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28 Life Science Technologies Forschung Ob die in der Theorie ermittelten Thesen auch in die Praxis übertragbar sind, testet das Wissenschaftler-Team um Professor Heinrich in diesem Wirbelschicht- Apparat im Labor des Instituts. Durch das Fenster lässt sich der Prozess genau beobachten, bei dem sich Feststoffe durch das eingeführte Gas in ihrer Form verändern und dabei auch neue Eigenschaften annehmen.
Forschung Life Science Technologies 29 Mit der Wirbelschicht zum nachhaltigen Produkt – und einer Weltneuheit Hinter vielen Alltagsprodukten sowie Medikamenten stecken komplexe Herstellungsverfahren – zum Beispiel die Wirbelschichttechnik. Experte dafür ist Professor Stefan Heinrich. Der Magdeburger hält ein Patent auf Instantkaffee und forscht an der TUHH in seinem DFG-Schwerpunktprogramm sowie auch in einem TUHH-Sonderforschungsbereich an einer nachhaltigen Weiterentwicklung der Wirbelschichttechnik – mit Erfolg. Die Strahlschichttechnik als neue Variante des bewährten Verfahrens ist eine Weltneuheit – und auf dem Weg zum Patent. Es geht um Kaffee. Um dieses schwarze, anregende Getränk, das die Türken im 16. Jahrhundert aus Arabien nach Europa brachten. Heute ist der Muntermacher ein Modegetränk, das zu jeder Tageszeit in Kaffeebars und Cafés, am Schreibtisch und sogar auf der Straße getrunken wird – gefiltert, handgebrüht, in Kapseln gepresst oder in Maschinen gemahlen, geschäumt, aromatisiert oder mit Milch versetzt. Diesem Genuss geht stets das Rösten der Bohne voraus. Stefan Heinrich interessierte sich als Wissenschaftler weniger für das Endprodukt, das zwar auch ihn in schöpferischen Pausen belebt. Der Ingenieurwissenschaftler hatte vielmehr die Produktion im Auge, speziell den Vorgang des Röstens der Kaffeebohne. Auf diesem Gebiet hält der 42-Jährige sogar ein Patent: für das so genannte Kandieren von Kaffee – mit der Wirbelschichttechnik. Dieses besonders in der Chemieindustrie genutzte Verfahren ist auch aus der Lebensmittel- und Pharmaindustrie nicht mehr wegzudenken. Beispiele für die damit verfeinerten Produkte sind Waschmittel und Dünger, Instantkaffee und Tütensuppen, Medikamente in Form von Tabletten und Kapseln sowie Nahrungsergänzungsmittel. „Jeder zweite Liter Benzin kommt aus einem Wirbelschichtverfahren", sagt der Leiter des TUHH-Instituts für Feststoffverfahrenstech- nik und Partikeltechnologie Heinrich und nennt weitere, sehr unterschiedliche Beispiele für die Anwendung dieses Verfahrens, bei dem Luft, Wasser oder andere Fluide in das zu bearbeitende Medium geblasen werden: Auf diese Weise wird Zucker getrocknet, immer effektivere Wasch- und Düngemittel hergestellt, Klärschlamm verbrannt – und aus Kaffeebohnen ein Instantgetränk gemacht. 12 000 von insgesamt 300 000 Tonnen Kaffee im Jahr, ausreichend für knapp 2 Milliarden beziehungsweise 42 Milliarden Tassen Schnell-Kaffees gehen auf ein von Heinrich und seinem Doktorvater Lothar Mörl an der Universität Magdeburg entwickeltes Patent zurück. Die Wirbelschichttechnik Bei der Wirbelschichttechnik durchströmt ein gasförmiges oder flüssiges Medium eine bis dahin ruhende Schüttung aus Feststoffpartikeln – also Pulver oder Granulat. Das Medium, auch Fluid genannt, wirbelt die Partikel auf und versetzt sie in einen Schwebezustand. Diese Festkörperwolke im Reaktor ist die namensgebende Wirbelschicht. Das Medium und die Festkörper haben in dieser Wirbelschicht eine besonders große Kontaktfläche. Dies begünstigt die gewünschten Wechselwirkungen zwischen dem Fluid und den Festkörpern. Was dabei herauskommt, können die Verfahrenstechniker unter anderem über die Geschwindigkeit des Fluids beeinflussen. Weitere Einflussgrößen sind zum Beispiel die Temperatur der Luft beim Eintritt in dieses Verfahren, die Größe der Tropfen des Fluids, die Häufigkeit mit der eingesprüht wird und die Luftmenge. Hinzu kommen eine Reihe weiterer Parameter durch die Apparate. Aufgrund der Vielzahl dieser Faktoren entstehen stets lange Versuchsreihen im Labor an der TU Hamburg. Drei verschiedene Prozesse führen zu unterschiedlichen Produkteigenschaften: Die Agglomeration erlaubt eine Zusammenballung des Materials mit einer Struktur ähnlich einer Brombeere. Die Rieselfähigkeit wird erhöht, der Feinstaubanteil reduziert, eine Entmischung verhindert. Typische Produkte sind Instantkaffee, Babynahrung, leichtlösliche Getränkepulver. Anders funktioniert das Beschichten des Materials. Dabei werden ausgewählte Funktionen gezielt auf dieses Ausgangsmaterial aufgetragen. Beispiele dafür sind Wirkstoffkapseln, die Beschichtung von Vitaminen, Enzymen, Hefen. Medikamente, die ihre Wirkstoffe zeitlich gesteuert abgeben. Auch kann man mit dem Beschichten die Ästhetik oder den Geschmack eines Produkts beeinflussen. Typische Anwendungsgebiete sind die Lebensmittel- und Pharmaindustrie. Die dritte Art ist die Sprühgranulation. Dabei werden Flüssigkeiten tropfenförmig in den Reaktor gesprüht, sie landen dort auf Partikeln, trocknen und bilden Granulate: Düngemittel, Waschmittel, Mineralien und Keramiken sind Beispiele für den Einsatz dieser Technik. Foto: TUHH, fotolia
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