Sowohl Das BRACE Mikrokugelverfahren als auch das LNF-Verfahren sind etablierte industrielle Standardverfahren zur Umwandlung von Flüssigkeiten in gefrorene Partikel. Allerdings bestehen erhebliche Unterschiede zwischen den beiden Verfahren, insbesondere hinsichtlich der Produktqualität, der Tropfenerzeugung, der Erstarrung, der Partikelsammlung sowie des Energieaufwands.

Das BRACE Mikrokugelverfahren basiert auf einer patentierten Technologie mit vibrierender Düse (Jetting mittels Vibrationsdüse), die eine präzise Steuerung der Tropfenbildung bei hohen Durchsatzraten ermöglicht.

Die erzeugten Tropfen werden im Rahmen des Instant-Verfahrens mittels Kaltgas verfestigt. Als Kühlmedium kommt dabei entweder flüssiger Stickstoff zum Einsatz oder – sofern flüssiger Stickstoff nicht ohne Weiteres verfügbar ist – eine industrielle Kompressionskälteanlage.

Mit diesem Verfahren wird eine enge monomodale Partikelgrößenverteilung mit sehr gleichmäßig geformten, kugelförmigen Partikeln erzielt. Die Partikel werden am Ende des Prozesses automatisch und kontinuierlich gesammelt und können anschließend weiteren Verarbeitungsschritten, wie der Gefriertrocknung oder der Verpackung, zugeführt werden.

Das Verfahren eignet sich für eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien mit niedriger bis hoher Viskosität. Auch Mischungen sowie Emulsionen und Suspensionen mit hohen Feststoffgehalten von 60 % und mehr lassen sich problemlos verarbeiten.

Darüber hinaus kann der Prozess durch die Möglichkeit der einfachen Herstellung echter Kern-Schale-Mikrokapseln erweitert werden. Dadurch lässt sich eine völlig neue Klasse verkapselter Materialien herstellen.

Typische Anwendungsgebiete sind mikrobiologische Suspensionen, Instantprodukte - wie Kaffee, Tee, Milch, Säfte -, Lebensmittelzusatzstoffe, Futtermittelzusätze, Kosmetika und pharmazeutische Produkte. Weitere Einsatzbereiche umfassen Metalle, Filter, Katalysatoren sowie andere Hightech-Anwendungen.

Das LNF-Verfahren ist eine Weiterentwicklung des historischen Schwerkraft-Vertropfungsverfahren, das in zahlreichen Anwendungen eingesetzt werden – von Prilltürmen zur Herstellung von Metall- und Chemiegranulaten bis hin zu neueren Anwendungsbereichen.

Bei diesen Verfahren ist der Durchsatz der Flüssigkeit gering. Die Tropfenbildung erfolgt langsam und im Wesentlichen durch Oberflächenspannungskräfte, wobei nur eine geringe Kontrolle über die Tropfengröße besteht.

Die entstehenden Tropfen werden in einem Behälter in einem Flüssigstickstoffbad aufgefangen. Von dort werden sie mithilfe einer Förderschnecke und rotierenden Zellenradschleusen zur weiteren Verarbeitung transportiert.

Aufgrund der verfahrenstechnischen Eigenschaften ist die Kapazität der Anlagen begrenzt.

Diese Verfahren eignen sich vorzugsweise für Lösungen sowie Suspensionen mit niedrigem Feststoffgehalt und mittlerer Viskosität. Hochviskose Materialien, beispielsweise Formulierungen mit hohem Zucker- oder Fettgehalt, müssen vor der Verarbeitung verdünnt werden. Dies führt zu einer Verringerung der Energieeffizienz des Gesamtprozesses.

Verfahrensvergleich

Das BRACE Mikrokugelverfahren

Das BRACE Vertropfungsverfahren ermöglichen eine präzise Kontrolle des Partikeldurchmessers und die Herstellung sehr gleichmäßig geformter, kugelförmiger Partikel. Sehr kleine Partikel („Satelliten“) oder Agglomerate treten dabei typischerweise nicht auf.

Da die Tropfen in der Phase des freien Falls verfestigt werden, kommt es während des Prozesses weder zu einer Koaleszenz noch zu einer Agglomeration. Die Partikel kommen erst dann miteinander in Kontakt, wenn sie bereits vollständig verfestigt sind. Eine nachträgliche Siebung am Ende des Prozesses ist daher aus technischer Sicht nicht erforderlich.

Mit der präzise einstellbaren Partikelgröße, kann der gewünschte Durchmesser innerhalb eines Bereichs von ca. 50 µm bis über 5 mm frei gewählt und rein durch Anpassung der Prozessparameter gezielt eingestellt werden.

LNF-Verfahren

Bei den historisch etablierten Schwerkraft-Vertropfungsverfahren werden die Tropfen durch die Schwerkraft und ihr Eigengewicht gebildet und fallen anschließend in ein Flüssigstickstoffbad.

Dabei führt nicht nur der harte Flüssigkeit-auf-Flüssigkeit-Aufprall auf der Oberfläche des Flüssigstickstoffbads zur Verformung der Partikel, sondern auch der erhebliche Temperaturunterschied zwischen den Tropfen und dem flüssigen Stickstoff.

Durch den sogenannten Leidenfrost-Effekt bildet sich eine turbulente Dampfschicht um die Tropfen. Diese wirkt als thermische Isolationsschicht mit geringer Wärmeübertragung, wodurch die Verfestigung der Tropfen deutlich verlangsamt wird. Während dieses Vorgangs verändert sich die Form der Tropfen kontinuierlich.

Aufgrund der turbulenten Prozessbedingungen kommt es häufig und in kurzer Zeit zu Koagulation und Agglomeration.

Einsatzstoffe mit niedriger Viskosität neigen dazu, beim Auftreffen auf das Flüssigstickstoffbad unkontrolliert zu zerfallen und sich in Partikel unterschiedlicher Größe aufzuspalten. Höherviskose Einsatzstoffe hingegen neigen zur Bildung von Fäden bzw. strangförmigen Strukturen.

Regelmäßig geformte, kugelförmige Partikel bilden daher lediglich eine Teilfraktion des insgesamt entstehenden Produkts, das eine Vielzahl unterschiedlicher Partikelformen und -größen aufweist.

Der in der Literatur angegebene erreichbare Partikelgrößenbereich liegt bei ca. 2–4 mm. Dieser Wert berücksichtigt jedoch nicht die häufig auftretende Zerstörung der Partikel oder deren Agglomeration.

Eine nachträgliche Siebung des Produkts am Ende des Prozesses ist daher zwingend erforderlich.

Das BRACE Mikrokugelverfahren

Die Verfestigung der Partikel in einem Kühlturm gewährleistet nicht nur eine definierte Verfestigungszeit unter stets gleichbleibenden Prozessbedingungen, sondern führt auch zu einer sehr engen Partikelgrößenverteilung ohne Feinanteile oder Agglomerate. Dadurch lassen sich sowohl die Befüllung von Gefriertrocknungsschalen (Tray Filling) als auch eine vollständig kontinuierliche Gefriertrocknung einfach und wirtschaftlich realisieren.

Da Form und Größe der Partikel genau definiert sind, kann die Dauer des Gefriertrocknungsprozesses gezielt verkürzt werden. Darüber hinaus lassen sich im Rahmen dieses optimierten Trocknungsprozesses weitere Partikeleigenschaften wie Härte, Porosität und Farbe gezielt beeinflussen und kontrollieren.

Im Vergleich zur Gefriertrocknung in Schalen, die mit flüssigem Produkt befüllt werden, können die Kosten der Gefriertrocknung um bis zu 50 % reduziert werden.

LNF Verfahren

Bei diesem Verfahren entstehen die Partikel in einem Flüssigstickstoffbad, aus dem sie anschließend mechanisch, beispielsweise mithilfe einer Förderschnecke, entfernt werden müssen.

Insbesondere Feinanteile und größere Agglomerate, die bei diesem Verfahren naturgemäß entstehen, lassen sich nur schwer aus dem Flüssigstickstoffbad entfernen. Mit der Zeit sammeln sie sich am Boden des Behälters an und bilden dort eine Art Ablagerungsschicht („Sumpf“).

Die Verweilzeit der Partikel im Kühlbad wird durch den Flüssigkeitsstand und die Durchflussrate beeinflusst, wodurch eine präzise Prozesssteuerung erschwert wird. Unterschiedliche Dauer der Schnellgefrierphase kann zu uneinheitlichen internen Eiskristallstrukturen der Partikel und damit zu Schwankungen der Produktqualität zwischen einzelnen Chargen führen.

Aufgrund der bei diesem Verfahren entstehenden Agglomerate und Feinanteile ist auch die anschließende Gefriertrocknung deutlich schwieriger zu steuern.

Da die maximale Größe der Agglomerate nicht bekannt ist, muss der Trocknungsprozess über einen längeren Zeitraum durchgeführt werden und kann zudem von Charge zu Charge variieren.

Insbesondere die Gefriertrocknung von Materialien mit hohem Zuckergehalt wird dadurch schwer steuerbar und unwirtschaftlich.

Weitere Vorteile

Das BRACE Mikrokugelverfahren

Diese Verfahren bieten weit mehr Möglichkeiten als die reine Herstellung kugelförmiger Partikel. Das umfassende Leistungspaket beinhaltet eine integrierte Gesamtlösung, die Anlagentechnik, Formulierungsentwicklung, Prozessentwicklung sowie Pilotversuche und Scale-up umfasst.

Darüber hinaus stehen individuell anpassbare Prozesslösungen für die Verkapselung zur Verfügung, mit denen insbesondere die Bildung von Oberflächenkrusten und die Verstopfung von Poren bei Materialien mit hohem Feststoffgehalt gezielt adressiert werden können.

Da die Technologie die unkomplizierte Herstellung echter Kern-Schale-Mikrokapseln auf derselben Anlage ermöglicht, eröffnet sie einfache und flexible Möglichkeiten zur Entwicklung völlig neuer und bislang unbekannter Produkte – Produkte, deren Potenzial und Marktnachfrage heute noch gar nicht absehbar sind!

Kostenvergleich

Der BRACE-Mikrokugelverfahren nutzt einen tiefkalten Freifallkühlturm, der durch direkte Kopplung keine Verdampfungsverluste – bei Verwendung von Flüssigstickstoff – verursacht. Es ist somit eine äusserst effektive Nutzung des Flüssigstickstoffs möglich, was zu einem Referenzverbrauch von etwa 1,2 kg pro kg Nassprodukt führt.

Bei einem vorübergehenden Anlagenstillstand wird nur wenig oder gar kein zusätzlicher Flüssigstickstoff benötigt, um den kryogenen Betriebszustand aufrechtzuerhalten.

Table 1 BRACE Microsphere Process Throughput and Liquid Nitrogen Consumption

Model	Capacity kg/h	Size	Liquid nitrogen use kg/h
Spherisator M2 Lab	50	Ø400	~100
Spherisator M2 Pro	200	Ø690	~380
Pilot Unit	500	Ø1000	~750
Production Unit	2000	Ø1400	~2400

LNF Verfahren

Der LNF-Prozess verwendet ein offenes Flüssigstickstoffbad, in dem der Stickstoff kontinuierlich siedet und verdampft. Um einen stabilen Flüssigkeitsstand und eine konstant niedrige Temperatur aufrechtzuerhalten, muss kontinuierlich Flüssigstickstoff nachgefüllt werden. Dies führt zu einem entsprechend höheren Verbrauch im Betrieb.

Table 2 LNF Series Throughput and Liquid Nitrogen Consumption

Model	Capacity kg/h	Size	Liquid nitrogen use kg/h
LNF-100	100	Ø500	400
LNF-220	220	Ø640	900
LNF-500	500	Ø900	2000

Flüssigstickstoffverbrauch und Äquvivalenzdurchsatz

Bei 500kg/h Anlagendurchsatz beträgt der Verbrauch an Flüssigstoff beim LNF-Verfahren 4,0 kg pro kg, demgegenüber 1,2 kg pro kg beim BRACE Verfahren.

Table 3 Liquid Nitrogen Consumption at Equal Wet Feed Throughput

Parameter	BRACE Fusion	LNF-500
Wet feed throughput kg/h	500	500
Specific liquid nitrogen use kg/kg wet feed	Approx. 1.2	4
Liquid nitrogen use kg/h	Approx. 600	2000
Liquid nitrogen savings kg/h	Approx. 1400	—
Liquid nitrogen use reduction	Approx. 70%	—

Anmerkung: Die angegebene Reduzierung des Flüssigstickstoffverbrauchs um ca. 70 % bezieht sich ausschließlich auf die genannten Referenzbetriebsbedingungen. Sie stellt keine Reduzierung des Energieverbrauchs der gesamten Produktionslinie dar.