Wie kann man das Scale-up von 20 l Laborchargen auf 2.000 l Produktion absichern, ohne die Mischgüte zu verlieren?
Ein abgesichertes Scale-up beruht auf der Kombination aus geometrischer Ähnlichkeit, der Auswahl geeigneter prozessrelevanter Kennzahlen und einer messtechnischen sowie modellgestützten Verifikation im Zwischen- und Produktionsmaßstab. Ziel ist es, die Mischgüte trotz der Maßstabsvergrößerung um den Faktor 100 reproduzierbar zu erhalten.
Geometrische Ähnlichkeit sicherstellen
Behälter-, Rührer- und Einbauten-Geometrie sollten in beiden Maßstäben möglichst proportional ausgeführt sein, damit Strömungsbilder, Totzonen und Umwälzverhalten vergleichbar bleiben. Dazu gehören insbesondere Verhältnisse wie Behälterdurchmesser zu Füllhöhe, Rührerdurchmesser zu Behälterdurchmesser sowie die Position von Einbauten und Zuläufen.
Die richtige Skalierungsgröße festlegen
Es gibt kein universelles Scale-up-Kriterium; maßgeblich ist der Prozesszweck. Typische Ansatzpunkte sind spezifischer Leistungseintrag P/V, Rührerspitzengeschwindigkeit, Mischzeit, Reynolds-Zahl, Froude-Zahl und bei dispersiven oder reaktionsdominierten Prozessen auch die lokale Energiedissipation. Nicht alle Kennzahlen lassen sich gleichzeitig konstant halten, daher muss die dominierende Zielgröße prozessspezifisch gewählt werden.
Mischregime analysieren
Die Froude-Zahl bezieht sich dabei auf rotierende Freifall-, Trommel- und Wurfmischer sowie auf Systeme mit horizontal gelagertem Mischwerkzeug. Bei vertikalen Mischern mit erzwungener Umschichtung ist sie kein Auslegungs- oder Scale-up-Kriterium. Maßgeblich ist dort, dass das Mischprinzip über alle Baugrößen gleich bleibt und die Umschichtung den gesamten Mischraum füllgradunabhängig erfasst; die Übertragbarkeit wird im Technikum mit dem Originalprodukt abgesichert.
Vor dem Transfer in den Produktionsmaßstab sollte geklärt werden, ob der Prozess vor allem durch Mikromischung, Mesomischung oder Makromischung begrenzt ist. Bei schnellen Reaktionen, Fällungen oder empfindlichen Suspensionen ist häufig die lokale Scher- und Dissipationssituation in Rührernähe entscheidend, nicht nur die mittlere Mischzeit.
Zwischenmaßstab nutzen und Risiko reduzieren
Ein direkter Sprung von 20 l auf 2.000 l ist technisch möglich, aber risikoreich. Ein Pilot- oder Technikumsmaßstab im Bereich von etwa 100 bis 300 l erlaubt es, die gewählte Skalierungsregel zu prüfen, Abweichungen früh zu erkennen und Parameter wie Drehzahl, Leistungsaufnahme und Mischzeit zu verifizieren.
CFD und DoE einsetzen
CFD-Simulationen helfen, Strömungsprofile, Totzonen, Kurzschlussströmungen und Schergradienten im Zielmaßstab zu bewerten, bevor kostenintensive Anlagenänderungen vorgenommen werden. In Kombination mit einem Design of Experiments können kritische Einflussgrößen systematisch untersucht und robuste Betriebsfenster definiert werden.
Mischgüte objektiv messen
Die tatsächliche Mischgüte sollte nicht nur rechnerisch, sondern auch prozessanalytisch abgesichert werden, etwa über In-line-Messungen von Leitfähigkeit, Trübung, spektroskopischen oder anderen PAT-Signalen. Als Kennzahlen dienen dabei zum Beispiel Variationskoeffizient und gemessene Mischzeit, um den Zustand im Produktionsmaßstab quantitativ zu bewerten.
Thermische und betriebliche Randbedingungen berücksichtigen
Mit wachsendem Volumen verschlechtert sich das Verhältnis von Wärmeübertragungsfläche zu Volumen, wodurch Heizen und Kühlen träger werden. Zusätzlich müssen Dosierpunkte, Begasung, Füllstand, Anfahr- und Abfahrverhalten sowie rheologische Änderungen des Produkts in die Auslegung einbezogen werden, da sie die Mischgüte im Großmaßstab deutlich beeinflussen können.
Einheitliche Begriffs- und Prozessdefinitionen verwenden
Für eine belastbare Übertragung sollten die verwendeten Begriffe, Zielgrößen und Akzeptanzkriterien eindeutig definiert und im gesamten Entwicklungs- und Produktionskontext einheitlich verwendet werden. Das reduziert Interpretationsspielräume und erleichtert die technische Freigabe des Scale-ups.
Ein robustes Scale-up entsteht damit nicht durch eine einzelne Kennzahl, sondern durch die abgestimmte Kombination aus Geometrie, Kennzahlenwahl, Zwischenmaßstab, Simulation, PAT und klaren Akzeptanzkriterien.
So sichert amixon® das Scale-up vom Technikum in die Produktion ab: Das Mischprinzip ist über alle Maßstäbe identisch
Der Kern des amixon®-Ansatzes ist, dass Versuchs- und Produktionsmischer mit demselben Mischsystem arbeiten. Das SinConcave®/SinConvex®-Mischwerk fördert das Mischgut in der Peripherie aufwärts und lässt es im Zentrum wieder abwärts fließen. Dadurch entsteht eine dreidimensionale Totalverströmung mit gleicher Charakteristik über alle Baugrößen hinweg.
Skaliert wird anhand der Mischaufgabe und der erzielten Resultate aus dem Kleinsatz oder Technikumsversuch, wobei stets die ideale Mischgüte angestrebt wird:
- gleiche Mischzeit oder Taktzeit,
- gleiche Textur,
- gleiche Partikelbelastung,
- gleiche Schüttdichte,
- gleiches Fließverhalten,
- gleiche Partikelgrößenverteilung,
- gleiches Abfüll- und Verpackungsverhalten,
- und weitere produktspezifische Zielgrößen.
Skaliert wird nicht allein über Drehzahl oder Umfangsgeschwindigkeit, sondern anhand der Fördercharakteristik des Wendelmischwerkzeugs.
Alle Baugrößen werden in einem ähnlichen Geschwindigkeitsfenster betrieben, in der Regel niedertourig. So bleiben Strömungsprofil, mechanische Partikelbeanspruchung und die maßgeblichen Ähnlichkeitsbedingungen erhalten.
Füllgradunabhängige Mischgüte
amixon® Mischer erzielen bereits bei geringem Füllgrad sehr hohe Mischgüten. Das ist ein wesentlicher Vorteil beim Scale-up, da sich die Prozessqualität nicht erst an einer engen Volllastgrenze stabilisiert. Dadurch können Chargengrößen im selben Mischer variiert werden, ohne dass die Homogenität jedes Mal grundlegend infrage steht.
Feines Baugrößenraster statt Skalensprünge
amixon® fertigt Mischer in einem sehr feinen Baugrößenraster. Dadurch lässt sich der Schritt vom validierten Versuchsmaßstab zur Zielgröße ohne harte Katalogsprünge planen. Gerade das reduziert das Risiko, dass eine Ähnlichkeitsbedingung durch einen zu großen Größensprung verloren geht.
Validierung vor der Investition
Im amixon® Technikum stehen 35 Testanlagen in unterschiedlichen Baugrößen bereit. Versuche laufen mit Originalprodukt, realen Füllgraden sowie im vorgesehenen Temperatur- und Druckbereich. Die Versuche werden gemeinsam mit amixon® Experten durchgeführt, ausgewertet und dokumentiert. Darüber hinaus gibt es amixon® Technika in Japan, Indien, Thailand, China, Südkorea und den USA.
Für alle amixon® Maschinen gilt dieselbe Basisformel zur Berechnung der Umschaufelungsfrequenz, also der Anzahl der Mischwerkzeugumdrehungen für die vollständige Umwälzung der Gesamtcharge im Mischraum:
I_V = (π/4) · (D² − d²) · Φ · S · n · ζ
- I_V: Verdränger- oder Fördervolumenstrom
- D/d: Außendurchmesser/Innendurchmesser der Helix
- Φ: Füllgrad, bezogen auf das Nutzvolumen
- S: Steigung der Helix
- n: Drehfrequenz, in Umdrehungen pro Sekunde
- ζ: Geschwindigkeitskoeffizient, werkzeugspezifisch
amixon® hat im Technikum immer auch Großapparate für Tests verfügbar, bis zu 3-m³-Chargen und darüber hinaus. Das ist wichtig, wenn Fragestellungen zum Staudruck sowie zur Partikelverrundung und Feinanteilerzeugung beantwortet werden sollen.
So lassen sich Mischzeit, Umfangsgeschwindigkeit und weitere Prozessparameter so bestimmen, dass sie belastbar in die Auslegung der Produktionsmaschine einfließen können. Das reduziert technische und wirtschaftliche Risiken vor der Investition deutlich.
Fertigung in Paderborn als Qualitätsfundament
amixon® entwickelt und fertigt ausschließlich im Werk Paderborn mit hoher Fertigungstiefe und verwendet ausschließlich Komponenten aus Deutschland. Als zertifizierter Schweißfachbetrieb mit europäischen, japanischen und amerikanischen Qualifikationen konstruiert amixon® jeden Apparat als Unikat auf Basis der URS des Betreibers. Die Qualitätskontrolle bleibt lückenlos im eigenen Haus, und jede Spezifikation ist bis auf Bauteilebene belegbar.
Service über den gesamten Lebenszyklus
Nach der Inbetriebnahme steht amixon® dem Betreiber weiterhin zur Seite. Regelmäßige Inspektionen und vorbeugende Instandhaltung sichern die Verfügbarkeit, auf Wunsch auch mit Predictive Maintenance. Ausgewählte Verschleißteile werden bereits mit der Erstauslieferung mitgeliefert; die meisten Ersatzteile lagern am Standort Paderborn sowie in den Service-Stützpunkten in Japan und den USA.
Viele amixon® Maschinen sind seit über 30 Jahren täglich im Einsatz. Durch Modernisierung und Nachrüstung bleiben sie auf dem neuesten Stand der Technik.