Einleitung
Feuchtigkeit kann die Eigenschaften einer Vielzahl von Wirk- und Hilfsstoffen hinsichtlich Stabilität, Kristallinität, Bioverfügbarkeit usw. beeinflussen. Eine Methode zur Bestimmung des Feuchtigkeitseinflusses auf das Verhalten einer Substanz ist die dynamische Wasserdampfsorption (DVS), bei der die Massenänderungen einer Probe bestimmt wird, wenn diese verschiedenen Mengen an Lösungsmitteldämpfen ausgesetzt wird [1].
Derartige Messungen können mit einer STA (simultaner thermischer Analysator) in Verbindung mit einem modularen Feuchtegenerator (Abbildung 1) realisiert werden. Im Folgenden wurde eine dynamische Wassersorptionsmessung an mikrokristalliner Cellulose (MCC, chemische Struktur siehe Abbildung 2) durchgeführt. Diese Substanz wird in Tablettenformulierungen als Füllstoff und Bindemittel verwendet [2].
Messbedingungen
Die Versuchsbedingungen sind in Tabelle 2 zusammengefasst.
Tabelle 1: Testbedingungen
| Gerät | STA 449 F3 Nevio mit Feuchtegenerator |
| Probe | Mikrokristalline Cellulose |
| Probeneinwaage | 41,22 mg |
| Probenhalter | Scheibe aus Aluminiumoxid, Ø 17 mm |
| Temperaturprogramm | IsothermUntersuchungen bei geregelter und konstanter Temperatur werden als isotherm bezeichnet.Isotherm 44 °C, Stickstoffatmosphäre, Anstieg der relativen Feuchte (RF) von 0 auf 80 % |
Messergebnisse
Abbildung 3 zeigt die während des Experiments gemessene Masse und Temperatur der Probe.
Die Ergebnisse spiegeln die starke hygroskopische Natur der mikrokristallinen Cellulose wider. Der erste Anstieg der relativen Luftfeuchtigkeit von 0 % auf 20 % (blau gestrichelte Kurve) hat eine Massenzunahme von 4 % (grüne Kurve) zur Folge. Nachfolgende Schritte zeigen, dass mit Anstieg der relativen Luftfeuchtigkeit auch die Masse zunimmt. Sobald der Feuchtigkeitsgrad abnimmt, wird das aufgenommene Wasser wieder abgegeben, was zu einem Massenverlust führt. Ist am Ende der Messung schließlich eine vollständig trockene Atmosphäre erreicht, wird der vorher aufgenommene Wasseranteil quantitativ freigesetzt. Dies wird dadurch bestätigt, dass die anfängliche Probenmasse (100 %) wieder erreicht ist.
Jede Änderung des relativen Feuchtigkeitsniveaus ist mit einem Peak in der Probentemperatur (pinke Kurve) verbunden. Dies ist auf die exotherme und endotherme Natur der Sorption bzw. Desorption von Wasser zurückzuführen.
Die Massenzunahme und der Massenverlust nach Erreichen des Gleichgewichts ist in Abbildung 4 für alle gemessenen relativen Feuchtigkeitsniveaus zwischen 0 % und 80 % dargestellt. Die maximale Massenzunahme bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 80 % beträgt 12 %. Mikrokristalline Cellulose weist eine Sorptionshysterese auf, d.h. die Wassermenge in der Probe ist während der Desorption höher als während der Sorption (siehe Abbildung 4). Letztendlich sind die Anfangs- und Endpunkte des Sorptions-/Desorptionszyklus jedoch identisch.
Dieses Phänomen ist typisch für viele poröse Materialien. Chen et al [3] haben gezeigt, dass die Wasser-Zellulose- Bindungen, die während des Quellens von Zellulose entstehen, während der Desorption nicht mit dem gleichen chemischen Potenzial brechen.
Zusammenfassung
STA in Kombination mit einem Feuchtegenerator erlaubt Messungen der dynamischen Wassersorption und -desorption. Die Untersuchungen an mikrokristalliner Cellulose verdeutlichen die Hysterese des Prozesses: Der Feuchtigkeitsgehalt ist höher während der Desorption als während der Sorption. Dieses Phänomen ist charakteristisch für viele poröse Materialien.