Ziel der Entwicklung
Ziel des FuE-Vorhabens war die Entwicklung eines innovativen Verfahrens zur Sicherung gleichbleibender Verarbeitungseigenschaften von Prozesssuspensionen biologischer Rohstoffe bei deren Prozessierung zu Biomaterialien. Im industriellen Maßstab wird heute insbesondere das Strukturprotein Kollagen aus tierischen Rohstoffen (Häute und Sehnen) gewonnen und in einer Prozesskette von Reinigungs-, Zerkleinerungs-, Formulierungs- und Gefriertrocknungsschritten zu dreidimensionalen Scaffolds für medizinische, pharmazeutische und kosmetische Anwendungen verarbeitet. Ein großes Problem stellt dabei die schwankende Qualität des tierischen Rohmaterials dar, die zu chargenabhängigen Verarbeitungsproblemen führen kann, die infolge einer erhöhten Materialbeanspruchung im Verarbeitungsprozess auch die Produktqualität empfindlich beeinträchtigen können. Mit dem entwickelten Verfahren sollen Materialeigenschaften des Rohkollagens, die starken natürlichen Schwankungen unterliegen und/ oder im Verarbeitungsprozess nicht gezielt einstellbar sind, im Rahmen der innerbetrieblichen Routineanalytik anhand spezifischer Kennwerte quantitativ erfasst und an eine Prozesssoftware übergeben werden. Zu diesen Prozessstörgrößen zählen insbesondere der schwankende native Quervernetzungsgrad des Kollagens, der Grad seiner Denaturierung durch wechselnde mechanische und thermische Beanspruchung im Aufbereitungsprozess und die Partikelgrößenverteilung der mechanisch aufbereiteten Kollagenrohmasse.
Anschließend werden die gewünschten Verarbeitungseigenschaften der Suspension in Misch-, Förder- und Füllprozessen anhand rheologischer Kennwerte an das Programm übergeben. Die Software errechnet nun im Rahmen einer Sweet Spot-Analyse die optimale Zusammensetzung und Herstellungsweise der Prozesssuspension. Wird die Suspension mit den errechneten Parametern eingestellt, wird unbabhängig von der Qualität des Rohmaterials eine optimale Verarbeitungsfähigkeit erzielt, so dass auch aus problematischen Rohmaterialchargen reproduzierbar qualitativ hochwertige Produkte herstellbar sind.
Vorteile und Lösungen
Durch die Implementierung des Verfahrens wird das kollagenverarbeitende Unternehmen in die Lage versetzt, auch bei großen chargenabhängigen Schwankungen der Rohstoffqualität gut verarbeitungsfähige Kollagensuspensionen zu erzeugen. Dies verhindert zuverlässig gleichzeitig lastabhängige technische Probleme im Herstellungsprozess (zum Beispiel eine Überlastung von Förderpumpen oder Verstopfung von Dosiereinrichtungen) und eine übermäßige Materialbeanspruchung im Verarbeitungsprozess (mechanische und thermische Schädigung). Damit stellt das Verfahren gleichermaßen eine reibungsfreie Fertigung von Kollagenprodukten als auch eine gleichbleibende, hohe Materialqualität sicher und verhindert zuverlässig unnötige Produktionsstandzeiten und Fehlchargen.
Zielgruppe und Zielmarkt
Mit Hilfe eines innovativen, auf wissensachaftlichen Erkenntnissen basierenden Verfahrens zur Sicherung einer gleichbleibenden Verarbeitungsfähigkeit von Faserkollagen versetzt das ILK Dresden kollagenverarbeitende Unternehmen in die Lage, die Verarbeitungseffizienz und Produktqualität gerade bei schwierigen und komplexen Verarbeitungsprozessen und hohen Produktanforderungen deutlich zu steigern. Dies reduziert die Produktionskosten, erhöht den Gewinn und versetzt Firmen in die Lage, mit ihren Kollagenprodukten neue, innovative Märkte zu erschließen.
Im Projektrahmen wurden umfangreiche Methoden zur rheometrischen, thermoanalytischen, partikelanalytischen und spektrographischen Charakterisierung von Kollagensuspensionen sowie zur Strukturanalyse und mechanischen Prüfung poröser dreidimensionaler (Bio)polymerscaffolds entwickelt, die vom ILK Dresden als Messdienstleistungen für die Qualitätsbewertung von Rohstoffen, Zwischenprodukten und Produkten und zur Bewertung und Optimierung von Kollagenverarbeitungsprozessen angeboten werden.