Sprühtrocknen partikelgenau unter der virtuellen Lupe

Sprühgetrocknete Granulen: Je nach Wahl der Prozess- und Suspensionsparameter kann die Simulation dichte (links), poröse oder hohle (rechts) Granulen erzeugen / Bildquelle: Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

Das Sprühtrocknen ist ein verbreiteter Herstellungsprozess, um Keramikgranulate für technische Bauteile oder Zahnersatz herzustellen, oder um gelöste medizinische Wirkstoffe, Lebensmittelzusätze oder Milch zu Pulver zu verarbeiten. Mit einer am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM entwickelten Simulationsmethode ist nun exakter nachvollziehbar, wie sich die Teilchen im Lösungsmittel während des Sprühtrocknens verhalten. Damit können Pulver- und Granulathersteller gezielter die Eigenschaften ihrer Produkte einstellen und ihren Ausschuss verringern.

Bisher ist es bei Granulat- und Pulverherstellern unüblich, Simulationen auf Granulenebene für Produktverbesserungen zu nutzen. Um neue Produkte zu entwickeln oder Prozesse zu optimieren, waren die Hersteller bisher auf Versuch und Irrtum angewiesen. Die Vorgänge beim Sprühtrocknen sind jedoch von vielen Prozessparametern sowie vom Materialverhalten der Flüssigkeit und der darin gelösten Teilchen beeinflusst. Das Fraunhofer IWM hat nun eine neue Simulationsmethode entwickelt: Eine gekoppelte Teilchen- und Strömungssimulation zeigt die Wechselwirkungen zwischen den Partikeln und der Suspension auf. Dabei fließen die verschiedenen Teilchengrößen und ihre Anordnung in der Flüssigkeit mit ein, so Thomas Breinlinger, Simulationsexperte am Fraunhofer IWM. Man kann zum Beispiel erfassen, ob sich die kleinen Teilchen vermehrt außen und die größeren eher innen befinden oder wie sie sich in der Flüssigkeit während des Prozesses bewegen. Das neue numerische Modell kombiniert die am Fraunhofer IWM langjährig etablierten Partikel- und Strömungssimulationen (Computational Fluid Dynamics CFD und Diskrete Element Methode DEM). Die Simulation der Trocknungstechnik Sprühtrocknen ist bereits bei Keramikgranulaten erfolgreich im Einsatz, kann aber auch für Pulver und Granulate der Pharma-, Bio- oder Lebensmittelindustrie und der Nanotechnologie eingesetzt werden. Auch Hersteller von Trocknungsanlagen können von der Simulation profitieren wenn es darum geht, die Entstehung der Granulen und ihrer Struktur besser zu verstehen.

Mit der neuen Methode können Granulathersteller besser verstehen, wie ihr Produkt entsteht und was während der Produktion die Granulatqualität beeinträchtigt. Dabei wird deutlich, welche der modellierten Einflussfaktoren tatsächlich relevant sind, um die Produktqualität zu verbessern oder eventuelle Probleme zu lösen. Die Prozesssimulation kann zudem die Entwicklung neuer Produkte unterstützen und so helfen, Entwicklungskosten zu sparen. In einem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG geförderten Projekt haben die Expertinnen und Experten am Fraunhofer IWM unterschiedliche Keramiksuspensionen simuliert und dabei ihre Unterschiede erfasst. Die Wissenschaftler haben für die Simulation mehrere Primärteilchen, das sind die tatsächlichen Teilchen in der Suspension, zusammengefasst und als ein Partikel betrachtet. Breinlinger hat die Partikel in der Simulation leicht vergrößert dargestellt, um sie besser berechenbar zu machen. Je nachdem, ob die Primärteilchen in der Suspension eher agglomeriert oder dispergiert vorliegen, erhalten die Simulationspartikel unterschiedliche Eigenschaften, die die Interaktion der Primärteilchen abbilden. So kann der Einfluss der Wechselwirkung der mikroskopisch kleinen Primärteilchen auf die Entstehung der Granulen beschrieben werden, ohne diese unmittelbar simulieren zu müssen. Bei seiner Arbeit greift Breinlinger auf die langjährige Erfahrung in der Werkstoffmodellierung und in der Strömungs- und Partikelsimulation, auf die Kompetenzen in der Entwicklung von Simulationscodes und den entsprechenden Methoden sowie auf das fundierte Materialverständnis zurück, die das Fraunhofer IWM etabliert hat.

Die Werkstoffspezialistinnen und -spezialisten suchen nun Industriepartner, um deren speziellen Sprühtrocknungsprozess nachzustellen. Momentan betrachten sie die energetischen Potenziale zwischen den Partikeln in einer angenäherten Form und berechnen ein verschmiertes Suspensionsverhalten. Zukünftig möchten sie diese Parameter in einer weiter detaillierten Simulation am konkreten Anwendungsfall validieren. Das Werkzeug funktioniert schon sehr gut. Es soll natürlich noch weiter verfeinern und vor allem großtechnisch nutzbar gemacht werden.

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