Magdeburg, Universiẗat, Diss., 2002.

Univ., Fak. für Verfahrens- und Systemtechnik, Habil.-Schr.--Magdeburg, 2007. / Der 2. Teil der Arbeit enth. Kopien ausgewählter Publikationen, überw. in engl. Sprache. Parallel als elektronische Ressource im Fernzugriff verfügbar.

Techn. Universiẗat, Habil.-Schr.--Dresden, 2006.

University, Diss., 2003--Düsseldorf.

Universiẗat, Diss., 2005--Würzburg.

Universiẗat, Diss., 2000--Tübingen.

Eines der größten Probleme bei Granulationsprozessen in der pharmazeutischen Industrie ist die Feuchtigkeit der Prozessluft. Kann bzw. möchte man die Luft aus ökonomischen oder sonstigen Gründen hinsichtlich ihres absoluten Feuchtgehalts nicht konditionieren, bleibt bei hoher Luftfeuchte – wie sie z.B. beim Aufzug eines Gewitters oder bei heftigen Regenfällen auftritt – oft nur die Option des Produktionsstillstandes. Die vorliegende Arbeit befasst sich einerseits mit der Frage, ob es möglich ist, unabhängig von den Außenluftbedingungen – wie Temperatur, Druck und relative Feuchte – Granulate mit vergleichbaren Eigenschaften zu reproduzieren. Zum anderen soll geklärt werden, welchen Einfluss verschiedene Prozess- und Materialparameter bzw. deren Schwankungen auf das Endprodukt haben, und was dies wiederum für eine Automatisierung des Prozesses bzw. für die Anforderungen an eine Steuer- und Regelung der Herstellanlage bedeutet. Ausgehend von der Massenbilanzierung einer Wirbelschichtgranulierung wird der Einfluss verschiedener Prozess- und Materialparameter auf ein Standardgranulat untersucht. Die Ergebnisse der unterschiedlichen Versuchsreihen bestätigen einerseits die Reproduzierbarkeit von Granulateigenschaften basierend auf den Berechnungen der kritischen Sprührate. Andererseits zeigen sie den Einfluss verschiedener Prozess- und Materialparameter auf die Qualität des Endproduktes. Hieraus können wichtige Erkenntnisse für eine automatische Steuer- und Regelung der Herstellanlage abgeleitet und entsprechende Sollanforderungen für jeden einzelnen Prozessparameter sowie die überwachenden Sensoren definiert werden. Die Berechnungen zur Machbarkeit eines Granulatansatzes sind eine wertvolle Entscheidungsgrundlage hinsichtlich der Planung einer Granulatherstellung und dienen auch für eine Ansatzvergrößerung als Kalkulationsbasis. Ebenso kann die Algorithmenabfolge der „kritischen Sprührate“ zusammen mit den Formeln der „Berechnungen zur Machbarkeit“ für die Anpassung der Prozessparameter an die jahres- und tageszeitlichen Schwankungen der Außenluft herangezogen werden. Wie theoretische Studien zum „Ausgleich der Außenluftbedingungen“ aufzeigen, ist es mit Hilfe dieser Algorithmen möglich, die freie Feuchte während der Sprühphase auf ein definiertes Niveau zu bringen und dort zu halten. Dieser Anteil an überschüssigem Wasser ist primär für das Kornwachstum und somit für die Reproduktion von Granulaten verantwortlich. Die vorliegende Arbeit stellt mit ihren theoretischen Ansätzen einen entscheidenden Schritt hin zu einer automatisierten Wirbelschichtanlage dar. Sie zeigt Ansatzpunkte für ein mögliches Vorgehen auf und liefert Hinweise für die Anforderungen an Messsensoren sowie Steuer- und Regeleinheiten. / The humidity of the inlet air is one of the largest problems within granulation pro-cesses in the pharmaceutical industry. Is it not possible to condition the inlet air in reference to its absolute moisture, there often only remains the alternative to stop production. One topic of the existent dissertation deals with the question wether it is possible to produce granulates of comparable characteristics independent from the conditions of external air like temperature, pressure and moisture. On the other hand it is examined which influence several process and material parameters or rather their variations have on the final product and what that means for an automation of the process or the specification of production plant control and regulation. Based on the mass balance of a fluidized bed granulation the effects of different process and material parameters on a standard granulate are proved. On the one hand the re-sults of the different test series attest the reproducibility of granulate characteristics based on the calculations of the critical spray rate. Otherwise they point out the in-fluence of several process and material parameters on the quality of the end product. Based on these results important perceptions for an automated control system and regulation of the production plant can be deflected and adequate requirements for every single process parameter as well as for supervising sensors can be defined. The calculation of the practicability of batches is a significant foundation for a deci-cion in reference to batch planning and provides a basis for scaling up processes. Apart from that the algorithms are able to adapt the process parameters to the daily and annually variations of the inlet air. Theoretical studies to “adjustment of inlet air conditions” show, that thanks to the calculations it is possible to bring the free mois-ture to a defined level during spraying. This part of excessive water is responsible for agglomeration and therefore for the reproduction of granulates. The existing disser-tation represents an important step to an automated fluidised bed granulator. It shows approaches for possible proceeding and provides precious indications for re-quirements of measuring sensors as well as for control systems and regulation units.

In der vorliegenden Arbeit wird die Massenbilanzierung einer Wirbelschicht-granulierung implementiert. Durch die umfangreiche Instrumentierung eines Laborgerätes zum Wirbelschichtgranulieren im Top-Spray-Verfahren (Glatt GPCG 1.1, Binzen, Deutschland) ist es möglich, die relative Luftfeuchte, die Temperatur und den Absolutdruck der Frischluft sowie der Abluft und ferner den Luftvolumenstrom zu messen. Die Berechnung der Dichten der feuchten Luft ermöglicht den Übergang zu Massenströmen von Luft und von Wasser. Aus der Differenz von in die Anlage eingebrachtem und herausgefördertem Wasser wird auf die aktuelle Masse an Wasser im Granulationsansatz geschlossen. Voraussetzung für eine derartige Massenbilanzierung ist dabei eine sehr präzise Bestimmung sämtlicher relevanter Parameter. Die relative Luftfeuchte wird mit kapazitiven Feuchtesensoren gemessen, die einem neu entwickelten Kalibrierverfahren unterzogen werden. Da das Ansprechverhalten der Feuchtesensoren einen kritischen Prozeßparameter darstellt, werden Vergleichsmessungen mit akustischen Feuchtesensoren durchgeführt. Die Messung des Volumenstroms erfolgt durch ein ungedämpftes Flügelradanemometer. Zur Kalibrierung dieses Sensors werden mit einem Hitzedrahtanemometer Strömungsprofile in einer Einlaufstrecke bei verschiedenen Volumenstrombedingungen aufgenommen. Aus der Integration der Strömungsgeschwindigkeit über den Rohrquerschnitt wird der aktuelle Volumenstrom ermittelt. In der gesamten Anlage herrschen stets turbulente Strömungsverhältnisse. Voraussetzung für die Massenbilanzierung ist, dass im Bereich der Feuchtemessstellen sämtliches Wasser gasförmig vorliegt, da Kondensat nicht von den Feuchtesensoren erfasst wird. Durch Messung der Rohrwandtemperatur und Berechnung der Taupunkttemperatur der Abluft kann eine Kondensation von Wasser an der Stelle der Abluftfeuchtemessung ausgeschlossen werden. Durch Anwendung der Massenbilanzierungsrechnung kann gezeigt werden, dass der Wassergehalt im Granulationsgefäß im Verlauf der Sprühphase kontinuierlich ansteigt, um während der Trocknungsphase in drei Trocknungsabschnitten wieder auf den Ausgangswert zurückzugehen. Mit dieser Arbeit werden die Voraussetzungen für die umfassende Steuerung von Wirbelschichtgranulationsanlagen sowie der darin stattfindenden Granulationsprozesse gelegt. / The aim of the present work was the implementation of a mass balance of a fluidized bed granulation process. By the use of an extensive instrumentation of a laboratory-scale fluidized bed granulator that operates with a top-spray methode (Glatt GPCG 1.1, Binzen, Germany) it is possible to measure the relative humidity, the temperature and the absolute pressure of the fresh as well as of the outlet air and in addition the volume flow. The calculation of the density of moist air allows the transfer to mass flows of air and of water. The current mass of water inside the granulation chamber is gathered by the difference of water transferred into and transported out of the granulator. The very precise determination of all relevant parameters is a prerequisite for such a kind of mass balance calculation. The relative humidity is measured with capacitive humidity sensors, which were subjected to a newly developed calibration methode. As the response time of the humidity sensors is a crucial process parameter, reference measurements with acoustic humidity sensors are conducted. The measurement of the volume flow of the fresh air is realized by an undamped propeller-type flowrate meter. For the calibration of this sensor air flow velocity profiles inside the tube are recorded with a hot-wire anemometer under several constant volume flow conditions. The integration of the air flow velocity over the whole tube cross section results in the effective volume flow. Turbulent flow is observed throughout the machine at each point of time. As condensed water can not be recorded by the sensing elements, it is a precondition for the mass balance calculation that the complete mass of water is in its gaseous state at the zone of the humidity sensors. By temperature-measurements at the wall of the tubes and the calculation of the dew point of the outlet air a water-condensation at this region can be excluded. By application of the mass balance calculation it can be shown that the mass of water inside the granulation vessel increases continuously during the spraying phase, to return to the initial value during three different drying stages. The results presented in this thesis provide the prerequisites for a comprehensive control system for fluidized bed granulators as well as the according granulation processes.

Zugl.: München, Univ., Diss., 2007

Zugl.: Bayreuth, Univ., Diss., 2008