Kryogenes Mahlen ist eine spezielle Technik zur Zerkleinerung von Materialien durch Mahlen bei extrem niedrigen Temperaturen, in der Regel mit flüssigem Stickstoff.
Dieses Verfahren eignet sich besonders gut für Materialien, die bei niedrigen Temperaturen spröde werden, und erleichtert die Zerkleinerung ohne die Probleme, die beim herkömmlichen Mahlen auftreten, z. B. Wärmeentwicklung, Spannungsaufbau und chemische Reaktionen.
Die kryogene Zerkleinerung ist in verschiedenen Branchen weit verbreitet, z. B. in der Pharmazie, der Materialwissenschaft und der Biotechnologie, wo die Unversehrtheit des Materials entscheidend ist.
Was ist der Prozess des kryogenen Mahlens? Die 7 wichtigsten Punkte werden erklärt
1. Definition und Unterscheidung des kryogenen Mahlens
Kryogenes Mahlen: Bei diesem Verfahren werden Pulver in einer Aufschlämmung aus Mahlkugeln und einer kryogenen Flüssigkeit, in der Regel flüssiger Stickstoff, gemahlen.
Die Pulverladung steht in engem Kontakt mit der kryogenen Flüssigkeit, was es von Verfahren unterscheidet, bei denen der Mahlbehälter von außen gekühlt wird.
Unterscheidung: Es ist wichtig, das kryogene Mahlen von anderen Verfahren zu unterscheiden, bei denen der Mahlbehälter von außen gekühlt wird.
Der Begriff "Kryomahlen" wurde für beide Verfahren synonym verwendet, der Unterschied liegt jedoch im direkten Kontakt des Pulvers mit der kryogenen Flüssigkeit.
2. Mechanismus des kryogenen Mahlens
Abkühlung und Sprödbruch: Der primäre Mechanismus besteht in der Abkühlung des Materials auf eine Temperatur, bei der es spröde wird.
Diese liegt häufig unter der Glasübergangstemperatur (Tg) des Materials.
Die Sprödigkeit ermöglicht eine effiziente Zerkleinerung, ohne dass ein hoher Energieaufwand erforderlich ist.
Verringerung der elastischen Eigenschaften: Bei kryogenen Temperaturen werden die elastischen Eigenschaften des Materials verringert, so dass es sich leichter zerkleinern lässt.
Dies ist besonders vorteilhaft für Materialien, die bei Raumtemperatur elastisch sind, da sie dazu neigen, klumpige Massen zu bilden und die Siebe zu verstopfen.
3. Vorteile des kryogenen Mahlens
Energie-Effizienz: Die Sprödigkeit des Materials bei niedrigen Temperaturen verringert die für das Fräsen erforderliche spezifische Energie und macht das Verfahren effizienter.
Vermeidung von thermischen Schäden: Durch die Abkühlung des Materials verhindert das kryogene Mahlen thermische Schäden und unerwünschte chemische Reaktionen, die beim herkömmlichen Mahlen häufig auftreten.
Verringerung der Partikelaggregation: Die kalte Temperatur trägt auch zur Verringerung der Partikelaggregation bei, was zu einer gleichmäßigeren Partikelgrößenverteilung führt.
4. Anwendungen des kryogenen Mahlens
Pharmazeutische Produkte: Kryogenes Mahlen wird zur Herstellung amorpher Arzneimittel verwendet, was effizienter sein kann als das Mahlen bei Raumtemperatur.
Es ist jedoch zu beachten, dass kryogen gemahlene Arzneimittel eine geringere physikalische Stabilität aufweisen können.
Werkstoffkunde: Das Verfahren wird bei Materialien mit hohem Glasbildungsvermögen, wie Piroxicam und Indomethacin, angewandt, um deren Eigenschaften und Verhalten zu untersuchen.
Biotechnologie: Kryogenes Mahlen wird bei der DNA-Extraktion, der Pflanzenforschung und anderen biologischen Anwendungen eingesetzt, bei denen die Unversehrtheit der Probe entscheidend ist.
5. Arten des kryogenen Mahlens
Kryogenes Mahlen: Hierbei werden das Material und die Mühlenkammer auf unter -30 °C abgekühlt, um die Zerbrechlichkeit des Produkts zu erhöhen.
Durch die niedrige Temperatur werden die elastischen Eigenschaften des Produkts verringert, so dass es sich leichter mahlen lässt.
Gefriermahlung: Bei dieser Art der Tieftemperaturvermahlung wird ein Magnet verwendet, der die Mahlkörper im Gefäß hin- und herbewegt und die Probe bis zur analytischen Eignung zerkleinert.
Sie eignet sich besonders für die Vermahlung temperaturempfindlicher Proben.
6. Prozessschritte beim kryogenen Mahlen
Kühlen: Das Material wird zunächst mit flüssigem Stickstoff oder einer anderen kryogenen Flüssigkeit gekühlt.
Dieser Schritt ist entscheidend, da er das Material spröde macht.
Fräsen: Das gekühlte Material wird anschließend mechanisch gemahlen.
Die Art der verwendeten Mühlen kann variieren, z. B. Hochgeschwindigkeits-Rotormühlen, Prallkugelmühlen und Planetenkugelmühlen.
Verfestigung: In der Pulvermetallurgie ist nach dem Mahlen ein Konsolidierungsschritt erforderlich.
Dieser Schritt ist von entscheidender Bedeutung, da er das endgültige Mikrogefüge und die Eigenschaften des Materials bestimmt.
7. Herausforderungen und Überlegungen
Physikalische Stabilität: Kryogenes Mahlen kann zwar die Effizienz der Zerkleinerung erhöhen, kann aber auch die physikalische Stabilität bestimmter Materialien, z. B. von Arzneimitteln, verringern.
Anforderungen an die Ausrüstung: Das Verfahren erfordert eine spezielle Ausrüstung, die mit kryogenen Temperaturen umgehen kann und die Unversehrtheit des Materials während des Mahlens bewahrt.
Energiebedarf: Obwohl das kryogene Mahlen effizienter ist als das herkömmliche Mahlen, wird für die Kühlung und das Mahlen immer noch viel Energie benötigt.
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