Besonders schwierig sind Benetzungsprozesse, wenn die Flüssigkeit hochviskos und das Pulver staubförmig ist.
Rheologie von Flüssigkeiten im Kontext des Pulvermischens
In diesem Blogbeitrag betrachten wir einen zentralen Aspekt der Pulverbefeuchtung: den Einfluss der rheologischen Eigenschaften verschiedener Flüssigkeiten auf das Mischergebnis. Die Rheologie bestimmt maßgeblich, wie eine Flüssigkeit fließt, wie sie sich unter Scherstress verhält und wie gut sie Pulverpartikel benetzen kann. Diese Zusammenhänge wirken sich unmittelbar auf die Erscheinungsform des benetzten Pulvers aus – auf seine Fließfähigkeit, die Homogenität der Mischung, die Neigung zur Agglomeratbildung sowie auf den Erhalt der ursprünglichen Partikelform und -größe.
Bei Pulvermischprozessen steht die Benetzung der Partikeloberflächen im Vordergrund: Ziel ist es, vergleichsweise geringe Flüssigkeitsmengen möglichst gleichmäßig auf große spezifische Pulveroberflächen zu verteilen, ohne Klumpen, Pasten oder stark verfestigte Agglomerate zu erzeugen. Die Kombination aus definierter Tropfengröße, Dosierstrategie und Mischenergie bestimmt gemeinsam mit den Flüssigkeitseigenschaften die erzielbare Produktqualität.
Viskosität und Temperaturabhängigkeit
Die dynamische Viskosität ηη beschreibt den Widerstand einer Flüssigkeit gegen Scherung bzw. Deformation und ist eine zentrale Kenngröße für das Einmischverhalten. Für viele niedrig- bis mittelviskose Flüssigkeiten lässt sich die Temperaturabhängigkeit der Viskosität näherungsweise mit einem Arrhenius-Ansatz beschreiben:
η(T) = η0 * exp( Eη / (R * T) )
mit
η … dynamische Viskosität,
η0 … Materialkonstante (Viskosität bei Referenztemperatur),
Eη … Aktivierungsenergie des Fließvorgangs,
R … universelle Gaskonstante,
T … absolute Temperatur in Kelvin.
Mit steigender Temperatur nimmt die Viskosität der meisten organischen Flüssigkeiten deutlich ab, sodass sich hochviskose Komponenten wie Lecithine, Melasse, Honig, Oleoresine oder bestimmte Pflanzenöle durch moderate Erwärmung besser pumpen, fein dosieren und im Mischraum verteilen lassen. Die Viskositätsänderungen sind in vielen Fällen reversibel, bei komplex aufgebauten Flüssigkeiten (z. B. Emulsionen, konzentrierten Zuckerlösungen oder strukturviskosen Systemen) können jedoch thermisch oder mechanisch induzierte Strukturänderungen zu Hystereseeffekten führen, sodass das Fließverhalten beim Aufheizen und Abkühlen nicht identisch ist.
Diese Flüssigstoff-Zugabelanze mit Sanitärverschraubung.
Flüssigkeiten verschiedenster Gattungen. Meistens sind die Viskositätsveränderungen reversibel. Aber oft mit erheblicher Hysterese.
Einfluss von Scherspannung und Schergeschwindigkeit
Für das Verständnis des Verhaltens im Mischer ist das Zusammenspiel von Scherspannung τ und Schergeschwindigkeit γ˙ entscheidend. Die scheinbare Viskosität lässt sich im einfachsten Fall definieren als
η = τ / γ˙
mit
η … scheinbare Viskosität
τ … Scherspannung,
γ˙ … Schergeschwindigkeit.
Newtonsche Flüssigkeiten
Bei newtonschen Flüssigkeiten ist die Viskosität unabhängig von der Schergeschwindigkeit:
τ = η * γ˙, η = konstant
Typische Beispiele sind Wasser, viele Speiseöle sowie stark verdünnte Lösungen. Solche Flüssigkeiten verhalten sich in der Auslegung von Mischprozessen gut berechenbar und unterstützen eine reproduzierbare, gleichmäßige Benetzung, sofern Dosierung und Flüssigstoffzugabeform angemessen gestaltet sind.
amixon®-Doppelwellenmischer für Tierernährung (16 m³-Chargen).
amixon®-Doppelwellenmischer mit zwei Schneidrotoren und Flüssigkeitslanzen.
Der Ringschichtmischer/Agglomerator erzeugt eine hohe Scherung im Pulver.
Shear-Thinning (pseudoplastische) Flüssigkeiten
Shear-thinning bzw. pseudoplastische Flüssigkeiten zeigen eine abnehmende scheinbare Viskosität mit steigender Schergeschwindigkeit. Ihr Verhalten lässt sich häufig durch das Ostwald–de-Waele- oder Power-Law-Modell beschreiben:
τ = K * γ˙n ; n < 1
mit
γ˙ … Schergeschwindigkeit
K … Konsistenzindex,
n … Fließindex (Scherverdünnungsgrad).
Beispiele sind Tomatenmark, viele Gelbildner, Polysaccharidlösungen und zahlreiche Emulsionen. Unter den hohen lokalen Scherbedingungen im Mischraum werden diese Flüssigkeiten dünnflüssiger, was die Verteilung auf der Pulveroberfläche erleichtert, während sie im ruhenden Zustand ausreichend viskos bleiben können, um Absetzen oder Entmischen zu reduzieren.
Shear-Thickening (dilatante) Flüssigkeiten
Bei shear-thickening bzw. dilatanten Flüssigkeiten steigt die scheinbare Viskosität mit zunehmender Schergeschwindigkeit:
τ = K * γ˙n ; n > 1
Solches Verhalten kann bei Stärkesuspensionen, bestimmten hochkonzentrierten Partikeldispersionen und einzelnen Speziallösungen auftreten. Im Mischprozess ist dies kritisch, da beim Einspritzen, Pumpen oder lokalen Überströmen im Mischer die Viskosität sprunghaft ansteigen kann. In der Folge bilden sich leicht überfeuchtete Feuchtgranulate oder pastöse Agglomerate, die sich mit trockenem Pulver ummanteln und zu stabilen, schwer zerlegbaren Klumpen führen.
Der amixon®-Konusmischer eignet sich für die Herstellung von Gewürzzubereitungen mit einer Chargengröße von 3 m³.
Flüssigstoffeintrag: e) Injektion in den Aktionsbereich des Wirblers, f) Versprühung mittels Gaseintrag
amixon®-Technikum.
Prozessparameter für gute Benetzungsergebnisse
In der Praxis entsteht eine homogene und agglomeratkontrollierte Benetzung aus dem abgestimmten Zusammenwirken von Materialeigenschaften und Prozessführung. Wichtige Stellgrößen sind:
- Geeignete Viskosität der Flüssigkeit (ggf. eingestellt über Temperatur, Konzentration oder Formulierung), um sowohl feine Dosierung als auch gute Verteilbarkeit im Mischer zu ermöglichen.
- Stabil eingestellte Tropfengröße bzw. Dosiertechnik (z. B. Düsen, Sprühstäbe, Einbringpositionen), um lokale Überfeuchtung und großvolumige Flüssigkeitsfilme zu vermeiden.
- Ausreichende, aber nicht destruktive Mischenergie, sodass die Flüssigkeit effektiv verteilt und Agglomerate bei Bedarf wieder aufgebrochen werden, ohne Partikel zu stark zu beschädigen.
- Geschickte zeitliche Aufteilung der Flüssigkeitszugabe (z. B. Multi-Step-Verfahren, Vorbenetzung eines Teilstroms), um eine kontrollierte, sukzessive Befeuchtung zu erreichen.
Besonders effektiv sind Prozessstrategien, bei denen feinere Pulveranteile leicht überfeuchtete Partikel ummanteln und so staubfeine Fraktionen binden, ohne großvolumige, kompakte Agglomerate zu erzeugen. Auf diese Weise lässt sich die Staubbelastung reduzieren, die Produktfließfähigkeit erhalten und die nachgeschaltete Dosier- und Verpackungstechnik stabil betreiben.
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