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Heteroaggregation von Nanopartikeln in konvektiven Strömungen

Projektleitung:

Professor Dr. Andreas Kronenburg
Universität Stuttgart

Mischen und Aggregation sind wesentliche Prozesse in der Verfahrenstechnik für die Herstellung pharmazeutischer und chemischer Produkte und die Art der Prozessführung kann die Produkteigenschaften wesentlich beeinflussen. Falls Mehrkomponentensysteme betrachtet werden, ist die Anzahl der Heterokontakte, also die Anzahl der Kontakte zwischen Partikeln zweier unterschiedlicher Stoffe, eine wesentliche Charakteristik, die die Produkteigenschaften beeinflussen kann. Es ist wahrscheinlich, dass die Anzahl der Heterokontakte über die Steuerung der Mischungsvorgänge beeinflusst werden kann, und das Zusammenspiel des Mischens auf der Makroskala (welches die verschiedenen Produktkomponenten zusammenbringt) und der Mikroskala (welches die Anzahl der Kollisionen und die Kontaktbildung zusätzlich stark beeinflusst) werden die Produktqualität entscheidend mitbestimmen.

Während die Partikeldynamik für sehr kleine sphärische Partikel, deren Relativbewegung nicht von einer konvektiven Strömung beeinflusst wird, mit bestehenden Modellen sehr gut angenähert werden kann, gibt es keine validierte Modellierung für eine statistische Beschreibung einer Hetero-Aggregation, bei der Primärpartikelgrößen stark unterschiedlich sein können und bei der anfängliche Inhomogenitäten in der Partikelverteilung einen großen Einfluss auf die Aggregatstruktur und -qualität haben werden. Das hier beantragte Projekt untersucht nun die Aggregation in Zweikomponentensystemen mit variablen Primärpartikeldurchmessern von 5 bis 200 nm. Langevin Dynamik (LD) Simulationen sollen für eine Reihe von Prozessbedingungen durchgeführt werden, um Aggregate und ihre Größenverteilung zu berechnen.

LD Simulationen sind für diese Studien besonders geeignet, da die Trajektorien der einzelnen Primärpartikel nachverfolgt werden können und keine Annahmen über die Struktur der Aggregate getroffen werden müssen. Die mit der LD Simulation generierten Aggregate erlauben nun eine detaillierte Charakterisierung der Aggregate inklusive ihrer Qualität (Anzahl der Heterokontakte). Sie erlauben auch eine Berechnung der Kollisionsfrequenzen als Funktion der Eigenschaften der Aggregate und der Umgebungsströmung. Konventionelle Modellansätze werden aller Wahrscheinlichkeit nach nicht dafür geeignet sein, die Kollisionsfrequenzen für den gesamten Parameterbereich anzunähern, weshalb eine Modellierung mit Hilfe künstlicher, neuronaler Netze für die Schließung der Erhaltungsgleichung für die Populationsbilanzen genutzt werden soll.