Coating-Technologien finden in der pharmazeutischen Industrie in zahlreichen Fällen Anwendung, so werden sie z. B. zur Geschmacksmaskierung und kontrollierten Freisetzung von Arzneimitteln eingesetzt. Das Wirbelschicht-Coating eignet sich vor allem für kleinere Partikel und Pellets. In diesem Artikel erklärt Dr. Harald Stahl, wie der einzigartige Luftfluss im PRECISION-COATER™ von GEA die Beschichtungsleistung erheblich verbessern und zahlreiche Qualitäts- und Skalierungsprobleme traditioneller Coatingsysteme vermeiden kann.

Fachwissen auf dem Gebiet des Partikel-Coatings

Die Pharmaindustrie verfügt seit beinahe 50 Jahren über Technologien, mit denen Partikel beschichtet werden, um deren Aussehen zu verbessern, unangenehme Geschmäcke zu überdecken und für eine verzögerte Freisetzung von Arzneimitteln zu sorgen. Da die Anzahl an Arzneimitteln, die diese Art der Technologie benötigen, jedoch dramatisch angestiegen ist und sich die Kosten der Verarbeitungszeiten sowie der verwendeten Verbindungen stets erhöhen, stehen die Technologen unter ebenfalls steigendem Druck, die Erträge zu erhöhen, die Beschichtungsqualität zu verbessern und die Fertigungszeiten zu reduzieren.

Qualitäts-Coating

Coating-Produkte können kostspielig sein und das benötigte Produktvolumen verhält sich antiproportional zur Partikelgröße des zu beschichtenden Materials. Um ein Beispiel zu nennen: Die Oberfläche eines Würfels mit 1 cm Seitenlänge beträgt 6 cm. Besteht dieser Würfel jedoch aus mehreren Würfeln mit einer Seitenlänge von 1 mm, erhöht sich die Oberfläche um ein Zehnfaches. Bei Partikeln unter 100 Mikron Größe kann das Volumen des Beschichtungsmaterials das Volumen des Wirkstoffs übersteigen. Die Qualität des Coatings ist daher von oberster Wichtigkeit.

Das Ziel des Verfahrens ist es, exakt die Menge Coatingmaterial einzusetzen, die für das gewünschte Ergebnis nötig ist, und nicht mehr. Im Falle funktionaler Beschichtungen ist es außerdem erforderlich, diese auf der gesamten Oberfläche des Produkts so gleichmäßig wie möglich zu verteilen. Eine uneinheitliche Auftragung kann die Leistung (das Freisetzungsprofil) des Arzneimittels erheblich beeinträchtigen. Eine Ursache für ungleichmäßige Beschichtungen kann eine unzureichende Rotation (Spin) des Produkts während des Coating-Prozesses sein. Eine mögliche Lösung ist die Erhöhung des Luftflusses, dies führt jedoch zu Verlusten aufgrund von Abrieb, der durch die Erzeugung kleiner Staubpartikel entsteht, und dementsprechend zu geringeren Erträgen.

Produkterträge

Zum Produktertrag zählen alle hergestellten Produkte, die den erforderlichen Kriterien entsprechen, und er wird als Prozentsatz der gesamten dem Prozess zugeführten Masse ausgedrückt. Die Differenz entspricht den Produktverlusten während des Verarbeitungsprozesses. In herkömmlichen Wirbelschicht-Coatern können Produkte in Form von Staub verloren gehen (verursacht durch Abrieb des Hauptmaterials oder der sprühgetrockneten Partikel) oder durch die Agglomeration von größeren, feuchten Partikeln, wenn diese aufeinander oder auf Aufrüstungsflächen treffen.

Zur Agglomeration kommt es, wenn die Aussprührate zu hoch und das Produkt noch feucht ist, wenn es entweder mit einem anderen Partikel in der Wirbelschicht oder mit der Oberfläche des Coaters in Kontakt kommt. Bei einigen Systemen kann die Sprühdüse selbst einen „Venturi-Effekt“ verursachen, bei dem Partikel in den sehr feuchten Bereich um die Düse angesaugt werden, wo sie kollidieren und agglomerieren.

Auch hier wäre die Erhöhung der Luftdurchflussmenge eine mögliche Lösung, um die Partikel getrennt zu halten. Doch auch in diesem Fall kann es dadurch zu erhöhten Verlusten durch Abrieb kommen. Alternativ dazu kann die Feuchtigkeit an der Sprühdüse verringert werden, indem die Aussprührate verringert wird. Der Nachteil hier ist die entsprechende Erhöhung der Verarbeitungszeit.

Herkömmliche Coating-Technologien

Die herkömmlichen Spray-Coating-Technologien, wie die seit den 50er-Jahren eingesetzten, leiden unter all diesen Problemen – und weiteren. Neben den durch Agglomerationen, Abriebe, uneinheitliche Produktqualitäten und lange Verarbeitungszeiten verursachten Schwierigkeiten, gestaltet sich auch der Ausbau von Pilotanwendungen zum vollen Produktionsmaßstab als problematisch. Die herkömmlichen Systeme können nicht als Mehrfachröhrensysteme verwendet werden und es ist nicht möglich, die Düsen während des Betriebs auf Agglomerationen zu überprüfen. All diese Schwächen wurden bei der Entwicklung der neuen Generation von Coating-Anlagen von GEA in Angriff genommen: dem PRECISION-COATER™.

So funktioniert der PRECISION-COATER™

Liquid-Layering Web

Das Kernelement des PRECISION-COATER™ besteht in dessen Wirbelbeschleuniger, mithilfe dessen die Luftflusseigenschaften und dementsprechend auch das Verhalten der durch die Coating-Säule strömenden Partikel akkurat gesteuert werden können. Bei herkömmlichen Wirbelschicht-Coatern strömt ein großer Teil der Luft in die Schicht um die Säule herum, wo die Partikel anschließend vollständig fluidisiert werden und dank der Wassersäule der Wirbelschicht zum Bereich um die Sprühdüse strömen können.

Beim PRECISION-COATER™ hingegen wird über eine Einsatzplatte und den Wirbelbeschleuniger weitaus mehr Luft zur Coating-Säule geleitet. Dank dieser Bauform wird eine weitaus höhere Geschwindigkeit der Prozessluft an der Düse erzielt und ein Niederdruckbereich erzeugt, der die Partikel in das Zentrum des Coating-Rohrs saugt. Die hohe Luftflussgeschwindigkeit verursacht die Rotation (Spin) der Partikel, wodurch eine sehr viel gleichmäßigere Beschichtung gewährleistet wird. Durch den Wirbelbeschleuniger erhält der Luftfluss in Verbindung mit dessen hoher Geschwindigkeit eine Rotationskomponente, die dafür sorgt, dass die einzelnen Partikel getrennt bleiben. Auf diese Weise kann mit weitaus höherer lokaler Feuchtigkeit an der Düse gearbeitet werden, ohne dass das Risiko einer Agglomeration besteht. Tests zeigen, dass die hohe Geschwindigkeit des Luftstroms außerdem für weitaus höhere Verdampfungsniveaus sorgt, sodass die Partikel lange bevor sie in die Schicht um das Coating-Rohr zurückkehren bereits trocken sind und dementsprechend nicht agglomerieren.

Es konnte erwiesen werden, dass das System eine gleichmäßige Beschichtung in der vorgeschriebenen Stärke in erheblich geringerer Prozesszeit herstellt, als herkömmliche Coating-Systeme. Die Nutzung der Hochgeschwindigkeits-/Niederdruck-Zone, um die Partikel in den Coating-Bereich zu saugen ermöglicht es dem PRECISION-COATER™-System, Totzonen mit geringem Partikelfluss – wie sie bei herkömmlichen Mehrfachrohrsystemen vorkommen, zu vermeiden. Aus diesem Grund kann das PRECISION-COATER™-System von der Testgröße über die Pilotanwendungsgröße bis zur vollen Produktionsgröße mit ähnlich großen Coating-Rohren ausgebaut (Scale-up) werden. Indem Mehrfachrohrproduktionseinheiten und Einzelsäulenpilotsysteme so konfiguriert werden, dass sie die gleichen Luftflüsse und Wirbelmuster im Coating-Rohr verwenden, können zahlreiche der Scale-up-Probleme vermieden werden, wie sie bei Systemen vorkommen, die viel größere Coating-Rohre für die Produktionseinheiten verwenden.

Fazit

Der PRECISION-COATER™ bietet dank geringerer Agglomeration und reduziertem Abrieb höhere Erträge. Durch die schnellere Beschichtung und Trocknung des Produkts erhöht das System die Produktivität, und da es Beschichtungen von gleichmäßiger Stärke herstellt, wird die Produktqualität erheblich verbessert und eine optimale klinische Wirkung erzielt. Der PRECISION-COATER™ eignet sich ideal für Partikel mit einem Durchmesser von 50 Mikron bis 3 mm. GEA ist fest davon überzeugt, dass sich kein anderes Produkt auf dem Markt besser dazu eignet, den Bedarf an höchst effizienten Coating-Systemen mit exzellenten Scale-up-Eigenschaften zu decken. 

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