High Shear oder Wirbelschicht: welches Verfahren passt

Beide Verfahren befeuchten Pulver mit einem Bindemittel und formen daraus Granulat. Sie tun das auf entgegengesetzte Weise, und das entstehende Granulat ist nicht austauschbar.

Kurz gefasst: High Shear presst Partikel mit Kraft zusammen, die Wirbelschicht lässt sie in der Schwebe zusammenfinden. Dichte, Verpressbarkeit, Zykluszeit und der erforderliche Aufwand an Prozessführung folgen daraus.

Wie beide ein Granulatkorn aufbauen

High Shear. Das Pulver liegt in einem geschlossenen Behälter. Ein Mischwerkzeug am Boden bewegt die Masse, während Bindemittel eingesprüht wird. Im Verlauf der Befeuchtung schert und presst das Mischwerkzeug die feuchte Masse und verdichtet die Partikel zu dichten Agglomeraten. Ein schnell laufender seitlicher Zerhacker zerteilt Agglomerate, damit sie nicht über die Zielgröße hinauswachsen. Das Granulatwachstum entsteht durch mechanische Arbeit.

Wirbelschicht. Das Pulver schwebt in einem aufsteigenden Luftstrom. Eine Düse über dem Bett sprüht Bindemittel auf die fluidisierten Partikel. Tropfen verbinden Partikel dort, wo sie sich berühren, und die fortgesetzte Fluidisierung trocknet diese Brücken an Ort und Stelle. Das Granulatwachstum entsteht durch auftreffende und verfestigende Tropfen, ganz ohne mechanische Verdichtung.

Das ist der gesamte Unterschied. Alles Weitere ist seine Folge.

Der Vergleich

Dichte gegen Verpressbarkeit

Dieser Zielkonflikt entscheidet die meisten Auswahlen.

Wirbelschichtgranulat ist porös. Unter Presskraft brechen die Poren ein, das Material verformt sich und verhakt sich, sodass Tabletten bei geringerer Presskraft entstehen. Wo ein Wirkstoff sich schlecht verpressen lässt, ist dieser Spielraum wertvoll — die Zielhärte lässt sich erreichen, ohne so stark zu pressen, dass die Tablette Deckel abwirft oder sich laminiert.

High-Shear-Granulat ist dicht. Es widersteht der Verformung, sodass für dieselbe Härte mehr Kraft nötig ist. Im Gegenzug bringt es Masse in ein festes Volumen: Eine Matrize gegebener Abmessungen nimmt mehr Material auf, was bei hohem Wirkstoffgehalt zählt, und dichteres Granulat neigt weniger zur Entmischung, was der Gleichförmigkeit des Gehalts hilft.

Keines ist besser. Ein schlecht verpressbarer Wirkstoff spricht für die Wirbelschicht. Ein hoher Wirkstoffgehalt in einer kleinen Tablette spricht für High Shear.

Zykluszeit, ehrlich gerechnet

Die High-Shear-Granulierung gilt als das schnelle Verfahren, und für den Granulierschritt stimmt das: Minuten gegen Dutzende Minuten.

High-Shear-Granulat verlässt den Behälter jedoch feucht. Es muss in einen Trockner umgefüllt, getrocknet und häufig anschließend gemahlen werden. Ein Wirbelschichtgranulator trocknet in derselben Kammer, ganz ohne Umfüllen.

Rechnet man durchgehend — vom Einfüllen des Pulvers bis zum verpressfertigen Granulat —, schrumpft der Abstand auf die Frage, welcher Trockner neben dem Granulator steht. Der Vergleich allein des Granulierschritts führt in die Irre.

Prozessführung

Die Wirbelschichtgranulierung verzeiht. Das Granulat wächst während der Sprühphase allmählich. Der Prozess lässt sich im Lauf beproben, und Sprührate oder Lufttemperatur lassen sich nachstellen. Zu halten ist vor allem das Gleichgewicht zwischen Sprührate und Trocknungsrate — wird zu schnell gesprüht, übernässt das Bett und bricht zusammen; wird zu stark getrocknet, wächst das Granulat nicht.

Die High-Shear-Granulierung verzeiht nicht. Der Endpunkt, an dem das Granulat Zielgröße und -dichte erreicht, kann in weniger als einer Minute überschritten sein. Danach verdichtet sich die Masse weiter zu einer Paste, die nicht mehr in brauchbares Granulat zerfällt. In der Produktion wird deshalb die Leistungsaufnahme oder das Drehmoment des Mischerantriebs verfolgt — beide steigen messbar mit dem Aufbau der feuchten Masse — und auf dieses Signal hin abgebrochen, nicht nach Uhrzeit.

Schwierig ist keines von beiden. Aber High Shear erfordert einen überwachten Endpunkt, und diese Anforderung gehört von Anfang an in die Spezifikation und nicht erst nach der ersten übergranulierten Charge.

Scherempfindlichkeit

Manche Materialien vertragen keine mechanische Beanspruchung. Spröde Kristalle brechen unter einem Mischwerkzeug. Einzelne Wirkstoffe ändern unter der Kombination aus Scherung und Feuchte ihre polymorphe Form. Beschichtete Partikel, die bis in die Tablette erhalten bleiben sollen, überstehen einen High-Shear-Behälter nicht.

Die Wirbelschichtgranulierung bringt nahezu keine mechanische Belastung ein — die Partikel werden in Luft getragen und berühren einander schonend. Wo Scherung ein bekanntes Risiko ist, kann das allein die Verfahrenswahl entscheiden.

Scale-up

Beide skalieren, aber unterschiedlich.

High Shear skaliert über die Umfangsgeschwindigkeit an der Werkzeugspitze, nicht über die Wellendrehzahl. Ein größeres Mischwerkzeug erreicht dieselbe Umfangsgeschwindigkeit bei niedrigerer Drehzahl — deshalb läuft ein 10-l-Behälter mit 600 U/min und ein 600-l-Behälter mit 120 U/min. Die Drehzahl über die Baugrößen hinweg konstant zu halten, ist ein verbreiteter und teurer Scale-up-Fehler.

Die Wirbelschicht skaliert über die Luftmenge je Querschnittsfläche des Betts, zusammen mit der Sprührate je Trocknungsleistung. Die Düsenanzahl ändert sich üblicherweise mit der Baugröße, sodass sich das Sprühbild nicht einfach vervielfachen lässt.

Keines überträgt sich durch proportionales Rechnen. Planen Sie Versuche in jeder Baugröße ein.

Die Wahl

High Shear wählen, wenn

• der Wirkstoffgehalt hoch ist und wenig Raum für Hilfsstoffe bleibt
• die Schüttdichte zählt — für die Matrizenfüllung, die Gleichförmigkeit des Gehalts oder gegen Entmischung
• die Granulierzykluszeit den Durchsatz bestimmt und ein Trockner bereits vorhanden ist
• die Rezeptur mechanische Beanspruchung verträgt

Wirbelschicht wählen, wenn

• der Wirkstoff sich schlecht verpressen lässt und Spielraum bei der Verpressbarkeit nötig ist
• das Material scherempfindlich ist
• das Zusammenfassen von Granulieren und Trocknen in einer Maschine die Linie oder den Reinraum vereinfacht
• Staubrückhaltung zählt und weniger Umfüllschritte ein Vorteil sind

Keines von beiden wählen, wenn

• der Wirkstoff hydrolysiert, beim Trocknen zerfällt oder bei Befeuchtung seine Form ändert. Dann führt der Weg über die Trockengranulierung durch Walzenkompaktierung, die ohne Flüssigkeit und ohne Wärme arbeitet. Die Stabilität wiegt schwerer als jeder Vorteil der Nassverfahren.

Was in der Praxis entscheidet

Nach unserer Erfahrung läuft die Auswahl meist auf drei Fragen hinaus, in dieser Reihenfolge:

1. Lässt sich die Rezeptur überhaupt befeuchten und trocknen? Wenn nicht, scheiden die Nassverfahren unabhängig von ihren Vorzügen aus.
2. Lässt sich der Wirkstoff gut verpressen? Schlechte Verpressbarkeit spricht für die Wirbelschicht.
3. Wie hoch ist der Wirkstoffgehalt in der Tablette? Ein hoher Gehalt spricht für High Shear.

Alles Weitere — Zykluszeit, Stellfläche, Anzahl der Maschinen — ist von Bedeutung, überwiegt diese drei aber selten.

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