Das Problem der Gelatinegelierung
Gelatinelösungen werden in der pharmazeutischen Kapselproduktion, in Lebensmittelkonfekten und in Fotoemulsionen verarbeitet. Die Gelatinelösung muss auf 50-70 Grad erhitzt werden, damit sie flüssig und pumpbar bleibt. Bei Temperaturen unter etwa 35 Grad geliert die Gelatine und bildet einen festen, elastischen Feststoff. Der Übergang ist beim Erhitzen reversibel, aber die gelierte Gelatine auf einer Wärmetauscheroberfläche verursacht erhebliche Probleme.
Metallische Wärmetauscher bilden bei Temperaturschwankungen eine gelierte Gelatineschicht auf der Oberfläche. Eine kurze Strömungsunterbrechung, ein Dampfdruckabfall oder ein Kaltstart können zu einer kalten Stelle führen, an der die Gelatine an der Rohrwand geliert. Die gelierte Schicht isoliert die Oberfläche, reduziert die Wärmeübertragung und ist schwer zu entfernen-Sie muss durch Erhöhen der Temperatur weggeschmolzen werden, wodurch die Gefahr einer Zersetzung der Gelatine besteht.
PTFE-Wärmetauscher reduzieren das Gelierungsproblem durch einen sanfteren Wärmefluss. Die geringere Wärmeleitfähigkeit der Rohrwand mildert die Oberflächentemperatur. Es gibt keine plötzlichen heißen Stellen, die die Gelatine überhitzen, und das gleichmäßigere Wärmeübertragungsprofil hält die Flüssigkeitstemperatur im gesamten Wärmetauscher über dem Gelierpunkt.
Der thermische Gelierungsmechanismus
Gelatinemoleküle sind Dreifachhelix-Kollagenfragmente, die gelieren, wenn die Temperatur unter die Helix--Knäuelübergangstemperatur (ungefähr 35 Grad) fällt. Die Gelierung ist eine physikalische Vernetzung-die Ketten bilden ihre Dreifachhelix-Verbindungen neu-. Die Gelierungsgeschwindigkeit hängt von der Temperatur und der Abkühlgeschwindigkeit ab. Durch schnelles Abkühlen entsteht ein festeres, elastischeres Gel.
Auf einer metallischen Wärmetauscheroberfläche erzeugt die hohe Wärmeleitfähigkeit einen starken Temperaturgradienten an der Wand. Die Wandtemperatur liegt nahe an der Dampftemperatur (120–150 Grad), während die Hauptflüssigkeit bei 55–60 Grad liegt. Wenn sich die Strömung verlangsamt oder stoppt, kühlt die Grenzschicht schnell ab. Die Gelatine in der Grenzschicht geliert an der Wand. Die gelierte Schicht reduziert die Wärmeübertragung auf die verbleibende Flüssigkeit und erzeugt so eine Rückkopplungsschleife für weitere Abkühlung und weitere Gelierung.
Die geringere Wärmeleitfähigkeit von PTFE sorgt für ein sanfteres Temperaturprofil. Die Wandtemperatur beträgt bei gleichen Dampfbedingungen 70-85 Grad. Der sanftere Wärmefluss hält die Grenzschichttemperatur auch bei kurzen Strömungsschwankungen über dem Gelierpunkt. Das Risiko einer Oberflächengelierung wird verringert.
| Gelatine-Verarbeitungsparameter | Edelstahl | Titan | PTFE |
|---|---|---|---|
| Wandtemperatur bei 3 barg Dampf (Grad) | 120-140 | 120-140 | 70-85 |
| Gefahr der Abkühlung der Grenzschicht bei Strömungsunterbrechung | Hoch | Hoch | Reduziert |
| Wahrscheinlichkeit der Oberflächengelierung | Hoch | Hoch | Niedrig |
| Entfernung der Gelschicht | Heißes Wasser schmilzt (Risiko der Zersetzung) | Heißes Wasser schmelzen | N/A (keine Gelformen) |
| Reinigungshäufigkeit | Jede Charge | Jede Charge | Wöchentlich oder weniger |
Der Produktqualitätsschutz
Gelatine, die auf einer Metalloberfläche geliert und später geschmolzen wird, unterliegt einem thermischen Abbau. Die abgebaute Gelatine hat eine verringerte Gelfestigkeit und eine veränderte Viskosität. Bei der Herstellung pharmazeutischer Kapseln beeinflusst die Gelstärke die Kapselwanddicke und die Auflösungsgeschwindigkeit. Bei Lebensmittelanwendungen beeinflusst die Gelstärke die Produkttextur.
Durch die Verhinderung der Oberflächengelierung durch PTFE wird dieser Abbauweg eliminiert. Die Gelatine wird gleichmäßig erhitzt, ohne dass sich an der Oberfläche ein Gel bildet. Die Produktqualität ist von Charge zu Charge gleichbleibend.
Die CIP-Kompatibilität
Gelatineverarbeitungslinien werden mit heißem Wasser, verdünnten Ätz- und Desinfektionslösungen gereinigt. Metallische Austauscher tolerieren die CIP, entwickeln aber bei wiederholten Zyklen eine Aufrauung der Oberfläche. PTFE ist immun gegen alle CIP-Chemikalien. Die Oberfläche bleibt auch nach jahrelangen Reinigungszyklen glatt und klebt nicht-.
Zusammenfassung
PTFE-Wärmetauscher verhindern das Gelieren von Gelatine auf den Heizoberflächen durch einen sanfteren Wärmefluss und niedrigere Wandtemperaturen, die die Grenzschicht über dem Gelierpunkt halten. Die antihaftbeschichtete Oberfläche verhindert das Anhaften von Gel, das sich bei Prozessstörungen bildet. Die Produktqualität wird vor thermischem Abbau geschützt. Die Reinigungshäufigkeit sinkt von jeder Charge auf wöchentlich. Bei der Gelatineverarbeitung bietet PTFE eine Temperaturkontrolle, mit der Metalle nicht mithalten können.
Technische Unterstützung für die Spezifikation des Gelatine-PTFE-Wärmetauschers ist nach Vorlage der Gelatinekonzentration, der Verarbeitungstemperatur, der Fließeigenschaften und aktueller Gelierprobleme verfügbar.
