Coating

Geschichte

Die Geschichte des Coatens geht in die frühen 50iger Jahre zurück, als die ersten Tabletten mit Zucker überzogen wurden, um den unangenehmen Geschmack zu kaschieren. Mehr und mehr wurde das Augenmerk auf Verfahren gelegt, die nicht nur schneller und effizienter waren, sondern auch die Wirkstofffreisetzung entscheidend mit beeinflussten. Hierzu wurden konventionelle Verfahren auf Wasserbasis und organischen Lösungsmitteln entwickelt. Diese Verfahren werden heute am meisten angewendet und stetig weiterentwickelt. Ein neues Feld versucht die Coatingstoffe direkt in trockener Form aufzubringen, ohne sie vorher noch in Wasser oder organischen Lösungsmittel zu lösen. Diese lösungsmittelfreien Prozesse könnten die herkömmlichen Verfahren in Zukunft vertreiben, da sie effizient, ressourcenschonend, schnell umzusetzen und energiesparend sind.

Coating ist selbst in der Pharmazie ein weitläufiges Feld, da sich die Frage stellt: wann, wie, wie lange, und wo der Wirkstoff freigesetzt werden soll? Sogar die jeweils freigesetzte Menge kann angesteuert werden! So können prinzipiell alle Teile einer Kapsel oder Tablette gecoatet werden: wird z.B. der Arzneistoff selbst, das Granulat oder die daraus entstehende Kapsel/Tablette jeweils unterschiedlich gecoatet, so kann die Wirkstofffreisetzung variabel gesteuert werden.

Nutzen des Verfahren

Das Coatingverfahren wird aus hauptsächlich drei Gründen angewendet: Verbesserung der Compliance/ Arzneimittelsicherheit, Schutzfunktion und Verbesserung der Biopharmazie.

Die Verbesserung der Compliance und Arzneimittelsicherheit ist ein Hauptgrund, warum Tabletten gecoatet werden: Die aufgetragene Schicht lässt die Tablette schöner aussehen, verdeckt schlechten Geschmack und erleichtert die Identifizierung (meisten Wirk- und Hilfsstoffe sind weiß). Der Patient oder Kunde kann aber nicht nur sein Produkt besser identifizieren, sondern es auch leichter schlucken: durch ausgewählte Stoffe findet kein Aufsaugen von Wasser aus der Mundschleimhaut (in die Tablette) statt. Ergebnis ist ein angenehmes Schlucken ohne ein mögliches Haften an der Innenseite der Mund- Speiseröhre.

Der enthaltene Wirkstoff erhält durch das Coating ebenfalls einen Schutz vor Luftsauerstoff, Feuchtigkeit, Licht und Magensäure. So verhindert der Überzug auch einen mechanischen Abrieb, beispielsweise beim Transport: der dabei entstehende Staub kann bei Einatmung gesundheitsschädlich sein. Der Überzug ist aber nicht nur ein Schutz für den Patienten und vor dem Wirkstoff, sondern auch ein Schutz vor anderen Wirkstoffen: werden mehrere Wirkstoffe in einer Tablette gepresst, so kann es zu chemischen Reaktionen unter den Wirkstoffen kommen. Ein Schutzfilm kann dies verhindern und die Compliance des Patienten erhöhen, da die Einnahme von mehreren Tabletten wegfällt.

Von Vorteil ist ebenfalls die Einstellung der Biopharmazie: die aufgetragene Schicht schützt nicht nur die Magenschleimhaut vor Wirkstoffen, sondern sichert auch den Arzneistoff vor aggressiver Magensäure. Wählt man die richtigen Coatingstoffe, so kann die Wirkstoffabgabe gezielt modifiziert oder gesteuert werden (z.B. magensaftresistente, dünndarmlösliche Umhüllung).

Verfahren der Dragierung

Das Coating zählt in der Pharmazie zu den umhüllten festen Arzneiformen mit den Hauptformen der Dragées und den konventionellen Dragées. Die Dragées werden nochmals in konventionelle Dragées und Schnelldragées unterteilt.

Bei konventionellen Dragées wird der eigentliche Kern mit Zucker umhüllt, sodass die entstehende Form & Volumen komplett vom ursprünglichen Kern abweichen. Hierdurch sind auch gewünschte Prägungen nicht mehr möglich, da die Zuckerschicht zu dick ist. Um diese Mengen an Zucker auftragen zu können, muss der Kern eine bestimmte Steghöhe und Wölbung vorweisen. Die Zuckerlösung wird hier in mehreren Schichten mit unterschiedlicher Zusammensetzung aufgebracht (Unterschied zu Schnelldragées; s.u.), bis das Gewicht der Hülle dem Gewicht des Kerns entspricht. Während des Prozesses verändert sich die auf der Tablette aufgesprühte Flüssigkeit von einer klebrigen Flüssigkeit über eine halbfeste bis schließlich zu einer nicht klebrigen trockenen Oberfläche. Nachteil der konventionellen Dragées ist die schlechte Haltbarkeit aufgrund des hohen Zuckergehaltes und die langen Herstellungszeiten.

Der eigentliche Vorgang findet in Dragierkesseln statt, die einer großen Wäschetrommel ähneln. Durch die Rotation werden die Kerne in Bewegung gehalten und vermischen sich gleichmäßig. Um die große Menge an wässriger Zuckerlösung aufzunehmen wird der Kern oder Rohling zuerst mit einer Andeckschicht aus Dragiersirup mit Bindemittel, Antiklebemittel und strukturgebenden Füllmittel besprüht. Der Kern ist somit mechanisch stabil und vor Feuchtigkeit geschützt. Nach der Andeckschicht folgt die Auftragsschicht, die nur aus Dragiersirup besteht. Sind mehrere Schichten aufgetragen bis die gewünschte Größe erreicht ist, so kann mit dem Färben begonnen werden. Abschließend wird noch eine Schicht Glättsirup mit klaren reinen Sirupen aufgetragen, um die Färbung zu schützen. Um die äußere Schicht schöner erscheinen zu lassen, erfolgt noch eine Polierschicht mit Hartwachsen.

Eine ähnliche Art der Dragées sind die Schnelldragées, die vom Aufbauprinzip den Dragées ähneln. Auch hier wird eine Zuckerlösung mehrmals aufgetragen, bis die Hülle ca. 20-50% des Kerngewichts entspricht. Dies ermöglicht kürzere Herstellungszeiten mit weniger Materialeinsatz. Der Unterschied zu konventionellen Dragées ist ebenfalls die Zusammensetzung der Zuckerschichten: diese sind im Gegensatz zu konventionellen Dragées identisch. Die Herstellung der Schnelldragées erfolgt analog zu den konventionellen Dragées. Beide Dragées sind aufgrund ihres Zuckergehaltes mikrobiell anfällig.

Alle beide Formen der mit Zucker überzogenen Arzneiformen werden in rotierenden Kesseln oder nicht rotierenden Coatern hergestellt. Bei den rotierenden Kesseln wird noch in konventionelle schräge und waagrechte Dragierkessel unterschieden. Bei den nicht rotierenden Coatern erfolgt die Einteilung in Wirbelschichtverfahren (Glatt-, Wurster-, Kugelcoater) und Fließbett Verfahren (s.u.).

Coaten von Filmtabletten

Beim Coaten von Filmtabletten wird der Kern nur mit einem Polymer umhüllt, das seine Form & Volumen nicht verändert. Das Polymer besteht im Gegensatz zum Dragée nur aus einer einzigen Schicht und nimmt nur etwa 5-15% des Kerns ein. Es werden keine Anforderungen an die Kernform gestellt, da die Polymerlösung rascher trocknet als die Zuckerlösung. Aber auch hier gilt: während des Prozesses verändert sich die auf der Tablette aufgesprühte Flüssigkeit von einer klebrigen Flüssigkeit über eine halbfeste bis schließlich zu einer nicht klebrigen trockenen Oberfläche. Vorteile ergeben sich durch die kürzeren Herstellungszeiten, bessere Haltbarkeit und die differenzierteren Auflöseeigenschaften je nach Filmbildnerart.

Die Polymerlösung besteht meist aus mehreren Stoffen, die in der aufzutragenden Polymerlösung enthalten sind. Hierzu zählen:

  • Filmbildner (s.u.)
  • Weichmacher, um aushärtende Polymerschicht nicht brüchig werden zu lassen. (z.B. Citronensäureester)
  • Antiklebemittel, um die Tabletten nicht aneinander kleben zu lassen (z.B. Talkum)
  • Dispersions- oder Glättmittel (z.B. Sorbitanmonolaurat)
  • Deckmittel, um die Tablette zu schützen, oder die nachfolgende Färbung zu verstärken (z.B. Titanoxid)
  • Farbstoff
  • Lösungsmittel, um die obig genannten Stoffe aufzulösen. Es gibt meist die Möglichkeit mit wässrigen und organischen Lösungsmitteln zu arbeiten.
Technische Umsetzung

Die rohen Tabletten sind aufgrund des Pressvorgangs noch scharfkantig. Diese Kanten müssen noch entfernt werden, damit die Polymerschicht später nicht aufreißt. Sind die Tabletten entgratet erfolgt eine Reinigung mit Luft, um Staubreste zu entfernen. Die Tabletten werden anschließend in die Dragierkessel oder Wirbelschichtapparaturen eingebracht.

Das Coaten von Tabletten im Dragierkessel unterscheidet sich vom Dragieren (s.o.) nur in der versprühten Flüssigkeit. Bei den Wirbelschichtverfahren gibt es mehrere Versuchsaufbauten (Glatt-, Wurster-, Kugelcoater und Fließbetverfahren), wobei sie sich prinzipiell nicht unterscheiden: anstatt mechanischer Rotation werden die Tabletten mit Hilfe eines Luftstroms in Bewegung gehalten. Diese Luftströme sind meist kreisförmig angeordnet, sodass die Tabletten immer wieder zurück in die Ausgangsposition fallen. Vorteile ergeben sich in einer einfachen Auftragung der Polymerlösung und der schnellen Trocknung dieser.

Wird ein wässriges oder organisches Lösungsmittel verwendet, so muss dieses ebenfalls wieder entfernt werden. Dies geschieht bei allen Verfahren (auch dem des Dragierens) mit Hilfe von Luftströmen. In heutiges Analgen findet vermehrt das Wirbelstromverfahren Anwendung.  

Filmbildner

Die chemischen Stoffe der Filmbildner werden in chemische oder funktionelle Gruppen eingeteilt. Die chemische Gruppe gliedert sich auf in: Cellulosederivate, Polyacrylate, Polymethacrylate (bekannt als Eudragite), Vinylpolymere (wie Polyvinylpyrrolidon (PVP) und deren Derivate) und der sog. Schelllack (dies ist eine Ausscheidung des Insektes Kerria lacca).

Auch wenn die chemische Einteilung einen guten Überblick verschafft, so ist die funktionelle Einteilung praxisorientierter:

  • Schnelllösliche Filmbildner, wie PVP und deren Derivate sowie Methacrylate
  • Magensaftlösliche und dünndarmlösliche Filmbildner wie Hydroxypropylmethylcellulosephtalat (HPMC), Carboxymethylcellulose (Na-CMC), Polyvinylacetatphtalat, Methacrylsäureester und Schelllack
  • Unlösliche Filmbildner wie Ethylcellulose und Methacrylsäureester
Welche Produkte können gecoatet werden

Generell sind den Anwendungsbereichen keine Grenzen gesetzt. Selbst Tiefkühl-, Fleisch- und Fischware kann entsprechend beschichtet werden. Große Mengen werden bei der Herstellung von Ausgangsstoffen gecoatet. Aber auch Obst und Gemüse erhält durch spezielle Beschichtungen eine „zweite Schutzhaut“. Die verwendeten Verfahren zum Coaten unterscheiden sich nicht von denen der Pharmazie. Sind die Anforderungen an die aufgetragene Schicht nicht sehr hoch, so kann eine einfache Besprühung mittels Düsen erfolgen.

Welche Stoffe werden verwendet

Die Coatingstoffe müssen lebensmittelgeeignet sein und dürfen keine toxischen Abbauprodukte bilden. Je nach Produkt werden somit Fette, Wachse und wasserlösliche Hüllstoffe verwendet. Werden Endprodukte, wie beispielsweise Obst, gecoatet, so besteht keine Kennzeichnungspflicht der verwendeten Stoffe.

Coating im pharmazeutischen Bereich

Mit zu den am häufigsten verwendeten pharmazeutischen Darreichungsformen, die heute verwendet werden, zählen Tabletten, Dragées, Pellets und Pillen. Um diese Arzneiformen für den Nutzer anwendbar zu machen, muss der Geruch, Geschmack und die Farbe des Medikaments kaschiert werden. Auch ist es von Vorteil, den Wirkstoff gezielt an einem gewünschten Ort freisetzen zu können. Der Überzug, oder auch Coating genannt, ist ein Verfahren, dass eine Schicht Überzugsmaterial auf die Oberfläche der Darreichungsform aufbringt. Allein diese Schicht kann alle genannten Anforderungen erfüllen.

Coating im Lebensmittelbereich

Nicht nur in der Pharmazie wird das Herstellungsverfahren genutzt, sondern auch im Bereich der Lebensmittelindustrie: auch hier versucht man Oberflächeneigenschaften der Rohstoffe zu modifizieren.

Vorteile für den Lebensmittelbereich

Oftmals werden Stoffe in einem rieselfähigen Zustand gebraucht, um eine verbesserte Dosierfähigkeit von Substanzen zu gewährleisten. Die Substanzen haben dabei bereits die vorgegebene Größe, können aber aufgrund von stoffspezifischen Eigenschaften (z.B. zu große Haftkräfte zwischen den einzelnen Partikeln) nicht fließen. Es kommt somit zu einer ungenauen Dosierung und folglich Fehlern im Endprodukt. Werden diese feinkörnigen oder kristallinen Stoffe mit entsprechenden Stoffen gecoatet, so können die Stoffe frei fließen.

Werden Körnern durch Schüttprozesse (z.B. beim Verladen) bewegt, so kommt es zu Reibungen unter den Körnern. Der dabei entstehende Staub kann wieder zu Problemen beim Fließen führen oder explosive Gase bilden. Eine Beschichtung kann diesen Effekt reduzieren und somit zu einer höheren Produktivität und Sicherheit im Herstellungsprozess führen.

Wie im Pharmaziebereich auch, müssen in der Lebensmittelindustrie ebenfalls unerwünschte Geschmäcker und Gerüche maskiert werden. Durch eine Beschichtung können diese Stoffe nicht mehr an die Oberfläche abgegeben werden und führen somit zu einer höheren Akzeptanz beim Kunden.

Eine Ummantelung schützt die Stoffe auch vor Feuchtigkeit, Oxidation und unerwünschten chemischen Reaktionen in Stoffgemischen (siehe oben).

Ein ähnlicher Vorteil ergibt sich von Stoffen, die bewusst in die Beschichtung eingeführt werden sollen: erfüllen diese ebenfalls die Kriterien von Coatingstoffen, so kann er feiner verteilt werden. Diese meist intensiv wirkenden Substanzen können somit zielgenau und feinverteilt aufgetragen werden.

Viele Lebensmittel enthalten Stoffe, die bei Kontakt mit Wasser initial aufgelöst werden (z.B. Zucker). Eine langsame Freisetzung (retarded delivery) ist hier von Vorteil, damit sich das Endprodukt nicht zu schnell auflöst (und beispielsweise seinen Geschmack verliert). Mit ausgewählten Mitteln kann ein Coatingstoff diese Anforderungen erfüllen.

Durch eine gleichmäßige Auftragung kann eine Beschichtung auch zum Färben (visuelles Ansprechen des Kunden) genutzt werden. In der Lebensmittelindustrie wird dies mit Lebensmittelfarbe oder z.B. Paprikapulver gemacht.

Ausblick

Beschichtungen im Lebensmittelbereich gewinnen mehr und mehr an Bedeutung. Neue Naturstoffe können die Produkte luftdicht verschließen und somit die Sekundärverpackung (Plastik) überflüssig machen. Verwendetes Plastikmaterial kann somit vermieden werden, was die Ökobilanz der Güter deutlich verbessert. Ein derzeitiges Projekt versucht eine Tinktur aus flüssiger Seide (Liquidseal) auf Gemüse zu sprühen.