Scale-up

Definition

Scale-up bezeichnet die Übertragung eines im Labor- oder Technikumsmaßstab entwickelten Verfahrens auf den Produktionsmaßstab, ohne dass Produktqualität und Reproduzierbarkeit verloren gehen. In der Mischtechnik heißt das: Mischgüte, Partikelstruktur, Restfeuchte und Entleerungsverhalten sollen in der großen Charge dieselben Werte erreichen wie im Versuch.

Ähnlichkeitsprinzipien

Die Übertragung folgt Ähnlichkeitsbetrachtungen. Geometrische Ähnlichkeit bedeutet, dass Mischraum und Werkzeuggeometrie im gleichen Verhältnis wachsen. Kinematische Ähnlichkeit bezieht sich auf vergleichbare Strömungsbilder, dynamische Ähnlichkeit auf ein konstantes Verhältnis der wirkenden Kräfte.

Bei Mischsystemen mit horizontal gelagertem Mischwerkzeug sowie bei rotierenden Freifall-, Trommel- und Wurfmischern wird dazu häufig die Froude-Zahl konstant gehalten, also das Verhältnis von Trägheits- zu Schwerekräften. Praktisch bedeutet das: Mit steigendem Werkzeugradius sinkt die Drehfrequenz, während die Umfangsgeschwindigkeit in einem vergleichbaren Bereich bleibt.

Bei vertikalen Mischern mit erzwungener Umschichtung ist die Froude-Zahl 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.

Was sich nicht mitskalieren lässt

Nicht alle Effekte folgen einer Kennzahl. Partikelbruch, Abrasion, Staubbildung, Entmischung beim Austrag, der Verlust von Instanteigenschaften und die Wärmeabfuhr über die Behälterwand verhalten sich im großen Maßstab anders, weil das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen abnimmt und die Verweilzeiten steigen. Diese Effekte zeigen sich erst in einem Versuchsmaßstab, dessen Chargengröße der späteren Produktionscharge nahekommt.

Vorgehen

Ein belastbares Scale-up beginnt mit dem Mischversuch am Originalprodukt. In einer Parameterstudie werden Mischzeit, Drehfrequenz, Füllgrad, Zugabeort und Zugabefolge der Komponenten sowie Art und Menge flüssiger Zusätze systematisch variiert. Bewertet werden Mischgüte über den Variationskoeffizienten, Entleerungsgrad, Partikelschonung, Energieeintrag und Produkttemperatur.

Die freigegebenen Werte werden dokumentiert und als Rezeptdatensatz in die Anlagensteuerung übernommen. Erst diese Dokumentation macht das Risiko des Maßstabssprungs kalkulierbar und trägt die Investitionsentscheidung.

Abgrenzung

Scale-up ist nicht identisch mit Kapazitätserweiterung. Wird lediglich eine zweite Anlage gleicher Größe beschafft, bleiben die Prozessparameter unverändert. Ein Scale-up liegt vor, wenn die Chargengröße selbst wächst und deshalb die Fahrweise angepasst werden muss.