Modellierung der hierarchischen Strukturbildung bei der Sprühtrocknung mittels CFD-DEM-Kopplung und kontinuierlichem Speziestransport.

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Carsten Schilde
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 531645339

Partikel- und Aggregatstrukturen im Mikro- und Nanometerbereich sind die Grundlage für unzählige Produkte in der Analysetechnik sowie in der chemischen, biotechnologischen und pharmazeutischen Industrie. Definierte poröse Systeme aus Partikeln werden z.B. in der chromatographischen Reinigung, in katalytischen Anwendungen (z.B. zur Energiespeicherung oder für katalytisch aktivierte Reaktionen) und als Trägersysteme für die definierte Freisetzung von pharmazeutischen Wirkstoffen eingesetzt. Die Produkteigenschaften poröser Systeme für die jeweilige Anwendung hängen nicht nur von den Materialeigenschaften selbst ab, sondern in hohem Maße auch von der zugrunde liegenden Partikel- oder Aggregatstruktur. Neben den Material- und Oberflächeneigenschaften der Nano- und Mikropartikelbausteine haben auch die nachfolgenden Prozessschritte wie Formulierung, Verarbeitung und Trocknung einen entscheidenden Einfluss auf die Strukturbildung und die damit verbundenen anwendungstechnischen Eigenschaften. Es stellt sich die Frage, wie solche Aggregatsysteme für die verschiedenen Anwendungen strukturiert werden können und müssen, um z.B. einen optimalen Stofftransport zu gewährleisten und gleichzeitig eine definierte mechanische Stabilität aufzuweisen. In bisherigen Projekten wurden verschiedene Aggregatsysteme durch Sprühtrocknung aus nanopartikulären Suspensionen hergestellt und untersucht. In diesem Projekt sollen CFD-DEM-Simulationen etabliert werden, um die strukturbildenden Mechanismen auf der Partikelskala aufzudecken und die resultierende Aggregatmikrostruktur vollständig zu beschreiben, insbesondere die Bildung hierarchischer Strukturen in der ersten Trocknungsstufe (WG Schilde). Parallel dazu wird von der AG Levy ein Modellierungsansatz auf der Basis eines kontinuierlichen Speziestransportmodells weiterentwickelt. Dabei ist die Berücksichtigung mehrerer Partikelgrößen und Partikelinteraktionen sowohl in der ersten als auch in der zweiten Trocknungsstufe geplant. Die Erkenntnisse aus den CFD-DEM-Simulationen werden die Modellentwicklung unterstützen, um sowohl von den Informationen über die Partikelgröße zu profitieren als auch die Rechenkosten niedrig zu halten. Dies wird es ermöglichen, den Einfluss verschiedener Prozess- und Formulierungsbedingungen auf das Produkt effizient zu untersuchen. Letztendlich sollen die Modelle eine Prozessoptimierung und Vorhersage der Strukturbildung während der Sprühtrocknung ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Israel
• ausländischer Mitantragsteller: Professor Avi Levy