Welche Lösungen gibt es für flexible Batchgrößen (pulvrige Güter) von 5 bis 5.000 Litern im selben Mischertyp?
Die Verarbeitung von Chargen zwischen 5 und 5000 Litern stellt hohe Anforderungen an Mischtechnik und Prozessentwicklung. Dabei sind zwei Fragen zu unterscheiden. Erstens geht es um die minimale und maximale Füllmenge, die ein einzelner Mischer sinnvoll verarbeiten kann. Zweitens geht es um die Übertragbarkeit eines Mischprozesses von der Laboranlage auf groessere Produktionsmischer derselben Baureihe.
Eine einzige Mischmaschine kann einen Bereich von 5 bis 5000 Litern in der Regel nicht sinnvoll abdecken. Das entspricht einem Verhältnis von 1 zu 1000. Bei sehr kleinen Füllmengen können Mischwerkzeuge nicht ausreichend in das Produkt eintauchen. Zudem gewinnen Wandreibung, Restmengen, Entleerbarkeit und Reinigungsaufwand bei kleinen Chargen stark an Bedeutung. In der Praxis ist daher meist eine geometrisch und funktional vergleichbare Mischerserie mit Labor, Pilot und Produktionsmischern die bessere Lösung.
Für stark schwankende Füllgrade eignen sich insbesondere vertikale Mischsysteme mit konischer Behältergeometrie. Konische Schneckenmischer nach dem Nauta Prinzip führen das Produkt zum tiefsten Punkt des Behälters. Eine umlaufende Schnecke kann dadurch auch bei vergleichsweise geringer Befüllung produktwirksam bleiben. Vertikale Einwellen oder Zweiwellenmischer mit grossflaechigen, bodennah arbeitenden Mischwerkzeugen können ebenfalls eine breite Fuellgradspanne abdecken. Ob eine bestimmte Mindestfüllmenge erreicht wird, hängt jedoch immer von Schuettgut, Korngroesse, Schuettgewicht, Fliessverhalten, Mischaufgabe und Werkzeuggeometrie ab.
Eine hohe Flexibilität innerhalb einer Maschine erfordert eine passende Behälter und Mischwerkzeuggeometrie. Konische Böden oder gezielt gestaltete Bodengeometrien sorgen dafür, dass sich auch bei Teilbefüllung ausreichend Produkt im Wirkbereich des Mischwerkzeugs befindet. Bodennah angeordnete Werkzeuge können die Bewegung des Produktes im unteren Bereich verbessern und die Bildung unbewegter Zonen reduzieren.
Frequenzgeregelte Antriebe ermöglichen es, Drehzahl und Mischintensität an Füllgrad und Produkteigenschaften anzupassen. Eine niedrigere Drehzahl kann empfindliche Partikel schonen, während eine höhere Drehzahl bei bestimmten Mischaufgaben die Durchmischung beschleunigt. Die erforderliche Drehzahl darf jedoch nicht allein aus einem konstanten spezifischen Leistungseintrag abgeleitet werden. Bei trockenen Schuettguetern bestimmen auch Schwerkraft, Wandreibung, Partikelform und Kohesion das Mischverhalten.
Eine gute Entleerbarkeit ist bei kleinen Chargen besonders wichtig. Totraumarme Auslauforgane und eine konstruktiv günstige Behältergeometrie reduzieren Restmengen. Je kleiner die Charge, desto groesser ist der prozentuale Einfluss von Produktrückständen auf Ausbeute, Rezepturtreue und Kreuzkontamination. Falls das Produkt temperiert werden muss, kann eine angepasste Heiz oder Kühlausführung sinnvoll sein. Bei pulvrigen Gütern ist jedoch zu prüfen, ob der Wärmeübergang bei niedriger Befüllung ausreichend ist.
Der Bereich von 5 bis 5000 Litern wird in der Praxis durch eine Mischerserie mit mehreren Baugroessen abgedeckt. Für ein belastbares Scale up sollten die Mischer in ihrer Grundgeometrie und Wirkungsweise vergleichbar sein. Dazu gehören unter anderem das Verhältnis von Mischwerkzeug zu Behälterdurchmesser, die Behälterhöhe, die Position der Werkzeuge und die Art der Produktbewegung.
Beim Scale up können Kennzahlen wie Umfangsgeschwindigkeit, Froude Zahl, spezifischer Leistungseintrag oder Energieeintrag als Orientierung dienen. Diese Kennzahlen lassen sich jedoch nicht gleichzeitig konstant halten. Welche Groesse für die Übertragung entscheidend ist, richtet sich nach der Mischaufgabe. Bei frei fliessenden Schuettguetern steht oft die konvektive Produktbewegung im Vordergrund. Bei kohesiven, feuchten oder agglomerathaltigen Pulvern können Scherwirkung, Mischzeit und die Auslegung von Zerkleinerungswerkzeugen wichtiger sein.
Eine geometrisch ähnliche Mischerserie reduziert den Entwicklungsaufwand, ersetzt aber keine Versuche im Pilot oder Produktionsmassstab. Unterschiede bei Füllgrad, Produktdruck, Schuettgewicht, Entleerung und Zugabezeit können die Mischgüte beeinflussen. Daher sollten kritische Rezepturen mit Originalprodukt in mehreren Baugroessen erprobt werden. Bewertet werden neben der Mischgüte auch Entmischungsneigung, Produktschonung, Restentleerung, Reinigbarkeit und Reproduzierbarkeit.
Die wirtschaftlich und verfahrenstechnisch sinnvolle Lösung besteht meist aus einer konsistenten Mischerserie für Labor, Pilotanlage und Produktion. Ergänzt wird sie durch Mischer mit einer möglichst grossen nutzbaren Fuellgradspanne, frequenzgeregelten Antrieben, totraumarmer Entleerung und einer auf das Produkt abgestimmten Mischwerkzeuggeometrie. So lassen sich Entwicklungschargen, Pilotmengen und Produktionschargen mit vergleichbarer Mischwirkung herstellen, ohne die physikalischen Grenzen einer einzelnen Maschine zu überschreiten.
Chargenspannen und Baugroessen: amixon® Mischtechnik von 5 Litern bis 100 Kubikmetern
amixon® bietet Mischlösungen für Entwicklungschargen, Pilotmengen und grossvolumige Produktionschargen. Das Spektrum reicht von kleinen Einwellenmischern ab etwa 5 Litern bis zu grossen Gyraton® Mischern für Chargen von bis zu rund 100 Kubikmetern. Entscheidend ist dabei nicht nur das Nennvolumen, sondern die Frage, bei welchem Füllgrad, mit welchem Produkt und in welcher Zeit eine definierte Mischgüte erreicht werden soll.
Hohe Flexibilität innerhalb eines Mischers
Viele amixon® Mischer können einen breiten Fuellgradbereich abdecken. Abhängig von Mischertyp, Produkt und Mischaufgabe sind Füllgrade von etwa 10 bis 100 Prozent des Nutzinhalts möglich. Damit kann ein Produktionsmischer unterschiedliche Losgroessen verarbeiten, ohne dass für jede Chargengroesse eine eigene Anlage erforderlich ist.
Ein HM 7000 kann beispielsweise bei geeigneter Rezeptur und Auslegung sowohl Teilchargen als auch die volle Nenncharge verarbeiten. Ob bei 800 Litern und 7000 Litern die gleiche Mischzeit und Mischgüte erreicht werden, muss jedoch mit dem Originalprodukt geprüft werden. Eine breite Fuellgradspanne reduziert den Bedarf an Zweitmaschinen, ersetzt aber nicht die prozessbezogene Bewertung und gegebenenfalls die Qualifizierung unterschiedlicher Chargengroessen.
Das Baugroessenraster von amixon®
Einwellenmischer der Baureihe EM eignen sich für Entwicklungs, Klein und Just in time Chargen. Je nach Ausführung können Normfaesser als Mischbehälter genutzt werden. Das erleichtert die Verarbeitung kleiner Mengen und kann Umfuellschritte vermeiden.
Containermischer der Baureihe COM nutzen den Mixtainer oder IBC als Mischraum. Sie decken Chargen von etwa 100 bis 4000 Litern ab und eignen sich besonders für Prozesse, bei denen der Behälter zugleich als Transport, Lager und Mischbehälter verwendet wird.
Vertikale Mischer und Konusmischer der Baureihen VM, HM und AM sowie Vakuum Mischtrockner und Reaktoren der Baureihen VMT und AMT sind in zahlreichen Baugroessen verfügbar. Dadurch kann die Anlagenkapazität eng an die geforderte Chargengroesse angepasst werden. Sonderbauformen ermöglichen auch grosse Nutzvolumina bis etwa 50000 Liter.
Für Grosschargen steht der Gyraton® GM zur Verfügung. Er kann für Chargen im Bereich von etwa 10 bis 100 Kubikmetern ausgelegt werden. Die konkrete Baugroesse wird anhand von Produkt, geforderter Mischzeit, Füllgrad, Einbausituation und Materiallogistik bestimmt.
Ergänzend bietet amixon® kontinuierliche Misch und Granulierloesungen an. Diese sind sinnvoll, wenn nicht einzelne Chargen, sondern ein gleichmaessiger Massendurchsatz im Vordergrund steht. Die Auswahl zwischen Batch und kontinuierlichem Prozess richtet sich nach Rezeptur, Durchsatz, Reinigungsanforderung und dem erforderlichen Grad an Flexibilität.
Durchsatz entsteht aus dem gesamten Prozess
Der reale Durchsatz einer Mischanlage ergibt sich nicht allein aus der Chargengroesse. Massgeblich sind Mischzeit, Befüllen, Dosieren, Entleeren, Reinigen und der Wechsel zwischen Rezepturen. Deshalb betrachtet amixon® die Taktzeit als Gesamtprozess.
Eine schnelle und möglichst vollständige Entleerung kann die Anlagenverfügbarkeit deutlich verbessern. Der KoneSlid® KS ermöglicht einen schnellen Produktaustrag. ComDisc® Elemente unterstützen die Restentleerung und helfen, das Risiko einer Entmischung während des Austrags zu reduzieren. Die erreichbare Entleerzeit und Restmenge sind dabei vom Produkt und der konkreten Anlagenkonfiguration abhängig.
Skalierung mit Technikumserprobung
amixon® Baureihen sind so ausgelegt, dass die jeweilige Mischaufgabe von der Entwicklung bis zur Produktion systematisch übertragen werden kann. Innerhalb einer Mischerserie bleiben die grundlegende Mischwirkungsweise und die produktwirksamen Elemente vergleichbar. Dennoch ist ein Scale up nicht allein durch die geometrische Bauähnlichkeit abgesichert.
Mischversuche mit Originalprodukt sind deshalb ein zentraler Bestandteil der Auslegung. Im amixon® Technikum in Paderborn stehen mehr als 30 Testanlagen in unterschiedlichen Baugroessen zur Verfügung. Ergänzend gibt es Technika in Japan, Indien, Thailand, China, Südkorea und den USA. Die Versuche können mit realistischen Füllgraden, Chargengroessen sowie vorgesehenen Temperatur und Druckbedingungen erfolgen.
Bewertet werden Mischgüte, Produktschonung, Energieeintrag, Entleerbarkeit, Reinigbarkeit und Reproduzierbarkeit. Die Ergebnisse bilden die Grundlage für die Auswahl der Baugroesse und die Festlegung der Prozessparameter im späteren Serienbetrieb.
Hygienic Design für Chargenwechsel
Das amixon® Hygienic Design unterstützt schnelle Produktwechsel und eine gute Reinigbarkeit. Mischraum und Mischwerk sind fugenfrei verschweisst und verschliffen. Das Mischwerk ist ausschliesslich oben gelagert. Eine produktberuehrte untere Wellendurchführung kann dadurch entfallen.
Clever-Cut® Inspektionstueren mit OmgaSeal® Dichtungen schaffen einen guten Zugang zu den produktberuehrten Flächen. Totraumarme Auslauforgane und optional integrierte Waschlanzen unterstützen die Trocken oder Nassreinigung. Je nach Anwendung kann die Ausführung an hygienische Anforderungen der Lebensmittel, Pharma oder Chemieindustrie angepasst werden.
amixon® bietet damit nicht eine einzige Maschine für den gesamten Bereich von 5 bis 5000 Litern, sondern ein abgestimmtes Baukastensystem. Es verbindet flexible Füllgrade innerhalb einzelner Mischer mit einer breiten Auswahl an Baugroessen und einer prozessnahen Erprobung im Technikum.