Welche Lösungen bieten Hersteller für die integrierte Feuchtemessung und Endpunktbestimmung beim Trocknen im Mischer?
Für die integrierte Feuchtemessung und Endpunktbestimmung beim Trocknen im Mischer stehen mehrere Messverfahren zur Verfügung. In der Praxis wird der Trocknungsendpunkt meist nicht über ein einziges Signal bestimmt, sondern durch die Kombination aus Feuchte, Produkttemperatur, Druck, Brüden- oder Kondensatverlauf, Mischwerksleistung und validierten Referenzmessungen.
NIR-Spektroskopie ist ein schnelles, berührungsloses Verfahren zur Feuchtemessung. Der Sensor misst über ein Schauglas oder eine bündig integrierte Messstelle die Reflexion des Mischguts im Nahinfrarotbereich. Bei geeigneter Kalibrierung kann NIR die Feuchte in Echtzeit erfassen und zusätzlich Hinweise auf weitere Produkteigenschaften geben. Da NIR vor allem den sichtbaren Bereich des Produktbetts erfasst, sind eine repräsentative Mischbewegung, ein sauberes Messfenster und eine produktbezogene Kalibrierung entscheidend.
Mikrowellenbasierte Verfahren erfassen die dielektrischen Eigenschaften des Mischguts. Sie können – abhängig von Einbauart und Produkt – ein größeres Produktvolumen als optische Verfahren erfassen und sind weniger von Farbe oder Oberflächenoptik abhängig. Rezeptur, Schüttdichte, Temperatur und Materialverteilung beeinflussen das Signal jedoch ebenfalls. Daher ist auch hier eine Kalibrierung mit Originalprodukt und geeigneten Referenzproben erforderlich.
Kapazitive Sensoren sind eine robuste und vergleichsweise wirtschaftliche Lösung zur Trendüberwachung der Feuchte. Ihre Messwerte hängen jedoch stärker von Rezeptur, Temperatur, Dichte und Partikelstruktur ab. Konduktive Verfahren sind nur für ausreichend elektrisch leitfähige Produkte sinnvoll und daher für viele trockene Pulver nicht geeignet.
Drehmoment und Leistungsaufnahme des Mischwerks ergänzen die direkte Feuchtemessung. Während der Trocknung können sie Veränderungen von Fließverhalten, Klebrigkeit, Verdichtung, Agglomeration oder Wandanhaftungen anzeigen. Sie messen die Feuchte nicht direkt, liefern jedoch wertvolle Informationen zur Prozessstabilität, zum Energieeintrag und zum Schutz der Anlage.
Der direkteste Endpunkt ist ein validierter Restfeuchte-Grenzwert. Der Trocknungsprozess endet automatisch, wenn der Feuchtesensor den definierten Zielwert erreicht. Dieser Zielwert ist immer produktspezifisch. Er richtet sich beispielsweise nach Lagerstabilität, Rieselfähigkeit, weiterer Verarbeitung oder regulatorischen Anforderungen. Ein allgemeiner Zielwert wie 0,5% Restfeuchte ist deshalb nicht auf alle Produkte übertragbar.
Die Produkttemperatur liefert zusätzliche Hinweise auf den Trocknungsverlauf. Solange relevante Mengen eines flüchtigen Bestandteils verdampfen, wird ein Teil der zugeführten Wärme als Verdampfungsenthalpie benötigt. Bei gleichbleibender Heizleistung kann ein Temperaturanstieg auf einen abnehmenden Feuchtegehalt hinweisen. Dieses Signal hängt jedoch von Heizmedium, Vakuum, Wärmeübertragung und Produkteigenschaften ab und sollte nicht als alleiniges Endpunktkriterium verwendet werden.
Bei Vakuum-Mischtrocknern ergänzen Prozessdruck, Produkttemperatur, Brüdenverlauf und Kondensatmenge die Überwachung. Sinkt die Menge kondensierbarer Brüden bei definiertem Temperatur- und Druckniveau auf ein niedriges Niveau, kann dies auf einen fortgeschrittenen Trocknungszustand hinweisen. Die zuverlässigste Endpunktbestimmung entsteht aus der Kombination dieser Prozessdaten mit einer analytisch bestätigten Restfeuchte.
Sensoren werden möglichst bündig in die Behälterwand integriert oder über hygienische Stutzen eingebaut. So lassen sich Toträume, mechanische Beschädigung und Anhaftungen begrenzen. Optische Messfenster können bei staubenden, klebrigen oder kondensierenden Produkten eine Spülung, einen Abstreifer oder ein geeignetes Reinigungsverfahren benötigen. Bei großen Mischern können mehrere Messstellen sinnvoll sein, sofern sie repräsentative Bereiche des bewegten Produktbetts erfassen.
Die Messdaten werden in der SPS verarbeitet und können an übergeordnete Leit- und Produktionssysteme übergeben werden. Das ermöglicht Trendaufzeichnung, Chargenprotokollierung, Alarmgrenzen und automatische Endpunkterkennung. In regulierten Bereichen sind zusätzlich Datenintegrität, Audit Trail, Benutzerrechte und die nachvollziehbare Kalibrierung der Messsysteme wichtig.
So bestimmt amixon® den Trocknungsendpunkt
amixon® kombiniert für Misch-, Granulations- und Trocknungsprozesse mehrere Prozesssignale. Im Mittelpunkt stehen Produkttemperatur, Druckverlauf, Feuchte, Mischwerksleistung sowie – bei Vakuumprozessen – Brüden- und Kondensatverlauf. Erst die produktbezogene Kombination dieser Messgrößen ermöglicht eine belastbare und reproduzierbare Endpunktbestimmung.
Bei Vakuum-Mischtrocknern und Reaktoren der Baureihen VMT und AMT werden Produkttemperatur und Systemdruck kontinuierlich überwacht. Ergänzend können Kondensatmenge, Brüdenstrom und der Verlauf der Antriebsleistung ausgewertet werden. Sinkt die Menge der abgeführten Brüden bei definiertem Temperatur- und Druckniveau deutlich ab, weist dies auf einen fortschreitenden Trocknungszustand hin. Ein sicherer Endpunkt wird jedoch nicht allein aus Druck oder Temperatur abgeleitet, sondern durch die Kombination mit dem definierten Feuchtezielwert und gegebenenfalls einer analytischen Referenzprobe abgesichert.
Die Feuchtemessung kann je nach Produkt über NIR-, Mikrowellen- oder kapazitive Sensorik erfolgen. NIR-Sensoren erfassen berührungslos den Feuchteverlauf im sichtbaren Produktbereich. Mikrowellen- und kapazitive Verfahren können eine sinnvolle Alternative sein, wenn optische Messfenster durch Staub, Anhaftungen oder Produkteigenschaften eingeschränkt sind. Alle Verfahren benötigen eine Kalibrierung mit Originalprodukt und eine Messstelle, die für die jeweilige Produktbewegung repräsentative Daten liefert.
Auch Drehmoment und Leistungsaufnahme des Mischwerks können den Prozess sinnvoll ergänzen. Sie zeigen Veränderungen von Fließverhalten, Klebrigkeit, Anhaftungen oder Verdichtung. Bei der Trocknung messen sie die Restfeuchte nicht direkt, können aber als zusätzliches Signal für den Produktzustand, die Prozessstabilität und den Anlagenschutz dienen.
Ein integrierter Probenehmer ergänzt die Inline-Sensorik durch gezielte Produktkontrollen. Die Laboranalyse dient dabei als Referenz für die Kalibrierung und Validierung der Prozesssignale. So können Feuchteverlauf, Temperatur, Druck, Mischwerksleistung und analytisch bestimmte Restfeuchte miteinander verknüpft werden.
Projektspezifische Sensorik
amixon® Apparate werden auf Basis der User Requirement Specification ausgelegt. Sensorik, Messstellen, Automatisierungstiefe, SPS-Funktionen und die gewünschte Chargendokumentation werden im Projekt festgelegt. Dabei berücksichtigt die Auslegung Temperatur, Druck, Vakuum, Abrasion, Anhaftungsneigung, Hygienic Design und gegebenenfalls ATEX-Anforderungen.
Misch- und Trocknungsprogramme können in der SPS hinterlegt werden. Die Datenübergabe an SCADA-, MES- oder ERP-Systeme erfolgt über die vereinbarten Schnittstellen. Barcode-Scanner können die chargenbezogene Dokumentation ergänzen. In regulierten Anwendungen lassen sich Anforderungen an Datenintegrität, Benutzerrechte, Audit Trail und elektronische Chargendokumentation berücksichtigen.
Endpunkt im Technikum ermitteln
Im amixon® Technikum wird mit dem Originalprodukt ermittelt, welche Kombination aus Feuchte, Produkttemperatur, Druckverlauf, Kondensatmenge, Mischwerksleistung und Mischzeit den Trocknungsendpunkt am zuverlässigsten anzeigt. Die daraus gewonnenen Daten bilden die Grundlage für die Sensorikauslegung, das Trocknungsprogramm und die spätere Produktionsanlage.