Trocknungsverfahren

Beim Trocknen wird dem Gut Wasser entzogen, das auf verschiedene Weisen am Gut gebunden vorliegen kann. Je nach Bindung des Wassers unterscheidet man:

• adsorbiertes Wasser: geringe Haftkraft, befindet sich auf Oberflächen von Stoffen.
• absorbiertes Wasser: Quellungswasser mit geringer Bindungsstärke; leicht zu entfernen; z.B. Wasser in gequollener Gelatine.
• Haftwasser: auf Oberflächen und in Hohlräumen; ungebunden, frei beweglich; hat den gleichen Dampfdruck wie ungebundenes Wasser.
• kapillar-kondensiertes Wasser: bis in Mikrokapillaren (Radius ≤ 0,1 µm) gebundenes Wasser; schwer zu entfernen; Vorkommen u.a. im Kieselgel.
• Hydratwasser: Strukturelement in Kristallgittern (Hydraten); nur bei hohen Temperaturen unter Verlust der Kristallstruktur zu entfernen.

Die treibende Kraft der Trocknung ist der Dampfdruck des zu entfernenden Wassers, also der Druck, der sich in einem thermodynamischen Gleichgewicht einstellen würde. Wasser kann das Produkt nur verlassen, wenn der Dampfdruck den Umgebungsdruck unterschreitet. Dies kann durch Erwärmung des Trocknungsgutes, durch Verringerung des Umgebungsdruckes oder einer Kombination aus beidem erfolgen.

Die mathematische Beschreibung erfolgt über die Clausius-Clapeyron-Gleichung, die aussagt, dass der Phasenübergang von flüssig nach fest abhängig von der Druck- und Temperaturdifferenz sowie der Verdampfungsenthalpie ist.

Die Entfernung des Wassers aus dem Produkt stellt den ersten Schritt der Trocknung dar. Der zweite Schritt ist der Abtransport des Wassers. Würde dieser Abtransport nicht stattfinden, würde sich der Umgebungsdruck dem Dampfdruck angleichen, sodass die Trocknung zum Stillstand käme.

Die benötigte Luftmenge zur Trocknung eines Gutes lässt sich anhand des Mollier-Diagramms ermitteln.

Die Trocknung endet mit einem Gleichgewichtswassergehalt, der von den Stoffeigenschaften des Gutes abhängt. Hygroskopische Güter beispielsweise lassen sich nicht auf 0 % Restfeuchte trocknen.

Bei der Trocknung trocknet ein Stoff von außen nach innen. Die Trocknungsgeschwindigkeit nimmt im Laufe des Prozesses ab, da sich die Oberfläche des Wassers verkleinert und das stärker gebundene Wasser entfernt werden muss, welches sich zudem in Poren und Kapillaren befindet.

In Analogie zum Modell nach Noyes-Whitney lassen sich eine ruhende und eine turbulente Schicht über der Feststoffoberfläche unterscheiden. Damit die Wärme das Wasser im Produkt erreichen kann, muss sie diese durchqueren. In der ruhenden Schicht erfolgt die Wärmeübertragung mittels Konduktion, in der turbulenten Schicht über Konvektion. Hat die Wärme das Gut erreicht, geht verdunstetes Wasser erst in die ruhende Schicht über, dann in die turbulente Schicht.

Für die Beschreibung werden die Begriffe Wärmeübertragung (Wärme wird auf das Gut übertragen) und Feuchteübergang (das in die ruhende Schicht übergegangene Wasser wird in die turbulente Schicht übertragen) verwendet.

Es können zwei Phasen der Trocknung unterschieden werden, die sich in ihrer Trocknungsgeschwindigkeit unterscheiden:

Phase der konstanten Trocknungsgeschwindigkeit

In dieser Phase wird oberflächlich gebundenes Wasser entfernt. Mathematisch verhält sich das Trocknungsgut wie eine Flüssigkeit; Eigenschaften des Trockengutes sind also irrelevant.

Die Wärmeübertragung auf das Gut lässt sich mit dem Fourier'schen Gesetz beschreiben, der Feuchteübergang mit dem Fick'schen Gesetz. Hieraus folgt, dass die Trocknungsgeschwindigkeit über folgende Parameter erhöht werden kann:

• erhöhte Luftumwälzung: verringert die Dicke der ruhenden Schicht und erleichtert somit den Feuchteübergang
• geringe relative Feuchte der Umgebungsluft
• hohe Temperatur der Trocknungsluft

Phase der abfallenden Trocknungsgeschwindigkeit

In dieser Phase nimmt die Trocknungsgeschwindigkeit stetig ab, da im Innern des Festkörper gebundenes Wasser entfernt wird. Zusätzlich zu der ruhenden und der turbulenten Schicht muss noch der Feststoff betrachtet werden: Im Feststoff erfolgt die Wärmeübertragung rasch, die Feuchteabgabe jedoch langsam. Im Unterschied zur Phase der konstanten Trocknungsgeschwindigkeit spielen die Feststoffeigenschaften für die Trocknung eine Rolle: Je poröser er ist, umso schneller erfolgt die Trocknung.

Um die Trocknungsgeschwindigkeit zu maximieren, sollten folgende Parameter optimiert werden:

• Kontaktfläche zwischen Trockengut und Trocknungsluft: Pulver sollten glatt gestrichen und nicht als loses Haufwerk getrocknet werden.
• Temperaturdifferenz: sollte möglichst groß sein.
• Schichtdicke: sollte möglichst klein sein.

Chemische Trocknung

Das Wasser wird bei der chemischen Trocknung durch eine chemische Reaktion entzogen. Es ist mit dieser Methode grundsätzlich möglich, 0 % Restfeuchte zu erreichen. Eingesetzt werden können folgende Stoffe:

Physikalische Trocknung

Kolloidale Kieselsäure

Genutzt wird mit Schwefelsäure aus Wasserglas gefälltes, amorphes SiO₂, welches sehr porös ist. Die Oberfläche, auch innerhalb der Poren, ist glatt und gleichmäßig.

In den Poren befinden sich viele Silanol-Gruppen, die das Wasser über Wasserstoffbrücken halten. Eine Restfeuchte von etwa 5 % ist erreichbar. Der Partialdruck des gebundenen Wassers ist hierfür verwantwortlich.

Molekularsiebe

Molekularsiebe bestehen aus Zeolithen. Dabei handelt es sich um Na-, K-, Ca- oder Al-Silikate, die durch Fällung hergstellt werden. Sie sind ebenfalls porös. Die Größe der Poren wird durch die gewählten Ionen beeinflusst und je nach zu entfernender Flüssigkeit ausgewählt: Für Wasser wählt man Poren in der Größenordnung von 3 Angström, für Ethanol 10 Angström.

Mechanische Trocknung

Bei stark wasserhaltigen Gütern kann Wasser durch Auspressen entfernt werden, um sehr lose gebundenes Wasser zu entfernen. Dies dient jedoch lediglich einer Vortrocknung, da geringe Restfeuchten nicht erreicht werden können.

Thermische Verfahren

Thermische Verfahren trocknen durch die Anwendung von Wärme. Man unterscheidet zwischen:

• Schranktrocknung: Die Trocknung erfolgt per Konvektion in einem Trockenschrank durch einen beheizten Luftstrom.
• Vakuumtrocknung: Die Trocknung findet im Vakuum, also bei sehr niedrigem Umgebungsdruck statt. Die Differenz zwischen Umgebungs- und Dampfdruck ist sehr groß, sodass geringere Temperaturen angewandt werden können.
• Walzentrocknung: Flüssige, brei- und pastenartige Güter werden über beheizte Walzen mit Wärme und Druck getrocknet; eignet sich gut z.B. für Trockenextrakte.
• Infrarottrocknung: Durch die Wärmeentwicklung mittels Infrarotstrahlen mit über 800 nm Wellenlänge wird das Wasser verdampft. Zur Trocknung größerer Mengen ist dieses Verfahren nicht geeignet.
• Mikrowellentrocknung: Bei 500 µm bis 30 cm Wellenlänge (Mikrowellen) werden hierbei die Wassermoleküle in Schwingung versetzt und erzeugen dadurch Wärme. Im Großmaßstab werden per Konvention die Frequenzen 915 und 2.450 Mhz verwendet. Dieses Verfahren wird oft mit einem Vakuum kombiniert, um es zu beschleunigen. Vorteil ist, dass die Wärme direkt im Produkt entsteht.
• Sprühtrocknung: Dieses Verfahren dient der Trocknung flüssiger Produkte. Die Flüssigkeit wird in einem Prozessraum über Düsen fein zerstäubt. Im Luftstrom der Trocknungsluft werden die gebildeten Tropfen rasch getrocknet.
• Wirbelchichttrocknung: In Wirbelschichttrocknern erfolgt die Trocknung in einer Wirbelschicht, die mit warmer Luft erzeugt wird. Vorteil ist eine effiziente Trocknung; nachteilig sind die hohen Kosten.
• Gefriertrocknung: Die Gefriertrocknung dient der Trocknung von hitzeempfindlichen Produkten wie zum Beispiel Proteinlösungen. Die Lösung wird eingefroren und dann erwärmt, sodass das gefrorene Wasser per Sublimation entfernt wird.

• Ingfried Zimmermann: Pharmazeutische Technologie. Industrielle Herstellung und Entwicklung von Arzneimitteln. 1. Auflage, Berlin, 1998
• Bauer, Frömmig, Führer: Pharmazeutische Technologie. Mit Einführung in die Biopharmazie. 10. Auflage, Stuttgart 2017