Die reproduzierbare Übertragung eines Rezepts vom Labor-/Technikumsmaßstab auf den Produktionsmaßstab im Vertikal-Einwellenmischer beruht darauf, dass das Mischprinzip über alle Baugrößen gleich bleibt, die Umschichtung den gesamten Mischraum füllgradunabhängig erfasst und der spezifische Energieeintrag vergleichbar geführt wird. Die bloße Übernahme von Drehzahl, Füllmenge und Mischzeit ist dafür nicht ausreichend.

Geometrische Ähnlichkeit sicherstellen

Grundvoraussetzung für ein belastbares Scale-up ist die möglichst geometrische Ähnlichkeit zwischen Technikums- und Produktionsmischer:

• Verhältnis Werkzeugdurchmesser zu Behälterdurchmesser (D/T)
• Füllgrad bezogen auf das Nutzvolumen (typisch z. B. 40–70 %), konstant zwischen den Maßstäben
• Anordnung, Anzahl und Geometrie der Mischwerkzeuge (Form, Steigung, Anstellwinkel)
• Spaltmaße zwischen Mischwerkzeug und Behälterwand (Randzone, Wandabräumung)
• Position und Ausführung von Sekundärwerkzeugen (Zerhacker, Sprühdüsen, Zusatzwerkzeuge)

Weichen diese Verhältnisse deutlich ab, müssen empirische Korrekturfaktoren und ggf. Anpassungen der Prozessführung (z. B. Drehzahlprofile, Dosierstrategie) hergeleitet werden.

Gleichbleibendes Mischprinzip als maßgebliches Skalierungskriterium

Für vertikale Einwellenmischer mit erzwungener Umschichtung ist nicht eine dimensionslose Kennzahl das entscheidende Skalierungskriterium, sondern die Frage, ob das Mischprinzip über alle Baugrößen unverändert wirkt. Maßgeblich sind drei Bedingungen:

• Das Mischwerkzeug erfasst den gesamten Mischraum und schichtet das Produkt vollständig um – in jeder Baugröße nach demselben Bewegungsmuster.
• Die Umschichtung ist füllgradunabhängig, sodass dieselbe Mischgüte über eine breite Chargenspanne erreicht wird.
• Die Umfangsgeschwindigkeit bleibt im niedertourigen Bereich, sodass Scherbelastung und Wärmeeintrag zwischen den Maßstäben vergleichbar bleiben.

Sind diese Bedingungen erfüllt, ist die Übertragung vom Technikum in die Produktion nicht von einer Kennzahlrechnung abhängig. Der Nachweis erfolgt im Technikumsversuch mit dem Originalprodukt – Kennzahlen können den Rahmen beschreiben, ersetzen den Versuch aber nicht.

Die Froude-Zahl ist in diesem Zusammenhang kein Auslegungskriterium. Sie beschreibt das Verhältnis von Trägheits- zu Schwerekräften und ist für rotierende Freifall-, Trommel- und Wurfmischer sowie für Systeme mit horizontal gelagertem Mischwerkzeug aussagekräftig, nicht für vertikale Mischer mit erzwungener Umschichtung.

Füllgrad und Gutbewegung konstant halten

Die Mischqualität im Vertikal-Einwellenmischer hängt stark von der Leerraumdynamik ab, also vom Verhältnis zwischen Schüttgutvolumen und freiem Raum für Wurfparabeln und Umlaufbewegungen. Für reproduzierbare Mischgüte gilt:

• Prozentualen Füllgrad vom Technikum auf die Produktion beibehalten
• Überfüllung vermeiden, da sie das Strömungsbild grundlegend verändert, die Leistungsaufnahme überproportional steigert und Totzonen sowie eine eingeschränkte Partikelumlagerung erzeugen kann

Ist der nutzbare Füllgrad im Produktionsmischer aus verfahrenstechnischen oder anlagentechnischen Gründen eingeschränkt, muss dies über Anpassungen von Drehzahl, Prozesszeit und ggf. Werkzeugkonfiguration kompensiert und experimentell abgesichert werden.

Spezifischen Energieeintrag berücksichtigen

Neben der Kinematik bestimmt der spezifische Energieeintrag (Energie pro Masse, z. B. in kWh/t oder kJ/kg) die Mischgüte – insbesondere bei:

• kohäsiven oder klebrigen Schüttgütern
• Agglomeratzerteilung
• Rezepturen mit Flüssigkeitszugabe oder Bindemitteln

Typische Kenngröße

Der spezifische Energieeintrag ergibt sich aus Leistungsaufnahme und Mischzeit, bezogen auf die Chargenmasse.

Spezifischer Energieeintrag im Scale-up

Im Scale-up sollte der spezifische Energieeintrag möglichst konstant gehalten werden, um vergleichbare Homogenitäts- und Dispersionsergebnisse zu erzielen. Dabei ist zu beachten:

• Mit wachsendem Volumen sinkt das Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis, sodass mechanisch eingetragene Wärme schlechter abgeführt werden kann.
• Bei temperaturempfindlichen Produkten sind Drehzahl und Mischzeit so zu wählen, dass der spezifische Energieeintrag zwar ausreicht, die Produkttemperatur aber im zulässigen Bereich bleibt.

Anpassung der Mischzeit

Die Mischzeit skaliert nicht linear mit dem Volumen. Bei gleichem Mischprinzip und ähnlicher Geometrie bleiben zwar die Bewegungsmuster der Partikel vergleichbar, die Transportwege im Mischraum werden jedoch länger. Konsequenzen:

• Im Produktionsmaßstab ist häufig eine moderat längere Mischdauer erforderlich, um den gleichen Homogenitätsgrad zu erreichen.
• Eine praxisnahe Vorgehensweise ist die Kopplung der Prozesszeit an die Anzahl der Werkzeugumdrehungen (z. B. „x Umdrehungen bis zur Zielhomogenität“) oder an den erreichten kumulierten Energieeintrag.

Die endgültige Mischzeit muss durch Technikumsversuche und skalierte Referenzversuche im Produktionsmischer validiert werden, um Extrapolationsfehler zu vermeiden.

Flüssigkeitszugabe und Sprühtechnik skalieren

Bei Rezepten mit Flüssigkeitszugabe (z. B. Bindemittel, Öl, Lösungen) beeinflussen Dosierstrategie und Tropfenverteilung die Mischqualität wesentlich. Beim Scale-up ist zu beachten:

• Die spezifische Zugaberate (z. B. l/min pro kg Feststoff) sollte konstant bleiben.
• Das Sprühsystem ist an das größere Volumen anzupassen: Düsenanzahl, Positionierung und Sprühwinkel sowie Tropfengröße und erreichter Benetzungsgrad der Gutoberfläche.

Ziel ist, die im Technikumsmaßstab erzielte Verteilungs- und Befeuchtungsqualität im Produktionsmaßstab nachzubilden, ohne lokale Überdosierungen oder „Nesterbildung“ zu erzeugen.

Prozessführung: Reihenfolge und Drehzahlprofile

Für die Übertragbarkeit eines Rezepts müssen die prozessualen Schritte qualitativ erhalten bleiben:

• Reihenfolge der Komponentenzugabe (z. B. Trockenstoffe, Flüssigkeiten, Additive)
• Aufteilung in Vormisch-, Hauptmisch- und ggf. Granulationsphasen
• Drehzahlprofile je Phase (z. B. niedrige Drehzahl für Trockenmischung, erhöhte Drehzahl zur Granulation)

Diese Schritte werden im Produktionsmaßstab in derselben logischen Reihenfolge gefahren, aber quantitativ an die Skalierungsregeln (Umfangsgeschwindigkeit, spezifischer Energieeintrag, Füllgrad) angepasst.

Partikelcharakteristik und Entmischung im Großmaßstab

Großmaßstäbliche Vertikal-Einwellenmischer reagieren empfindlicher auf Segregations- und Entmischungsphänomene:

• Größere Fallhöhen und längere Verweilzeiten im Flugbereich verstärken Unterschiede in Korngröße, Form und Dichte.
• Beim Scale-up sollte überprüft werden, ob die Mischintensität und Prozessführung aus dem Technikum ausreichen, um Entmischung im größeren Volumen zu verhindern.

Mögliche Gegenmaßnahmen:

• Angepasste Drehzahlprofile (z. B. entzerrte Endphase, reduzierte Intensität zur Minimierung von Segregation)
• Optimierte Zugabezeitpunkte empfindlicher Komponenten
• Gezielte Anpassungen der Rezeptur (Partikelgrößenverteilung, Fließhilfsmittel) bei kritischen Produkten

Validierung über Referenzchargen

Nach der theoretischen Auslegung muss das Scale-up durch Referenzchargen im Produktionsmaßstab verifiziert werden. Typische Prüfgrößen für die Mischqualität:

• Variationskoeffizient (CV) einer Leitkomponente bzw. eines Tracers im Endprodukt
• Partikelgrößenverteilung (vor/nach dem Prozess) bei agglomerierenden oder zerkleinernden Rezepturen
• Restfeuchte und Homogenität der Flüssigkeitsverteilung
• Leistungsverlauf des Mischers über die Zeit als charakteristischer „Fingerprint“ des Prozesses

In vielen Anwendungen gilt ein CV unter 5 % als Ziel für eine hinreichend homogene Mischung. Abweichungen werden genutzt, um Prozessparameter iterativ nachzujustieren.

Randbedingungen für Reproduzierbarkeit

Damit ein einmal erfolgreich skaliertes Rezept dauerhaft reproduzierbar gefahren werden kann, sind zusätzliche Randbedingungen zu kontrollieren:

• Rohstoffqualität (Kornverteilung, Schüttdichte, Feuchte, Fließeigenschaften)
• Umgebungseinflüsse (Temperatur, Luftfeuchte)
• Werkzeugzustand (Verschleiß, Beschichtungen, Wandanhaftungen)
• Definierte Reinigungs-, Rüst- und Startzustände des Mischers

Konstante Randbedingungen stellen sicher, dass die einmal validierte Kombination aus Geometrie, Umfangsgeschwindigkeit, Füllgrad und Energieeintrag tatsächlich zur gleichen Mischqualität führt – sowohl im Technikum als auch im Produktionsmaßstab.