Ein Scale-up-Testprogramm im Technikum für Schüttgüter zielt darauf ab, die angestrebte Mischgüte (Ziel-RSD) und die geforderten Entleerungsgrade unter praxisnahen Bedingungen zu verifizieren, bevor der Prozess in den Produktionsmaßstab überführt wird.

Zieldefinition und Akzeptanzkriterien

Zu Beginn werden kritische Qualitätsattribute (CQAs) und kritische Prozessparameter (CPPs) festgelegt, aus denen klare Zielgrößen und Grenzwerte abgeleitet werden:

• Ziel-RSD als Maß für die Mischgüte (z. B. Wirkstoffverteilung in Formulierungen).
• Entleerungsgrad als Maß für Prozesseffizienz, meist über die zulässige Restmenge in Prozent der Chargenmasse definiert.
• Grenzwerte für Kreuzkontamination in Multiproduktanlagen.
• Sekundäre Kennzahlen wie Zykluszeit, Energieeintrag und Reinigungsaufwand.

Diese Kriterien bilden den Referenzrahmen für die Bewertung der Technikumsergebnisse und deren Freigabe für den Produktionsmaßstab.

Materialcharakterisierung als Basis

Eine belastbare Planung benötigt detaillierte Kenntnisse der Schüttguteigenschaften, da sie Mischgüte und Entleerungsverhalten maßgeblich beeinflussen:

• Partikelgröße, -verteilung und Formfaktor.
• Schütt- und Stampfdichte, Verdichtungsverhalten, Hausner-Faktor.
• Fließeigenschaften (z. B. Ringschergerät, Fließtester), Kohäsion und Adhäsion.
• Feuchtegehalt, Hygroskopie, elektrostatisches Verhalten.
• Segregationsneigung und Empfindlichkeit gegenüber Scherbeanspruchung.

Diese Daten stützen die Wahl der Prozessparameter, die Interpretation der RSD-Messungen und die Bewertung von Wandhaftung und Rückstandsbildung.

Versuchsdesign und Skalierungsstrategie

Das Technikumsprogramm wird idealerweise über eine statistische Versuchsplanung (Design of Experiments, DoE) strukturiert:

• Faktoren: Füllgrad, Drehzahl bzw. Tip Speed oder Froude-Zahl, Mischzeit, Beladungsreihenfolge, Chargengrößenverhältnis, Temperatur, Druck.
• Skalierungsregeln: Geometrische Ähnlichkeit der Behälter, kinematische Ähnlichkeit (z. B. über Froude-Zahl oder Umfangsgeschwindigkeit) und ggf. dynamische Ähnlichkeit bei kohäsiven Pulvern.
• Designtypen: Screening-Designs (z. B. fractional factorial) zur Identifikation kritischer Einflussgrößen, gefolgt von Response-Surface-Designs zur Optimierung und Festlegung eines stabilen Design Space.
• Replikate und Center-Points: zur Abschätzung der Prozessvarianz und zur Verifizierung der Wiederholbarkeit von RSD und Entleerungsgrad.

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 werden Parameterkombinationen identifiziert, die im vergrößerten Maßstab eine ausreichende Homogenität und eine effiziente Entleerung sicherstellen.

Probenahme zur Verifizierung der Ziel-RSD

Die Probenahmestrategie ist entscheidend für die Aussagekraft der RSD-Bestimmung:

• Proben aus unterschiedlichen Zonen des Behälters (Kern, Wand, oben/unten, potenzielle „Dead Zones“) zur Bewertung der Homogenität.
• Ausreichende Anzahl von Probenahmepunkten und Wiederholungen, abgestimmt auf Volumen und kritische Zonen.
• Geeignete Probenahmewerkzeuge (z. B. Thief Sampler) oder inline-PAT-Systeme, um Entmischung während der Entnahme zu vermeiden.
• Festlegung der Probengröße in Relation zur Einzeldosis bzw. zur analytischen Methode.

Die statistische Auswertung liefert die RSD als Kennzahl für Mischgüte und zeigt, ob die Ziel-RSD im Technikumsmaßstab stabil erreicht wird.

Bestimmung und Optimierung des Entleerungsgrades

Zur Verifizierung des Entleerungsgrades werden gravimetrische und visuelle Methoden kombiniert:

• Massenbilanz durch Auswiegen der zugeführten und entnommenen Masse; die Differenz definiert die Restmenge und damit den Entleerungsgrad.
• Analyse von Toträumen, Wandanhaftungen und Produktansammlungen in Auslauforganen und Leitungen.
• Variation von Austragsstrategien (z. B. Vibration, Belüftung, Neigungswinkel, Austragshilfen), um Brückenbildung und Hold-up zu minimieren.
• Visuelle oder endoskopische Inspektion zur Identifikation kritischer Zonen und zur Ableitung konstruktiver Maßnahmen.

Ein hoher Entleerungsgrad reduziert Materialverluste, vereinfacht die Reinigung und senkt das Kreuzkontaminationsrisiko.

Einfluss von Design und Scherkräften

Beim Scale-up verändern sich Geometrie, Lasten und Scherbedingungen:

• Änderungen im Verhältnis Oberfläche zu Volumen beeinflussen Wandeffekte und Schüttdruck.
• Erhöhte Scherkräfte bei größeren Rotoren und unveränderter Drehzahl können Partikelbruch, Änderung der Partikelgrößenverteilung und damit eine Verschlechterung der RSD verursachen.
• Geometrische Besonderheiten wie Einbauten, Baffles und Auslassgeometrien beeinflussen Strömungsmuster und Entleerungsverhalten.

Im Technikumsprogramm wird daher die kinetische Energie pro Volumeneinheit und die resultierende Mischintensität analysiert, um einen Kompromiss aus Homogenität und Produktintegrität zu finden.

Auswertung, Dokumentation und Übertragbarkeit

Abschließend werden die Technikumsversuche systematisch ausgewertet und dokumentiert:

• Statistische Analyse (z. B. ANOVA, Regressionsmodelle) zur Identifikation signifikanter Faktoren für RSD und Entleerungsgrad.
• Festlegung eines robusten Design Space und der Proven Acceptable Range (PAR) für relevante CPPs.
• Ableitung eines Risikoregisters (z. B. FMEA) für die Übertragung in den Produktionsmaßstab.
• Dokumentation der Scale-up-Strategie, der Probenahme- und Messmethoden sowie der Akzeptanzkriterien als Basis für Validierung und Routineproduktion.