Welche Pulvermischer-Konzepte funktionieren gut mit standardisierten Normfässern für kleine Pulver-Chargen?
Für kleine Pulver-Chargen in standardisierten Normfässern funktionieren vor allem Fass- und Containermischer nach dem Freifallprinzip, sofern die Pulver gut fließfähig, weitgehend agglomeratfrei und hinsichtlich Partikelgröße, Partikelform, Schüttdichte und Fließverhalten ausreichend ähnlich sind. In der Entwicklungsarbeit sind insbesondere rotierende Fassmischer, Taumelmischer und 3D-Containermischer verbreitet. Das verschlossene Fass wird dabei in eine sichere Spannvorrichtung aufgenommen und als vollständiger Mischbehälter gedreht, gewendet oder überlagert bewegt. Weil keine Mischwerkzeuge in den Produktraum eintauchen, wird das Korngefüge vergleichsweise schonend behandelt. Zugleich bleibt das Produkt im Originalgebinde, wodurch Umfüllverluste, produktberührte Anlagenflächen und der Reinigungsaufwand des Mischerrahmens begrenzt werden. Trommelmischer sind auch für kleinere Gebinde erhältlich; marktübliche Systeme decken beispielsweise Fässer bis rund 220 Liter sowie kleine Laborbehälter ab.
Reine Rotations-Fassmischer sind besonders einfach aufgebaut. Das Fass wird über Spannbänder, Formschalen, verstellbare Spannarme oder austauschbare Adapter am Mantel beziehungsweise am Fassrand gesichert und um eine definierte Achse bewegt. Taumel- und 3D-Mischer erweitern die reine Drehbewegung durch zusätzliche Schwenk- oder Inversionsbewegungen. Das kann den Austausch von Produktbereichen verbessern. Für empfindliche Granulate und gut fließende Pulvermischungen sind diese Konzepte häufig geeignet, denn die mechanische Beanspruchung bleibt niedrig und es sind keine produktberührten Mischwerkzeuge zu reinigen.
Diese Vorteile dürfen jedoch nicht darüber hinwegtäuschen, dass Freifallmischer für viele anspruchsvolle Pulverrezepturen nur eingeschränkt geeignet sind. Das Mischprinzip beruht auf der freien Bewegung einzelner Partikel und auf wiederholten Schütt- und Lawinenbewegungen. Stark kohäsive Pulver können dabei als zusammenhängende Agglomerate oder „Schollen“ bewegt werden, ohne ausreichend fein verteilt zu werden. Für solche Produkte reicht die eingetragene Scherenergie oft nicht aus, um Agglomerate zuverlässig zu lösen; gegebenenfalls ist ein dynamischer Mischer mit Werkzeugen und definierter Scherwirkung erforderlich. Freifallmischer können andererseits bei sehr gut fließenden Komponenten zu Entmischung neigen. Unterschiede in Partikelgröße, Schüttdichte, Form oder Oberflächeneigenschaften fördern eine Segregation während des Mischens und insbesondere beim Austrag.
Für Rezepturen mit großen Unterschieden zwischen den Komponenten, mit schwer dosierbaren Kleinkomponenten, mit stark kohäsiven Pulvern, mit einem erforderlichen Flüssigkeitseintrag oder mit hohen Homogenitätsanforderungen sind deshalb andockbare Labormischköpfe oft die bessere Lösung. Das Fass bleibt dabei der Produktbehälter, während ein externer Mischkopf staubdicht von oben angedockt wird. Als Mischwerkzeuge kommen beispielsweise Wendel-, Propeller-, Anker- oder Dispergierwerkzeuge infrage. Ein solches System kann eine wesentlich höhere und gezieltere Scherwirkung eintragen als ein Freifallmischer. Es eignet sich daher für kohäsive Feststoffe, Befeuchtungsaufgaben, Suspensionen und Flüssigkeiten mit suspendierten Feststoffen. Für flüssige oder pastöse Systeme muss die Werkzeugwahl am Fließverhalten des jeweiligen Mediums ausgerichtet werden.
Bodenandock- und Entleerstationen sind eine weitere Möglichkeit, wenn Produkte aus Fässern dosiert, homogenisiert oder als Suspension verarbeitet werden sollen. Das Fass wird auf eine Andockstation aufgesetzt und über eine geeignete Entleerarmatur verbunden. Ein Rührwerk kann dabei von oben oder unten in den Behälter eingeführt werden, um Sedimente aufzunehmen oder eine Feststoffsuspension vor dem Austrag zu homogenisieren. Diese Lösungen sind besonders dann relevant, wenn ein Produkt während der Lagerung sedimentiert oder wenn Feststoffe vor der Abfüllung erneut gleichmäßig in einer Flüssigkeit verteilt werden müssen.
Dissolver- und Rotor-Stator-Systeme in Fassbauweise eignen sich nicht primär für das trockene Pulvermischen, sondern für die Herstellung von Dispersionen, Emulsionen und Suspensionen. Sie erzeugen hohe lokale Scherkräfte und können Pigmente, Feststoffagglomerate oder Flüssig-Feststoff-Systeme fein dispergieren. Typische Anwendungen liegen bei Lacken, Beschichtungen, kosmetischen Formulierungen, Klebstoffen und chemisch-technischen Produkten. Für pastöse Formulierungen können kompakte Planetenmischer oder Doppelwellensysteme verwendet werden, bei denen sich Werkzeuge sowohl um die eigene Achse als auch entlang der Behälterwand bewegen. Solche Systeme sind für pastöse Medien, Klebstoffe oder Dichtmassen geeignet; der Begriff Viskosität bezieht sich in diesem Zusammenhang auf die flüssige oder pastöse kontinuierliche Phase, nicht auf trockene Pulver.
Für die sichere Verarbeitung unterschiedlicher Fassgrößen ist eine geeignete Fixierung wesentlich. Stahlfässer können in der Regel über robuste Spann- oder Zentriersysteme aufgenommen werden. Kunststofffässer und Hobbocks benötigen dagegen eine flächige Lastverteilung, beispielsweise durch breite Spanngurte, angepasste Formschalen oder Korbadapter, damit sie sich unter dynamischer Belastung nicht verformen. Kleine Laborgebinde können mit Reduzieradaptern stabil aufgenommen werden. Beschleunigungs- und Bremsrampen sollten so eingestellt sein, dass Gebinde, Verschlussarmaturen und Produkt nicht unnötig dynamisch belastet werden. Zusätzlich sind eine sichere Deckelverriegelung, eine Prüfung der Fassintegrität und bei staubfähigen Produkten geeignete Schutzmaßnahmen gegen unbeabsichtigte Freisetzung erforderlich.
Das Mischen im Originalfass bietet in der Forschung und Entwicklung klare organisatorische Vorteile. Das Fass kann als Misch-, Lager- und Transportgebinde dienen. Dadurch wird die Zahl der Produktübergaben reduziert, was Verluste und das Risiko von Kreuzkontaminationen senken kann. Außerdem lassen sich Versuchschargen schnell nacheinander bearbeiten, weil der Mischerrahmen bei geschlossenem Gebinde keine produktberührten Innenflächen aufweist. Für toxische, staubende oder lösemittelhaltige Stoffe ist ein geschlossenes, mechanisch sicheres System besonders wichtig. Ob die Fasseinspannung und die gesamte Anlage für die jeweilige ATEX-Zone oder ein spezifisches Containment-Niveau geeignet sind, muss separat geprüft werden.
Ein einfaches Scale-up vom Laborfass auf einen Produktionsmischer ist allerdings nicht selbstverständlich. Die Übertragbarkeit hängt vom Mischprinzip, der Behältergeometrie, dem Füllgrad, der Bewegungsbahn, der Drehzahl, den Produkteigenschaften und der Dosierreihenfolge ab. Kennzahlen wie die Froude-Zahl können bei rotierenden Systemen Orientierung geben, ersetzen aber keine Versuche im relevanten Maßstab. Gerade weil sich der Grad der Entmischung mit Gebindegröße, Fallhöhe, Luftbewegung und Austragsgeometrie verändern kann, sollte die Homogenität sowohl nach dem Mischen als auch nach Transport und Entleerung geprüft werden. Die Forschung zeigt, dass Unterschiede der Partikeleigenschaften und insbesondere der Partikelgröße die Homogenität und das Segregationsrisiko wesentlich beeinflussen können.
Fass- und IBC-Mischkonzepte von amixon®
Für kleine Pulver-Chargen in standardisierten Normfässern bietet amixon® mit dem Einwellenmischer EM ein Mischkonzept, das die Vorteile der Fasslogistik mit einer dynamischen, präzise steuerbaren Mischwirkung verbindet. Für größere Chargen und IBC-basierte Materialflüsse steht der Containermischer COM zur Verfügung. Beide Systeme unterscheiden sich grundlegend von Freifall- oder Taumelmischern: Das Gebinde wird nicht als geschlossener Behälter gedreht oder umgestülpt, sondern bleibt während des Prozesses senkrecht oder in einer definierten Schräglage. Die Homogenisierung erfolgt durch ein aktiv angetriebenes Mischwerkzeug. Damit lassen sich auch Produkte verarbeiten, die für reine Freifallmischsysteme nur eingeschränkt geeignet sind, etwa kohäsive Pulver, feuchte Feststoffmischungen, agglomerierte Rohstoffe oder Mischungen mit Flüssigkeitszugabe.
Der amixon® Einwellenmischer EM ist für kleine Entwicklungs-, Kleinproduktions- und Just-in-time-Chargen ausgelegt. Je nach Ausführung deckt er Chargengrößen von etwa 5 bis 200 Litern ab und kann mit standardisierten Norm- oder Deckelfässern beschickt und entleert werden. Das Fass wird mit einem Handhubwagen an den Mischer herangeführt und staubarm angedockt. Durch eine kontrollierte Schwenkbewegung wird der Mischer befüllt; nach Abschluss des Mischvorgangs kann das homogenisierte Produkt auf gleichem Weg wieder in das Fass überführt werden. Das Fass dient somit als Transport- und Aufnahmegebinde, während der eigentliche Mischprozess im amixon® Mischraum stattfindet.
Der Mischraum des EM kann zur Befüllung, Entleerung und Prozessintensivierung geneigt werden. In der Schräglage überlagert sich die vertikale Produktbewegung des Mischwerkzeugs mit einer Querströmung. Das Produkt wird im peripheren Bereich nach oben gefördert, im zentralen Bereich wieder nach unten geführt und zugleich seitlich umgewälzt. Diese dreidimensionale Verströmung begünstigt eine gleichmäßige Homogenisierung, auch bei kleinen Füllgraden. Der Füllgrad kann je nach Produkt und Ausführung in einem breiten Bereich von etwa 10 bis 100 Prozent des Nutzvolumens liegen. Die Mischintensität ist anpassbar: Für besonders schonende Homogenisierungsaufgaben kann mit niedriger Werkzeugdrehzahl gearbeitet werden; bei Bedarf können Schneidrotoren oder HighShearBlades eingesetzt werden, um Agglomerate gezielt aufzuschließen und die Einmischung kleiner Mengen von Wirk- oder Zusatzstoffen zu unterstützen.
Der EM eignet sich insbesondere für Vormischungen und Verreibungen. Solche Prozessschritte sind wichtig, wenn geringe Mengen hochkonzentrierter Wirk-, Vitamin-, Mineralstoff- oder Spurenelementkomponenten zunächst mit einer geeigneten Trägermasse vorgemischt werden müssen. Ziel der Vormischung ist, Kleinkomponenten vollständig und fein verteilt in einen ausreichend großen Anteil eines Trägerpulvers einzuarbeiten. Die resultierende Vormischung kann anschließend in eine größere Endmischung eingebracht werden. Dieses Vorgehen ist beispielsweise bei pharmazeutischen Produkten, Nutrazeutika, diätetischen Mischungen und Babynahrung relevant. Die erforderliche Mischgüte und die geeignete Probenahmestrategie müssen für jede Rezeptur nachgewiesen werden.
Auch Flüssigkeiten können im EM kontrolliert in Pulver eingemischt werden. Eine geeignete Flüssigkeitsdosierung und gegebenenfalls fein zerstäubende Eintragsvorrichtung ermöglichen es, kleine Flüssigkeitsmengen möglichst gleichmäßig im bewegten Pulver zu verteilen. Für eine robuste Auslegung sind Benetzbarkeit, Kohäsivität, Ausgangsfeuchte, Partikelstruktur, Dosiergeschwindigkeit und mögliche Agglomeration zu berücksichtigen. Bei stark kohäsiven Pulvern oder bei Produkten mit ausgeprägten Agglomeraten kann die zusätzliche Intensivmischung die Desagglomeration unterstützen. Wie bei allen Pulvermischprozessen sollte die tatsächliche Eignung anhand von Versuchen mit Originalprodukt abgesichert werden.
Für größere Chargen kann der amixon® Containermischer COM eingesetzt werden. Der Container selbst fungiert dabei als Mischraum und bleibt während des Mischprozesses aufrecht oder leicht geneigt. Ein von oben eintauchendes Mischwerkzeug erzeugt die erforderliche Produktbewegung. Die Mischung erfolgt damit nicht durch Umstülpen des Containers, sondern durch ein aktiv angetriebenes Mischsystem im verschlossenen Behälter. amixon® beschreibt den COM als Containermischer für hochwertige Mischgüter; je nach Ausführung kann er mit standardisierten IBCs und speziellen Mixtainer®-Behältern betrieben werden.
Beim COM kann ein SinConvex®- und MultiPane®-Mischwerkzeug eingesetzt werden. Das Mischwerkzeug wird von oben in den gasdicht geschlossenen Container eingeführt, homogenisiert das Produkt und wird anschließend reversierend wieder herausgeführt. SinConvex® unterstützt eine intensive dreidimensionale Verströmung und eine gute Produktführung bis in bodennahe und wandnahe Bereiche. MultiPane® ist für besonders schonende Mischprozesse geeignet und kann eingesetzt werden, wenn empfindliche Partikelstrukturen, Granulate oder Agglomerate möglichst erhalten bleiben sollen. Der COM kann damit für trockene und feuchte Pulver sowie für Produkte mit anspruchsvollen Homogenitätsanforderungen eingesetzt werden. Die konkrete Mischaufgabe, die erreichbare Homogenität und der geeignete Füllgrad werden dabei durch Produktversuche bestimmt.
Ein zentraler Vorteil beider Konzepte liegt in der Verbindung von Mischprozess und Gebindelogistik. Umfüllschritte werden reduziert, sodass Produktverluste, Staubemissionen und Schnittstellen für mögliche Kreuzkontaminationen begrenzt werden können. Das Gebinde kann für Einwaage, Zwischenlagerung, innerbetrieblichen Transport und die Aufnahme des Fertigprodukts verwendet werden. Beim EM wird das Produkt im Mischer homogenisiert und anschließend in das Normfass zurückgeführt. Beim COM findet die Homogenisierung direkt im Container statt. Diese Prozessorganisation ist besonders vorteilhaft für kleine und wechselnde Chargen, für Lohnmischer sowie für Betriebe mit häufigen Produkt- oder Rezepturwechseln.
Die Reinigbarkeit ist Bestandteil der Anlagenkonzeption. Beim EM kann der Mischraum zur Reinigung in eine ergonomisch günstige Position geschwenkt werden. Beim COM kann ein Washtainer® für die automatische Nassreinigung des Mischwerkzeugs angedockt werden. Für hygienisch anspruchsvolle Anwendungen können die Mischsysteme mit totraumarmen Geometrien, gut zugänglichen produktberührten Flächen und geeigneten Dichtungs- sowie Reinigungsfunktionen ausgeführt werden. amixon® nennt für den COM unter anderem WIP-Vorrichtungen mit Aseptik-Schnellverschlüssen und die Eignung für hohe Hygieneanforderungen. Ob eine Trocken- oder Nassreinigung erforderlich ist und wie sie validiert werden muss, hängt von Rezeptur, Allergen- oder Wirkstoffrisiko, Produktadhäsion und den betrieblichen Vorgaben ab.
Mischprogramme können in einer SPS hinterlegt und chargenbezogen reproduzierbar ausgeführt werden. Dazu können Mischzeit, Werkzeugdrehzahl, Intensivmischphasen, Zugabereihenfolge, Flüssigkeitsdosierung und gegebenenfalls Temperaturprofile gehören. Eine Anbindung an ein ERP- oder Manufacturing-Execution-System sowie Barcode- oder RFID-Erfassung kann die lückenlose Zuordnung von Rezeptur, Ausgangsstoffen, Gebinde, Charge, Prozessparametern und Reinigungsstatus unterstützen. Das schafft eine belastbare Grundlage für Rückverfolgbarkeit, Prozessvalidierung und die Auswertung der Anlagenverfügbarkeit.
Alle hygienischen Eigenschaften basieren auf einer konstruktiv reinigungsfreundlichen Ausführung. Dazu gehören fugenarm verschweißte und verschliffene Oberflächen, von oben gelagerte Mischwerke ohne produktberührte untere Wellendurchführung, groß dimensionierte Inspektionstüren und totraumarme Austragsorgane. CleverCut®-Inspektionstüren mit OmgaSeal®-Dichtungen können die Zugänglichkeit verbessern und eine dauerhaft dichte, reinigungsfreundliche Ausführung unterstützen. Je nach Projekt können auch integrierte Waschlanzen oder vollautomatische Nassreinigungsfunktionen vorgesehen werden. Eine Ausführung nach EHEDG-Richtlinien sowie unter Berücksichtigung von FDA-Hygienerichtlinien oder 3-A Sanitary Standards ist projektabhängig möglich.
Vor der Auswahl eines Mischsystems steht der Nachweis mit dem Originalprodukt. Im amixon® Technikum in Paderborn stehen mehr als 30 Testanlagen in verschiedenen Baugrößen zur Verfügung; zusätzlich bestehen Technika in Japan, Indien, Thailand, China, Südkorea und den USA. In den Versuchen werden reale Füllgrade, Chargengrößen, Temperatur- und Druckbedingungen abgebildet. Bewertet werden Mischqualität, Produktschonung, Energieeintrag, Desagglomeration, Flüssigkeitseinmischung, Entleerbarkeit, Reinigbarkeit und die Reproduzierbarkeit im späteren Betrieb. Die dokumentierten Ergebnisse schaffen eine fundierte Grundlage für die technische und wirtschaftliche Auslegung der gewählten Fass- oder IBC-Mischlösung.