Feststoffe

Als Feststoff bezeichnet man einen Aggregatzustand, bei dem die Moleküle oder Atome in einem festen Gitter oder amorphen Verband angeordnet sind. Im technischen Kontext - insbesondere bei der Verarbeitung von Pulvern - sind Feststoffe jedoch selten homogen. Sie liegen meistens als Mehrphasensysteme vor.

Pulverförmige Feststoffe bilden so genannte disperse Haufwerke, d.h. Ansammlungen von unregelmäßig geformten Partikeln mit unterschiedlichen Partikelgrößen. Zwischen diesen Partikeln existieren zwangsläufig Hohlräume, die typischerweise mit Umgebungsluft gefüllt sind. Solche Dispersionen sind also zweiphasig (Feststoff + Gas). Ist zusätzlich eine Flüssigkeit vorhanden, z.B. durch Wasseradsorption oder durch hygroskopische Eigenschaften der Partikel, liegt sogar ein Dreiphasensystem (Feststoff + Flüssigkeit + Gas) vor.

Die geometrische Anordnung und Dichte dieser Haufen wird durch die sogenannte Packungsdichte beschrieben, die je nach Partikelform, -größe und -verteilung sehr unterschiedlich sein kann. Die Porosität eines Pulvers ist mathematisch beschreibbar und entscheidend für viele verfahrenstechnische Parameter - z.B. für das Fließverhalten, die Mischbarkeit, die Trocknung oder die Löslichkeit.

ϕ : Packungsdichte

V_Solid :Volumen des Feststoffs

V_total : Volumen der Pulvermischung

ε : Porosität

Einige industrielle Anwendungen nutzen gezielt die Gasphase in pulverförmigen Feststoffen:

Beispielsweise wird bei der Herstellung von langzeitstabiler Babynahrung oder probiotischen Pulvern die Umgebungsluft aus der Verpackung evakuiert und durch ein Schutzgasgemisch - meist Stickstoff und Kohlendioxid - ersetzt. Dieses Gasgemisch reduziert Oxidationsreaktionen und schützt die Verpackung bei Temperaturschwankungen. Der Wärmeausdehnungskoeffizient ähnelt dann der Umgebungsluft.

Pulverförmige Feststoffkonzentrate bieten viele Vorteile gegenüber Flüssigkeitenen:

• höhere Wirkstoffkonzentration pro Volumen
• geringeres Verpackungsvolumen
• deutlich verbesserte Lagerstabilität

Gleichzeitig stellt die Verarbeitung von Feststoffen hohe Anforderungen an die Verfahrenstechnik. Das Mischen von Pulvern ist wesentlich komplexer als das Mischen von Flüssigkeiten, da u.a. folgende Aspekte berücksichtigt werden müssen

• Abrasion
• Fließverhalten
• Risiko der Klumpenbildung
• Entmischungstendenzen bei Dichteunterschieden
• Hygienische Probleme durch Staubbildung

Anmerkung

Bei der Entwicklung von Pulverkonzentraten liegt der Schwerpunkt auf der leichten Benetzung und Auflösung.

Einige Pulverkonzentrate zeigen ein schwieriges Benetzungs- und Dispergierverhalten. Feine Gasblasen können mit eingebracht werden. Dies kann zu unerwünschter Schaumbildung führen. Insbesondere bei viskosen Flüssigkeiten oder hydrophoben Pulveroberflächen neigen die Blasen dazu, auch bei angelegtem Vakuum stabil im System zu verbleiben. Um diese Effekte zu kompensieren, werden in der Praxis verschiedene High-Shear-Rotor-Stator-Systeme eingesetzt.

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