Wie plane ich ein Scale-up vom Technikum zur Produktion für Gewürzmischungen, um die Mischzeiten und -güte beizubehalten?
Das Ziel eines Scale-ups von Gewürzmischungen besteht darin, die im Labor oder Technikum erreichte Homogenität, die Mischzeiten und die schonende Behandlung der Zutaten auch bei deutlich größeren Schüttgutmengen, Anlagen und Prozessumgebungen sicherzustellen.
Gewürzmischungen sind dabei besonders anspruchsvoll, da sie Komponenten mit stark unterschiedlichen Partikelgrößen und Schüttdichten enthalten. Beispiele sind grober Pfeffer und feines Paprikapulver, schweres Salz und leichte Kräuter. Hinzu kommen unterschiedliche Fließeigenschaften und Kohäsion, Mikrokomponenten mit sehr kleinen Einsatzmengen wie Aromen oder Vitamine sowie feuchte- und fettempfindliche Bestandteile wie Aroma- und ätherische Öle. Ein rein volumetrisches 1:1-Scale-up führt hier häufig zu abweichender Sensorik und muss durch eine systematische Scale-up-Planung ersetzt werden.
Vor jedem Scale-up werden die Schüttguteigenschaften der Einzelkomponenten und der Endmischung charakterisiert. Dazu zählen beispielsweise die Partikelgrößenverteilung, die Schütt- und Stampfdichte, der Böschungswinkel und die Wandreibung, die Restfeuchte und die Wasseraktivität, der Fett- bzw. Ölgehalt und die Neigung zu Anbackungen. Parallel dazu wird der etablierte Mischprozess im Technikum dokumentiert, da er die Referenz für den Produktionsmaßstab bildet. Dabei werden unter anderem Mischertyp, Füllgrad, Drehzahl, Mischzeit, Energieeintrag und Zugabereihenfolge dokumentiert.
Für ein übertragbares Mischverhalten sind drei Ähnlichkeitskriterien entscheidend:
- geometrische Ähnlichkeit (gleiches Bauprinzip, vergleichbare Längen-Durchmesser-Verhältnisse, ähnliche Werkzeuggeometrie)
- kinematische Ähnlichkeit (Beibehaltung der Bewegungscharakteristik des Mischbetts, etwa über eine konstante Froude-Zahl zur Beschreibung des Verhältnisses von Fliehkräften zu Schwerkraft)
- dynamische Ähnlichkeit (vergleichbarer Beanspruchungs- und Energieeintrag pro Partikel, um Bruch, Abrieb und Aromaverlust zu vermeiden)
Dabei muss die Drehzahl im Produktionsmischer an den größeren Radius angepasst werden, damit das Mischregime erhalten bleibt und der spezifische Energieeintrag im gleichen Bereich liegt. Die Froude-Zahl spielt dabei nur für Mischsysteme mit horizontal gelagertem Mischwerkzeug eine Rolle.
Beim Scale-up sollte der Produktionsmischer dem Technikumsaggregat geometrisch möglichst ähnlich sein, idealerweise mit dem gleichen Mischprinzip in einer größeren Baugröße. Für Gewürzmischungen haben sich die folgenden bewährten Mischertypen etabliert:
- vertikale Wendelmischer für eine dreidimensionale Durchmischung bei niedriger Umfangsgeschwindigkeit,
- Konusmischer mit zentraler Mischwelle für einen breiten Füllgradbereich,
- Pflugschar- oder Schaufelmischer für eine hohe Mischgüte bei großen Dichteunterschieden,
- Konusschneckenmischer mit planetarisch umlaufender Schnecke für eine besonders schonende Behandlung empfindlicher Kräuterblätter,
- Bandmischer (Ribbon Blender) für große Chargen mit längeren Mischzeiten sowie
- Doppelwellenmischer für kurze Mischzeiten bei hoher Chargengröße.
Überfüllte Mischer erzeugen tote Zonen und verlängern die Mischzeit, während zu niedrige Füllgrade den Wirkungsgrad des Schneidrotors verringern, was sich negativ auf die Homogenität auswirken kann. Gleichzeitig verändern sich im großen Maßstab der Staudruck und das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, was die Reibungsverhältnisse und die Belagsbildung, insbesondere bei ölhaltigen Mischungen, beeinflusst.
Empfindliche Komponenten wie Kräuterblätter oder gefriergetrocknete Gemüse- und Fruchtstücke reagieren sensibel auf hohe mechanische Belastung. Steigt die Umfangsgeschwindigkeit beim Scale-up zu stark an, nehmen Abrieb und Bruch zu.
Die Mischgüte sollte quantitativ erfasst werden, typischerweise über den Variationskoeffizienten einer Leit- oder Tracerkomponente. Im Technikum werden zu definierten Zeitpunkten Proben gezogen, um eine Mischzeit-Mischgüte-Kurve zu erhalten und den optimalen Mischpunkt zu bestimmen. Im Produktionsmaßstab wird zusätzlich eine Mehrpunkt-Probenahme aus unterschiedlichen Zonen des Mischers durchgeführt, um repräsentative Daten zur Homogenität zu gewinnen und ein Übermischen zu vermeiden. Denn zu lange Mischzeiten können wiederum eine Entmischung durch Segregation oder Fliehkräfte begünstigen.
Ebenso wichtig sind die Rezepturführung, die Zugabereihenfolge und die Dosierstrategie. Mikrokomponenten werden häufig über Premixes mit einem Teil einer Hauptkomponente vorverdünnt, um Dosierfehler und lokale Überkonzentrationen zu vermeiden. Die Reihenfolge der Zugabe wird so optimiert, dass sich sehr schwere oder sehr feine Komponenten nicht frühzeitig separieren. Öl- und Aromakomponenten werden bevorzugt über Sprüh- oder Einspritzsysteme dosiert, um die Tropfengröße, die Benetzung und die Klumpenbildung kontrollieren zu können. Gleichzeitig wird der Schereintrag gezielt gesteuert, um eine gute Verteilung bei erhaltener Struktur zu erreichen.
Viele Qualitätsabweichungen entstehen erst in den nachgelagerten Prozessschritten. Fallhöhen sollten daher minimiert und Förderwege möglichst kurz gehalten werden. Zudem sollten Förderprinzipien gewählt werden, die eine Segregation nicht begünstigen. Idealerweise werden Silo- und Trichteraustrag auf Massenfluss ausgelegt. Denn Luftströme können feine Partikel selektiv transportieren und somit die Homogenität stören.
Im Produktionsmaßstab ist außerdem der spezifische Energieeintrag zu überwachen. Ein erhöhter Energieeintrag führt zu Erwärmung und kann Aromaöle sowie flüchtige Komponenten beeinträchtigen. Es kann zur Kondensation im verpackten Endprodukt kommen.
Die Kernprinzipien lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- geometrisch ähnlichen Mischertyp vom Technikum zur Produktion wählen,
- das Mischregime über geeignete Kennzahlen möglichst beibehalten,
- den Füllgrad konstant halten,
- die Mischgüte quantitativ nachweisen,
- Produktschonung durch begrenzte Umfangsgeschwindigkeit und kontrollierten Energieeintrag sicherstellen,
- Mikrokomponenten und Flüssigzusätze prozesssicher einbringen,
- Downstream-Prozesse auf Entmischungsrisiken prüfen,
- Scale-up über mehrere Validierungsstufen absichern.
So plant amixon® ein Versuchs- und Scale-up-Programm im Technikum
Zunächst werden die Ziele des Betreibers präzise definiert. Dazu gehören geforderte Mischgüte, zum Beispiel ein Ziel-RSD, der Entleerungsgrad, Anforderungen an die Produktschonung wie Partikelintegrität und begrenzter Wärmeeintrag sowie die geplante Chargengrößenspanne und Taktzeit. amixon® Expertinnen und Experten übersetzen diese Kriterien in ein strukturiertes Versuchsprogramm auf einer geeigneten Testanlage. Die Baugröße wird so gewählt, dass sie zur verfügbaren Produktmenge passt.
Die Versuche folgen einer systematischen Parametervariation. Variiert werden die skalierungsrelevanten Größen: Mischzeit, Umfangsgeschwindigkeit der Mischwerkzeuge im Bereich von etwa 0,8 bis 3,5 m/s, Füllgrad sowie – falls relevant – Dosierrate und Art der Flüssigkeitszugabe. Flüssigkeiten können über Lanzen oder Zweistoffdüsen mit oder ohne Schneidrotor eingetragen werden. Für jeden Versuchspunkt werden Proben gezogen und die Mischgüte bestimmt. Die Entleerungsgrade werden gravimetrisch verifiziert. Grundlage ist die Kongruenz der amixon® Mischsysteme und deren Umschaufelungsfrequenz.
Das Fördervolumen I_V wird über Geometrie und Betriebsdaten beschrieben. Es ergibt sich aus I_V = (π/4) · (D² − d²) · Φ · S · n · ζ.
D und d stehen für Außen- und Innendurchmesser der Helix, Φ für den Füllgrad bezogen auf das Nutzvolumen, S für die Steigung der Helix, n für die Drehfrequenz in Umdrehungen pro Sekunde und ζ für den werkzeug- und produktspezifischen Geschwindigkeitskoeffizienten. Daraus wird ersichtlich, dass das gesamte Mischraumvolumen bereits nach wenigen Umdrehungen vollständig durchströmt und ungelagert wird.
Die ermittelten Parameter werden auf den Produktionsmaßstab übertragen. Technikums- und Produktionsmischer arbeiten mit demselben Mischprinzip der SinConvex®-Totalverströmung. Die Skalierung erfolgt über die Umschichtungsformel, also über den Fördervolumenstrom des Wendelmischwerkzeugs und die daraus abgeleitete Umschaufelungsfrequenz – nicht über die Drehzahl allein. Das Baugrößenraster in 100-Liter-Schritten bis 50.000 Liter – beim Gyraton®-Mischsilo in 1-m³-Schritten bis etwa 100 m³ – ermöglicht eine exakte Auslegung auf die gewünschte Zielchargengröße ohne Ähnlichkeitsbruch. Zur Auswahl stehen Vertikal-Einwellenmischer (Typ VM), Vertikal-Doppelwellenmischer (Typ HM), Konusmischer (Typ AM), KoneSlid®-Mischer (Typ KS), SpherHelics® Hohlkugelmischer (Typ SH), Gyraton®-Mischsilo (Typ GM) und der Konus-Kontinuierlichmischer (Typ AMK). So berät amixon® den Kunden ergebnisoffen, ehrlich und anwendungsorientiert.
Die Dokumentation der Versuche dient als belastbare Investitionsgrundlage. Die Tests werden gemeinsam durchgeführt, ausgewertet und vollständig dokumentiert. Ein Versuchsbericht bestätigt die Prozessparameter unter realen Bedingungen und benennt den optimalen Apparat. Diese Ergebnisse fließen direkt in die Anlagenspezifikation (URS) ein. Ziel-RSD, Entleerungsgrade und Taktzeiten werden vertraglich belastbar definiert. Technische und wirtschaftliche Risiken werden damit vor der Investition aufgeklärt, nicht erst im laufenden Betrieb.
Für Tee, Kräuter und Gewürze mischt amixon® besonders schonend. Die niedertourige Fahrweise erhält fragile Blätter und empfindliche Partikel. Der Mischraum lässt sich nahezu restlos entleeren, die Reinigung erfolgt schnell. Häufige Rezepturwechsel sind dadurch prozesssicher möglich. Der Gyraton® GM homogenisiert Gewürze, Tee und Kaffee in Großchargen bis zu 100 m³.
Die Fertigung in Paderborn ist das Qualitätsfundament von amixon®. Entwicklung und Produktion erfolgen ausschließlich im Werk Paderborn mit hoher Fertigungstiefe. Alle Komponenten stammen aus qualifizierten Quellen in 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, jede Spezifikation ist bis auf Bauteilebene belegbar. Diese Fertigungshoheit sichert zugleich die langfristige Versorgung. Jedes Bauteil ist auch nach Jahrzehnten reproduzierbar nachfertigbar.