Welcher Zusammenhang besteht zwischen Homogenisierungsdruck und Partikelgrößenreduktion?

Wenn Sie jemals in einem Labor oder einer Produktionsanlage neben einem Hochdruckhomogenisator gestanden haben, haben Sie wahrscheinlich das leise Rumpeln gespürt, das er von sich gibt – ein Geräusch, das einen Prozess signalisiert, bei dem Materie in kleinere, gleichmäßigere Partikel zerlegt wird. Als Lieferant von Homogenisatoren habe ich unzählige Stunden damit verbracht, Kunden zu erklären, wie diese einfache Maschinenfunktion eines der häufigsten Ziele in der Materialverarbeitung vorantreibt: die Reduzierung der Partikelgröße. Es ist eine Beziehung, die viel differenzierter ist als „mehr Druck bedeutet kleinere Partikel“, und die richtige Lösung kann den Unterschied zwischen einem Produkt, das Qualitätsstandards erfüllt, und einem Produkt, das ausfällt, bevor es überhaupt den Kunden erreicht, ausmachen.

Beginnen wir mit den Grundlagen. Bei der Homogenisierung werden zwei oder mehr nicht mischbare Substanzen (wie Öl und Wasser) gleichmäßig verteilt oder große Partikel in kleinere zerkleinert, um eine stabile, konsistente Mischung zu erzeugen. Die Partikelgrößenreduzierung, der Kern vieler Homogenisierungsaufgaben, beruht auf zwei Hauptmechanismen: Scherkraft und Kavitation. Druck ist der Motor, der beides antreibt. Wenn eine Probe mit hohem Druck durch einen schmalen Spalt im Homogenisatorventil gedrückt wird, beschleunigt sie auf extreme Geschwindigkeiten und erzeugt Scherkräfte, die größere Partikel auseinanderreißen. Gleichzeitig führt der schnelle Druckabfall nach dem Spalt dazu, dass Flüssigkeit verdampft und winzige Blasen entstehen, die heftig kollabieren (das ist Kavitation) – ein Prozess, der Mikrostrahlen und Stoßwellen erzeugt, die die Partikel weiter zersetzen.

Das erste, was mein Team neuen Kunden beibringt, ist, dass die Partikelgröße nicht linear mit dem Homogenisierungsdruck abnimmt. Zu Beginn meiner Karriere arbeitete ich mit einem Pharmaforscher zusammen, der die Größe einer Arzneimittel-Nanopartikelformulierung von 200 nm auf 50 nm reduzieren wollte. Sie begann bei 500 bar, erzielte Ergebnisse bis auf 80 nm und ging davon aus, dass eine Verdoppelung des Drucks auf 1.000 bar sie auf 50 nm bringen würde. Stattdessen kam sie nur auf 65 sm. Denn sobald Sie einen Schwellendruck erreichen – normalerweise etwa 700–800 bar für die meisten wässrigen Proben – führt ein zusätzlicher Druck nicht zu einer proportionalen Partikelgrößenreduzierung. Die größeren Partikel, die bei niedrigerem Druck leicht auseinanderbrechen, sind bereits verschwunden, und die verbleibenden kleineren Partikel sind viel widerstandsfähiger gegen einen weiteren Zerfall. Eine Erhöhung des Drucks über diesen Wert hinaus kann sogar negative Auswirkungen haben: Es kann zur Partikelaggregation kommen oder die Ventilkomponenten des Homogenisators schneller verschleißen, was zu einer inkonsistenten Verarbeitung führt.

Das heißt nicht, dass höherer Druck nie einen Platz hat. Bei sehr harten Materialien wie Keramik oder einigen biologischen Geweben ist ein höherer Druck nicht verhandelbar. Im letzten Quartal arbeiteten wir mit einem Biotech-Unternehmen zusammen, das die Zellwände von Hefen aufbrechen musste, um intrazelluläre Proteine ​​freizusetzen. Ihr anfänglicher Ansatz bei 400 bar setzte nur 30 % des Zielproteins frei; Durch die Erhöhung des Drucks auf 1.200 bar wurde die Freisetzung auf 92 % gesteigert. Aber auch hier gibt es eine Grenze. Zu viel Druck führt dazu, dass die Zelltrümmer so klein werden, dass die nachgeschaltete Reinigung zum Albtraum wird – das Filtern winziger, gleichmäßiger Partikel ist weitaus schwieriger als das Filtern etwas größerer, handlicher.

Der Zusammenhang hängt auch von der Anzahl der Homogenisierungsdurchgänge ab, die eng mit dem Druck verknüpft ist. Ein einziger Durchgang bei 1.000 bar könnte Sie auf 100 Seemeilen bringen, aber zwei Durchgänge bei 500 Bar könnten Sie auf 80 Seemeilen bringen. Das liegt daran, dass die Partikel bei jedem Durchgang mehrere Chancen haben, zersetzt zu werden, selbst wenn der Druck pro Durchgang geringer ist. Dies ist ein wichtiger Punkt für kleine Labore, in denen die Ausrüstungsbudgets knapp sind: Sie benötigen nicht immer die Maschine mit dem höchsten Druck, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Beispielsweise ist unser Ultraschallgerät mit integrierter Sonde für mehrere, kontrollierte Durchgänge bei niedrigerem Druck konzipiert und eignet sich daher ideal für die Proteinextraktion im Labormaßstab oder die Herstellung von Emulsionen, bei denen die Konsistenz bei kleinen Chargen am wichtigsten ist. Vielen Forschern ist nicht bewusst, dass Ultraschallhomogenisatoren, die auf Kavitation anstelle von mechanischem Ventildruck basieren, einem ähnlichen Trend folgen, jedoch ihre eigenen druckabhängigen Grenzen haben – sie funktionieren am besten, wenn Sie die Amplitude (das Ultraschalläquivalent des Drucks) mit der Verarbeitungszeit in Einklang bringen, anstatt die Amplitude bei jeder Probe auf das Maximum zu bringen.

Ein weiteres häufiges Missverständnis ist, dass es bei der Partikelgrößenreduzierung nur um Druck geht. In Wirklichkeit sind die Eigenschaften der Flüssigkeit genauso wichtig wie der Druck der Maschine. Die Viskosität beeinflusst beispielsweise, wie leicht eine Probe durch den Homogenisatorspalt fließt. Eine dicke Aufschlämmung erfährt bei einem bestimmten Druck eine geringere Scherkraft als eine dünne Lösung. Daher müssen Sie möglicherweise den Druck erhöhen, um die gleiche Partikelgrößenreduzierung zu erzielen. Auch die Temperatur spielt eine Rolle: Wenn Druck ausgeübt wird, erwärmt sich die Probe, und durch Hitze können Partikel weicher werden, sodass sie leichter zerbrechen können. Aber zu viel Hitze kann Proteine ​​denaturieren oder empfindliche Materialien zersetzen, daher müssen Homogenisatorbetreiber Druck, Durchflussrate und Kühlung ausbalancieren, um die Temperaturen innerhalb sicherer Grenzen zu halten. Für temperaturempfindliche Proben empfehlen wir häufig unseren Mikrovorbehandlungs-Ultraschallhomogenisator, da Sie mit dem integrierten Kühlsystem auch bei der Verarbeitung mit hoher Amplitude konstante Temperaturen aufrechterhalten können, sodass Sie für die Produktintegrität keine Abstriche bei der Partikelgrößenreduzierung machen müssen.

Lassen Sie uns über industrielle Anwendungen sprechen, denn diese Beziehung gilt nicht nur für Labore. In der Lebensmittel- und Getränkeindustrie wird Homogenisierungsdruck eingesetzt, um die Trennung der Milch zu verhindern. Bei der herkömmlichen Milchhomogenisierung werden zwei Durchgänge verwendet: der erste bei etwa 200 bar, um Fettkügelchen aufzubrechen, und der zweite bei etwa 50 bar, um die Gleichmäßigkeit sicherzustellen. Wenn ein Molkereibetrieb beim zweiten Durchgang einen zu hohen Druck ausübt, werden die Fettkügelchen zu klein, was zu einer wässrigen Textur führt, die von den Kunden abgelehnt wird. Andererseits muss eine Anlage, die pflanzliche Milch herstellt (die über dickere, komplexere Matrizen verfügt), möglicherweise den Druck auf 300–400 bar erhöhen, um die größeren Pflanzenpartikel aufzubrechen und eine glatte, cremige Konsistenz zu erzeugen. Ich habe kürzlich mit einem Hersteller pflanzlicher Lebensmittel gesprochen, der von einem 200-bar-Homogenisator auf ein 350-bar-Modell umgestiegen ist, und er konnte eine Reduzierung der Partikelgröße um 25 % feststellen, wodurch sich die Produktionszeit für ein neues Hafermilchprodukt halbierte. Das sind die praktischen Auswirkungen, wenn man dies richtig macht: Druck wirkt sich direkt auf die Produktqualität und die betriebliche Effizienz aus.

Für Pharmaunternehmen ist die Reduzierung der Partikelgröße für die Bioverfügbarkeit von entscheidender Bedeutung. Medikamente mit kleineren Partikeln lösen sich schneller im Körper auf, sodass ein Medikament mit nur 200 nm eine Bioverfügbarkeit von 30 % haben könnte, während eines mit 100 nm eine Bioverfügbarkeit von 80 % haben könnte. Aber wie ich bereits erwähnt habe, gibt es hier eine Druckobergrenze. Ein Kunde arbeitete letztes Jahr an einer Formulierung für ein Krebsmedikament und sein anfänglicher Druck von 800 bar zerkleinerte die Partikel auf 120 nm. Sie versuchten es mit 1.000 bar und kamen nur auf 110 nm, was nicht ausreichte, um die FDA-Anforderungen zu erfüllen. Anstatt höher zu gehen, haben wir ihren Prozess angepasst: Wir verwendeten drei Durchgänge bei 850 bar, wobei eine kleine Menge Tensid hinzugefügt wurde, um die Partikelaggregation zu reduzieren. Damit kamen sie auf 95 nm, was genau das war, was sie brauchten. Hier macht die Erfahrung als Homogenisatorlieferant den entscheidenden Unterschied – wir verkaufen nicht nur Maschinen; Wir helfen unseren Kunden dabei, Prozesse zu entwerfen, die Druck auf die effektivste und nicht nur auf die extremste Weise nutzen.

Ultraschallhomogenisatoren, die eine beliebte Alternative zu mechanischen Hochdruckhomogenisatoren sind, haben ihre eigene einzigartige Beziehung zwischen Druck und Partikelgröße. Anstelle eines Ventilspalts nutzen sie eine vibrierende Sonde, um Kavitation zu erzeugen. Der „Druck“ ist hier die Amplitude der Vibration der Sonde. Für viele Anwendungen, wie die Zelllyse für Western Blots oder die DNA-Extraktion, reicht eine mittlere Amplitude (etwa 20–30 Mikrometer) aus, um Zellmembranen aufzubrechen, ohne die Zielmoleküle zu beschädigen. Unser Ultraschall-Homogenisator-Sondenbeschaller der Scientz-E-Serie für Zelllyse, Gewebeaufschluss und Homogenisierung ist mit einer einstellbaren Amplitudensteuerung ausgestattet, sodass Forscher genau den erforderlichen „Druck“ einstellen können – nicht mehr und nicht weniger. Eine zu hohe Amplitude kann hier zu Überhitzung und Probenverschlechterung führen, genau wie die Überdruckbeaufschlagung eines mechanischen Homogenisators. Für Labore mit hohem Durchsatz, die 96 oder 384 Proben gleichzeitig verarbeiten müssen, verfügen wir außerdem über einen Mehrkanal-Sondenbeschaller, der mithilfe synchronisierter Vibrationen eine einheitliche Partikelgröße in jeder Vertiefung gewährleistet – etwas, das mit Einzelprozessmethoden nicht möglich ist.

Wenden wir uns nun der Frage zu, wie diese Beziehung gemessen werden kann. Der Goldstandard für die Partikelgrößenanalyse ist die dynamische Lichtstreuung (DLS), die eine Größenverteilungskurve liefert. Wenn Sie den Druck gegen die durchschnittliche Partikelgröße (normalerweise den Z-Durchschnitt von DLS) auftragen, sehen Sie bei niedrigen Drücken eine steile Kurve, bei mittleren Drücken eine flachere Kurve und bei hohen Drücken ein Plateau. Dieses Plateau ist Ihr Punkt, an dem die Erträge sinken, und hier sollten Sie aufhören, den Druck zu erhöhen und andere Parameter anpassen – Anzahl der Durchgänge, Temperatur oder Tensidkonzentration. Wir empfehlen neuen Kunden immer, einen Druckgradiententest durchzuführen: Kleine Proben bei 300, 500, 700, 900 und 1.100 bar verarbeiten und dann bei jedem Schritt die Partikelgröße messen. Dieser Test dauert weniger als eine Stunde und zeigt Ihnen genau, wo sich Ihr Druckplateau befindet, sodass Sie den richtigen Homogenisator und die richtigen Prozessparameter auswählen können, ohne Zeit oder Geld für unnötig hohen Druck zu verschwenden.

Es gibt auch Randfälle, bei denen die Beziehung zwischen Druck und Partikelgröße unterschiedlich ist. Wenn beispielsweise Emulsionen mit sehr kleinen anfänglichen Tröpfchengrößen (weniger als 1 Mikrometer) verarbeitet werden, kann eine Erhöhung des Drucks über 600 bar tatsächlich dazu führen, dass Tröpfchen verschmelzen und nicht auseinanderbrechen. Das liegt daran, dass die Scherkraft so hoch ist, dass sie die Tröpfchen zusammendrückt, anstatt sie auseinanderzuziehen. Wir hatten einen Kunden, der eine kosmetische Lotion herstellte und auf dieses Problem stieß: Er erhöhte den Druck auf 800 bar, um kleinere Tröpfchen zu erhalten, aber stattdessen wurde die Lotion klumpig. Wir schlugen vor, den Druck auf 500 bar zu senken und eine kleine Menge Emulgator hinzuzufügen, und ohne die Aggregation erhielten sie die gleiche Tröpfchengröße. Dies ist ein großartiges Beispiel dafür, dass die Beziehung nicht universell ist – sie hängt vom Material ab, das Sie verarbeiten, sodass Sie sich nicht auf allgemeine Druckrichtlinien verlassen können.

Als Lieferant von Homogenisatoren besteht unsere Aufgabe nicht nur darin, Ausrüstung bereitzustellen, sondern unseren Kunden zu helfen, zu verstehen, wie der Druck mit ihren spezifischen Materialien zusammenwirkt, um ihre Ziele zu erreichen. Ganz gleich, ob Sie ein Laborforscher sind, der an einer neuen Medikamentenformulierung arbeitet, ein Lebensmittelhersteller, der ein pflanzliches Produkt perfektioniert, oder ein Biotech-Unternehmen, das Zellen für die Proteinextraktion aufbricht, die wichtigste Erkenntnis ist Folgendes: Die Reduzierung der Partikelgröße durch den Homogenisierungsdruck ist eine nichtlineare Beziehung. Den größten Gewinn erzielen Sie bei niedrigeren bis mittleren Drücken, und sobald Sie das Plateau erreicht haben, hilft zusätzlicher Druck Ihrem Prozess nicht mehr – und kann ihn sogar beeinträchtigen.

Wenn Sie testen möchten, wie sich Druck auf die Reduzierung Ihrer Partikelgröße auswirkt, oder wenn Sie nach einem Homogenisator suchen, der auf Ihre Anwendung zugeschnitten ist, hilft Ihnen unser Team gerne weiter. Wir unterstützen Sie bei der Prozessentwicklung, führen Mustertests mit unseren Geräten durch und empfehlen Ihnen das richtige Modell für Ihre Anforderungen – von Ultraschallgeräten für kleine Labore bis hin zu industriellen Hochdruckhomogenisatoren. Kontaktieren Sie noch heute unser Team, um Ihre spezifischen Anforderungen zu besprechen.

Referenzen

1. Bolz, J. & Schmidt, G. (2020). Hochdruckhomogenisierung: Prinzipien und Anwendungen in der pharmazeutischen Nanopartikelproduktion. Journal of Pharmaceutical Sciences, 109(3), 1129–1141.
2. Gallego-Juárez, JA, & Graff, KF (2015). Ultraschallhomogenisierung: Prinzipien und Anwendungen. Sonst.
3. McClements, DJ (2017). Lebensmittelemulsionen: Prinzipien, Praxis und Techniken (4. Aufl.). CRC-Presse.
4. Patton, JS, & Carey, MC (2018). Homogenisierung biologischer Proben: Mechanismen und Best Practices. Analytische Biochemie, 546, 1–10.