Was ist beim Scale-up von Ringschichtgranulatoren (RMG) von Labor- auf Produktionsmaßstab zu beachten?
Beim Scale-up von Ringschichtgranulatoren müssen vor allem Geometrie, Füllgrad, Werkzeuggeschwindigkeit, Binderzugabe, Granulationszeit und Energieeintrag auf den Produktionsmaßstab übertragen werden. Ziel ist, Granulatgröße, Festigkeit, Feuchteverteilung und Homogenität im großen Maßstab reproduzierbar zu halten.
1. Geometrische Ähnlichkeit
Die Behälter- und Werkzeuggeometrie sollte möglichst vergleichbar bleiben. Ebenso wichtig sind Wandabstände, Einbauten, Düsenpositionen und die effektive Arbeitszone des Granulators, weil sie die Ausbildung der Ringschicht direkt beeinflussen.
Schon kleine geometrische Abweichungen können das Strömungs- und Benetzungsverhalten deutlich verändern.
2. Kinematische Skalierung
Für RMG wird häufig die Umfangsgeschwindigkeit bzw. Tip Speed der Werkzeuge als zentrale Skalierungsgröße verwendet. Sie ist meist aussagekräftiger als eine reine Drehzahlangabe, weil sie die mechanische Beanspruchung des Pulverbetts besser beschreibt.
Die Froude-Zahl wird ebenfalls häufig als Orientierung genutzt, weil sie das Verhältnis von Zentrifugal- zu Gravitationskräften abbildet. In der Praxis wird jedoch meist nicht nur eine Kennzahl, sondern ein an das Produkt angepasstes Skalierungspaket verwendet.
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.
3. Spezifischer Energieeintrag und Endpunkt
Der Granulationsprozess hängt stark vom spezifischen Energieeintrag und vom Prozessendpunkt ab. Zu wenig Energie führt zu schwachen, feinkörnigen Granulaten, zu viel Energie zu Überkorn, unerwünschter Verdichtung und erhöhtem Abrieb. Der Endpunkt sollte deshalb nicht über eine feste Zeit, sondern über ein messbares Kriterium definiert werden.
4. Flüssigkeitszugabe und Benetzung
Die Binder- bzw. Sprührate muss im Scale-up proportional und reproduzierbar angepasst werden. Ebenso wichtig sind Tropfengröße, Düsenanordnung, Sprühbild und Eintragsort, weil sie die lokale Überfeuchtung und damit Klumpenbildung beeinflussen.
Bei größeren Anlagen sind oft mehrere Düsen oder angepasste Sprühgeometrien nötig, um eine gleichmäßige Verteilung sicherzustellen.
5. Verweilzeit und Füllgrad
Füllgrad und Durchsatz müssen so gewählt werden, dass die Ringschicht stabil bleibt und die Granulation gleichmäßig abläuft. Bei kontinuierlichen Anlagen ist die Verweilzeitverteilung besonders wichtig, weil sie die Granulatqualität direkt beeinflusst.
Ein ähnlicher Füllgradbereich zwischen Technikums- und Produktionsanlage ist daher meist sinnvoll.
6. Thermisches Verhalten
Im Produktionsmaßstab verschlechtert sich die Wärmeabfuhr oft, weil das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen sinkt. Dadurch können sich Produkttemperatur, Binderverhalten und Trocknung stärker verändern als im Technikum.
Temperaturüberwachung und gegebenenfalls Kühlung oder angepasste Prozesszeiten sind daher Teil eines robusten Scale-ups.
7. Mechanische Belastung und Verschleiß
Mit zunehmender Größe steigen Drehmoment, Lagerbelastung und Verschleißanforderungen. Werkzeuge, Dichtungen und Wandungen müssen daher für die höhere Last ausgelegt sein.
Bei abrasiven Formulierungen sind verschleißfeste Oberflächen und eine gut zugängliche Konstruktion besonders wichtig.
8. Messtechnik und PAT
Für eine sichere Übertragung sollten Drehmoment, Leistung, Produkttemperatur und Feuchte laufend erfasst werden. PAT-Tools und andere Online-Messsysteme können helfen, den Granulationsverlauf und den Endpunkt besser zu kontrollieren.
So wird die Skalierung nicht nur rechnerisch, sondern auch prozessanalytisch abgesichert.
9. Reinigung und Sicherheit
Mit größerem Maßstab steigen Anforderungen an Restentleerung, Reinigbarkeit, Staubdichtheit und Explosionsschutz.
Bei staubenden Produkten sind Erdung, Inertisierung und geeignete Entlastungskonzepte mitzuplanen.
So bewertet amixon® das Scale-up von Ringschicht-Mischgranulatoren
Ein mathematischer Scale-up von Ringschicht-Mischagglomeratoren ist äußerst schwierig. Es fehlt an fundiertem Wissen darüber, welche Effekte in der Ringschicht zur Agglomeration führen. Auch über die Effekte, die die entstandenen Agglomerate zerkleinern, ist nur wenig bekannt.
In der Regel entstehen die Agglomerate sehr schnell direkt nach der Zugabe von Flüssigstoffen. Im Ringschicht-Mischgranulator stellt sich anschließend ein Gleichgewicht zwischen Kornaufbau und -zerstörung ein. Dieses wird über die Umfangsgeschwindigkeit (ca. 8 bis 35 m/s), die Verweildauer, den Flüssigkeitseintrag und die Granulierbarkeit des Produkts gesteuert. Auch die Form der Mischwerkzeuge hat einen großen Einfluss. Da diese Zusammenhänge produktspezifisch sind, weist amixon® ausdrücklich darauf hin, dass Versuche zur richtigen Auslegung der Maschine durchgeführt werden müssen, da tatsächliche Volumenströme maßgeblich von Katalogwerten abweichen können. Ein rein rechnerisches Scale-up wäre unseriös.
Es gibt aus der Sicht von amixon® keinen abgesicherten Weg für die Extrapolation. Mischer dieser Bauart zählen nicht zum Kernthema von amixon®.