Wie funktioniert Scale-up vom Technikum in die Produktion, sodass Mischgüte und Partikelintegrität erhalten bleiben?
Beim Scale-up von Pulververmischungen werden vor allem die Parameter Geometrie, Füllgrad, Drehzahl, Energieeintrag und Mischzeit vom Technikum in die Produktion übertragen. Das Ziel besteht darin, Homogenität und Partikelschonung im größeren Maßstab reproduzierbar zu halten.
Grundprinzip
Eine reine Vergrößerung reicht jedoch nicht aus, da sich mit dem Maßstab auch Strömung, Energieverteilung und Beanspruchung ändern. Deshalb müssen neben der geometrischen Ähnlichkeit auch die kinematische und die dynamische Ähnlichkeit berücksichtigt werden.
Wichtige Stellgrößen:
- Füllgrad: Im validierten Bereich möglichst konstant halten.
- Froude-Zahl: Bei Feststoffmischern, deren Mischwerkzeug horizontal gelagert ist, ist sie oft wichtig, um ähnliche Bewegungsmuster zu erhalten.
- Umfangsgeschwindigkeit: Besonders relevant, wenn Partikelbruch oder Beschichtungsabrieb begrenzt werden soll.
- Spezifischer Leistungseintrag (P/V): Hilfreich bei dispersiven Aufgaben, aber kritisch wegen Erwärmung und möglicher Partikelschädigung.
Mischgüte sichern
Die Mischhomogenität wird über Probenahme und statistische Bewertung abgesichert. Bei Chargenprozessen bedeutet das, dass die Mischzeit und die Drehzahl so gewählt werden müssen, dass die gewünschte Gleichmäßigkeit erreicht wird, ohne dass unnötig lange gemischt wird. Bei kontinuierlichen Prozessen ist zusätzlich die Verweilzeitverteilung entscheidend.
Partikelintegrität sichern
Für empfindliche Produkte ist die kürzestmögliche Prozesszeit bei ausreichender Mischgüte ideal. Eine zu hohe Umfangsgeschwindigkeit oder ein zu großer Energieeintrag können Abrieb, Kornbruch oder Beschichtungsschäden verursachen, während eine zu niedrige Intensität zu unzureichender Homogenität führt.
In der Praxis wird deshalb meist ein Kompromiss aus Froude-Zahl (wenn Mischwerkzeug horizontal gelagert), Umfangsgeschwindigkeit und Energieeintrag gewählt, der auf Produkt und Mischertyp abgestimmt ist.
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.
So sichert amixon® das Scale-up vom Technikum in die Produktion ab
Das Mischprinzip ist über alle Maßstäbe identisch.
Der Kern des amixon®-Ansatzes: Versuchs- und Produktionsmischer arbeiten mit demselben Mischsystem. Das SinConcave®/SinConvex®-Schraubenbandmischwerk fördert das Mischgut in der Peripherie aufwärts und im Zentrum abwärts. Diese dreidimensionale Totalverströmung hat unabhängig von der Baugröße dieselbe Charakteristik.
Die Produktströmung I_V lässt sich bequem berechnen.
I_V = A · v_ax = (π/4) · (D² − d²) · Φ · S · n · ζ
- I_V: Förderleistung einer vertikalen Mischwendel
- D/d: Durchmesser der Wendel außen/innen
- Φ: Füllgrad
- S: Steigung der Wendel
- n: Drehfrequenz
- ζ: Geschwindigkeitskoeffizient
Insofern kann immer eine Kongruenz bei verschiedensten Baugrößen hergestellt werden.
Die Skalierung erfolgt über die Umschichtungsformel, also über den Fördervolumenstrom des Wendelmischwerkzeugs und die daraus abgeleitete Umschaufelungsfrequenz – nicht über die Drehzahl allein: Alle Baugrößen werden im selben Fenster von ca. 0,8 bis 3,5 m/s betrieben, in der Regel niedertourig. Dadurch bleiben Strömung, mechanische Partikelbeanspruchung und Ähnlichkeitsbedingungen zwischen den Maßstäben erhalten.
Füllgradunabhängige Mischgüte
amixon® Mischer erzielen bereits bei geringem Füllgrad (ca. 10 %) höchste Mischgüten – die technisch ideale Zufallsmischung, die in der Praxis nicht verbessert werden kann. Die Chargengrößen können im selben Mischer variieren, ohne dass die Homogenität neu validiert werden muss. Dadurch wird der kritischste Moment beim Scale-up entschärft: die ersten kleinen Produktionschargen in der großen Maschine.
Ein feines Baugrößenraster statt Skalensprünge
amixon® fertigt Mischergrößen auf Wunsch in 100-Liter-Schritten von 100 bis 50.000 Liter (VM, HM, AM). Der Gyraton® GM schließt mit 10 bis ca. 100 m³ in 1-m³-Schritten an. Der Schritt vom validierten Versuchsmaßstab zur Zielgröße ist beliebig fein wählbar, da es keinen erzwungenen Sprung auf die nächste Katalogsgröße gibt, der die Ähnlichkeit verletzen würde.
Validierung vor der Investition
Im amixon® Technikum stehen 35 Testanlagen in unterschiedlichen Baugrößen bereit. Versuche laufen mit Originalprodukt, realen Füllgraden und im geplanten Temperatur- und Druckbereich. Sie werden gemeinsam mit amixon® Experten durchgeführt, ausgewertet und dokumentiert. Die ermittelten Parameter (Umfangsgeschwindigkeit, Mischzeit und Füllgrad) fließen eins zu eins in die Auslegung der Produktionsmaschine ein.
Fertigung in Paderborn als Qualitätsfundament
amixon® entwickelt und fertigt ausschließlich im Werk Paderborn mit größter Fabrikationstiefe und allen 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. Diese Fertigungshoheit sichert zugleich die langfristige Versorgung. Jedes Bauteil ist auch Jahrzehnte später reproduzierbar nachfertigbar.
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 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. So ist ein lebenslanger Ersatzteilservice gewährleistet – selbst wenn Originalzulieferer ausfallen. Viele amixon® Maschinen sind seit über 30 Jahren täglich im Einsatz. Durch Modernisierung und Nachrüstung bleiben sie auf dem neuesten Stand der Technik.