Implementatie van flow technologie voor de continue productie van microcapsules via emulsie-gebaseerde technieken

Microcapsules zijn sferische deeltjes, bestaande uit een vloeibare kern met een actief ingrediënt, beschermd door een schaalmateriaal, dat de afgifte van de actieve stoffen bepaald. De komst van microcapsules heeft geleid tot de ontwikkeling van een uitgebreid gamma aan nieuwe producten met gecontroleerde vrijgave van actieve componenten. Dit heeft als gevolg dat er een toenemende vraag is naar grootschalige productiemethoden van microcapsules. In zowel productontwikkeling als commerciële productie van microcapsules domineren batchreactoren. Het opschalen van deze batchprocessen van laboratoriumschaal naar productieschaal is zeer tijdrovend. Er zijn veel tussenstappen nodig om het proces op te schalen, omwille van de beperkte massa- en warmtetransfer in grotere batchreactoren. Deze manier van opschaling vraagt ook een grote investering. Een oplossing hiervoor zijn flowreactoren, die door hun betere menging en warmteoverdracht de procescondities op grotere schaal behouden, hetgeen reeds sporadisch toegepast wordt voor de productie van farma- en fijnchemicaliën. Voor de productie van microcapsules wordt flowtechnologie nog niet op grote schaal toegepast. In tegenstelling tot synthesereacties zoals voor fijnchemicaliën, vereist een micro-encapsulatieproces de productie van een emulsie, gevolgd door de schaalvorming rond de emulsiedruppels door een polymerisatiereactie. Deze eerste stap vereist intensieve menging voor de vorming van druppels, terwijl de tweede stap gematigde menging nodig heeft voor de homogene verdeling van polymeer materiaal. Continue productie van emulsies met een zeer nauwe druppelgrootteverdeling gebeurt in microflow apparaten. De hoge controle over druppelvorming gaat ten koste van de productiesnelheid. Andere continue processen maken gebruik van statische mengers of rotor-stator mengers. Deze toestellen maken gebruik van turbulente menging voor de vorming van emulsiedruppels. Dit is een minder controleerbaar proces waardoor de emulsie meer polydispers is. Toch zijn deze toestellen zeer interessant voor de productie van microcapsules omdat ze hoge productiesnelheden en -debieten aan kunnen. De tweede fase van het micro-encapsulatie proces, de schaalvorming, wordt zelden gerapporteerd in flow. Algemeen wordt aangenomen dat radiaal mengen in flowreactoren vereist is voor succesvolle mantelvorming.

Emulsificatie en encapsulatie worden eerst afzonderlijk bestudeerd voor twee op emulsie gebaseerde micro-encapsulatieprocessen. Voor het interfase polymerisatieproces wordt de emulsificatie bestudeerd in een recycle-lus aangedreven door een pomp, waarbij de vloeistof doorheen statische mengers wordt gestuurd. Het opbreken van de druppel wordt in dit systeem gedomineerd door de pomp. De schaalvorming van het interfase polymerisatieproces is voltooid in 6 minuten. De encapsulatiestap voor dit proces wordt daarom bestudeerd in een buisvormige reactor die de reactietemperatuur binnen enkele minuten verkrijgt. Uitharding van de capsules in deze eenvoudige buisreactor heeft geen invloed op de verdeling van de capsulegrootte. Deze opstelling produceert met succes polyurea microcapsules met een hexylacetaatkern, met een gemiddelde diameter van 13 µm met een productiesnelheid van 200 g per uur. Voor de in-situ polymerisatie wordt de recirculatielus aangedreven door een inline rotor-stator-mixer en wordt deze vergeleken met de batch rotor-stator-mixer. De geometrische verschillen tussen batch- en flow-apparaten leiden tot grote verschillen in het genereren van de emulsiedruppels. De continue opstelling met recycle-lus produceert sterk vergelijkbare emulsies (capsule grootte en grootte verdeling) op laboschaal (200 ml/uur) en productieschaal (20 l/uur). Dit voorkomt opschalingsproblemen doordat er geen rekening gehouden moet worden met een veranderende geometrie bij opschaling. Het encapsulatieproces voor de in-situ micro-encapsulatie wordt uitgevoerd in een meertraps continu geroerde tankreactor (MCSTR). In dit proces is een temperatuurgradiënt nodig om fasescheiding in de eerste opwarmingsfase van het encapsulatieproces te voorkomen. Deze gradiënt wordt gerealiseerd door het principe van een tegenstroomwarmtewisselaar toe te passen in de opeenvolgende verwarmingsmantels van de reactorvaten. De thermische stabiliteit van de emulsie wordt verbeterd door het prepolymeer te verouderen, waardoor de totale benodigde tijd voor encapsualtie met 50% wordt verkort. Tenslotte worden de twee processtappen van micro-encapsulatie gecombineerd. Dit resulteert in een productie van melamine-formaldehydecapsules met een gemiddelde diameter van 10 µm aan 8,4 kg per uur. Dit project toont aan dat emulsie gebaseerde micro-encapsulatie met succes uitgevoerd en opgeschaald kan worden in een continue reactor, waarbij de emulsie wordt gegenereerd door een actieve mixer in een recyclecircuit en de encapsulatiereactor is aangepast aan de vereiste procescondities bepaald door het chemisch systeem.