Wie plane ich Versuchsreihen im Technikum, um Mischzeit, Drehzahl und Flüssigkeitszugabe für eine neue Gewürzrezeptur zu optimieren?
Versuchsplanung im Technikum (DoE)
Die Optimierung einer Gewürzrezeptur erfolgt strukturiert mithilfe der statistischen Versuchsplanung (Design of Experiments, DoE). Das Ziel besteht darin, mit wenigen Versuchen belastbare Aussagen zu Mischzeit, Drehzahl und Flüssigkeitszugabe zu erhalten. Wechselwirkungen werden dabei gezielt berücksichtigt. Alle Versuche finden unter reproduzierbaren Bedingungen statt.
Zu Beginn werden klare Zielgrößen und Bewertungskriterien definiert. Typische Kriterien sind:
- Homogenität (Variationskoeffizient CV unter 5 %)
- Partikelgrößenverteilung und Agglomerate
- Restfeuchte und Wasseraktivität (aw)
- Schüttdichte und Rieselfähigkeit
- Sensorik (Farbe, Aroma, Geschmack)
- Staubanteil und optische Qualität
Zusätzlich werden folgende Prozessgrenzen erfasst:
- Energieeintrag
- Produkttemperatur
- Wandanhaftung
- Reinigungsaufwand
Die wichtigsten Einflussfaktoren und Bereiche werden definiert und eingegrenzt.
- Mischzeit: typischerweise 30–600 s.
- Umfangsgeschwindigkeit: ca. 1–6 m/s am Hauptmischwerkzeug, ca. 10–30 m/s am Schneidrotor.
- Flüssigkeitszugabe: 0–15 % (Menge, Zeitpunkt, Eintragsart).
Weitere Größen wie Füllgrad, Rohstoffreihenfolge und Düsentyp bleiben konstant oder werden systematisch berücksichtigt.
Versuchsdesign (DoE-Struktur): Die Planung erfolgt in drei Stufen.
- Screening: Identifikation der Haupteffekte (z. B. teilfaktoriell).
- Optimierung: Modellierung von Wechselwirkungen (z. B. CCD, Box-Behnken).
- Verifikation: Bestätigung der Optima durch Wiederholversuche.
Die Reihenfolge wird randomisiert. Zentrumspunkte dienen zur Bewertung von Streuung und Krümmung.
Durchführung der Versuche
Die Mischzeit wird über Zeitreihen bestimmt. Proben werden an mehreren Positionen entnommen. Der optimale Punkt ist erreicht, wenn der CV-Wert ein stabiles Plateau erreicht. Es sollten zu lange Mischzeiten vermieden werden, da sonst Abrieb, Staub und Aromaverlust auftreten können.
Die Drehzahl bestimmt die mechanische Belastung. Bewertet wird das Verhältnis zwischen schneller Durchmischung und Produktschonung. Hohe Drehzahlen verbessern die Auflösung von Agglomeraten, erhöhen jedoch Bruch und Feinstaub.
Bei der Flüssigkeitszugabe werden Zeitpunkt, Dosierart und Düsencharakteristik untersucht. Das Ziel besteht darin, eine gleichmäßige Benetzung ohne Klumpenbildung zu erreichen. Die Nachmischzeit wird gezielt angepasst.
Datenerfassung und Auswertung: Erfasst werden alle relevanten Prozessdaten.
- Leistung und Drehmoment.
- Produkttemperatur, Zugabemengen und Zeiten.
- Probenahmen und Analysedaten.
Die Auswertung erfolgt mittels Regression und ANOVA. Signifikante Effekte und Wechselwirkungen werden identifiziert. Die Ergebnisse werden als Response-Flächen dargestellt. Mehrere Zielgrößen können über Desirability-Funktionen kombiniert werden.
Scale-up in die Produktion
Scale-up wird früh berücksichtigt. Als Übertragungskriterien dienen:
- konstante Umfangsgeschwindigkeit oder Froude-Zahl,
- konstanter spezifischer Leistungseintrag P/V,
- vergleichbare Sprühcharakteristik bei Flüssigkeiten.
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.
Das Ziel ist die direkte Übertragbarkeit der optimalen Parameter.
Die Ergebnisse werden statistisch abgesichert und validiert. Proben aus verschiedenen Positionen werden ausgewertet (CV). Die Analytik erfolgt je nach Produkt (z. B. Siebung, Farbmetrik, Wirkstoffanalyse).
So plant amixon® Versuchs- und Scale-up-Programme im Technikum
Am Anfang steht die Zieldefinition, bei der die klaren Akzeptanzkriterien des Betreibers festgelegt werden. Dazu zählen Mischgüte (z. B. RSD), Entleerungsgrad, Produktschonung (Partikelintegrität, kein Wärmeeintrag), Chargengröße und Taktzeit. amixon® überführt diese Anforderungen in ein strukturiertes Versuchsprogramm. Getestet wird auf einer von 35 Testanlagen in einer Baugröße, die zur verfügbaren Produktmenge passt.
Es werden die skalierungsrelevanten Parameter untersucht.
- Mischzeit,
- Umfangsgeschwindigkeit (typischerweise 0,8–3,5 m/s),
- Füllgrad (hohe Mischgüte bereits ab ca. 10 %),
- Flüssigkeitszugabe (Menge, Dosierrate, Eintragssystem wie Lanze oder Zweistoffdüse, optional mit Schneidrotor).
Für jeden Betriebspunkt werden Proben entnommen und die Mischgüte bestimmt. Die Entleerungsgrade werden gravimetrisch verifiziert. Versuchskaskaden liefern belastbare Daten.
Bestimmte Produkteigenschaften lassen sich jedoch nicht zuverlässig berechnen. Dazu zählen Partikelbruch, Staubentwicklung, Erhalt der Schüttdichte, Instantisierbarkeit und das Austragsverhalten. amixon® führt hierzu gestufte Versuchsreihen mit unterschiedlichen Chargengrößen durch, z. B. 1 l, 100 l, 400 l, 2.000 l und 3.000 l. Auch Großtechnikumsmischer bis 3 m³ stehen zur Verfügung. So entstehen belastbare Daten für den Scale-up bis ca. 15.000 Liter.
Alle Versuche werden gemeinsam ausgewertet und dokumentiert, um eine fundierte Investitionsgrundlage zu schaffen. Der Versuchsbericht bestätigt die optimalen Prozessparameter unter realen Bedingungen. Der Versuchsbericht definiert den geeigneten Apparat und dient als Grundlage für die URS. Zielgrößen wie RSD, Entleerungsgrad und Taktzeit werden präzise festgelegt. Investitionsrisiken werden vorab reduziert.
amixon® Mischer arbeiten niedertourig und produktschonend, sodass eine schonende Verarbeitung sensibler Produkte gewährleistet ist. Fragile Partikel wie Kräuter, Tee oder Gewürze bleiben intakt. Eine nahezu vollständige Entleerung und schnelle Reinigung ermöglichen häufige Produktwechsel.
Gewürze sind Naturprodukte. Ihre Qualität schwankt je nach Herkunft, Erntezeit und Frische. Qualitätsschwankungen lassen sich häufig durch größere, homogenisierte Chargen ausgleichen. Der Gyraton®-Mischsilo homogenisiert Chargen von bis zu 100 m³, sowohl batchweise als auch kontinuierlich.
Am Ende einer Versuchskampagne steht eine Werksbesichtigung im Hause amixon®.
Fertigung und Qualitätssicherung
amixon® entwickelt und fertigt ausschließlich in Paderborn. Alle Komponenten stammen aus Deutschland. Als zertifizierter Schweißfachbetrieb mit internationalen Qualifikationen fertigt amixon® jeden Mischer als Unikat auf Basis der URS. Die Qualitätskontrolle erfolgt vollständig im eigenen Haus. Jede Spezifikation ist bis auf Bauteilebene nachvollziehbar. Ersatzteile bleiben langfristig reproduzierbar verfügbar.