit ist offensichtlich dass das Bindemittel nicht etwa die Hohlr ume zwischen den Prim rpartikeln erf llt sondern vielmehr nur Kon taktstellen zwischen den verschiedenen Teilchen bildet Gegen Ende der Spr hphase kann es zu Sekund ragglomerationen kommen Die Partikelngr e nimmt noch einmal deutlich zu Die folgende Aufnahme zeigt ein solches Granulatteilchen in 100 facher Vergr erung Eigenschaften des Standard Granulates Fu c s ze x1ioo 2o00rm 205106 Exp 102 SprEnd Abbildung 6 43 REM Aufnahme von Sekund ragglomerationen in 100 facher Vergr erung Es ist deutlich zu erkennen dass dieses Teilchen mit einem Durchmesser von ca 1 mm aus mehreren Granulatpartikeln zusammengesetzt ist Derarti ge durch Sekund ragglomeration hervorgegangene Partikeln werden w hrend der Trocknungsphase durch die mechanische Belastung des Gutes zumeist wieder abgebaut Die folgende Aufnahme zeigt das fertige Granulat zu Ende hphase in 20 facher Vergr erung der Spr
240. ndet Der ffnungswinkel wird nicht an der Klappe selbst sondern indirekt an dem sie steuernden Pneumatikzylinder gemessen Aus dem Spiel dieser Mechanik resultiert die Ungenauigkeit der Messung Der aufgezeigte Zusammenhang zwischen Abluftklappen ffnung und Volumenstrom gilt nur f r die leere Anlage W hrend des Granulations betriebs steigt der Str mungswiderstand an und damit nimmt der Volumen strom bei gleicher Abluftklappenposition ab Der Luftmengendurchsatz durch den GPCG kann auf zwei Arten geregelt werden a Sollwert Abluftklappen ffnung Der ffnungswinkel wird durch den Bediener festgelegt der Volumenstrom ndert sich mit dem Betriebszustand der Anlage b Sollwert Volumenstrom Die Anlagensteuerung implementiert ei nen Regelkreis mit welchem der Volumenstrom auf einem kon stanten Wert gehalten wird In Praxis zeigt sich dabei jedoch ein intensives Einschwingverhalten dieses Regelkreises Vor dem Ventilator sind eine Nachfilterkassette sowie ein Finalfilter instal liert Ihre Funktion besteht darin ein Verschmutzen des Saugventilators durch die durch den Produktr ckhaltefilter hindurchgetretenen Partikeln zu verhindern Dem Ventilator ist ein Schalld mpfer nachgeschaltet Die Abluft wird quantitativ mit Hilfe des mit geringem Unterdruck arbeitenden hausin ternen Absaugsystemes entfernt 81 5 Experimenteller Teil 82 5 1 6 Anlagensteuerung Der GPCG wird ber das Operator Interface Terminal OP 35 gesteuert
241. ne Luft ist 158 Theorie der Massenbilanzierung Das folgende Diagramm verdeutlicht den Einflu der Parameter Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit auf die Dichte der feuchten Luft berechnet f r den in W rzburg durchschnittlichen Luftdruck von 98 600 Pa 0 8500 800 0 900 Relative Luftfeuchtigkeit amp So 1 10 1 0 950 05 15 4 104 1 15 5 0 r T T T ki 70 80 9 U T 20 30 40 50 60 0 Temperatur C Abbildung 6 3 Dichte feuchter Luft f r p 98 600 Pa Es ist ersichtlich da der Einfluss der relativen Luftfeuchtigkeit auf die Dich te der Luft insbesondere bei hohen Temperaturen deutlich zunimmt Um den Wertebereich von p f r die vorliegende experimentelle Problemstel lung zu ermitteln wird mit Gleichung 6 13 die Dichte der feuchten Luft f r den maximalen Druck von 101 325 Pa sowie f r den niedrigsten zu erwar tenden Druck von 70 000 Pa berechnet E 101 325 Pa D 5 l ne g f 2 a 70 000 Pa tigkeit 1 lC Relative Luftfeuch Abbildung 6 4 Wertebereich der Dichte feuchter Luft Dieser Graphik kann entnommen werden dass die Dichte der feuchten Luft im GPCG zwischen 0 4 und 1 2 kg m variieren kann 159 6 Ergebnisse 160 6 1 3 Berechnung der Taupunkttemperatur Das Abluftrohr in welchem der Abluftfeuchtesensor installiert ist ist aus Edelstahl gefertigt Die Rohrwand ist im Verh ltnis zur hei en Abluft kalt Falls die
242. nen Sollwert von 75 m3 h 177 6 Ergebnisse 178 90 50 45 40 35 g v 30 amp E S 253 a lt E 2 404 4 S E Abluftklappen ffnung 5 D 3 20 z 30 5 15 20 H 10 10 t5 of 0 00 00 00 00 15 00 00 30 00 00 45 00 01 00 00 01 15 00 01 30 00 Zeit seit ProzeRbeginn h Abbildung 6 7 Volumenstrom bei Leertestung Da der Mittelwert der Volumenstrommessung 74 99 m h mit einer Stan dardabweichung von 1 80 m h betr gt wird die Volumenstromregelung als sehr gut bewertet 6 2 2 Temperaturen Die Zuluft erreicht bereits nach einer viermin tigen Anlaufphase ihren Soll wert von 50 C 70 7 Akustischer Feuchtesensor Zuluft 60 50 1 mM AAANAMAAAMAANAA AN ana Aa PORTO OTTO pf vate VA pad 5 Abluf T 2 40 o E Frischluftfeuchtesenso 30 Abluftfeuchtesensor Pn ARTIST TITIAN AAAA A ia AA 20 I p pA he Frischluft 10 1 00 00 00 00 15 00 00 30 00 00 45 00 01 00 00 01 15 00 01 30 00 01 45 00 02 00 00 Zeit seit ProzeRbeginn h Abbildung 6 8 Temperaturverlauf bei der Leertestung Die Temperatur innerhalb des Abluftfeuchtesensors liegt erwartungsgem unterhalb jener der Abluft Die Temperaturen von Frischluft und Frischluft feuchtesensor unterscheiden sich nur geringf gig um maximal 3 C Die Temperatur im akustischen Feuchtesensor entspricht derjenigen am Abluftgr ting des GPCG Dieser Wert liegt stets oberhalb der Abluft
243. ner etwa f nfmin tigen Anlaufphase vermag die Steuerung der Hei zung die Zulufttemperatur exakt auf den Sollwert von 50 C mit einer Stan dardabweichung von nur 0 35 C ber den gesamten Prozess hinweg zu re geln Nach dem Bef llen der Anlage mit den Prim rpartikeln dauert es ca 6 Minuten bis das Sch ttgut aufgeheizt ist Unmittelbar nach Beginn der Spr hphase sinkt die Produkttemperatur um ber 20 C ab und verbleibt auf diesem Niveau bis zum Ende der Spr hphase Diese Abk hlung liegt in der Verdunstungsk lte des Bindemittels begr ndet Solange aus dem Granulat noch Feuchtigkeit herausgetrieben wird bleibt die Produkttemperatur nied rig Der Anstieg dieses Messwertes ist ein Indiz f r das Ende des Trock nungsprozesses Akustischer Feuchtesensor es e n 50 i S EOE REOTA EA AEEA AIEN E AEE wt a 30 4 Zuluft 20 1 Spr hphase Produkt Temperaturen C 00 00 00 00 15 00 00 30 00 00 45 00 01 00 00 01 15 00 01 30 00 01 45 00 Zeit seit Proze beginn h Abbildung 6 25 Zuluft Produkt und Ablufitemperatur Die Temperatur im akustischen Feuchtesensor sinkt w hrend der Granulati onsphase deutlich ab um erwartungsgem mit dem Ende der Trocknungs phase wieder anzusteigen 6 5 5 Temperaturen an den Feuchtesensoren Wie zu erwarten war differiert der Temperaturverlauf im Inneren der Feuch tef hler deutlich von dem der vorbeistr menden Luft Dies liegt im d mp
244. ng kleiner Kapazit ts nderungen Da die Leitf higkeit des Proben materials das Messergebnis beeinflusst wird die Messung mit hochfrequenter Wechselspannung betrieben Die Verteilung des Wassers in der Probe hat keinen Einflu auf die Messung es wird vielmehr automatisch ein Mittelwert bestimmt Zwar bieten derartige Messungen den Vorteil extrem kurzer Mess 33 2 Stand der Wissenschaft 34 zeiten dem steht jedoch der Nachteil gegen ber f r jedes Sch ttgut eine eigene Kalibriergerade erstellen zu m ssen da die Partikelgr enverteilung das Messergebnis beeinflusst 2 8 6 Infrarot Wassergehaltsbestimmung Die absorptionsspektroskopische Bestimmung des Wassers erfolgt bei den Wellenl ngen 1 93 um und 1 45 um Zus tzlich wird bei guten Messger ten mit einer weiteren Wellenl nge gearbeitet bei der Wasser nicht absorbiert um so St reffekte durch Eigenabsorption des Messgutes zu korrigieren Auch bei diesem Verfahren ist eine stoffspezifische Kalibrierung erforderlich 2 8 7 NIR Wassergehaltsbestimmung Bei der NIR Spektroskopie wird die Absorption elektromagnetischer Strah lung im nahen Infrarotbereich gemessen Dieses Intervall erstreckt sich ber den Wellenzahlenbereich von 13 000 cm bis 4000 cm 75 Die NIR Methode erm glicht schnelle kontakt und zerst rungsfreie Messungen die mit einer Faseroptik auch ber gr ere Distanzen realisiert werden k nnen Da die Absorptionen im NIR relativ schwach sind k nnen
245. ng von Wasser die Luft wird hiermit auf eine absolute Feuchte von 8 g kg eingestellt Durch Abk hlen auf 1 C wer den Gehalte um 6 g kg erzielt Fur Spezialanwendungen kann dieser Einheit ein Sorptionstrockner nachgeschaltet werden welcher die Frischluft auf 2 bis 3 g kg Wasser entfeuchtet Das Prinzip dieser Luftentfeuchtung besteht dar in die feuchte Frischluft durch einen Rotor zu leiten dessen wabenf rmige Struktur eine au erordentlich gro e Oberfl che aufweist Diese Fl che ist mit einem Sorptionsmittel beschichtet das der durchgef hrten Luft die Feuchtig keit entzieht Da das blicherweise verwendete Silicagel bei niedrigen Tempe raturen eine h here Wasseraufnahmekapazit t aufweist sollte die zu trock nende Frischluft k lter als 50 C sein Das Trockenrad dreht sich mit ca 8 Umdrehungen pro Stunde und durchl uft einen zweiten Sektor in dem ein weiterer erw rmter Luftstrom dem Rad die Feuchtigkeit wieder entzieht 7 Da der Regenerationsluftstrom um etwa 100 C ber die Temperatur des zu trocknenden Gases aufgeheizt wird hat ersterer eine deutlich h here Was seraufnahmekapazit t Aus diesem Grund gen gt zur Regeneration ein Vo lumenstrom von nur einem Drittel des zu trocknenden Gasstromes Mit die ser Entfeuchtungstechnik k nnen Volumenstr me bis zu 57 000 m h ent feuchtet werden 8 Eine Befeuchtung der Frischluft ist bisher nur bei wenigen Pilotanlagen reali siert worden Hierbei wird die Frischluft auf
246. nstr mboden Ap ein Ma f r die Beschaffenheit des Granulates Der konstante Wert w hrend der quilibrierphase beschreibt den durch den Siebboden selbst verursachten Str mungswiderstand Nach Einbringen des Sch ttgutes erreicht Ap ein tem por res Maximum Sobald die R ckhaltefilter mit den feinen Partikeln belegt sind ist weniger Masse zu fluidisieren und in der Folge sinkt Ap wieder et was 10000 Spr hphase e o 1000 ae die Cas Differenzdruck Pa 10 H t H H H H 1 00 00 00 00 15 00 00 30 00 00 45 00 01 00 00 01 15 00 01 30 00 01 45 00 Zeit seit ProzeRbeginn h Abbildung 6 29 Differenzdruck ber dem Anstr mboden die durchgezogene Line repr sentiert den Mittelwert ber 15 Messpunkte W hrend der Spr hphase macht sich die mit steigendem Wassergehalt zu nehmende Dichte des Sch ttgutes bemerkbar Da der Volumenstrom kon stant gehalten wird steigt der Str mungswiderstand W hrend der Trock nungsphase kommt es zur berlagerung zweier Effekte Das Produkt wird leichter gleichzeitig nimmt jedoch der Feinanteil aufgrund des Abriebs wieder zu In der Folge bleibt der Druckverlust ber den Anstr mboden im zeitlichen Mittel konstant 6 5 9 Absolutdrucke Der statische Druck an der Einbaustelle des Frischluftfeuchtesensors liegt erwartungsgem nur geringf gig unterhalb des Umgebungsdrucks Bei den vorliegenden experimentellen Bedingungen mit einem konstanten Volumen strom von 75
247. nten der statistischen N herungsfunktionen Fettdruck bessere N herungsfunktion Potenzielle Funktion 4 50 Logarithmische Funktion 4 51 VS Stufe A B R A B R 19 3 7968 0 2689 0 8767 0 1766 1 3905 0 8916 50 8 7637 0 2091 0 9457 0 4342 5 2617 0 9858 71 10 151 0 1599 0 9306 0 607 7 6431 0 9873 94 12 301 0 1391 0 9373 0 7314 9 8452 0 9867 116 14 714 0 1327 0 9575 0 8737 12 004 0 9901 171 17 521 0 0974 0 9909 0 9683 15 677 0 9882 5 8 5 5 Vergleich der gemessenen Str mungsprofile mit den Resultaten der Be rechnungen F r die Berechnung des Volumenstromes anhand eines Str mungsprofils ist es entscheidend dasjenige Geschwindigkeitsverteilungsgesetz auszuw hlen welches die h chste Richtigkeit und damit die geringste Abweichung vom wahren Wert 80 aufweist Zu diesem Zweck werden f r die sechs gemessenen Str mungszust nde des GPCG die Geschwindigkeitsverteilungen mit dem Potenzgesetz dem Ansatz nach Reichardt sowie den beiden statistischen N herungen ermittelt Die so erhaltenen Kurven werden mit den Messwerten durch Berechnung der Summe der Abweichungsquadrate verglichen und damit f r jeden Str mungszustand die geeignetste Funktion bestimmt Alle folgenden Berechnungen basieren auf nachstehenden Zahlenwerten p 101325 Pa n 18 5 106 Pa s v 23 C p 1 186 kg m 0 45 Re wird f r die jeweilige Abluftklappenstellung mit Umax berechnet n wird gem Gleichung 5 35 be
248. nterpretation der Massenbilanzierungs rechnung Es sind aber auch Versuche mit var erendem Volumenstrom problemlos und erfolgreich bilanzierbar Deutung der Messergebnisse eines Granulationsprozesses Spr hluftdruck bar N 0 00 00 00 00 15 00 00 30 00 00 45 00 01 00 00 01 15 00 01 30 00 01 45 00 Zeit seit Proze beginn h Abbildung 6 23 Spr hluftdruck Aus dieser Versuchsbeobachtung resultiert dass der Spr hluftdruck sehr pr zise geregelt wird 6 5 3 Spr hfl ssigkeitsgewicht und Spr hrate Aus der Differenz des Spr hfl ssigkeitsgewichtes zu Anfang und zu Ende der Granulation resultiert ein Bindemitteleintrag von 520 g 2500 50 40 2000 3 30 E 1500 Spr hfl ssigkeits Gewicht Aktuell Spr hrate 2 2 g 20 2 1000 a 2 G 10 500 W jt u u H 4 0 o fi N N N N N 10 00 00 00 00 15 00 00 30 00 00 45 00 01 00 00 01 15 00 01 30 00 01 45 00 Zeit seit Proze beginn h Abbildung 6 24 Spr hfl ssigkeitsgewicht und Spr hrate Die Schwankungen in der Spr hrate liegen nicht im F rderverhalten der Schlauchpumpe sondern in Ersch tterungen der Waage begr ndet Diese zuf lligen Streuungen heben sich im Mittel auf wie die Integration dieser Messwerte zeigt 5 105 min m gt S t 522g t 0 193 6 Ergebnisse 194 6 5 4 Temperatur der Zuluft des Produkts und des akustischen Feuchtesensors Nach ei
249. nung der Volumenstrommesswerte zeigt sich eine deutliche Abh ngigkeit der Messwerte von der Justierung der Spr hd se Da offen sichtlich bei diesem Versuchsaufbau die Einlaufstrecke zu kurz ist wird der Ansaugstutzen des GPCG um ein 1 40 m langes Rohr verl ngert dessen En de wiederum mit Klebeband verschlossen wird und eine passende ffnung f r die Spr hd se aufweist Pre luftversorgung der Spr hd se F EXT i S66 i i poe i i t Spr hd se Einlaufstrecke Abbildung 5 56 Versuchsaufbau zur Messung des Pressluft Volumenstromes Bei der so durchgef hrten Bestimmung des Pressluftvolumenstromes ist kein Einflu der Justierung der Spr hd se mehr zu registieren Die Pressluft der Hausanlage wird in einem Lufttrockner des Typs DK 2750 V Firma SCHNEIDER Druckluft Reutlingen Deutschland durch Abk hlung der Luft bei 6 bar auf 3 C konditioniert Diesem Drucktaupunkt entspricht ein theoretischer Restfeuchtegehalt von 0 801 g kg Die experimentelle ber pr fung mit dem Frischluftfeuchtesensor liefert folgende Messwerte Temperatur Tp 292 15 K Relative Luftfeuchtigkeit 9 6 Absolute Feuchte Xp 0 81349 g kg 143 5 Experimenteller Teil 144 Eine Messung des Pressluftvolumenstromes ist bei der vorliegenden Instru mentierung nur bei einem Spr hluftdruck gr er als 1 4 bar m glich bei kleineren Str
250. ohen Fluidtemperaturen wird die W rme nach au en abgestrahlt w hrend bei niedrigen Betriebstemperaturen eine Aufhei zung der Rohrwand infolge des Temperaturanstiegs in dem Geh use des GPCG verursacht wird Da dieser Temperaturunterschied Auswirkungen auf die relative Luftfeuchtigkeit haben sollte wurde der Einflu der Positionie rung des Feuchtesensors im Rohrquerschnitt auf diese Messgr e hin unter sucht Der Aufnahmeflansch des Feuchtesensors erlaubt es nach L sen ei ner Fixierungsschraube den Sensorkopf im Rohrquerschnitt zu verschieben 105 5 Experimenteller Teil 106 Aufnahmeflansch Rohrquerschnitt Feuchtesensor Abbildung 5 32 Positionierung des Feuchtesensors im Querschnitt des Abluftkanals Der GPCG wurde unter konstanten Bedingungen gefahren und dabei der Abluftfeuchtesensor in drei unterschiedlichen Positionen fixiert s Relative Luftfeuchtigkeit amp Feuchtegehalt g kg Temperatur C 47 Feuchtigkeit 3 Temperatur C amp amp A gt lt 46 T 6 45 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Abstand von der Rohrwand mm Abbildung 5 33 Ergebnisse der Feuchtemessung an verschiedenen Positionen im Rohrquerschnitt Wie obige Abbildung zeigt f llt die Temperatur von der Rohrmitte zur Wand hin ab was in der W rmeleitf higkeit des Rohrmaterials begr ndet liegt In folgedessen steigt die relative Luftf
251. olgendes Ergebnis 90 90 00 00 30 00 01 00 00 01 30 00 02 00 00 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Masse Wasser im GPCG g 110 120 130 140 150 160 170 Zeit seit Proze beginn h Abbildung 6 20 Massenbilanzierung des Trocknungsprozesses Laut Bilanzierungsrechnung werden 151 g Wasser entfernt das entspricht einer Wiederfindungsrate von 97 190 Deutung der Messergebnisse eines Granulationsprozesses 800 4 Feuchtegehalt 45 Trocknungsgeschwindigkeit w a 600 Feuchtegehalt a Ss yN w a 6 gt N ts 300 N Trocknungsgeschwindigkeit min a 7 23 u i IM i i 7 i labaa N ul to 00 00 00 00 15 00 00 30 00 00 45 00 01 00 00 01 15 00 01 30 00 01 45 00 02 00 00 02 15 00 Zeit seit Proze beginn h Abbildung 6 21 Trocknungsverlaufskurve von Baumwolle Aus der Trocknungsverlaufskurve kann entnommen werden dass das Baum wollmaterial die Feuchtigkeit sehr konstant abgibt Diese Ergebnisse beweisen dass auch ein sehr langsamer Trocknungsprozess durch die ver f gbare Instrumentierung des GPCG erfasst und mit der Massenbilanzie rungsrechnung richtig interpretiert werden kann 6 4 2 Befeuchten und Trocknen von Silicagel Das Ziel dieser Versuchsreihe eine Modellsubstanz mit gutem Wasserauf nahmeverm gen unter den Bedingungen eines Stand
252. onsgef wird stets Klumpenbildung der Probe beobachtet Dies legt die Vermutung nahe dass im Inneren dieser Agglomerate Wasser eingeschlossen bleibt welches der chemischen Umsetzung entzogen wird Diese berlegungen verdeutlichen dass die KF Vergleichsmessungen die Beschreibung des qualitativen Verlaufs der Masse an Wasser im Ansatz er lauben f r direkte quantitative Bestimmungen aber unzureichend sind 201 6 Ergebnisse 202 6 5 12 Massenbilanzierung der Granulierung Da die Feuchtesensoren nur gasf rmiges Wasser erfassen w rde fl ssiges Wasser im Bereich der Abluftfeuchtemessstelle zu einem systematischen Feh ler in der Massenbilanzierung f hren Aus diesem Grund muss zu Beginn der Massenbilanzierungsrechnung sichergestellt sein dass die Temperatur am Abluftfeuchtef hler oberhalb der Taupunkttemperatur der Abluft liegt 45 40 F 337 Temperatur am Abluftfeuchtesensor 30 25 20 Temperatur C 15 10 Taupunkttemperatur der Abluft 0 00 00 00 00 30 00 01 00 00 01 30 00 Zeit seit Proze beginn h Abbildung 6 34 Vergleich der Temperatur des Abluftfeuchtesensors zur Taupunkttemperatur Aufgrund dieser Messergebnisse kann eine Wasserkondensation am Abluft feuchtef hler sicher ausgeschlossen werden Die Berechnung der Dichte der Frischluft f hrt erwartungsgem zu einem w hrend des gesamten Granulationsprozesses konstanten Wert 1 25 Frischluft 7 2 a 1
253. opie a t gt a gt go a w Wasseraufnahme N a N a a 30 40 50 60 70 80 90 100 Relative Luftfeuchtigkeit Abbildung 4 7 Wasserdampf Sorptionsisotherme bei 25 C 4 2 RASTERELEKTRONENMIKROSKOPIE Da Aussagen ber u ere Form und innere Struktur der Granulate nicht in hinreichendem Ma e mit lichtmikroskopischen Verfahren getroffen werden konnten wurden an einem DSM 962 Mikroskop der Firma Carl Zeiss GmbH Oberkochen Deutschland rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen ge macht Die Proben wurden auf eine selbstklebende Leitfolie aufgestreut vor sichtig mit Druckluft von losen Bestandteilen befreit und danach mit einer Gold Palladium Legierung bedampft 4 3 SIEBANALYSE Die Siebanalysen werden mit einer Analysensiebmaschine AS 200 control der Abbildung 4 8 AS 200 control Firma Retsch GmbH amp Co KG Haan Deutschland durchgef hrt Diese Anlagen weisen eine mikropro zessor gesteuerte Regelung der Schwingungsinten sit t auf und stellen damit eine hohe Reproduzier barkeit der Ergebnisse sicher 35 Ein spezieller An trieb sorgt f r eine dreidimensionale Wurfbewegung welche das Siebgut gleichm ig ber die gesamte Siebfl che wandern l sst Die Analysensiebmaschine erlaubt eine maximale Siebturmh he von acht Sieben mit je 50 mm H he zuz glich Auffangboden Die Siebb den d
254. ormierte Antwortfunkti on Znorm t erhalten Es wird angenommen dass Zyorm t als Summe von Ex ponentialfunktionen dargestellt werden kann gem t Z max De t Zi Ya e 6 45 i 1 F r die Zeitkonstante gilt T yt i 6 46 i l Aus der Auftragung der logarithmierten normierten Antwortfunktion ber der Zeit t wird eine Kurve erhalten die f r gro e t asymptotisch in eine Gerade der Steigung t t bergeht F r die meisten Anwendungen gen gt die Be stimmung des ersten Summanden 1 als gute N herung f r die Zeitkonstante t Damit sind alle Parameter gegeben um die Entschmierung nach Gleichung 6 45 durchzuf hren Wie umfangreiche Untersuchungen belegen ist eine solche klassische Ent schmierung aus folgenden Gr nden f r das vorliegende Messproblem nicht anwendbar Trocknungsversuche e Die Entschmierung nach HEMMINGER setzt einen streng monoton steigenden konkaven Verlauf der Messkurve voraus Die Antwort funktionen der kapazitiven Feuchtesensoren weisen hingegen einen sigmoidalen Verlauf auf Die Zunahme der Steigung der Messkurve bis zum Wendepunkt hin verhindert die Entschmierung e Die klassische Entschmierung ist f r peakf rmige Messkurven wie sie in der thermischen Analyse 98 oder in der lonenbeweglich keitsspektroskopie 9 vorkommen konzipiert Bei mehrstufigen Trock nungsprozessen die bei WSG Prozessen h ufig zu finden sind liegen jedoch auch real langsam abklingend
255. pf Luft Mischung gt 8 Das Verh ltnis der Wassermasse pro Volumen feuchter Luft wird als absolu te Luftfeuchtigkeit f bezeichnet synonym absolute Feuchte absolute humi dity und ist in der Physik blich mw Masse Wasser g Ve Volumen feuchter Luft m f Absolute Luftfeuchtigkeit g m Die spezifische Luftfeuchtigkeit yr als weiteres absolutes Feuchtema gibt an wie viel Gramm Wasser pro Kilogramm feuchter Luft enthalten sind mw Masse Wasserdampf g mr Masse trockene Luft kg X Spezifische Luftfeuchtigkeit g kg In der Thermodynamik wird der Wassergehalt feuchter Luft hingegen durch das Verh ltnis der Masse an Wasserdampf zu der Masse an trockener Luft ausgedr ckt Diese Definition ist zweckm ig da die Masse der trockenen Luft bei Feuchte und Temperatur nderungen konstant bleibt Dies erleich tert die rechnerische Verfolgung von Zustands nderungen Die Definition des Feuchtigkeitsgehalts y synonym Feuchtegrad Feuchtebeladung Mi schungsverh ltnis Feuchtigkeitsverh ltnis moisture content humidity ratio lautet damit mw Masse Wasserdampf g mr Masse trockene Luft kg 37 2 Stand der Wissenschaft 38 x Feuchtigkeitsgehalt g kg Da viele handels bliche Messger te die Rohdaten als spezifische Luftfeuch tigkeit yr liefern alle thermodynamischen Rechnungen aber auf dem Feuch tigkeitsgehalt x basieren ist die Umrechnung beider Gr en erforderlich Gleichung
256. ph rischen Einfl ssen 27 2 Stand der Wissenschaft 28 2 6 5 Schmelzgranulation Bei diesem Verfahren werden Bestandteile des zu granulierenden Sch ttgu tes durch die entsprechend aufgeheizte Zuluft angeschmolzen wodurch der Aufbau von Bindemittelbr cken erm glicht wird Schmelzgranulationen k n nen z B mit festen Polyethylenglykolen PEG 1000 bis 6000 durchgef hrt werden gt Von der Schmelzgranulation deutlich abzugrenzen ist die Spr herstarrung synonym Spr hverperlung bei welcher eine Hilfsstoffschmelze oder auch eine Wirkstoffsuspension in einen k hlenden und damit zur sofortigen Er starrung f hrenden Luftstrom eingespr ht wird gt Im Vergleich zu konventio nellen Schmelzerstarrungsverfahren bietet diese Methode den Vorteil sph ri sche Partikeln mit guter Einh llung von Feststoffen in nur einem Arbeitsgang zu erhalten 2 6 6 WSG Anlagen mit Mikrowellenheizung Von DOELLING und NASH wurde 1992 eine WSG Anlage im Laborma stab entwickelt bei welcher der Trocknungsprozess durch einen Mikrowellen strahler forciert wird5 gt Da sowohl das zu trocknende Sch ttgut als auch die Fluidisierungsluft die Mikrowellenenergie absorbieren erfolgt ein sehr effi zienter W rmeeintrag in die Anlage und die Trocknungsgeschwindigkeit kann hierdurch auf den sechsfachen Wert im Vergleich zu einer konventio nellen Anlage gesteigert werden Durchschnittlich 77 der eingestrahlten Mikrowellenenergie stehen f r das A
257. pray rate If water is sprayed into the empty granulator with this liquid feed rate the complete amout of water is carried along by the outlet air In case of the standard granulation methode a satisfying agglomeration can be realised by use of a liquid feed rate that is 170 of the critical spray rate If the spray rate exceeds 230 of the critical spray rate the agglomeration tendencies of the bulk material jump up enormously As a result it is not possible to fluidize the formulation any longer Using different spray kinetics to apply a constant mass of binder liquid re sults in diverse granulates The size of the spray drops is measured using laser diffraction ParticleSizer 2600 Malvern Herrenberg Germany The application of a three dimensional response surface makes it possible to calculate the mean spray drop diameter dependent on spray rate and atomising air pressure As the sampling during the granulation process provides only a very small volume of sample material a modified laser diffractometry methode has been developed To overcome problems with attrition of the granules by use of the conventional sample application the bulk material is positioned on a chute By means of mechanical induced vibrations the granules trickle from the chute and fall through the laser beam without any attrition effects The results presented in this thesis provide the prerequisites for a compre hensive control system for fluidized bed gr
258. r LS 230 und dem Malvern Particle Sizer f hrten zu guten bereinstimmungen wie folgende Abbildung zeigt Karl Fischer Titration 2 to L 5 00 f 03 i Coulter lt Q3 i Malvern Verteilungssumme Q 5 gt w gt a N 1 1 1 i f So N 0 1 4 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Partikelgr e um Abbildung 4 11 Vergleich der Messergebnisse von Coulter LS 230 und Malvern Particle Sizer D v 0 5 Matven 204 95 um D v 0 5 coutter 207 4 um 4 5 KARL FISCHER TITRATION Alternativ zur Bestimmung der Masse an Wasser im Ansatzbeh lter des GPCG Uber die Massenbilanzierung sollte ein Referenzverfahren verwendet werden um Aussagen Uber die Richtigkeit der Messergebnisse treffen zu k nnen Um den instrumentellen sowie den finanziellen Aufwand zu minimie ren wurde der Entschlu gefasst im Verlauf einer Granulatherstellung Pro ben zu ziehen und deren Feuchtegehalt mittels Karl Fischer Titration zu bestimmen Bei Kenntnis der Masse an trockenen Prim rpartikeln sowie dem aktuellen Feuchtegehalt des Produkts kann auf die Gesamtmasse an Wasser in der Anlage geschlossen werden S mtliche Titrationen werden an einem Karl Fischer Automat 701 KF Titrino Firma Metrohm AG Herisau Schweiz mit zugeh rigem Titrierstand 703 TI durchgef hrt In das gegen feuchte Umgebungsluft isolierte Reaktionsgef wird Hydranal Solvent Rie del de Ha n AG Seelze Deutschland vorgelegt
259. r derlich Die Anzeige ist n herungsweise proportional zur Feuchte in Volu menprozent Die Feuchte in Gewichtsprozent entspricht dem Quotienten aus Volumenfeuchte und Materialdichte Die Sonde ist so zu installieren dass die eingebaute Neutronenquelle entsprechend dem Wirkungsvolumen ausrei 35 2 Stand der Wissenschaft 36 chend von Material umgeben ist Bei einer Volumenfeuchte von 10 betr gt die Reichweite schneller Neutronen ca 40 cm 2 9 METHODEN DER FEUCHTIGKEITSBESTIMMUNG IN GASPHASEN Die Kenntnis der Feuchtigkeit in Gasen und speziell in der Luft ist f r die Entwicklung Herstellung und Lagerung von Arzneimitteln essentiell Insbe sondere f r die Massenbilanzierung einer Wirbelschichtgranulierung ist diese Messgr e der Zu und Abluft die Grundlage aller folgenden Berechnungen Es existiert eine Vielzahl unterschiedlicher Messprinzipien f r die Bestim mung8 2 9 1 Ma e f r die Luftfeuchtigkeit Der thermodynamischen Beschreibung feuchter Luft werden folgende Mo dellannahmen zugrunde gelegt e Die Gasphase besteht aus einer inerten Reinluft und einer konden sierbaren Komponente Wasser Diese Gasphase verh lt sich wie ein Gemisch idealer Gase e Die Luft ist unl slich in kondensiertem Wasser e Falls Kondensat vorhanden ist so gilt nach Erreichen des S ttigungszu standes dass der Wasserdampfpartialdruck pw des Wasserdampfes gleich dem S ttigungsdampfdruck reinen Wassers ist pw ist un
260. r hd se hin gef llt so dass nach Beginn des eigentlichen Granulati onsprozesses bei Einschalten der Spr hpumpe sofort mit dem Eintrag von Probenaufgabe f r Granulate am Malvern Particle Sizer Bindemittell sung in den Ansatzbeh lter begonnen wird Die Spr hd se selbst bleibt zun chst frei von Bindemittell sung da anderenfalls w hrend der einleitenden Mischphase Verstopfungen des D senausganges m glich sind Das Totvolumen der Spr hd se ist experimentell ermittelt worden Prim rpartikeln Lactose Monohydrat Granulac 200 Meggle 9708 Quervernetztes PVP Polyplasdone XL ISP 30g Die beiden Pulver werden in einer auf der Waage Mettler P 2000 N tarierten Sch ssel eingewogen und quantitativ in den Ansatzbeh lter des GPCG ber f hrt Der Granulationsprozess wird in drei Phasen durchgef hrt Phase 1 quilibrieren der Anlage und Mischen des Sch ttgutes e Zeitansatz 2 x 15 min Zulufttemperatur 50 C Volumenstrom 75 m h Freiblasdruck der Spr hd se 1 5 bar Zun chst Anlage 15 min thermisch quilibrieren lassen so dass stabile Basislinien der Messwerte erreicht werden Kurze Prozessunterbrechung zum Bef llen der Anlage e 15 min Aufw rmen und Mischen des Pulvers Phase 2 Granulation Zeitansatz 30 min Zulufttemperatur 50 C Volumenstrom 75 m h Spr hpumpenleistung 40 Skalenteile Spr hluftdruck 1 5 bar Eventuelle Pulverpartikel Anheftungen an der Gef wand mit leichten Schl gen e
261. r Teil 19 m h 050 m h 71 m h x 94 m h x 116 m h 171 m h 13 eee set ae is E12 a 11 10 3 D mE x x x x x x x x en 79 x 8 3 ee 0 X x xxx x a 5 E7 a a m x 6 a aaa a a 4 a 2 TOTT he a 4 a 5 3 a 5 ww ee we o o 1 amp s F3 o 2 o o gt 24 t 0 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Abstand von Rohrunterseite mm Abbildung 5 41 bersicht ber die St mungsprofile In bereinstimmung mit der Theorie nimmt die Str mungsgeschwindigkeit vom Wert Null am Rand bis zum Maximalwert in der Mitte des Rohres bei 35 mm zu Die Messung war nur bis zu einer H he von 65 mm ber der Rohrun terseite m glich aus den verf gbaren Daten ist aber dennoch die Symmetrie des Str mungsprofils deutlich erkennbar In einem zus tzlichen Versuch wurde die Str mungsgeschwindigkeit in der Rohrmitte in Abh ngigkeit der Einstellung diskreter Sollvolumenstr me am GPCG gemessen Folgende Graphik zeigt die Messergebnisse 12 7 10 1 y 0 0748x 0 2559 R 0 9959 Str mungsgeschwindigkeit in Rohrmitte m s O 0 t t t t t t t 1 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Einstellung des Volumenstroms an GPCG m h Abbildung 5 42 Hitzdrahtmessung der Stromungsgeschwindigkeit in der Rohrmitte in Abh ngigkeit der VS Einstellung am GPCG Aus dem Korrelationskoeffizienten der statistischen linearen Naherungsfunk tion kann geschlossen wer
262. r Verschleppung durch das Sinterfilter begr ndet 187 6 Ergebnisse 188 6 3 4 Versuch der Entschmierung der Messkurven Ist die Ansprechzeit eines Messumformers gr er als das Zeitinterval inner halb dessen sich der zu messende Parameter ndert so wird die Messkurve verzerrt das Messsignal wird gleichsam verschmiert Von HEMMINGER ist ein mathematisches Verfahren zur sogenannten Entschmierung synonym dynamische Korrektur Deconvolution von Messkurven in der thermi schen Analyse entwickelt worden 196 197 Eine vorgegebene Testfunktion f hrt zu einer sprunghaften nderung des Messsignals Sprungfunktion Aus dem Verlauf der resultierenden Messkurve die als Antwortfunktion bezeichnet wird soll auf die urspr ngliche Testfunktion geschlossen werden Der Teil der Sprungfunktion der vom Messsystem verschluckt wurde wird ber einen Korrekturterm rekonstruiert Zres t Zen t Pi salt 6 44 Zrest t Entschmierte Testfunktion Zantwor t Verschmierte Antwortfunktion T Zeitkonstante Je schneller die nderung des Messsignals erfolgt desto mehr verschluckt das Messsystem Da in einem solchen Fall aber auch die Ableitung der Ant wortfunktion gro ist wird der Korrekturterm ebenfalls gro und kompen siert damit die Verschmierung Die Zeitkonstante t muss f r jedes Messsys tem individuell bestimmt werden Durch Division der Funktionswerte Zant wort t durch den Maximalwert der Messung wird die n
263. r installierte Fl gelradane mometer detektiert werden Aus den experimentell ermittelten Daten der konditionierten Pressluft Temperatur Tp 292 15 K Relative Luftfeuchtigkeit p 6 Feuchtigkeitsgehalt Xp 0 81349 g kg wird unter der Annahme von Standard Druckbedingungen p 101 300 Pa mit Gleichung 6 13 die Dichte der Pressluft berechnet a 101300 Pa 3 mise 287 06 Jkg K 292 15K 101300 Pa Pp 1 2074 kg m Analog Gleichung 6 22 gilt folglich f r den Wassereintrag durch die Pressluft mp im Zeitintervall At 5 s m o aa Pp 6 27 psi 720 1 Xp Durch Einsetzen der oben berechneten konstanten Werte wird damit folgen der Ausdruck erhalten m 1 3630686 10 V u Durch den linearen Zusammenhang zwischen Pressluftvolumenstrom und Spr hluftdruck gem Gleichung 5 55 kann hiermit eine Bestimmungsglei chung f r den Eintrag an Wasser durch die Pressluft gebildet werden Theorie der Massenbilanzierung mp 2 07183 10 6 ps kg Die Umrechnung in Gramm f hrt damit zu mpi 2 07183 10 ps my Wassereintrag durch die Pressluft in 5 Sekunden g Beispiel Aus 3 bar Spr hluftdruck resultiert ein Wassereintrag von 0 006 gin 5 sec 6 1 4 4 Austrag Wasser duch die Abluft Die Berechnung der Masse Wasser die durch die Abluft aus der Maschine gef rdert wird entspricht im Ansatz den Analoga von Frisch und Pressluf
264. ramme und Makros mwin roh_f vs 1 1000 chi_f 1000 60 mtl roh_f vs 1000 60 mwin GOTOXY 5 12 WRITE Feuchtegehalt der Frischlu GOTOXY 5 13 WRITE Dichte der Frischluft GOTOXY 5 14 WRITE Massenstrom Wasser ein GOTOXY 5 15 WRITE Massenstrom trockener Lu chi_f 2 2 g kg oh_ f 2 4 kg m mwin 2 4 g min mth 2 2 g min rh z chi_f pf 0 622 chi_fJ PD tz h 1 005 tz chi_f 1000 2491 1 93 tz GOTOXY 5 17 WRITE Relative Feuchte der Zuluft rh_z 2 2 GOTOXY 5 18 WRITE Spezifische Enthalpie der Zuluft h 2 2 kJ kg ta 0 REPEAT residuum h 2491 0 622 PD ta pa PD ta 1 005 1 93 0 622 PD ta pa PD ta ta ta ta 0 01 UNTIL residuum lt 0 chi_a 622 rh_a 100 PD ta pa rh_a 100 PD ta roh_a pa 287 06 273 15 ta 1 0 3779 rh_a 100 PD ta pa mwa chi_a mtl 1000 GOTOXY 5 20 WRITE Ablufttemperatur GOTOXY 5 21 WRITE Relative Feuchte der Abluft GOTOXY 5 22 WRITE Feuchtegehalt der Abluft GOTOXY 5 23 WRITE Dichte der Abluft GOTOXY 5 24 WRITE Massenstrom Wasser aus TEXTATTR 0F GOTOXY 5 25 WRITE Kritische Spr hrate mwa mwin 2 2 g min READLN END 255 Anhang PUBLIKATIONEN Ein Teil der Ergebnisse die aus dieser Arbeit hervorgingen wurden bereits ver ffentlicht U K ster I Zimmermann Mass Bala
265. rbestandteile angel st werden Nach sp terem Entfernen des L sungsmittels kommt es dann zur Ausbildung von Festk rperbr cken Kristallkrusten zwischen den Prim rpartikeln Derartige Krustengranulate weisen im allgemeinen keine sehr starken Bindungen zwischen den Partikeln auf Werden zu den Prim r partikeln Klebstoffl sungen haupts chlich St rkekleister Gelatine Polyvi nylpyrrolidon Celluloseether oder andere Polymere hinzugegeben so wird durch die hohe Plastizit t der Bindungen ein starker Zusammenhalt der Granulate erzielt Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Wirbelschichtgranulation WSG eine aufbauende Feuchtgranulation Der Begriff Wirbelschicht wurde in den 20er Jahren des vorigen Jahrhunderts durch den deutschen Chemiker Fritz WINKLER implementiert Er entwickelte bei der BASF in Ludwigshafen den nach ihm benannten Winkler Generator Um aus Braunkohle Synthesegas gewinnen zu k nnen wurden Kohleteilchen durch ein Sauerstoff Dampf Gemisch in den Zustand einer wirbelnden Schicht berf hrt In den 40er Jahren begann man in den USA das Cracken von schweren ld mpfen in Reaktoren durchzuf hren in denen der Katalysator in Form feiner Partikeln von dem umzusetzenden Gas umstr mt wurde und dabei ebenfalls eine Wir belschicht ausbildete Man machte sich dabei die Tatsache zu Nutze dass durch eine bestimmte Erh hung der Gasgeschwindigkeit die Katalysatorteil chen aus dem Reaktor herausgetragen und in ein
266. rch die Restfeuchte beeinflusste Parameter ELEKTROSTATISCHE FLIESGESCHWINDIGKEIT FRIABILITAT AUFLADBARKEIT CHEMISCHE HALTBARKEIT MIKROBIOLOGISCHE HALTBARKEIT WIRKSTOFFGEHALT SCHUTT UND STAMPFDICHTE ZERFALLSZEIT PHYSIKALISCHE HALTBARKEIT VERPRESSBARKEIT Ein Granulat muss folglich eine gewisse Restfeuchte aufweisen um als Pressmasse verwendet werden zu k nnen Diese Feuchtigkeit muss f r jede Rezeptur spezifisch definiert sein um die Tablettierung reproduzierbar zu machen In der Praxis hat sich gezeigt dass innerhalb eines Wasseraktivitatsfensters von 0 2 lt aw lt 0 6 mit einem Minimum an St rungen zu rechnen ist Es existieren jedoch auch Rezepturen bei denen das Optimum der Wasseraktivit t w hrend der Verarbeitung nicht mit demjenigen der Haltbarkeit bereinstimmt hierbei kann es erforderlich sein die fertigen Tabletten schonend nachzutrocknen Ein Wiederbefeuchten eines zuvor zu stark getrockneten Granulates auf die gew nschte Wasseraktivit t hin f hrt nicht zwangsl ufig zur gleichen Qualit t 2 4 7 Steuerung der Trocknung Aufgrund der hohen Trocknungsgeschwindigkeiten in WSG Anlagen ist eine exakte Steuerung des Trocknungsprozesses erforderlich um einen definier ten Wassergehalt im Produkt zu erzielen Hierzu stehen gegenw rtig folgende Verfahren zur Verf gung Direkte Methoden Bestimmung des Wassergehalts an Stichproben mittels e W gungen e Karl Fischer Titration Indirekte Methoden Beendigung der T
267. rechnet wird anhand Gleichung 5 36 berechnet wird nach Blasius mit Gleichung 5 20 berechnet Tabelle 5 17 Ergebnisse der Berechnungen der Str mungsprofile VS laut GPCG m h Umax m s Re n lm s G 19 1 259 5652 6 19 1 0036 0 03648 50 3 733 16753 6 73 3 0257 0 02781 71 5 411 24283 6 92 4 4100 0 02534 94 7 193 32279 7 08 5 8864 0 02360 116 8 877 39835 7 19 7 2864 0 02239 171 12 565 56386 7 38 10 3645 0 02053 Die ausf hrlichen Ergebnisse dieser Berechnungen finden sich im Anhang Aus der Gegen berstellung der Summe der Abweichungsquadrate f r die vier verschiedenen Geschwindigkeitsverteilungsgesetze wird deutlich dass die exakteste Beschreibung der Str mungsverh ltnisse mit der statistischen N herung in Form eines logarithmischen bzw potenziellen Zusammenhanges realisiert werden kann 139 5 Experimenteller Teil 5 8 6 Bestimmung des Volumenstromes aus Geschwindigkeits verteilung und Leitungsquerschnitt F r die nachfolgenden Berechnungen wird folgende Nomenklatur verwendet y Wandabstand ff x dr Kreisringbreite r Integrationsvariable bi A Rohrachse u umax u2 ul Wand u 0 Abbildung 5 54 Nomenklatur Da die Str mungsgeschwindigkeit in jedem Punkt mit gleichem Abstand zur Rohrwand identisch ist gilt mit Gleichung 2 32 f r den durch einen schma len Kreisring str menden Teilvolumenstrom dV dA u Mit der inkremen
268. ren ees 105 18 g Siebr ckstand nach 8 Min ssesesererrererereererrrreren 67 69 g Einwaage Standardgranulat nach Beanspruchung 105 15 g Siebr ckstand nach 8 min usrssssessensensnn een 65 34 g Eigenschaften des Standard Granulates Der Abrieb betr gt damit gem Gleichung 4 1 67 69 65 342 _ 5 47 67 69 8 Abrieb Als Ergebnis einer Dreifachbestimmung wird ein Mittelwert des Abriebs von 3 43 erhalten Das Standardgranulat wird daher als unempfindlich gegen Abrieb bewertet 6 6 3 Rasterelektronenmikroskopie Um eine m gliche Form nderung der Partikeln im Verlauf eines Granulati onsprozesses zu untersuchen werden REM Aufnahmen von Proben ge macht die zu verschiedenen Zeitpunkten eines Standardgranulationsprozes ses erhalten worden waren 10 und 20 Minuten nach Spr hbeginn zu Spr hende sowie nach Ende der zehnmin tigen Trocknungsphase werden Proben mit dem Probenzieher gewonnen auf ein Uhrgl schen verteilt und sofort im Trockenschrank bei 60 C getrocknet Die folgende Aufnahme zeigt Partikeln nach der H lfte der Granulationsphase in 100 facher Vergr erung 100 r 205106 Nr 6 102 30 M Abbildung 6 41 REM Aufnahme des Granulates mit 100 facher Vergr erung Es ist deutlich zu erkennen dass sich Agglomerate mit unterschiedlicher aber stets abgerundeter elliptisch bis kugeliger Form gebildet haben Der im GranuLac enthaltene Feinanteil ist nicht mehr zu fi
269. ren herrschen W hrend der Aufheizphase steigt die Ablufttemperatur schnell stark an Die Referenz luft wird nur durch den Sensork rper temperiert Da dieses Aluminiumteil jedoch selbst einige Zeit ben tigt um die Ablufttemperatur zu erreichen wei chen die Temperaturen von Mess und Referenzluftstrom in diesem Zeitraum so deutlich voneinander ab dass die Messung verf lscht wird Dieser Fehler k nnte durch eine aktive Aufheizung des akustischen Feuchtesensors auf eine Temperatur oberhalb der der Abluft behoben werden Mess und Refe renzluft h tten damit sicher die gleiche Temperatur Im Zeitfenster 20 bis 30 Minuten wird eine stabile Basislinie erhalten da Volumenstrom und Sensortemperatur konstant sind Der dritte Versuchsabschnitt belegt dass die Abnahme des Volumenstroms im Intervall 80 bis 150 m h ein Sinken der Messwerte des akustischen Feuchtesensors zur Folge hat Volumenstrom nderungen unterhalb 80 m h f hren jedoch zu keiner Beeinflussung der Messwerte Die Ursache hierf r liegt vermutlich in starken nderungen des Str mungsprofils um den akusti schen Feuchtesensor begr ndet welche sich nur bei h heren Str mungsge 185 6 Ergebnisse 186 schwindigkeiten bemerkbar machen Dieser Fehler k nnte vermutlich durch Wahl einer gr er dimensionierten Messzelle behoben werden Trotz einer Vielzahl von Wiederholungsmessungen war es nicht m glich eine zweidimensionale Korrekturfunktion f r die Messungen
270. ren sehr empfindlich insbesondere gegen ber Spritzwasser und Tau Methoden zur Volumenstrombestimmung in Gasphasen ai LUC y XM X Cp F R i l i l chx M C T 2 30 pi ci Schallgeschwindigkeit m s C Spezifische isobare W rmekapazit t eines Gases kJ kg C M Molare Masse g mol R Universelle Gaskonstante 8 314 J K mol T Absolute Temperatur K In j ngster Zeit ist ein Feuchtesensor entwickelt worden dessen Messprinzip auf der nderung der Schallgeschwindigkeit der Luft in Abh ngigkeit von ihrem Feuchtegehalt basiert 95 96 Der grundlegende Vorteil eines solchen Systems besteht darin dass eine physikalische Gr e gemessen wird die unmittelbar vom Feuchtegehalt der Luft determiniert wird Im Gegensatz da zu werden bei anderen Messprinzipien stets die nderungen der Eigenschaf ten eines weiteren Mediums wie z B das hygroskopische Dielektrikum als Ma f r den Feuchtegehalt verwendet Akustische Feuchtesensoren bestehen aus einer von der Messluft durch str mten Zelle mit einem Ultraschallsender und einem Empf nger Um den Temperatureinflu zu kompensieren wird jeweils eine Referenzmessung mit trockener Luft gleicher Temperatur durchgef hrt Dieser Sensortyp bietet folgende Vorteile e Sehr robust e Auch bei stark kontaminierter Luft einsetzbar e Je h her die Temperatur desto genauer die Messung e Langzeitstabilit t e Weitgehend wartungsfrei e Sehr kurze Ansprechzeit
271. rer Agglomerate beobachtet Die folgende Abbildung zeigt die mit dem PS 64 bestimmte mittle re Partikelgr e des selben Sch ttgutes Standardgranulat in Abh ngigkeit vom verwendeten Pressluftdruck 170 x J x 160 E x pe S S 150 S a g 4 70 140 5 oO ae amp 130 2 R 0 8217 420 1 j x 110 Im a BEER eS GERN 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 Betriebsdruck der Trockendispergiereinheit bar Abbildung 5 61 Einflu des Pressluftdrucks PS64 auf das Messergebnis Dieses Versuchsergebnis verdeutlicht die Notwendigkeit einer schonenderen Sch ttguteinbringung in die Messstrecke des ParticleSizers Da es zu Beginn dieser Arbeit au er der f r die Messung des Standardgranulates ungeeigne ten Nassdispergierung kein alternatives Probenaufgabesystem auf dem Markt gab wurde eine eigene Methode entwickelt Die Probe wird auf eine elektro magnetisch betriebene Vibrationsrinne aus poliertem Aluminiumblech mit der L nge 25 cm und der Breite 2 cm gegeben Das Ende dieser Rinne wird 10 cm oberhalb des Lasermessstrahls des ParticleSizers justiert Die Proben partikeln werden hierbei allein durch die Schwerkraft beschleunigt 151 5 Experimenteller Teil Abbildung 5 62 Rinnenbestimmung mit Malvern Particle Sizer 2600 Im Gegensatz zum PS 64 erfolgt weder Abrieb noch Bruch von Partikeln Da das zu vermessende Sch ttgut die Messstrecke viel langsamer als bei der Dispergierung mit Pressluft pass
272. rgesteuert Auswerteelektronik Sensorhalter Kondensator _ Klimakammer Gewebe mit Elektrolytl sung getr nkt Abbildung 5 12 Kalibrieraufsatz In einem ersten Schritt wird die Sensorkennlinie durch eine Zweipunkt Kalibrierung bei O und 80 relativer Feuchtigkeit auf eine Geradenkenn linie eingestellt Hieraus ergibt sich ein verbleibender Linearit tsfehler von maximal 1 5 In einem zweiten Schritt wird eine Punktkalibrierung bei den St tzpunkten 10 20 35 50 65 und 95 relativer Feuchtigkeit durchge f hrt Im sp teren Messmodus berechnet die Digitalelektronik die Messer gebnisse mit einem Interpolationsverfahren Hierdurch ist ein systematischer Fehler von 0 5 erzielbar Die beschriebene Kalibrierung der Feuchtesensoren hat den Nachteil dass die berpr fung des Sensorverhaltens nur bei der Temperatur von 22 C erfolgt Da der Arbeitsbereich der Sensorik aber das Intervall von 20 C bis 80 C umfasst wurde eine eigene Kalibriermethode entwickelt Der Boden der Klimakammer wird jeweils mit ges ttigten Salzl sungen von Lithiumchlorid Magnesiumchlorid Magnesiumnitrat und Kaliumchlorid mit einem Zusatz der gleichen Masse des reinen Salzes bedeckt Die gro e Menge an Bodensatz ist erforderlich da sich die Salze bei erh hter Temperatur besser l sen und nur so der S ttigungszustand der L sung w hrend des gesamten Versuchs gew hrleistet ist Es ist darauf zu achten dass s mtli
273. rischluft Volumenstrom if Feuchtegehalt Frischluft roh_f Dichte der Frischluft mwin Massenstrom Wasser in rh z Relative Feuchte der Zuluft tz Temperatur der Zuluft h Spezifische Enthalpie feuchter Luft ta Ablufttemperatur residuum Fehlerschranke chi a Feuchtegehalt Abluft roha Dichte der Abluft mwa _ Massenstrom Wasser out mtl _ Massenstrom trockener Luft REAL adv Berechnung des Dampfdruckes von Wasser fiir die Celsiustemperatur function PD t REAL Real BEGIN PD 610 78 exp 17 08085 t 234 175 t END Hauptprogramm BEGIN CLRSCR TEXTATTR 0F GOTOXY 5 1 WRITE Berechnung der kritischen Spr hrate TEXTATTR 07 GOTOXY 5 2 WRITE Pharmazeutische Technologie Universit t Wiirzburg GOTOXY 5 3 WRITE c Ulf K ster 27 08 2001 GOTOXY 5 5 WRITE TTemperatur am Frischluftfeuchtef hler C READLN tff GOTOXY 5 6 WRITE Relative Feuchte READLN th_f GOTOXY 5 7 WRITE Absolutdruck Frischluft Pa READLN pf GOTOXY 5 8 WRITE Frischluft Volumenstrom m h READLN VS GOTOXY 5 9 WRITE Temperatur der Zuluft C READLN tz GOTOXY 5 10 WRITE Absolutdruck Abluft Pa READLN pa chi_f 622 th_ 100 PD tff pf rh_ 100 PD t f roh_f pf 287 06 273 15 tff 1 0 3779 th_ 100 PD t f p 254 Prog
274. rocknung bei empirischen Werten e der Trocknungszeit e der Ablufttemperatur e der Produkttemperatur da die Ablufttemperatur aufgrund des Einbau des Sensors r umlich entfernt vom Trocknungs ort zeitlich verz gert ermittelt wird e der Abluftfeuchtigkeit e der Differenz zwischen Austrittstemperatur und K hlgrenz temperatur 23 2 Stand der Wissenschaft 24 Alle diese Methoden haben den Nachteil die eigentliche Zielgr e nicht direkt zu messen sondern die Produktfeuchte nur mittels Prozessparametern ein zuengen Das 1976 von der Ciba Geigy entwickelte ECONDRY Verfahren stellt eine Weiterentwicklung der ber den Temperaturverlauf kontrollierten Trocknung dar s Im ersten Trocknungsabschnitt wird die Zulufttemperatur konstant auf hohem gerade noch produktvertr glichem Niveau geregelt Steigt die Abluft temperatur zu Beginn des zweiten Trocknungsabschnitts an so wird als neue Regelgr e eine konstante Produkttemperatur gew hlt Dem Trocknungsgut wird jetzt nur noch so viel W rme zugef hrt wie zur Verdunstung des Was sers aus dem Inneren der Partikeln erforderlich ist Zur Trocknung wird nun konditionierte Luft verwendet deren relative Feuchte der geforderten Wasser aktivit t des Produktes entspricht Wenn Zu und Abluft nahezu gleiche Temperaturen aufweisen ist die Trocknung beendet Dieses Verfahren bietet die Vorteile dass das Trocknungsgut am Ende der Trocknung eine gleichm Bige Verteilung des Wass
275. rrektur von Messfehlern bei Polymer Feuchtesensoren Patent Nr DE 41 11 421 Al 1992 21 J Voigt Institut f r Luft und K ltetechnik GmbH Dresden Pers nliche Mitteilung 2 10 2001 202 A Broedel Process and device for improving the response of a sensor Patent Nr DE 19720108 1998 203 L Juslin J Yliruusi Granule growth kinetics and attrition of granules made of different materials in a fluidized bed granulator S T P Pharma Sciences 6 5 321 327 1996 04 T Niskanen J Yliruusi Attrition of theophylline granules during drying in a fluidized bed granulator Pharmzeutische Industrie 56 3 282 285 1994 2 K Schaber Technische Thermodynamik fiir Chemieingenieure und Verfahrenstechniker IL 245 2000 206 M Bockhorst www energieinfo de glossar 2001 207 1 N Bronstein K A Semendjajew Taschenbuch der Mathematik 18 326 328 1979 0 T N Bronstein K A Semendjajew Taschenbuch der Mathematik 18 297 1979
276. rren Kegel und Paulusch von Glatt Systemtech nik GmbH Dresden f r die gute fachliche wie menschliche Zusammenarbeit e Herrn Diplomphysiker Haberstroh von der Firma Hygrocontrol GmbH Ha nau f r zahlreiche Informationen zum Thema Feuchtemessung in Gasen und die stets freundliche Zusammenarbeit e Meiner Schwester Daniela K ster M A und meinen Eltern f r das Korrektur lesen dieser Arbeit e Frau Claudia Gerig vom Biologiezentrum der Universit t W rzburg f r die Hilfe bei der Aufnahme der REM Bilder Folgenden Firmen danke ich f r die gro z gige Unterst tzung dieser Arbeit durch Ger te und Muster Glatt GmbH Binzen Fujitsu Siemens Computers Erlangen Hygrocontrol GmbH Hanau Malvern GmbH Herrenberg Meggle GmbH Wasserburg Inhaltsverzeichnis EINLEITUNG 2 STAND DER WISSENSCHAFT 2 1 Grundlagen des WSG Verfahrens 2 1 1 Das Wirbelschicht Verfahrensprinzip 2 1 2 Str mungsmechanische Grundlagen 2 1 3 Wirbelschicht Granulations Prozesse WSG 2 2 Mischen 2 3 Granulieren 2 3 1 Kritische Spr hrate 2 3 2 Bindungsmechanismen in Granulaten 2 3 2 1 Tempor r wirksame Kr fte Fl ssigkeitsbindungen 2 3 2 2 Permanent wirksame Kr fte Feststoffbr cken 2 3 3 Phasen der Granulation nach Sch fer und Worts 2 3 4 Bedeutung der Gutfeuchte 2 4 Trocknen 2 4 1 Grundlagen und Definitionen 2 4 2 Trocknungsverfahren 2 4 3 Trocknungskinetik 2 4 4 Temperatur und Feuchtigkeitsverlauf w hrend einer Trocknung
277. rst mit der Abluft in Kontakt bevor sie sich an die hochgewirbelten Pul verpartikeln anlagern Das Einspr hen der Bindemittell sung im Gleich stromverfahren erh ht hingegen die Wahrscheinlichkeit einer Absorption der Fl ssigkeit durch die Partikeln Eine herausgehobene Bedeutung f r das Re sultat einer WSG Granulierung haben weiterhin die Parameter Zulufttempe ratur Volumenstrom des Fluids sowie der Spr hluftdruck Unter der Vor aussetzung dass alle anderen Versuchsparameter konstant gehalten werden gelten allgemein die folgenden Abh ngigkeiten e Je h her die Spr hrate der Bindemittell sung desto h her die Bil dungswahrscheinlichkeit von Fl ssigkeitsbr cken desto gr er der re sultierende mittlere Partikeldurchmesser gt 54 64 e Je gr er die Oberfl che und je st rker das Wasseraufnahmevermo gen des Sch ttgutes desto weniger Fl ssigkeit steht an der Partikel oberfl che f r die Ausbildung von Fl ssigkeitsbr cken zur Verf gung was zu einer abnehmenden mittleren Partikelgr e f hrt e Je gr er die Spr htropfengr e desto gr er der mittlere Partikeldurchmesser des Endprodukts 72 e Je gr er die Spr htropfengr e desto breiter die Partikelgr enver teilung des Produkts e Je h her der Spr hluftdruck desto geringer wird die mechanische Be lastbarkeit des Granulates und dementsprechend nimmt der Abrieb des Endprodukts zu7 68 e Je h her der Wassergehalt des Sch
278. rt ohne den Wassergehalt des Granuliergutes zu er h hen Eine Agglomeration ist dabei nicht m glich Wird die Spr hrate hin gegen zu hoch gew hlt kann eine zu starke berfeuchtung des Granuliergu tes zur Festbettbildung f hren F r die Regelung eines solchen WSG Prozesses ist daher die Kenntnis derjenigen Spr hgeschwindigkeit die den Granulieren Wassergehalt in der Anlage gerade nicht ndert essentiell Erste Ans tze zur Berechnung einer maximal erlaubten Spr hgeschwindigkeit zur Aufrechter haltung eines Flie gleichgewichts erfolgten 1964 durch SCOTT et al56 Es wurde aufgezeigt dass die zul ssige Spr hrate der Differenz der Feuchtege halte von Zu und Abluft sowie dem Volumenstrom direkt proportional ist ORM S et al definierten eine Gleichgewichtsspr hgeschwindigkeit bei der der W rmeverlust der Zuluft dem W rmebedarf f r die Verdampfung der ein gespr hten Fl ssigkeit entspricht 8 Als kritische Spr hrate ist diejenige Spr hgeschwindigkeit definiert bei welcher die mit der Bindemittell sung eingebrachte Masse an Wasser unter den herrschenden Zuluftfeuchtebedin gungen und unter Annahme eines adiabatischen Prozesses gerade noch mit der Abluft ausgetragen werden kann m Bindemittell sung krit T At f r Flie gleichgewicht Wasser 2 2 S Kritische Spr hrate der Bindemittell sung g min krit Zu Beginn dieser Arbeit fanden sich in der Literatur nur Berechnungsverfah ren
279. s formel Ink 1 oran R z R In R 1 nBR nr 1 V 2n ar BE 1 Inv 1 R V mar PE 3 apr 2 4 V ar 2d Re 2 4 10 21 Der Volumenstrom bei maximaler Durchstr mung des GPCG resultiert damit zu P n0 035 20968 aoe 2 15 on V 0 0422499 __152 099m h i ee 3600 249 Anhang PROGRAMME UND MAKROS SAS Quellcode zur Ermittlung des Exponenten n im Potenzgesetz N SAS QUELLCODE fe FE I NAME Nichtlineare Regression sas xg u ey Le TITLE Stroemungsprofil Maximalgeschwindigkeit IF xf 7 Le KEYS NLIN Rel PROCS NLIN PLOT AR DATE 04 08 2000 7 4 TEL 49 171 2720032 ey ish Email u koester pharmazie uni wuerzburg de Ef JE 87 c Ulf Koester sy fe 5 N DATA neu INPUT r u LABEL r Abstand von der Rohrwand mm LABEL u Stroemungsgeschwindigkeit m s CARDS 6 808884275 7 591410092 7 974666942 8 339971019 8 401945653 8 652994524 8 716549018 8 844615329 8 941506437 9 137466038 9 203434537 9 302998652 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 CHOIHOBRWNE 269728939 369783696 269728939 302998652 403299267 470577105 64021635 606122918 64021635 846524818 742995316 881202 v5 9 881202 10 12629757 ko 10 19708557 10 41149267 a 10 66553543 10 62898492 10 77570677 11 07333073 11 03582134 COIDAEWNHE VOR QIAUTUBBEWWWNNDNNDHHHHH HH HH OO0O0000000 10 11 33836488 12 11 5303359 14
280. s ein verzerrtes Geschwindigkeitsprofil resultieren w rde 121 5 Experimenteller Teil 122 5 8 4 3 Kalibrierung des Hitzedrahtsensors Die Kalibrierung des Hitzedrahtsensors Typ 9055PO111 erfolgt in einem Windkanal der Firma PLENT amp PARTNERS LTD im Labor f r Fluidmechanik des Fachbereichs Maschinenbau der Fachhochschule Schweinfurt Nach Abschlu des Versuchsaufbaus wird die gesamte Anlage zun chst f r min destens 30 Minuten thermisch quilibriert Danach werden durch Ver nde rung der Gebl seleistung des Windkanals verschiedene Str mungs geschwindigkeiten eingestellt die mit einem Prandtlschen Staurohr exakt gemessen werden Auf jedem Geschwindigkeitsniveau wird jeweils mit einer Wheatstoneschen Br ckenschaltung die Spannung gemessen die notwendig ist am Hitzdrahtsensor einen konstanten Widerstand zu realisieren Die Temperatur des Hitzdrahtes bleibt dabei konstant Zun chst wird der Arbeitsbereich des Hitzedrahtanemometers ermittelt Der von der Firma DANTEC produzierte Draht hat eine Durchmesser von 5 um Damit ergibt sich die untere Grenze durch Einsetzen in Gleichung 2 39 zu 2 1558 10 0 08 N 0 7575 Sum u 0 329 m s Die obere Grenze des Arbeitsbereichs l sst sich aus der Definition der Rey noldszahl f r Re lt 10 ermitteln 2 1558 103 7 10 Re S u d Sum u 31 2 m s Wie dargestellt worden ist stellt das Kingsche Gesetz die Grundlage dieses Messprinzips dar In der Pr
281. se 1000 4 INN Nfs ill Differenzdruck Pa an AUDI ANA EE Nil m 10 t t t 1 00 00 00 00 15 00 00 30 00 00 45 00 01 00 00 01 15 00 01 30 00 01 45 00 Zeit seit Proze beginn h Abbildung 6 28 Differenzdruck ber die R ckhaltefilter Der Differenzdruck der w hrend der quilibrierphase gemessen wird be schreibt den Str mungswiderstand der reinen R ckhaltefilter bei einem Vo lumenstrom von 75 m h Nach Zugabe der Prim rpartikeln steigt der Filter widerstand sofort auf den f nffachen Wert an da der Feinanteil des Sch tt gutes die Filterporen verstopft Unmittelbar nach Beginn der Einspr hens des Bindemittels kommt es in der Wirbelschicht zur Aufbaugranulation Die noch auf der Filteroberfl che angelagerten feinen Partikeln werden durch das Abr tteln des Filters dem Granulationsprozess wieder zugef hrt In der Folge nimmt der Feinanteil des Sch ttgutes stark ab und der Str mungswider Deutung der Messergebnisse eines Granulationsprozesses stand der R ckhaltefilter sinkt deutlich unter den Wert w hrend der Misch phase In der Trocknungsphase kommt es zu m igem Abrieb der Granulen der Feinanteil steigt wieder geringf gig an und als Folge davon auch der mitt lere Widerstand der R ckhaltefilter 6 5 8 Differenzdruck ber den Anstr mboden Da das Sch ttgut in der Wirbelschicht durch den Durchstr mungswider stand getragen wird ist der Druckverlust ber den A
282. sislinienstabilit t gt 5 6 6 Vergleichsmessungen mittels akustischem Feuchtesensor Um zu untersuchen ob das Zeitverhalten der verwendeten Feuchtesensorik ausreichend f r das vorliegende Messproblem ist werden im dynamischen Einsatz Vergleichsmessungen mit Sensoren durchgef hrt die extrem kurze Messung der Zu und Abluftfeuchte Ansprechzeiten aufweisen Zu diesem Zweck wird ein von ZIPSER an der Hochschule f r Technik und Wirtschaft Dresden FH entwickelter akusti scher Feuchtesensor verwendet Die Sensorsignale werden durch fluidisch akustische Oszillatoren generiert Die Frequenz f ist der Tr ger der Messin formation Temperatur und Betriebs druckschwankungen sowie nderun gen der Oszillatorgeometrie infolge Kon tamination beeinflussen die Oszillator frequenz f Zur Kompensation dieser Einfl sse werden parallel ein Mess und ein Referenzoszillator betrieben Das Verh ltnis dieser beiden Frequen MeRgas zen ist unabh ngig von den zuvor ge Abbildung 5 29 Aufbau des akustischen Feuchte nannten Einfl ssen und enth lt nur die sensors Feuchteinformation Ein Mikrocontrol ler in der Sensorelektronik f hrt eine Periodendauermessung dieser Frequenzen durch Der Messwert ist ein Mit telwert der ber eine Periodenzahl zwischen 50 und 15728640 gebildet wird Dies entspricht z B bei einer Frequenz von 2 kHz einem Messzeitbereich von 25 ms bis zu 131 min Neben dem Feuchtegehalt wird aus der Oszillatorfre
283. soll allein von der aufgeheizten Zuluft herr hren Bei Vorversuchen mit Einspr hen von Wasser in die leere Anlage hat sich gezeigt dass die Temperatur des Wand materials unmittelbar nach Beginn des Spr hvorganges stark abnimmt Die in der Beh lterwand des GPCG sowie im Granulat selbst gespeicherte W r memenge ist im Vergleich zu der mit der aufgeheizten Zuluft zugef hrten vernachl ssigbar und bleibt daher f r die nachfolgenden Rechnungen unbe r cksichtigt F r die Berechnung der kritischen Spr hrate muss zun chst die aus der Verdampfung des eingespr hten Wassers zu erwartende Ablufttemperatur ermittelt werden Die spezifische Enthalpie der aufgeheizten Zuluft hes l sst sich gem 6 54 berechnen Unter der Annahme eines adiabatischen Pro zesses ist Hges ein konstanter Wert Aufl sen dieser Gleichung nach v f hrt damit unmittelbar zu der gesuchten Ablufttemperatur 9 Kar hes h X 6 56 Con tCpw X Die kritische Spr hrate ist genau dann erreicht wenn die Abluft eine relative Feuchte von Pout 100 aufweist Durch Einsetzen von 2 27 X 0 622 2 2 27 PD in 6 56 folgt mit 1 somit hig Tig 0 622 9 Paps 6 57 ET E LE P Pp Der Sattigungsdampfdruck von Wasser pp ist ebenfalls temperaturabhangig und wird mit 6 5 berechnet Es gilt folglich 17 08085 9 610 78 7 er hoes Zu h 0 622 17 08085 9 _ p 234 175 9 os p 610 78 e 9 6 58 17 08085 9 610 78 2 e BtlI5 9
284. st haben WSG Prozesse heute weite Verbreitung in der pharmazeutischen Industrie gefunden Sehr h ufig wird dabei die Granu lation auf w ssriger Basis durchgef hrt Die Feuchtigkeit der zum Aufbau des Wirbelbetts verwendeten Frischluft hat einen entscheidenend Einflu auf den Verlauf und das Ergebnis des Prozesses 6 Untersuchungen in W rzburg haben saisonale Schwankungen der Feuchtegehalte der Umgebungsluft von 1 5 bis 15 g Wasser pro kg trockener Luft ergeben Es existieren in verschie denen pharmazeutischen Betrieben Rezepturen die bei Gewitterwetter auf grund der hohen Luftfeuchtigkeit nicht produziert werden k nnen 9 Dass derartige Herstellungsprozesse keine f r Zulassungsbeh rden ausreichende Validierung erlauben bedarf keiner weiteren Erl uterung Absicht dieser Arbeit ist es eine Massenbilanzierung eines Granulationspro zesses bez glich des eingesetzten Wassers durchzuf hren um damit die Vor aussetzungen f r die zielgerichtete Entwicklung von Granulationsprozessen sowie deren Simulation zu schaffen Weitere Ziele bestehen in der Optimie rung des Energieeinsatzes f r derartige Prozesse sowie der Entwicklung pro duktunabh ngiger Steuerungsmechanismen Die Arbeitshypothese der Massenbilanzierung basiert auf folgender Grund berlegung In einen Wirbelschichtgranulierer wird Wasser durch die Frisch luft die Pressluft sowie die Spr hfl ssigkeit eingetragen Der Wasseraustrag erfolgt allein durch die Abluft Der gesamt
285. stimmung kann erh ht werden indem die fl chtigen Komponenten aus der Probe ausgetrieben werden nachfolgend der Wasseranteil quantitativ von einem Absorber aufgenommen und dessen Mas senzunahme ermittelt wird Von der Firma ARIZONA Instrument Corp wird seit 1997 ein Messger t angeboten welches die Feuchtigkeit der Probe mit Stickstoff oder wahlweise getrockneter Luft entfernt und die Masse des aus getriebenen Wassers mit einem Feuchtigkeitssensor in der Abluft detektiert 3 Mit diesem Verfahren sind Messungen bis zum ppm Bereich m glich Bei hohen Wassergehalten kann eine azeotrope Destillation durchgef hrt werden Methoden zur Bestimmung des Wassergehalts in Feststoffen 2 8 3 Karl Fischer Titration Die von dem deutschen Chemiker FISCHER 1935 entwickelte Titration ist eine der genauesten Labormethoden zur Bestimmung des Wassergehalts ei nes Stoffes Bei dieser Methode wird sowohl freies als auch gebundenes Was ser z B Kristallwasser erfasst Bei DAB konformer Bestimmung sollen zwischen 5 und 30 mg Wasser w hrend einer Titration erfasst werden Durch Stoffe die mit Iod reagieren wird die Bestimmung gest rt 2 8 4 Calciumcarbid Methode Die Bildung von Ethin aus Calciumcarbid kann f r eine sehr pr zise Was sermassenbestimmung herangezogen werden Die Probe wird in eine Druck flasche mit einer Calciumcarbidampulle berf hrt Nach Zerst ren der Am pulle kommt es zur Bildung des Ethins aus welchem ein Druckanstieg in
286. str mender Luft Hierzu wird die Pulver probe auf einer Vibrationsrinne aufgebracht Durch die stufenlose Regelung der Vibrationsfrequenz sowie der nderung der Spaltbreite der Rinnen ff nung wird der Pulverflu gesteuert Das Sch ttgut f llt von der Rinne zu n chst auf einen grobmaschigen Drahteinsatz Der Durchgang durch dieses Sieb wird danach von einem Luftsog mitgerissen der durch seitlich eintre tende regelbare Druckluft 0 5 bis 4 bar gebildet wird Da die Partikeln hier bei ein Rohrsystem mit drei rechten Winkeln passieren und nahezu auf Schallgeschwindigkeit beschleunigt werden k nnen gr ere Agglomerate regelrecht aufgerieben werden Die Austritts ffnung am Ende des Rohrsys tems ist so justiert dass die im Luftstrom dispergierten Partikeln den Laser strahl senkrecht passieren Ein Metalltrichter an dem ein Staubsauger ange schlossen ist f ngt die Partikeln schlie lich auf und erm glicht somit eine relativ staubfreie Messung Vibrationsrinne Abbildung 5 60 Trockendispergiereinheit PS64 W hrend die F rderrate des Pulvers ein unkritischer Betriebsparameter ist amp wurde in Vorversuchen ermittelt dass der Pressluftdruck das Versuchser Probenaufgabe f r Granulate am Malvern Particle Sizer gebnis immens beeinflusst Je h her die Str mungsgeschwindigkeit gew hlt wird desto st rker ist die mechanische Belastung der Partikeln und desto mehr wird Abrieb von der Oberfl che bzw Aufbrechen locke
287. strom entgegen der Gravitation erfolgen muss Grundlagen des WSG Verfahrens Bereich I Festbett Produkt liegt auf Anstr mboden auf Partikeln sind gegenseitig fixiert Durchstr mung der Schicht hat keine Partikelbewegung zur Folge Festbettporosit t go Kann durch berfeuchtung eines Flie betts entstehen Bereich II Wirbelschicht Synonym Flie bett Durch von unten einstr mendes Fluid wird das Sch ttgut aufgelo ckert Die Str mungsgeschwindigkeit bei der diese Auflockerung gerade einsetzt wird als Lockerungsgeschwindigkeit oder auch Wirbelpunktsgeschwindigkeif bezeichnet der entsprechende Zu stand hei t Minimalfluidisierung Unter Ber cksichtigung des Auftriebes muss das Gewicht des Sch ttgutes pro Fl che Anstr mboden dem Druckverlust Ap ent sprechen Ap px Pr Kes 2 1 Agim Ap Druckverlust des str menden Fluids Pa Pk Wahre Feststoffdichte kg m Pr Dichte des Fluids unter Wirbelbedingungen kg m g Erdbeschleunigung 9 81 m s Vw Wahres Volumen des Schiittgutes m Astrom Fl che Anstr mboden m Partikeln weisen gegenseitige Beweglichkeit auf Partikelabstand vergr ert sich die Porosit t nimmt zu und wird jetzt als Lockerungsporosit t amp bezeichnet die Wirbelschicht ver gr ert sich Es entsteht eine Str mung im sich bewegenden Gut Kontinuumseigenschaften hnlich einer schwach bewegten Fl s sigkeit Intensive Vermischung
288. sure its value at the position of the humidity sensors The humidity sensor is only able to measure at one position Consequently it is a prerequisite for the calculation of a mass balance that the moisture con tent is constant in the whole cross section of the tube The experimental veri fication of this assumption however shows that there is a temperature de crease from the middle to the wall due to thermal radiation of the metallic tube As a consequence the relative humidity increases in the same direction However the moisture content values are constant over the cross section The temperature of the moisture sensor was always higher than the saturation temperature Therefore water condensation at the sensing element can be excluded The results of the mass balance calculation show that the mass of water in side the granulation vessel increases continuously during the spraying phase The drying phase can be divided into three stages with different drying rates In the final stages the water content of the bulk product reaches the initial value In case of the standard granulation methode the mass balance calculation clearly shows that the mass of water introduced by the fresh air exceeds that from the spray liquid more than twice The calculation of the enthalpy of the humid fresh air and the assumption of an adiabatic evaporation as well as a relative humidity of the outlet air of 100 allows the determination of a critical s
289. szahlen stark vergr ert Insbesondere ist im turbu lenten Bereich zu bemerken dass bei rauher Oberfl che ab einer bestimmten Reynoldszahl die Rohrreibungszahl einen konstanten Wert annimmt und nicht mehr abh ngig von der Str mungsgeschwindigkeit ist 69 Je niedriger die relative Wandrauhigkeit und damit je gr er die Rauhigkeitserhebun gen desto eher wird der Bereich konstanter Rohrreibungszahlen erreicht Es werden drei Arten str mungsbedingter Wandbeschaffenheit unterschie den 70 171 Hydraulisch glatte Wand k e Abgrenzung Re T lt 65 5 20 e Wandrauhigkeiten werden von der laminaren Unterschicht berdeckt e f Re Durch Interpolation von Messergebnissen ist 1911 von BLASIUS folgender Zusammenhang ermittelt worden k rzt Messung des Volumenstromes Blasius 0 3164 Imre 5 21 2320 lt Re lt 10 Von PRANDTL ist folgendes Gesetz theoretisch abgeleitet worden Prandtl L 2 1gRe JE 08 nn 105 lt Re lt 3 106 Um die implizierte Darstellung zu umgehen kann bis zu Re 108 die Prandtl Formel auch explizit mit Abweichungen von 1 angegeben werden Ubergangsbereich e Abgrenzung 65 lt Re lt 1300 5 24 e Wandrauhigkeiten erf llen die laminare Unterschicht gehen aber nicht Uber sie hinaus e re 2 Colebrook an Apl 5 25 l ia Re Hydraulisch rauhe Wand e Abgrenzung Re gt 1300 5 26 e Die R
290. t unterscheidet sich vom Zuluftvolumenstrom Der Abluftvolumenstrom V out Zu der Frischluft kommt der Pressluftvolumenstrom sowie das Gasvolumen welches aus dem Verdunsten des eingespr hten Wassers resultiert Da auf grund der turbulenten Str mungsverh ltnisse in der Anlage eine vollst ndige Durchmischung der drei Gasphasen angenommen werden kann ist davon auszugehen dass der Abluftfeuchtigkeitssensor das Feuchtigkeitssignal der homogenen Gasmischung misst Der Abluftvolumenstrom ist unter folgenden Bedingungen gr er als der Zuluftvolumenstrom e Es wird Pressluft eingespr ht e Eingespr htes bzw an Partikeln adsorbiertes Wasser verdampft e Das Fluid dehnt sich infolge Erw rmung aus In der vorliegenden Instrumentierung des GPCG ist kein Sensor zur Bestim mung des Abluftvolumenstroms vorhanden Ausgangspunkt der anschlie enden Berechnungen ist folgender Denkansatz 165 6 Ergebnisse 166 mw out MAL out MTL in MrL p Mtr in ms Mw p MrL p Abbildung 6 5 Schema der Massenbilanzierung m Masse Wasser g mr Masse trockene Luft kg Die feuchte unges ttigte Luft wird gedanklich in zwei Teilvolumina aufgespal ten Ein Teil enthalte die reine trockene Luft der andere den reinen Wasser dampf also ohne Luft Die Masse trockener Luft die die Maschine verl sst MTL out setzt sich additiv aus der Masse trockener Luft der Frischluft mr in und der der Pressluft mr p zusammen
291. t so dass gilt R V 2An R r r dr 0 In Analogie zu der allgemeinen Integrationsregel 08 247 10 Anhang n 2 n l Kara AR G a n 2 a n 10 16 gilt damit v2 DT nn B 2 B l 0 Da das Einsetzen der oberen Integrationsgrenze zu Null f hrt vereinfacht sich die Berechnungsformel zu v 2AnRer _ l B 1 B 2 10 17 So gilt f r die maximale Durchstr mung des GPCG V 2 17 521 1 0 03542 l 0 04226 m s 0 0974 1 0 0974 2 g 3 V 0 04226 152 168m h 3600 Integration der logarithmischen N herungsfunktion F r die logarithmische N herungsfunktion gilt analog R V 2r u r dr und u A In y B 0 Mit der Substitution des Wandabstands y durch R r resultiert V 2n Aln R r B r dr 0 R R V 2nAln R r r dr 2nBlr dr 10 18 0 0 Die Berechnung der Stammfunktion des ersten Integrals ist durch folgende Substitution der Integrationsvariablen m glich x R r Mit 248 Integration der Geschwindigkeitsverteilungsgesetze ber den folgt fino R x l dx xIn x dx R In xdx 10 19 Gem den allgemeinen Integrationsregeln gilt In xax x _Lrc 2 4 Inxdr xInx x C 10 20 Damit gilt fir 10 19 Jinx R x Ddr x 1 R vins x C Resubstitution und Einsetzen in 5 51 ergibt damit R nBr V 2nA R AG rf ae 1 R In R r D 0 Durch das Einsetzen der Grenzen folgt damit die allgemeine Berechnung
292. t Strahlung induziert innermolekulare Schwingungen der bestrahlten Materie Hieraus resultiert dass die Ab sorption von IR Strahlung sehr stark von der stofflichen Zusammenset zung des Gutes abh ngt Die Verdunstung bzw Verdampfung erfolgt se lektiv an der Oberfl che des Guts Fl ssigkeit diffundiert aus tieferen Gut schichten nach Die W rmebelastung ist im Vergleich zur Kontakttrock nung geringer Ein Nachteil dieser Trocknungsart besteht in der Aufhei zung der verwendeten Strahlungsquellen auf bis zu 1000 C was spezielle Schutzma nahmen f r das Trocknungsgut erfordert 3 Hochfrequenztrocknung Dielektrische Trocknung ein Mikrowellen sender baut ein hochfrequentes elektrisches Feld auf in welchem sich die Dipole des Wassers wie die des zu trocknenden Gutes entsprechend des Polarit tswechsels auszurichten versuchen Die daraus resultierende Rei bungsw rme f hrt zu gleichm iger Erw rmung des Guts Die thermische 17 2 Stand der Wissenschaft 18 Belastung kann gezielt gering gehalten werden Es ist m glich die Siede temperatur der Fl ssigkeit zu erreichen Dieses Verfahren findet insbe sondere im Endtrocknungsbereich Anwendung da hier das Gut eine schlechte W rmeleitf higkeit besitzt Umfangreiche Untersuchungen bele gen dass bei der Mikrowellentrocknung keine anderen Abbau und Zer setzungsprodukte als bei der konventionellen Trocknung auftreten 4 Konvektionstrocknung Das zu trocknende Gut w
293. t der Kapazit t einiger weniger Meter Zuleitungskabel Aus diesem Grund muss die elektronische Auswerteeinheit relativ dicht am Sen sor installiert sein Dieser Sensortyp wird berwiegend mit einem integrierten Temperatursensor gefertigt Kapazitive Feuchtesensoren sind damit in der Lage in einem Temperaturbereich von 50 C bis 120 C relative Feuchten zwischen 0 und 100 zu messen 2 9 7 Resistive Feuchtesensoren Resistive Feuchtesensoren bestehen aus einer d nnen Schicht eines hygro skopischen Polymers auf das zwei Elektroden fixiert sind Die Messgr e ist der elektrische Widerstand der sich mit dem Wassergehalt des Polymers n dert Um elektrolytische Zersetzung zu verhindern erfolgt die Messung mit Wechselstrom Resistive Feuchtesensoren haben in letzter Zeit an Bedeutung verloren 2 9 8 Spektroskopische Verfahren Die spezifische Absorption des Wassers im IR Bereich bei 1 87 um und 2 66 um sowie im Mikrowellenbereich bei einer Frequenz von 22 235 GHz l sst sich zur quantitativen Bestimmung des Wassergehaltes heranziehen St u be m ssen zum Schutz der optischen Bauteile aus dem Messgas entfernt werden 2 9 9 Akustische Feuchtesensoren Die Schallgeschwindigkeit ci in einer Gasmischung aus n Komponenten Kj i 1 n ist eine Funktion der Massengehalte der Komponenten Die ersten Sensoren bestanden aus einer im direkten Kontakt mit der Umgebungsluft stehenden hygroskopischen Elektrolytl sung sie wa
294. taltung des Materials beein flusst wird35 Viele technologische Ph nomene lassen sich mit der Wasserak tivit t besser als mit dem Wassergehalt deuten 2 4 2 Trocknungsverfahren Eine Trocknung kann grunds tzlich auf zwei verschiedene Arten realisiert werden Tabelle 2 3 bersicht ber die Trocknungsverfahren Mechanisch Entfernung der Fl ssigkeit durch Schleudern oder Pressen Die Fl ssigkeit wird zun chst in den gasf rmigen Zustand berf hrt um dann in einem zweiten Schritt als Gas durch Diffusion oder Str mung ent fernt zu werden Dabei werden folgende berg nge unterschieden Verdunstung bergang der Fl ssigkeit in die Dampfphase bei einer Tempe ratur unterhalb des Siedepunkts d h der Dampfdruck der feuchten Oberfl che ist kleiner als der Atmosph rendruck Thermisch Verdampfung bergang der Fl ssigkeit in die Dampfphase bei Siedetempe ratur d h der Dampfdruck der feuchten Oberfl che entspricht dem Atmo sph rendruck Sublimation bergang direkt vom festen Aggregatzustand in die Gasphase findet bei der Gefriertrocknung Anwendung Nach der Art der Energie bertragung k nnen folgende Trocknungsverfahren unterschieden werden 1 Kontakttrocknung das zu trocknende Gut hat direkte Ber hrungsfl chen mit dem Heizelement die Verdunstung bzw Verdampfung erfolgt an der Unterseite des Gutbetts welches vom aufsteigenden Dampf durchzo gen wird 2 Strahlungstrocknung Infraro
295. te die dem 1 7 fachen der kriti schen Spr hrate entspricht erzielt wird Ab dem 2 3 fachen der kritischen Spr hrate kommt es hingegen zur Festbettbildung Die Zugabe einer konstanten Bindemittell sungsmenge mit unterschiedlicher Spr hkinetik f hrt zu unterschiedlichen Granulaten Die Spr htropfengr e wird mit Hilfe der Laserstreulichtanalyse ermittelt Durch eine dreidimensionale Response Surface wird der mittlere Spr htrop fendurchmesser bei gegebener Spr hrate sowie Spr hluftdruck berechnet Die Partikelgr enbestimmung w hrend des Granulationsprozesses wird durch eine Freifalleinrichtung in einen Laserstreulichtanalysator erzielt Mit dieser Arbeit werden die Voraussetzungen f r die umfassende Steuerung von Wirbelschichtgranulationsanlagen sowie der darin stattfindenden Granu lationsprozesse gelegt 223 9 Summary 224 9 SUMMARY Besides the high shear granulator the fluidized bed granulator is the most important type of wet granulators used in pharmaceutical industry today To ensure a constant product quality it is necessary to validate the whole wet granulation process Given that fluidized bed granulators use air from the environment the moisture content of the fresh air influences the granulation process As conditioning ofthe fresh air at a constant moisture content is the exception many pharmaceutical manufacturers have immense problems concerning the validation of this kind of process These da
296. telbar die Berechnung der Masse an Wasser in der ge samten Anlage erlaubt piei tr M Yasser im Ansatz _ 1 00 1 Wr Deutung der Messergebnisse eines Granulationsprozesses 160 Beginn der 140 1 Beginn der Mischphase 60 4 40 Beginn der Spr hphase Masse Wasser im Ansatz g ao S 00 00 00 15 00 30 00 45 01 00 01 15 01 30 01 45 Zeit seit Proze beginn h Abbildung 6 33 Ergebnis der KF Vergleichsmessungen Wie diese Ergebnisse belegen wird nur eine sehr geringe Wassermasse w h rend der Mischphase entfernt W hrend der Granulationsphase kommt es zu einer stetigen Zunahme der Wassermasse im Ansatz es bildet sich demnach kein Flie gleichgewicht aus Unmittelbar mit Beginn der Trocknungsphase f llt die Mwasser im Ansatz sehr stark ab und erreicht den zu Anfang des Versuchs gegebenen Ausgangswert Um die Ergebnisse einer KF Bestimmung mit denen einer Massenbilanzie rung vergleichen zu k nnen muss zu letzteren noch jeweils die Masse an chemisch gebundenem Kristallwasser hinzuaddiert werden Dennoch werden die Messergebnisse der KF Bestimmung deutlich unterhalb denen der Mas senbilanzierung liegen e Die Stichprobengr e zur KF Bestimmung ist systemimmanent zu klein e W hrend der Probenlagerung kann es zu Desorption von Wasser aus dem Probenmaterial kommen e Trotz der schnellen Probenverarbeitung ca 2 Minuten kommt es zu Wasserverlusten durch Verdampfung e Im Titrati
297. tellen Fl che dA des Kreisrings gem dA 2nrdr kann der betreffende inkrementelle Volumenstrom berechnet werden zu dV 2nr dr u Der gesamte durch das Rohr str mende Volumenstrom ergibt sich durch Integration aller Teilvolumenstr me gem R R fd 2n u r dr 5 51 0 0 Die Berechnung dieses Integrals erfolgt sowohl numerisch mittels Trapezregel anhand der diskreten Messwerte als auch durch Integration der verschiede nen Naherungsfunktionen Siehe Anhang 140 Messung des Volumenstromes 5 8 7 Umsetzung der Ergebnisse in die Kalibrierung des Fl gelrad anemometers F r die Kalibrierung des Fl gelradanemometers wird f r jeden gemessenen Str mungszustand diejenige Volumenstromberechnung verwendet bei wel cher im Geschwindigkeitsverteilungsgesetz die Summe der Abweichungs quadrate am kleinsten ist Die Ergebnisse der numerischen Integration sind in der nachfolgenden Zusammenstellung lediglich als Referenzwerte mit auf gef hrt Tabelle 5 18 Vergleich der Ergebnisse beste N herung jeweils in Fettdruck VS laut GPCG m h 19 50 71 94 116 171 Numerischer Integration 14 388 43 929 64 872 87 079 107 641 152 111 Potenzielle Naherung 14 835 45 102 65 686 87 750 108 169 152 168 Logarithmische N herung 14 319 43 708 65 083 87 229 107 572 152 99 Potenzgesetz 13 904 41 919 61 098 81 553 100 949 143 594 Reichardt 12 693 40 644 59 696 79 925 99 021 140 749 Aus der vorangegangenen Darstellun
298. tempera Leertestung des GPCG tur Nach 15 Minuten bersteigt die Temperatur am Abluftgr ting sogar die jenige der aufgeheizten Zuluft Am Ende dieses Experimentes ist eine Tempe raturdifferenz von 15 C zwischen Abluftgr ting und Zuluft sowie von 24 C zwischen Abluftgr ting und Abluftfeuchteme stelle zu registrieren Um die sen Effekt genauer zu untersuchen wird die Anlage in einem weiteren Expe riment zun chst ohne Heizung gefahren wobei der externe Temperaturf hler in die Messzelle des akustischen Feuchtesensors eingebaut wird Auch in diesem Fall steigt die Temperatur an dieser Stelle nach 15 Minuten bereits auf 55 C an und liegt damit um 35 C ber dem im Abluftrohr gemessenen Wert Die Ursache hierf r wird zum einen in der Kompression der Luft hinter dem Saugventilator zum anderen durch Aufheizeffekte im Inneren des GPCG gesehen 6 2 3 Basislinienstabilit t der Feuchtesensoren Wird durch den leeren GPCG Frischluft gef rdert so ist der Feuchtegehalt der str menden Luft an den beiden Feuchtemessstellen nach einer kurzen quilibrierphase in welcher gegebenenfalls Restfeuchte aus der Anlage ent fernt wird identisch Aufgrund der Temperatur und Druckunterschiede zwischen den Einbaustellen der beiden Feuchtesensoren divergieren jedoch die gemessenen relativen Feuchten wie folgende Abbildung verdeutlicht 100 Frischluft Relative Feuchte a Abluft 30 20
299. ten Folie Die beiden sonst baugleichen Feuchtesensoren unterscheiden sich lediglich im Typ des Temperaturf hlers Der als Frischluftfeuch tesensor verwendete Typ 41 beinhaltet ein Abbildung 5 9 Hygromess Transmitter Typ 41 Schutzkappe abg KTY Platinwiderstands Thermoelement nommen w hrend in dem als Abluftfeuchtesensor benutzten Typ 71 ein genormter PT 1000 Temperatursensor Verwendung findet Die Sensoren weisen folgende techni schen Spezifikationen auf 8 Messbereich relative Feuchte O bis 100 Linearit tsfehler Feuchte 0 5 bei Punktkalibrierung Wiederholgenauigkeit lt 0 5 AUPOSUNE cn 0 1 Temperaturmessbereich O bis 100 C Systemgenauigkeit 2 0 9 C Wiederholgenauigkeit lt 0 5 C Aufl sung 0 1 C Diese Sensoren sind speziell als Kanalsonden mit angeflanschter Elektronik konzipiert Um einen sicheren Ein und Ausbau sowie mechanischen Schutz vor Partikeln im Volumenstrom zu gew hrleisten sind auf die Sensork pfe Sinterfilter aus Edelstahl aufgeschraubt Das Material weist einen Poren durchmesser von 16 um auf Diese Bauweise erlaubt einen optimalen Schutz ohne dadurch die Ansprechzeit der Sensoren stark zu beeinflussen Messung der Zu und Abluftfeuchte 5 6 2 Einbauweise der Feuchtesensoren Der Frischluftfeuchtesensor befindet sich ca 80 cm hinter dem Ansaugstut zen des Frischluftrohres Er liegt damit
300. tguts und damit die f r Stoffaustauschprozesse verf g bare Fl che 21 2 Stand der Wissenschaft e Die Struktur und dabei insbesondere die Porosit t der Granulen be einflusst den intrapartikul ren Fl ssigkeitstransport was sich insbe sondere im zweiten Trocknungsabschnitt bemerkbar macht e Die Wasserdampfsorptionsisotherme determiniert die erzielbare Rest feuchte des Granulats unter vorgegebenen Trocknungstemperaturen und feuchtigkeiten Prozesssteuerung e Die Einstellung von Feuchte und Temperatur des Fluidisierungsmedi ums bestimmen die Aufnahmef higkeit des Tr gergases f r die zu entfernende Fl ssigkeit W hrend des ersten Trocknungsabschnittes besteht f r konstante Zuluftfeuchten ein linearer Zusammenhang zwischen Tr gergastemperatur und Trocknungsgeschwindigkeit e Der Volumenstrom des Tr gergases beeinflusst massivst die Trock nungsleistung e Die Beladung der Anlage beeinflusst sowohl die Art der Fluidisierung als auch das Verh ltnis von Gasmenge zu Trocknungsgutmenge So ist zum Beispiel denkbar dass das Tr gergas bei zu hoher Beladung der Anlage schon weit vor dem oberen Ende des Wirbelbettes die ma ximale Fl ssigkeitss ttigung aufweist e Die R ttelintervalle der R ckhaltefilter beeinflussen ebenfalls die Trocknung da w hrend ihrer Bewegung trotz konstanter Gebl seleis tung der Gesamtdurchsatz an Tr gergas durch Schlie en einer Ab luftklappe verringert ist WSG Anlage e Die Konstruktio
301. ti onsprinzipien kommt es darauf an den kritischen Feuchtegehalt nicht zu erreichen um unkontrolliertes Kornwachstum zu vermeiden 2 4 TROCKNEN Bei der Trocknung eines Granulates werden folgende drei Ziele verfolgt 1 Die Trocknung soll rasch erfolgen geringer Aufwand geringe Beanspruchung der Granulen 13 2 Stand der Wissenschaft 14 2 Um eine reproduzierbare Weiterverarbeitung zu erm glichen soll das Granulat eine definierte Restfeuchte aus Gr nden der Tablettierbarkeit meist zwischen 1 und 5 m m aufweisen 3 Die Temperatur des Gutes darf bei thermolabilen Stoffen einen kritischen Wert nicht bersteigen Unmittelbar nach der Beendigung des Aufspr hens von Bindemittell sung setzt die Endtrocknung des Granulates ein Infolge mechanischer Beanspru chung der zuvor gebildeten Agglomerate durch die Bewegung im Wirbelbett kann es im Verlauf dieser Phase zu Abrieb in Extremf llen sogar zum Zerfall der Partikeln kommen Es sind noch weitere Ver nderungen eines Sch ttgu tes im Verlauf einer Trocknung m glich e Schrumpfung e Formveradnderung durch Abrieb bzw Zerfall e Bildung von Krusten an der Oberfl che Verstopfung von Poren e Ausbildung von Konzentrationsgradienten l slicher Stoffe Die Trocknung ist folglich ein kritischer Prozessschritt der exakt gesteuert werden muss Voraussetzung hierf r ist das genaue Verst ndnis des Ablau fes einer solchen Operation Eine exakte rechnerische Simulatio
302. tive WSG Verfahren wie das Rotor Verfahren sollte problemlos m glich sein bedarf jedoch der expe rimentellen Verifizierung Voraussetzung f r die industrielle Anwendung der Massenbilanzierung ist ein erfolgreiches Scale up der Instrumentierung Allein dies w rde bereits die Vali dierung von WSG Prozessen deutlich erleichtern Es sollte m glich sein mit der in dieser Arbeit entwickelten Massenbilanzie rung Steuerungen beliebiger WSG Prozesse f r Standardrezepturen durchzuf hren 8 ZUSAMMENFASSUNG In der vorliegenden Arbeit wird die Massenbilanzierung einer Wirbelschicht granulierung implementiert Durch die umfangreiche Instrumentierung eines Laborger tes zum Wirbelschichtgranulieren im Top Spray Verfahren ist es m glich die relative Luftfeuchte die Temperatur und den Absolutdruck der Frischluft sowie der Abluft und ferner den Luftvolumenstrom zu messen Die Berechnung der Dichten der feuchten Luft erm glicht den bergang zu Mas senstr men von Luft und von Wasser Aus der Differenz von in die Anlage eingebrachtem und herausgef rdertem Wasser wird auf die aktuelle Masse an Wasser im Granulationsansatz geschlossen Voraussetzung f r eine derar tige Massenbilanzierung ist dabei eine sehr pr zise Bestimmung s mtlicher relevanter Parameter F r die Messung der relativen Luftfeuchten mit kapazitiven Feuchtesensoren ist ein Kalibrierverfahren entwickelt worden bei welchem ges ttigte Salzl sungen bei verschiedenen
303. trator Herrn Dr Bernd Reyer f r die Einbindung mei nes Laptops in das Computernetzwerk des Institutes sowie zahlreicher EDV Improvisationen e Den Mitgliedern des Arbeitskreises Frau Apothekerin Barbara Weh Frau A pothekerin Dr Felicitas Rief Frau Apothekerin Kathrin Meyer Frau Apothe kerin Dr Isabel Anstett Frau Apothekerin Karin Marquardt Herrn Apothe ker Marcus Eber Herrn Apotheker Christian Machon und Herrn Apotheker Sascha Z gner f r die freundliche und kollegiale Zusammenarbeit bei der Betreuung der Studenten e Der Sekret rin Frau Christine Schneider f r die Unterst tzung im t glichen Kampf mit der B rokratie der Universit tsverwaltung e Dem Praktikumsleiter Apotheker Dr Hermann Walz f r die hervorragende Organisation des Studentenpraktikums e Herrn Prof Dr Ing S Mickeler und Herrn Schwartz von der FH Schweinfurt f r die excellente Unterst tzung bei der Kalibrierung der Anlage e Herrn Prof Dr Ing habil L Zipser von der Hochschule f r Technik und Wirtschaft Dresden FH f r Bereitstellung des akustischen Feuchtesensors und die intensive Betreuung der Messungen e Herrn Diplomphysiker Dr Oliver Rudow f r viele hilfreiche Tips zur Organi sation eines Promotionsverfahrens e Herrn Diplommathematiker und Diplominformatiker Detlef Pabst f r die Be sprechung der Integrationsrechnungen e Den Herren Meier Kaiser L ffler Sprich von Glatt Process Technology GmbH Binzen sowie den He
304. ttemperatur 50 C sowie Volumenstrom 75 m h 5 12 DIE STANDARD GRANULIERMETHODE Aufgrund des Ziels der Arbeit einen WSG Prozess zu beschreiben stand die Entwicklung verschiedener Granulatrezepturen nicht im Vordergrund Viel mehr wurde zu Beginn der Arbeit eine Standard Rezeptur erarbeitet die fol genden Anforderungen entspricht e toxikologisch unbedenklich wirkstofffrei e einfach und sicher in der Durchf hrung e kurze Prozesszeit e preiswert in Bezug auf die verwendeten Hilfsstoffe e tablettierbar gute Kompressionseigenschaften e m glichst unabh ngig von Witterungseinfl ssen granulierbar e m glichst geeignet als Basis f r eine sp tere Einbindung be liebiger Wirkstoffe Am Ende des Entwicklungsprozesses stand folgende Granuliermethode Bindemittell sung Polyvinylpyrrolidon 90 Kollidon 90 F BASF 50 g Aqua purificata 1000 g In ein auf der Waage Mettler PM 4000 austariertes 250 ml Becherglas wird das Kollidon 90 F eingewogen Danach wird ein 1000 ml Becherglas mit R hrfisch auf der selben Waage tariert In diesem Gef werden ca 800 g frisch abgekochtes demineralisiertes Wasser vorgelegt Unter R hren auf dem Magnetr hrer wird sukzessive das Kollidon 90 F aufgestreut und eingearbei tet Das Wasser wird bis zu Sollmasse erg nzt und abschlie end nochmals durchger hrt Es entsteht eine farblose klare L sung Mit der Einstellung Spr htest am GPCG wird der Zuleitungsschlauch bis zur Sp
305. ttgutes in der Granulationspha se desto h her die resultierende Dichte des Produkts e Je h her die Feuchtigkeit der Zuluft desto gr er der mittlere Parti keldurchmesser des Endprodukts e Je h her die relative Feuchte der Zuluft desto h her die Lockerungsgeschwindigkeit e Je niedriger der Feuchtegehalt der Zuluft desto h her die elektrosta tische Aufladung der Partikeln was zu unkontrollierter Agglomeration f hren kann e Je geringer der Abstand der Spr hd se zum Wirbelbett desto gleichm iger wird der Bindemittelfilm e Je geringer der Abstand der Spr hd se zum Wirbelbett desto gr fer wird der resultierende mittlere Partikeldurchmesser e Je h her die Bindemittelkonzentration in der Spr hfl ssigkeit desto gr er der mittlere Partikeldurchmesser des Produkts e Das Aufspr hen einer L sung des Bindemittels Klebstoffgranulation f hrt zu st rkerem Kornwachstum als bei einer unter gleichen Bedin gungen durchgef hrten Krustengranulation gt 70 e Je gr er die Temperaturdifferenz zwischen Zuluft und Produkt temperatur w hrend der Granulationsphase desto niedriger der mitt lere Partikeldurchmesser des Produkts 2 Stand der Wissenschaft 32 e Je gr er die Masse des Bindemittels desto gr er der mittlere Parti keldurchmesser des Produkts e Je breiter die Korngr enverteilung der Prim rpartikeln desto ge ringer die Porosit t und desto h her die Bru
306. tung der Messergebnisse eines Granulationsprozesses Die Umrechnung der relativen Feuchten in Feuchtegehalte liefert die Basis f r die Massenbilanzierung 25 Frischluft Abluft 20 a t Feuchtegehalt g kg 0 t 1 00 00 00 00 15 00 00 30 00 00 45 00 01 00 00 01 15 00 01 30 00 01 45 00 Zeit seit Proze beginn h Abbildung 6 32 Feuchtegehalte Aus dem kurzzeitigen Anstieg der Abluftfeuchtekurve nach Zuf gen des Sch ttgutes kann entnommen werden dass diesem in der Mischphase Rest feuchtigkeit entzogen wird Ferner kann aus diesem Kurvenverlauf das Ende der Trocknung erkannt werden Sobald sich Frischluft und Abluftfeuchtege halt nicht mehr statistisch signifikant unterscheiden kann unter den herr schenden Bedingungen dem Produkt kein weiteres Wasser mehr entzogen werden Um die Voraussetzungen f r die Massenbilanzierung zu schaffen muss die Abluftfeuchtekurve durch eine Lineartransformation so verschoben werden dass sie zu Beginn der Spr hphase mit der Frischluftfeuchtekurve zur Deckung kommt 6 5 11 Granulatfeuchtigkeit Die mit Hilfe einer Karl Fischer Titration ermittelte Gr e wr stellt den Trocknungsverlust der Probe bezogen auf die Masse des feuchten Guts in Prozent dar Die folgende Zusammenstellung zeigt die Messergebnisse eines Standardgranulationsprozesses Tabelle 6 2 Ergebnisse der KF Titration f r Experiment 0205
307. u Pers nliche Mitteilung 11 09 2000 154 A Haberstroh Firma Hygrocontrol GmbH Hanau Pers nliche Mitteilung 06 02 2001 155 G Rosenbaum R Sch lles Das gro e Buch zu Turbo Pascal 6 0 257 292 1991 150 GSG Geologie Service GmbH Homepage www wuerzburger wetter de 2001 157 Hr Gottstein Firma Jumo Fulda Pers nliche Mitteilung 29 06 2001 158 Deutscher Wetterdienst Homepage www dwd de 2001 159 Austro Control sterreichische Gesellschaft f r Zivilluftfahrt mbH Homepage www austrocontrol co at weather lexfull html 2001 18 Herr Steinhauser Pers nliche Mitteilung Firma H ntzsch GmbH Waiblingen 31 07 2001 16l Firma H ntzsch GmbH Waibingen Benutzerinformation zu Fl gelrad Str mungssensoren 8 1997 12 B Luy Vakuum Wirbelschicht Grundlagen und Anwendungen in der pharmazeutischen Technologie Dissertation 68 1991 16 Firma Glatt GmbH Binzen Bedienungsanleitung GPCG 2000 164 G Zabeschek Experimentelle Bestimmung und analytische Beschreibung der Trocknungs geschwindigkeit rieself higer kapillarpor ser G ter in der Wirbelschicht Dissertation TH Karlsruhe Anhang A 1977 165 S Middleman An introduction to fluid dynamics 100 102 1998 10 B Eck Technische Str mungslehre 8 Auflage 1 92 93 1978 167 J Zierep Grundz ge der Str mungslehre 6 Auflage 131 1997 168 W Bohl Technische Str mungslehre 8 Auflage 302 1989 1 S Middleman An introduction to flui
308. u gew hrleisten wird dieser Produktr ckhaltefilter zwischen Granuliereinsatz und Filtergeh use eingesetzt und w hrend des Prozesses durch eine Anpressvorrichtung eingeklemmt Der Stauchfilter kann durch zwei Pneumatikzylinder jeweils halbseitig abger ttelt werden Die feinen Par tikeln stehen damit wieder f r die Aufbaugranulation zur Verf gung und der Filter kann ber l ngere Betriebszeiten nicht verstopfen Das Abr tteln des R ckhaltefilters kann beim GPCG auf zwei Arten erfolgen a Synchron Durch Schlie en der beiden Kammerklappen kommt der Volumenstrom zum Erliegen der Filter wird komplett abge r ttelt Dies birgt durch das Zusammenbrechen der Wirbel schicht die Gefahr einer dauerhaften Festbettbildung Die Maschine ist so gesteuert dass w hrend des synchronen Abr ttelns des R ckhaltefilters die Spr hfl ssigkeitspumpe ausgeschaltet ist b Asynchron Durch Schlie en nur einer Kammerklappe wird der Volu menstrom ber die zweite ffnung geleitet Somit bleibt das Wirbelbett unver ndert aufrechterhalten und der Spr h vorgang muss nicht unterbrochen werden 5 1 5 Abluftleitungssystem Die Luft wird durch einen Saugventilator durch die Anlage gesogen Dies hat den Vorteil dass bei eventuellen Leckagen kein Produkt die Anlage nach au en hin verlassen kann Ein weiterer Vorzug dieser Art der Luftf hrung be steht darin dass mit einem 10 cm oberhalb des Anstr mbodens installierten Probenentnahmestutzens w hr
309. u verkleben mit steigen dem Wassergehalt des Sch ttgutes zunimmt ist diese Gr e essentiell f r die Prozesssteuerung um ein definiertes Ergebnis zu erzielen Nicht nur das Verh ltnis von Fl ssigkeit zu Feststoff sondern auch die optimale Verteilung beider Komponenten ist entscheidend f r das Granulationsergebnis ORMOS f hrte 1973 den Begriff des kritischen Feuchtegehalts wim ein bei welchem die Haftkr fte auch durch eine Erh hung des Zuluftvolumenstro mes nicht mehr berwunden werden k nnen 2829 Eine berschreitung von Wim f hrt zur Festbettbildung die Wirbelschicht ist damit irreversibel zu sammengebrochen Es kommt daher darauf an diese Festbettbildung durch geeignete Steuerung des Prozesses zu verhindern Die Entwicklung des Was sergehalts eines Sch ttgutes w hrend der Granulationsphase kann einem der beiden prinzipiellen Kurvenverl ufe zugeordnet werden _ Kritischer Feuchtegehalt er Re Zeit Zeit Feuchtegehalt des Ansatzes Feuchtegehalt des Ansatzes Abbildung 2 3 Feuchtegehalt des Sch ttgutes w hrend der Granulationsphase Links Krustengranulation rechts Klebstoffgranulation Bei einer Krustengranulation muss nach kurzer Zeit im zu granulierenden Gut ein f r die gesamte Granulationsphase konstanter Feuchtegehalt erzielt werden Bei einer Klebstoffgranulation dagegen steigt der Feuchtegehalt w h rend des Zuspr hens der Bindemittell sung stetig an Bei beiden Granula
310. uchtesensoren Da der Messwert der relativen Feuchte in sehr starkem Ma von der herrschenden Temperatur beeinflusst wird kann eine Kalibrierung derartiger Messf hler bez glich nun dann sinnvoll durchgef hrt werden wenn zuvor berpr ft worden ist ob die Temperaturmessung korrekt funktioniert Um W rmestrahlungsverluste durch das Geh use der Sensorelektronik auszu schlie en werden die beiden Feuchtesensoren vollst ndig in einer w rmeiso lierende Box positioniert die von der warmen Abluft des GPCG durchstr mt wird und mit kalibrierten Referenzthermometern Fl ssigkeitsthermometer Arbeitsbereich 0 50 C o C Unterteilung versehen ist 87 5 Experimenteller Teil 88 Referenzifhermomefer w rmeisolierende Box Feuchfesensor femperierte et a Luff Abbildung 5 10 Versuchsaufbau zur berpr fung der Temperaturmessung der Feuchtesensoren Laut Hersteller der Feuchtesensoren gen gt f r diese berpr fung eine Ein punktkalibrierung da die Sensorkennlinien allesamt parallelverschobene Geraden sind 50 Das folgende Diagramm zeigt die Messergebnisse f r die Umstr mung der Sensoren mit Luft von 50 C 60 Referenzthermometer Abluftfeuchtesensor Frischluftfeuchtesensor Temperatur C 30 1 00 00 00 00 10 00 00 20 00 00 30 00 00 40 00 00 50 00 Zeit seit Proze beginn h Abbildung 5 11 Ergebnis der berpr fung der Temperatur
311. ufheizen bzw das Trocknen des Gutes zur Verf gung F r das Scale Up wird eine Mikrowellenleistung von 100 bis 125 W pro Liter Sch ttgut postuliert 2 6 7 Kontinuierliche WSG Anlagen und Sonstige Neuent wicklungen Da batchweise Produktion in herk mmlichen WSG Anlagen mit einem nicht geringen personellen Aufwand verbunden ist bestehen schon lange Bestre bungen fortdauernd arbeitende Prozesse zu etablieren Bereits 1964 publi zierte eine Arbeitsgruppe um Scott die Entwicklung eines kontinuierlich ar beitenden Wirbelschichtgranulierers5 Die Anlage basierte auf dem Top Spray Verfahren Die Zuf hrung der Prim rpartikeln erfolgte ber eine F r derschnecke unmittelbar unterhalb der Spr hd se der Produktaustrag wur de ber eine ffnung oberhalb des Anstr mbodens realisiert erlaubte aber keine Klassierung Ausf hrlichere Untersuchungen zu kontinuierlich betrie benen WSG Anlagen gehen auf ORM S zur ck welcher 1975 eine Laboran lage vorstellte5 Die Partikeln hatten in der nach dem Top Spray Verfahren arbeitenden Anlage eine durchschnittliche Verweildauer von 30 Minuten 1985 wurde ein permanent arbeitendes Produktionsverfahren in die pharma zeutische Industrie eingef hrt bei welchem extern hergestellte Sch ttgutmi schungen zusammen mit der Agglomerierfl ssigkeit einem Vertikalgranulie Neue Entwicklungen auf dem Gebiet des WSG Anlagenbaus rer zugef hrt werden und abschlie end das feuchte Granulat in einen vibr
312. uft schirmt die zerst ubte Granulierfl ssigkeit von der warmen und trockenen Pro zessluft idealerweise so lange Abbildung 2 12 Aufbau einer 3 Stoff Spr hd se ab bis die Bindemittell sung die Oberfl che des Sch ttgu tes erreicht hat Hierdurch k nnen Spr htrocknungseffekte unterbunden werden Aufgrund des sch tzenden Mikroklimas wird die D se von Produkt und Spr hfl ssigkeitsablagerungen freigehalten die eingestellte Tropfengr enverteilung bleibt konstant und reproduzierbar 2 6 3 WSG Verfahren mit organischen L sungsmitteln Bei Verwendung organischer L sungsmittel entstehen meist explosive L se mitteldampf Luft Gemische Es muss daher in solchen F llen eine Inertisie rung der Anlage mit Schutzgasen z B Stickstoffgas erfolgen Dies birgt je doch spezifische Nachteile im Hinblick auf Investitions und Betriebskosten In den letzten Jahren sind auch WSG Anlagen mit Kreislauf L semittel r ckgewinnung entwickelt worden 2 6 4 Vakuum Wirbelschicht Bei diesem Verfahren wird die Inertisierung der Anlage durch Unterdruckbe dingungen realisiert5 Es handelt sich dabei um ein Kreislaufsystem Mit der Vakuum Technik ist es m glich organische L sungsmittel f r WSG Prozesse zu verwenden ohne eine Inertbegasung betreiben zu m ssen Ein weiterer Vorteil besteht darin mit sauerstoff oder thermolabilen Stoffen WSG Prozesse betreiben zu k nnen Ferner sind die Prozessbedingungen unab h ngig von atmos
313. uidized bed a re examination Powder technology 89 29 36 1996 1 M Stie Mechanische Verfahrenstechnik 2 344 1994 2 W K lling E Simon Fluid bed technology applied to pharmaceuticals Pharmaceutical technology 79 83 1980 3 S Contini K Atasoy Fluid bed granulation Drugs made in Germay 9 138 142 1966 4 H G Kristensen T Schaefer Granulation A review on pharmaceutical wet granulation Drug development and industrial pharmacy 13 4 5 803 872 1987 15 A R Gupte Das Granulieren in der Wirbelschicht Pharmazeutische Industrie 35 17 20 1973 16 U Thurn Mischen Granulieren und Trocknen pharmazeutischer Grundstoffe in heteroge nen Wirbelschichten Dissertation ETH Z rich 23 48 1970 17 S Watano Continuous monitoring and mechanism of electrostatic charge of powder in fluidized bed process Chem Pharm Bull 46 1438 1443 1998 18 Z Ormos K Pataki B Csukas Studies on granulation in a fluidized bed III Calculation of the feed rate of granulating liquid Hungarian journal of industrial chemistry 1 463 474 1973 1 T Abberger Definition und Bedeutung der freien Feuchte bei der Wirbelschichtgranulie rung Dissertation Universitat Innsbruck 25 1996 H Rumpf Grundlagen und Methoden des Granulierens Chemie Ingenieur Technik 30 144 158 1958 l H Schubert Kapillardruck und Zugfestigkeit von feuchten Haufwerken aus k rnigen Stof fen Chemie Ingenieur Te
314. ule size and size distribution Control of moisture content of granules in the drying phase Archiv for pharmacy og chemi 6 1 13 1978 6t G Shlieout Theorie und Praxis der Granulierung APV News 1 6 7 2000 65 T Sch fer O Werts Control of fluidized bed granulation I Effects of spray angle nozzle height and starting materials on granule size and size distribution Archiv for pharmacy og chemi 5 51 60 1977 T Schafer O Werts Control of fluidized bed granulation II Estimation of droplet size of atomized binder solutions Archiv for pharmacy og chemi 5 178 193 1977 L Juslin J Yliruusi The effect of raw material and atomising air pressure on the properties of granules prepared in a fluidised bed granulator S T P Pharma Sciences 6 5 328 334 1996 68 P Merkku J Yliruusi L Hell n E Kristoffersson Studying the effects of three important process variables in fluidised bed granulation using 2 factorial design Acta Pharmaceutica Fennica 101 181 187 1992 S Schaafsma et al Effects and control of humidity and particle mixing in fluid bed granula tion AIChE Journal 45 6 1202 1210 1999 T Sch fer O Werts Control of fluidized bed granulation IV Effects of binder solution and atomisation on granule size and size distribution Archiv for pharmacy og chemi 6 14 25 1978 T Sch fer O Worts Control of fluidized bed granulation V Factors a
315. ulierfl s sigkeit F r die Reproduzierbarkeit eines WSG Prozesses sind insbesondere die Be dingungen der Zugabe der Spr hfl ssigkeit relevant F r die Feuchtagglome ration in Schnellmischern ist von IMANIDIS 28 eine dimensionslose Darstel lung der notwendigen Granulierfl ssigkeitsmasse entwickelt worden Ms Ms min m Sp m Mg max Mg min TI Dimensionslose Granulierfl ssigkeitsmenge Msp Granulierfl ssigkeitsvolumen aktuell ml Msmin Granulierfl ssigkeitsvolumen welches von Prim rpartikeln absorbiert wird ohne dass es zur Bildung von Fl ssigkeits br cken kommt ml Msmax Granulierfl ssigkeitsvolumen bei welchem die Prim rparti keln mit Fl ssigkeit ges ttigt sind ml Es gilt dabei Msmin lt Msp lt Msmax Die Werte f r Msmin und Msmax sind substanz und systemspezifisch Die Kinetik der Zugabe der Granulierfl ssigkeit ist ebenfalls dimensionslos darstellbar Ba m Spt Dimensionslose Zugabezeit der Granulierfl ssigkeitsmenge S Spr hrate g min t Zeit min m Masse Sch ttgut g Die dimensionslose Darstellung der Bedingungen der Zugabe der Granulier fl ssigkeit erlaubt den Vergleich des Agglomerierverhaltens verschiedener Substanzen und Granuliersysteme Es finden sich in der Literatur jedoch bisher keine Hinweise f r die bertragung dieser dimensionslosen Ausdr cke auf WSG Prozesse 61 3 Arbeitshypothese 62 3 ARBEITSHYPOTHESE Wie aufgezeigt worden i
316. ung der Spr htropfengr e notwendig Der mittlere Durchmesser der Spr htrop fengr e wird durch folgende Faktoren beeinflusst e Konstruktion der Spr hd se e Massenverh ltnis von Spr hluft zu Spr hfl ssigkeit e Spr hluftdruck e Oberflachenspannung der Spr hfl ssigkeit e Dichte der Spr hfl ssigkeit e Viskosit t der Spr hfl ssigkeit e Dichte der Spr hluft Bereits 1951 hatte MUGELE die Spr htropfengr enverteilung in Sprays beschrieben und dabei den gr ten stabilen Tropfendurchmesser als signifi katen Parameter ermittelt Ferner wurde aufgezeigt dass konventionelle Verteilungsfunktionen wie die RRSB Verteilung Spr htropfenkollektive nicht hinreichend beschreiben KIM leitete 1971 empirische Korrelationen zwischen Spr hd sen Betriebsparametern und resultierender Spr htropfengr e ab 13 Diese Berechnungen sind spezifisch f r den jeweiligen Spr hd sentyp Die Untersuchungen wurden hier mit verfl ssigtem Wachs durchgef hrt welches nach Passieren der Spr hd se zu festen Partikeln erstarrte und so mit einer Siebanalyse unterzogen werden konnte SCH EFER und WORTS zeigten 1977 die Anwendbarkeit einer modifizierten Formel zur Berechnung des mittleren Spr htropfendurchmessers auf Diese Autoren gehen davon aus dass allein die mittlere Spr htropfengr e zur Charakterisierung der Tropfengr enverteilung hinreichend ist Die Bestimmung dieses Parameters wurde hier durch Auffangen der Spr htropfen auf
317. ung des Pulvers und als Folge davon zu Entmischungserscheinungen kommen Messungen der statischen Elektrizit t w hrend eines Granulationsprozesses durch THURN brachten folgende Resultate e Der Wert nimmt von der Mitte des Wirbelbettes aus nach au en hin konzentrisch ab e Die elektrostatische Aufladung des Sch ttgutes nimmt mit abneh mender Luftfeuchtigkeit des Fluids zu erreicht zu Ende der Misch phase einen Maximalwert um nach dem Spr hbeginn abzusinken und schlie lich w hrend der Trocknungsphase wieder anzusteigen e Hohe Anteile hydrophoben Sch ttguts f rdern durch die elektrostati sche Aufladung Entmischungstendenzen 2 3 GRANULIEREN Die Zugabe einer Bindemittell sung Klebstoffgranulation oder eines reinen L sungsmittels Krustengranulation zu dem Wirbelbett initialisiert die Auf baugranulation Die Fl ssigkeitseinbringung ist mit Risiken f r den Prozess verlauf behaftet Eine zu hohe Fl ssigkeitszufuhr kann ein Verklumpen des Wirbelgutes bzw ein Ansetzen an Apparateteilen bewirken Im Extremfall ist sogar ein Durchlaufen von Fl ssigkeit durch den Anstr mboden m glich 2 3 1 Kritische Spr hrate Der Verlauf eines WSG Prozesses wird in entscheidender Weise durch die Zugabekinetik der Bindemittell sung bestimmt In Abh ngigkeit von Tempe ratur Feuchtegehalt und Volumenstrom der Zuluft wird bei zu geringer Spr hrate die gesamte zudosierte Wassermasse unmittelbar verdampft und aus der Anlage gef rde
318. ung auf dem Markt Gew hnlich werden diese Granulate in einer Fl ssigkeit aufgel st und danach getrunken In der pharmazeutischen Praxis fungieren Granulate sehr h ufig als Zwischenprodukte bei der Herstel lung von Tabletten sowie von Kapselpr paraten Feste Arzneiformen bestehen im allgemeinen aus einem oder mehreren Wirk und Hilfsstoffen Werden moderne hochwirksame Wirkstoffe verarbeitet so ist der Hilfsstoffanteil im Pulvergemisch deutlich gr er als der Wirkstoffan teil Mit geeigneten Verfahren k nnen derartige Sch ttg ter bis zur geforder ten Homogenit t gemischt werden Ein direktes Verpressen zu Tabletten ist in den meisten F llen jedoch nicht m glich da diese Pulver folgende Nachtei le aufweisen e Entmischungstendenz z B im F llschuh einer Tablettenpresse e Ungen gende Dosierungsgenauigkeit Matrizenf llung erfolgt volu metrisch e Schlechtes Flie verhalten e Staubentwicklung infolge hohen Feinstaubanteiles e Komprimierschwierigkeiten Um diese Probleme zu umgehen werden besagte Pulvermischungen durch geeignete Verfahren in Granulate definierter Korngr e berf hrt Der Gr enbereich erstreckt sich dabei blicherweise auf das Intervall von 10 bis 2000 um Der berbegriff Granulieren umfasst s mtliche Herstellungsmethoden f r k rnige Endprodukte Bei einer sogenannten abbauenden Granulation wer den gr bere St cke zu feineren Partikeln zerkleinert Dies kommt in der pharmazeutischen
319. ungen 12 5 1 626 1 114 15 1 628 1 131 17 5 1 633 1 173 20 1 638 1 216 22 5 1 637 1 207 25 1 64 1 233 27 5 1 639 1 224 30 1 64 1 233 32 5 1 639 1 224 35 1 643 1 260 40 1 643 1 260 45 1 638 1 216 50 1 634 1 181 55 1 627 1 123 Tabelle 10 2 23 ffnung der Abluftklappe 50 mh Volumenstrom laut GPCG Anzeige Entfernung von der Rohrwand mm U Hitzdraht V Str mungsgeschwindigkeit u m s 0 01 1 56 0 652 0 03 1 58 0 776 0 1 1 625 1 106 0 2 1 651 1 332 0 3 1 675 1 565 0 4 1 69 1 723 0 5 1 695 1 777 0 6 1 713 1 984 0 7 1 718 2 044 0 8 12 2 068 0 9 1 725 2 130 1 1 735 2 257 1 1 74 2 322 1 2 1 742 2 348 1 3 79 2 456 1 4 1 749 2 442 1 5 73 2 456 1 6 1 753 2 497 1 7 1 752 2 484 1 8 1 758 2 567 1 9 1 762 2 624 2 1 765 2 667 2 4 1 768 2 710 3 1 771 2 754 3 4 1 775 2 813 4 1 78 2 889 4 4 1 782 2 919 4 6 1 783 2 934 4 8 1 785 2 965 5 1 787 2 996 6 1 79 3 043 7 1 795 3 122 8 1 8 3 203 9 1 805 3 285 9 5 1 804 3 268 10 1 807 3 318 12 5 1 813 3 419 15 1 815 3 453 17 5 1 818 3 504 20 1 822 3 574 22 5 1 825 3 627 25 1 827 3 662 27 5 1 828 3 680 30 1 83 3 715 32 5 1 831 3 133 35 1 831 3 733 40 1 829 3 698 45 1 827 3 662 50 1 82 3 539 55 1 81 3 368 60 1 79 3 043 65 1 75 2 456
320. ungsgeschwindigkeit m s Umax Maximale Str mungsgeschwindigkeit m s Rror Radius des Rohres m r Abstand Messpunkt von Rohrmitte m n Exponent gem empirischer Tabelle Diese einfache Potenzformel stellt eine N herung dar sie gilt nicht in unmit telbarer Wandn he Da das Potenzgesetz theoretisch vom Blasiusschen 127 5 Experimenteller Teil 128 Gesetz abgeleitet werden kann besitzt ersteres ebenfalls nur bis zu Re lt 100 000 G ltigkeit 71 Der Exponent n im Geschwindigkeitsverteilungsgesetz wird folgender empi risch gewonnener Graphik entnommen 3 8 6 5 3 5 4 4 5 5 Ri l Ig Re Abbildung 5 44 Der Exponent n im Potenzgesetz Um den Exponenten n direkt berechnen zu k nnen ist eine exponentielle Regression durchgef hrt worden Hieraus resultiert folgende Berechnungs formel f r n n 3 2045 e73TIeRe 5 35 Je gr er die Reynoldszahl ist desto kleiner wird der Exponent im Po tenzgesetz Aus dem Vergleich mit den Funktionsgraphen der Kurvenschar y 4x wird ersichtlich dass aus zunehmenden Reynoldszahlen ein immer rechteckf rmigerer Verlauf des Str mungsprofils resultiert F r das Beispiel der Maximaldurchstr mung des GPCG soll im Folgenden das Potenzgesetz angewendet werden Nachfolgende Messwerte werden der Be rechnung zugrunde gelegt Umax 12 564 m s p 101 325 Pa v 23 C o 45 n 18 5 10
321. unterhalb des Ansauggr tings des GPCG positioniert Die Mess Messung der Zu und Abluftfeuchte einheit ist unmittelbar zuvor vom Hersteller kalibriert worden Die Messdaten Temperatur Taupunkttemperatur und barometrischer Luftdruck werden manuell in die LabView Messwerterfassung eingetragen Referenzwerte f r die Au enluftfeuchtigkeit werden ferner von der Zentrale des Deutschen Wet terdienstes in Offenbach 5 sowie von der GSG Geologie Service GmbH 5 W rzburg eingeholt Beide Dienstleister verf gen ber eigene Wetterstationen in W rzburg Die folgende Abbildung zeigt die Messergebnisse der Wettersta tion des GSG 144 121 104 J x J 3 J a4 j 5 J tel J S 6 z E u 4i 24 04 h i H i H D a oO N N N N N N N S OS OS 9 9 V V V S ee ee a ne amp S S amp N 2 y y KN 2 gt R nN Re S Ne Datum Abbildung 5 31 Feuchtegehalt in W rzburg 260 ber NN Oktober 2000 Juli 2001 Diese Abbildung verdeutlicht die jahreszeitlichen Schwankungen die nied rigsten Werte des Feuchtegehalts liegen im Januar bei 1 g kg die h chsten im Juli mit 14 4 g kg 5 6 8 Messung der Feuchtigkeit an verschiedenen Positionen im Rohrquerschnitt Wie aus Untersuchungen von LUY hervorgeht differieren die Gastempera turen im Rohrquerschnitt zum Teil um mehrere Grad Celsius Dieser Sach verhalt liegt vermutlich in der guten W rmeleitung des Rohrmaterials Edel stahl begr ndet Bei sehr h
322. ur Verf gung gestellt werden Die PIDS Messung erfolgt sequentiell mit polarisiertem Licht der Wellenl n gen 900 600 und 450 nm Die Probenaufgabe erfolgt in der Art dass das Sch ttgut in einer inerten Fl ssigkeit dispergiert wird und als d nner Suspensionsstrahl im rechten Winkel zum hindurchgeleiteten Laserstrahl durch eine Messzelle flie t Da die zu messende Suspension in einem geschlossenen Kreislauf umgew lzt wird ist der Probenbedarf sehr gering Nachteilig ist hingegen der hohe Dis persionsmittelbedarf Da keine Fl ssigkeit gefunden werden konnte welche nicht jeweils eine der Komponenten des Standardgranulats anl st ist mit diesem Messsystem lediglich die getrennte Bestimmung der Prim rpartikeln m glich Da Gasblasen die Messung st ren w rden muss das Dispersionsmittel vor der Benutzung durch 10 min tige Behandlung im Ultraschallbad entgast werden Durch die Bef llung der Messzelle k nnten Luftblasen im Messme dium gebildet werden Diese werden durch maschinelles R hren anhand ei ner Standardprozedur entfernt Anschlie end f hrt der Coulter LS 230 durch eine Hintergrundanalyse einen Nullabgleich durch Abschlie end wird der Messzelle gerade soviel Probe in Form einer konzentrierten Suspension zuge f hrt bis die Probenkonzentration vom Messger t als optimal bewertet wird Vergleichsmessungen mit der Beispielsubstanz gesiebter Pharmatose DCL11 Firma DMV Veghel NL der Kornklasse 180 200 um mit dem Coulte
323. ustierbaren Messsonde in den Apparat k n nen radiale und axiale Temperaturgradienten aufgenommen werden Das entwickelte mathematische Modell beschreibt einen h henabh ngigen expo An WSG Anlagen etablierte Online Messverfahren nentiellen Verlauf f r die Feuchte des Fluidisierungsgases sowie einen umge kehrt proportionalen Verlauf der Lufttemperatur Wie TROJOSKY feststellte ist die Gastemperatur im Bereich der Wirbelschicht nahezu gleich der Abluft temperatur Lediglich im Spr hbereich sowie unmittelbar ber dem An str mboden wurden hiervon deutlich abweichende Temperaturen gemessen Kopp fand heraus dass der W rmezustand eines WSG die Ablufttemperatur stark beeinflu t 2 11 3 Zu und Abluftfeuchte Der Feuchtegehalt des Tr gergases in WSG Anlagen wird schon sehr lange bestimmt die Leistungsf higkeit der Sensoren beschr nkte jedoch bisher die Reproduzierbarkeit Um in einer WSG Anlage anwendbar zu sein muss ein Sensor relative Luftfeuchtigkeiten von O bis 100 in einem Temperatur bereich zwischen 15 und 95 C messen k nnen was Feuchtegehalten zwi schen 1 und 40 g kg entspricht Bei Messungen der Abluftfeuchte ist mit der Kontamination des Tr gergases durch Staubpartikeln zu rechnen Um die Sensoren von derartigen Verunreinigungen zu sch tzen werden im allgemei nen Sinterfilter aufgesetzt die jedoch zu einer zeitlichen Verz gerung des Messsignals f hren Verschmierung Da hohe Luftfeuchtigkeiten zu Ko
324. ustusschen Formel l sst sich zu s tzlich die molare Verdampfungsenergie ermitteln Theorie der Massenbilanzierung Regressionsgerade y 5203 2515136499x 25 5037670204 a R 0 9998667365 In PD o 6 1 0 0025 0 0026 0 0027 0 0028 0 0029 0 003 0 0031 0 0032 0 0033 0 0034 0 0035 0 0036 0 0037 0 0038 UT K Abbildung 6 1 Augustussche Formel Die Kalibriergerade hat dabei die Gleichung ln P 5203 2515136499 25 5037670204 6 3 Durch Aufl sen dieser Gleichung nach Pp erh lt man 5203 2515135499 P 119164058100 e 6 4 Der Sattigungsdampfdruck Uber Wasser kann auch mit der empirischen Formel von MAGNUS berechnet werden bei welcher die Funktion ausgehend vom S ttigungsdampfdruck bei O C von 610 78 Pa konstruiert wird 7 5 9 P 610 78 10475 6 5 9 Temperatur C Von der Firma GLATT ist zur Vereinfachung der Programmierung die Um rechnung vom dekadischen in den nat rlichen Logarithmus durchgef hrt worden 89 Gem 10 y prinlo 6 6 gilt somit f r den S ttigungsdampfdruck ber Wasser 17 08085 9 P 610 78 e 6 7 155 6 Ergebnisse Eine weitere M glichkeit der Berechnung des S ttigungsdampfdruckes von Wasser wurde 1980 im Rahmen eines Forschungsprojekts der American So ciety of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engineers ASHRAE von WEXLER und HYLAND publiziert 9 Demzufolge gi
325. ute Reproduzierbarkeit und Langzeitstabilit t e Hohe Ansprechgeschwindigkeit e Hohes Aufl sungsverm gen der Signalverarbeitung e Funktionalit t im Temperaturbereich 10 bis 100 C e Funktionalit t bis hin zu einer Luftfeuchtigkeit von 100 e Stabilit t gegen Druckschwankungen e Best ndigkeit gegen elektromagnetische Felder e Korrosionsschutz e Kompakte Bauweise e Schutz vor mechanischer Belastung e Geringer Instandhaltungsaufwand und hohe Lebensdauer 53 2 Stand der Wissenschaft 54 F r den speziellen Fall der Instrumentierung einer WSG Anlage sind im all gemeinen folgende Probleme zu erwarten 2 gt Nach Abstellen der Saugventilatoren kann gegebenenfalls hei e Luft in Richtung Luftzuf hrung str men und damit dort eingebaute Mess f hler st ren gt Die Abluftbestimmung ist durch schnelle Temperaturschwankungen infolge Abklopfen der Filter bei geschlossener Abluftklappe er schwert KOPP 2 schl gt daher vor dieses Problem durch Einbau ei nes geheizten Bypasses mit eigenem Staubfilter zu l sen gt Eine hohe Staubbelastung in der Abluft d rfte zu Messungenauigkei ten f hren Im folgenden wird kurz aufgezeigt welche Messwerterfassungen bisher an WSG Anlagen realisiert worden sind 2 11 2 Frischluft Zuluft Produkt und Ablufttemperatur Temperaturmessungen in Anlagen erfolgen heutzutage blicherweise mit Wi derstandsthermometern Die Abh ngigkeit des Widerstandes eines solchen
326. w in Vergleiche Programmlisting im Anhang 215 6 Ergebnisse 216 6 7 3 Anwendung des Parameters kritische Spr hrate in der Praxis Wie eingangs dargestellt wurde besteht die weitere Zielsetzung der Arbeit darin basierend auf der Massenbilanzierung Arbeitsbereiche f r Standard granulate zu charakterisieren sowie darauf aufbauend WSG Prozesse steuern zu k nnen Im Folgenden wird am Beispiel der Standardrezeptur aufgezeigt wie Arbeits bereiche f r die Durchf hrung einer Granulierung ermittelt werden k nnen Das Versuchsdesign sieht dazu vor ausgehend von der empirisch ermittelten Standardrezeptur unter Konstanthaltung aller brigen Versuchsparameter die Spr hrate auf vier Niveaus zu variieren Die Masse an zugesetzter Binde mittell sung ist in allen Experimenten konstant Das bedeutet dass z B bei einer erh hten Spr hrate die Spr hphase entsprechend k rzer ist Als Be wertungskriterium fungiert hier die kritische Spr hrate Bei der Standardrezeptur werden 520 g Bindemittell sung mit einer Spr hra te von 25 g min zugef hrt Die kritische Spr hrate betr gt w hrend dieses Versuchs 15 2 g min Es werden folgende f nf Versuche durchgef hrt Tabelle 6 3 Versuchsdesign Be Verh ltnis Spr hrate Beeren zu kritischer C 8 0193 193 See 194 ne Van nr m da er 0196 196 ee 197 1 ea Die Ergebnisse der Massenbilanzierungsrechnung aller Versuche werden durc
327. ware in der graphischen Programmieroberfl che LabView entwickelt Auf einem Pentium II 166 MHz Rechner mit 80 MB Hauptspeicher und Microsoft Windows ME Betriebssystem installiert bietet diese Software eine Echtzeit berwachung der gesamten Anlage wie folgende Abbildung ver deutlicht Flu diagramm 100 0 Abluft Temperatur C Experiment Nr 0187 Abluftklappe Externer Temperaturf hler C FI Ablutt Feuchte g kg Umgebungsdruck kPal 97 01 Abluft Feuchte Abluft Temperatur Feuchte C 36 46 Abluft Absolutdruck kPa Druckluft Spr hluft PD Fiter2 dusk baf Spr hluft Pa 3 Ventil 2 7 3 Sequenz Zeit minl PD Filter 1 30 Pa al ala sis Volumenstrom _m3 h Heizleistung amp Produkt Temperatur I se Fa 7 Zuluft Temperatur C Spr hrate g min C i 25 0 Frischluft Temperatur Feuchte C S5pr hflissigkeits Gewicht g 2296 70 Frischluft Temperatur C 96 95 Frischluft Absolutdruck kPal Abbildung 5 8 Flu diagramm in LabView S mtliche Messwerte und Betriebsparameter der Anlage werden in 5 Sekun den Takten aufgezeichnet und am Ende eines Prozesses in ein Microsoft EXCEL 2000 Arbeitsblatt bertragen 5 5 TEMPERATURMESSUNGEN S mtliche Temperaturmessungen am GPCG erfolgen mit Widerstandsther mometern In eine biegsame d nnwandige Mantelleitung aus Edelstahl sind niederohmige Innenleitungsdr hte aus Kupfer in gepresstem feuerfestem Magn
328. werden Dazu m s sen die Stichproben des feuchten Sch ttgutes sofort nach ihrer Entnahme aus dem Granulationsansatz mit m glichst geringer mechanischer Bean spruchung auf einer ebenen Fl che ausgebreitet und getrocknet werden um die aktuelle Korngr e zu fixieren Es kann gezeigt werden dass das Granulatwachstum sehr schnell nach Beginn der Bindemittelzugabe einsetzt Nach etwa 10 Minuten f hrt weiteres Spr hen nur noch zu geringem Gr enzuwachs Die Abnahme von D v 0 5 im Verlauf der Trocknung be weist einen geringf gigen Abrieb w hrend dieser Phase 03 204 Das erhaltene Produkt weist als Ergebnis einer Siebanalyse folgende Partikel gr enverteilung auf ses 0 9 0 0045 0 8 0 004 0 0035 p a f 0 003 D 0 0025 0 002 Verteilungsdichte qz Verteilungssumme Q gt a i 0 0015 oO w f 0 2 0 001 0 1 0 0005 F 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Partikeldurchmesser um Abbildung 6 40 Partikelgr enverteilung des Standardgranulates Div 0 5 265 um 6 6 2 Friabilit t Schon der visuelle Eindruck des Granulats nach dem Ende der 30 min tigen Belastung im Turbula Mischer l sst nur geringen Abrieb erwarten Lediglich an der Glaswand des Mischgef es ist ein geringer Belag an Feinstaub zu erkennen Es werden folgende Messwerte erhalten Einwaage Standardgranulat u susses
329. werte x und im Leerbetrieb des GPCG Da die Richtigkeit der Messwerte des Frischluftfeuchtef hlers experi mentell bewiesen wurde wird im Fall einer systematischen Abweichung der Feuchtegehaltswerte untereinander der Kurvenverlauf von Xow durch eine Li neartransformation auf xin abgebildet Leertestung des GPCG Abluft una nl ill ny popi pgi nt nN WOA M MN Feuchtegehalt g kg N a N N r Frischluft 6 t H H H H t 1 00 00 00 00 10 00 00 20 00 00 30 00 00 40 00 00 50 00 01 00 00 01 10 00 01 20 00 01 30 00 01 40 00 01 50 00 02 00 00 02 10 00 Zeit seit Proze beginn h Abbildung 6 11 Ergebnis der Lineartransformation Der unterschiedliche Verlauf der Messwerte zu Beginn der Aufzeichnung liegt in verschiedenen quilibrierprozessen der Sensoren begr ndet Eine Mas senbilanzierung ist folglich erst nach dieser Zeit m glich Da jedem Granula tionsprozess eine thermische quilibrierphase der nicht bef llten Anlage vor angestellt ist wird die dargestellte Korrektur der Feuchtemesswerte jeweils am Ende dieser Phase f r jedes Experiment individuell realisiert 6 2 5 Str mungswiderst nde der Filter Der Differenzdruck zwischen Ober und Unterseite eines durchstr mten Fil ters h ngt von zwei Faktoren ab e Filterwiderstand je st rker die Filteroberfl che durch Partikeln belegt ist desto gr er wird der Differenzdruck e Str mungsgeschwindigkeit des Fluids je h her der Volumen
330. werterfassung und Datenauswertung 5 5 Temperaturmessungen 5 6 Messung der Zu und Abluftfeuchte 5 6 1 Messprinzip und Leistungsmerkmale der Feuchtesensoren 5 6 2 Einbauweise der Feuchtesensoren 5 6 3 Kalibrierung der Feuchtesensoren 5 6 4 Basislinienstabilit t 5 6 5 Zeitverhalten der Feuchtesensoren 5 6 6 Vergleichsmessungen mittels akustischem Feuchtesensor 5 6 7 Sonstige Vergleichsmessungen der Luftfeuchtigkeit 5 6 8 Messung der Feuchtigkeit an verschiedenen Positionen im Rohrquerschnitt 5 7 Messung des statischen Druckes 5 8 Messung des Volumenstromes 5 8 1 Leistungsmerkmale des Fl gelradanemometers 5 8 2 Ermittlung der Str mungsverh ltnisse 5 8 3 Ermittlung der Rohrwandreibung 5 8 3 1 quivalente Sandkornrauhigkeit und Rohrreibungszahl 5 8 3 2 Laminare Str mung 5 8 3 3 Turbulente Str mung 5 8 3 4 Str mungszustand an der Messstelle des Fl gelradanemometers 5 8 4 Messung der Geschwindigkeitsverteilung im Rohrquerschnitt 5 8 4 1 Versuchsdesign 5 8 4 2 Apparative Realisierung 5 8 4 3 Kalibrierung des Hitzedrahtsensors 5 8 4 4 Ergebnisse der Str mungsgeschwindigkeitsmessung 5 8 5 Bestimmung des Geschwindigkeitsverteilungsgesetzes 5 8 5 1 Potenzgesetz 5 8 5 2 Berechnung der mittleren Str mungsgeschwindigkeit 5 8 5 3 Universelle Geschwindigkeitsverteilung nach Reichardt 5 8 5 4 Statistische N herungsfunktion 5 8 5 5 Vergleich der gemessenen Str mungsprofile mit den Resultaten der Berechnungen 5 8 6 Bestimmung des Vo
331. y S Spr hrate g min A A3 A4 As As Ay As a 65 oO S 60 D 5 55 g 50 2 45 B c 40 5 35 o 30 25 en So S Pr p ga op 3 0 xe Uck 10 as ba gO 7 Se Abbildung 5 59 Response Surface des Medianwertes der mittleren Spr htropfengr e R 0 9989 Dimensionslose Koeffizienten 61 91 10 155 0 875 2 00347222 0 04494213 2 10270833 0 52215278 0 05428819 0 01333912 Erwartungsgem f hrt eine Erh hung des Spr hluftdrucks zu einer sehr viel feineren Dispergierung der Bindemittell sung die Spr htropfengr e nimmt also ab Eine Anhebung der Spr hrate bei konstantem Spr hluft druck f hrt zu geringf gig gr er werdenen Spr htropfen Wie Abbildung 5 59 verdeutlicht ist es mit der berechneten Response Surface m glich bei vor gegebenen Spr hbedingungen sehr pr zise die zu erwartende mittlere Spr h tropfengr e zu berechnen Trocknungsversuche 5 11 TROCKNUNGSVERSUCHE Gem des in der Arbeitshypothese vorgestellten Versuchsplans gilt es in einem ersten Arbeitsabschnitt den GPCG leer zu betreiben um das Schwan ken der Sensormesswerte unter konstanten Bedingungen zu quantifizieren Nur unter der Voraussetzung konstanter Basislinien ist sp ter eine Massen bilanzierung m glich 5 11 1 Leertestung der Anlage Die Spr hd se wird ausgebaut und deren Aufnahme mit einem Blindstopfen verschlossen Die Anlage wird bei automatischer Regelung des Volumen stroms au
332. ys there are several moisture measurement systems for wet granulators available However no measurement technique is universally suitable for all substances All of these systems require expensive calibrations The fluid bed granulator system is subdue to the water mass balance equa tion The mass of water inside the granulator at each point of time can be calculated as the sum of water contained inside the primary particles at the beginnig plus the mass of water transferred into the granulator with the fresh air and the compressed air plus the contingent from the spray liquid minus the mass of water at the outflow The goal of this thesis is to prove the following hypothesis It is technically possible to accurately calculate the mass of water in the fluid bed granulator system based on the measured values in the water mass balance equation Thus evaluating the entire process of the granulation cycle In addition the agglomeration tendencies of primary particles depending on the moisture content were to be characterized Finally the prerequisites for control systems and simulations of fluidized bed granulation processes needed to be estab lished The granulation experiments are performed using a laboratory scale Glatt Powder Coater Granulator GPCG 1 1 Glatt GmbH Binzen Germany The machine operates with the top spray methode The dimension of the granula tor allows the handling of product batches up to a volume of 5 litres As a result
333. zu deut lichen St rungen der Messergebnisse 55 2 Stand der Wissenschaft 56 Von der Firma GLATT wird ein auf der Reflexion mikrowellen hnlicher Strah lung im Bereich um 0 5 GHz basierendes Messsystem unter der Bezeichnung OPM Feuchtigkeitsmesser vertrieben Aufgrund des Messprinzips weist die ser Messumformer den systemimmanenten Nachteil der Notwendigkeit einer produktspezifischen Kalibrierung auf 2 11 5 Volumenstrom Die meisten WSG Anlagen werden heutzutage mit Sensoren ausgestattet die die Str mungsgeschwindigkeit des Fluids messen Dabei finden Pitot Staurohre h ufig Anwendung Es finden sich jedoch in der Literatur keinerlei Hinweise zu einer geeigneten Kalibrierung dieser Sensoren Meist wird der Volumenstrom f lschlicherweise mittels der in der Mitte des Luft f hrenden Rohres gemessenen Str mungsgeschwindigkeit und dessen Querschnittsfla che hochgerechnet Alternativ werden Messungen mit unged mpften Fl gel rad Anemometern durchgef hrt Dabei wird hingenommen dass aufgrund turbulenter Str mungsverh ltnisse tendentiell zu hohe Luftdurchsatzwerte ermittelt werden 8 2 11 6 Partikelgr e Als derzeit einzige Online Methode zur Bestimmung der Partikelgr envertei lung im laufenden Granulationsbetrieb ist ein besonderes optisches Verfah ren entwickelt worden Die von einer CCD Kamera ber Lichtleiter aufgenommenen Bilder des Sch ttgutes im Granulationsbeh lter werden von einer spezi

MASSENBILANZIERUNG EINER

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