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Verfahrenstechnik 12/2018

Verfahrenstechnik 12/2018

Die Mischung macht`s

Die Mischung macht`s Energiedissipation bei Homogenisierprozessen Individuell konzipierte Allroundsysteme sorgen in der Kosmetik- und Pharmaindustrie für maximale Flexibilität und Produktivität auf höchstem Niveau. Autor: Dipl.-Ing. Ulf Sieckmann, Geschäftsführer, Symex GmbH & Co. KG, Bremerhaven Spezielle Zusätze bei den Pflegeprodukten, feinste Farbnuancen bei dekorativer Kosmetik und sehr speziell ausgerichtete Wirkstoffe in Medikamenten lassen Produktrezepturen und folglich die Entwicklungs- und Herstellprozesse heute immer komplexer werden. Vor eine besondere Herausforderung wird dabei die Misch- und Homogenisiertechnik gestellt. Herstellsysteme sollen nicht nur durch kurze Prozesszeiten und höchste Produkt- und Herstellmengenflexibilität für maximale Effizienz sorgen, sondern gleichzeitig auch eine 100%ig reproduzierbare Produktqualität in sehr engen Spezifikationsbereichen gewährleiten. Um allen diesen Anforderungen gleichermaßen gerecht werden zu können, ist es heute unabdingbar, die produktbeeinflussenden Mechanismen der Misch- und Homogenisierprozesse genau zu verstehen, zu kontrollieren und entsprechend ihrer Einflussnahme auf die Produkteigenschaften gezielt anwenden zu können. Moderne Misch- und Homogenisiersysteme sollten auch über Techniken im Bereich Rohstoffzugabe, Temperieren und natürlich Reinigung verfügen. Während für die produktspezifizierenden Parameter wie Partikelgrößenverteilung, Viskosität und Homogenität die Prozesse der Rohrstoff zugabe und Temperierung nur eine untergeordnete Rolle spielen, ist der Misch- und Homogenisierprozess von entscheidender Bedeutung. Kreisverkehr Idealerweise ist ein Mischsystem für semisolide (d. h. hochviskose) Produkte heute mit einem langsam laufenden Rührwerk (über den Behälterdeckel von oben in das Produkt eintretend) und einen schnell laufenden Homogenisator (unterhalb des Behälters mit externer Umpumpleitung) ausgestattet. Der Homogenisator arbeitet meistens entsprechend eines Zentrifugalpumpensystems und pumpt das zu mischende/ zu homogenisierende Produkt im Kreis, während im Mischwerkzeug die Tröpfchen bzw. Partikel erzeugt werden. Hierbei wird das Produkt entweder direkt am tiefsten Punkt des Behälterbodens angesaugt oder über eine Rohrleitung extern zugeführt. Die Druckseite des Homogenisators fördert das Produkt über eine externe Umpumpleitung bei großen Ansätzen oberhalb des Produktspiegels und bei kleineren Ansätzen unterhalb des Produktspiegels in den Mischbehälter zurück. Das langsam laufende Rührwerk im Mischbehälter hat dabei die Aufgabe, den zurückgeführten (homogenisierten) Anteil im inhomogenen Rest zu vermischen. Zusätzlich stellt das Rührwerk bei temperierten Prozessen einen optimalen Wärmeübergang von der Behälterwand an das Produkt und eine optimale Temperaturverteilung innerhalb des Mischbehälters sicher. Die Homogenisierzeiten werden durch die externe Homogenisierung und Rückvermischung innerhalb des Behälters durch statistische Durchlaufhäufigkeiten durch den Homogenisator bestimmt. Bei modernen Systemen mit effizienten Misch- und Homogenisiersystemen hat sich gezeigt, dass nach einer 4–8-fachen (produktabhängigen) Umwälzung des Ansatzvolumens jedes Volumenelement mit derselben Häufigkeit den Homogenisator durchlaufen hat. Man spricht an dieser Stelle vom sogenannten Batch-Turn-Over (BTO). Die Systeme verfügen zur Sicherstellung einer 100%igen Reproduzierbarkeit und einer zuverlässigen Skalierung über ein Durchflussmessgerät in der Umpumpleitung, das neben Volumen- oder Masseströmen eine punktgenaue, volumengesteuerte Homogenisierzeit sicherstellt. Bei der Herstellung von Emulsionen und Suspensionen sind die Anforderungen an die Mischsysteme so vielfältig wie die Produktpaletten und Herstellverfahren 10 VERFAHRENSTECHNIK 12/2018

VERFAHREN UND ANLAGEN Geschwindigkeitskontrolle Betrachtet man die Kinematik und den mechanischen Aufbau des langsam laufenden Rührwerks und des schnell laufenden Homogenisators näher, stellt man fest, dass der für die Partikel- bzw. Tröpfchengrößenverteilung erforderliche Energieeintrag maßgeblich vom Homogenisator geliefert wird, und das Rührwerk in Bezug auf Energieeintrag eher eine untergeordnete Rolle spielt. Bei Mischsystemen mittlerer Größe (2 000– 3 000 l Ansatzgröße) ergeben sich am Rührwerk Umfangsgeschwindigkeiten von 2,5 m/s mit einem Abstand zwischen den Mischblättern von rd. 30 mm und am Homogenisator Umfangsgeschwindigkeiten von rd. 30 m/s mit einem Abstand zwischen den Homogenisatorzähnen von rund 0,5 mm. Bezieht man Mittelwerte der o. g. Bereiche in die Berechnung der Scherraten ein, stellt man fest, dass bei Rührwerk und Homogenisator das Verhältnis des Energieeintrags im Bereich von 1:700 liegt. Hocheffiziente Homogenisiersysteme entsprechend des Rotor- Rotor-Prinzips erreichen heute bereits Scherraten von 140 000 s -1 bei Differenzgeschwindigkeiten von 70 m/s in einem Scherspalt von 0,5 mm. Vergleicht man solche Homogenisatoren mit einem Standard-Rührwerk, liegt das Verhältnis sogar bei 1:1 700. Unter den schnelllaufenden Homogenisatoren gibt es die verschiedensten technischen Ausführungen. Design und Kinematik sollen durch ihre Kombination die optimale Energiedichte liefern. Die Distanz zwischen Rotor und Stator (Scherspalt), die Anzahl der Scherstufen, die Anzahl und die Geometrie der Mischflügel (Zähne) sowie der Drehzahlbereich definieren, ob ein Homogenisator eher pumpstark, scherintensiv oder eine Kombination aus beidem ist. Energieumsetzung Den maßgeblichen Einfluss auf die Partikelbzw. Tröpfchengrößenverteilung und somit Produkteigenschaften nimmt allerdings die optimale Energiedissipation kombiniert aus Impuls, mechanischer Scherung, Kavitation und thermischer Energie. Diese Kombination ergibt sich aus der Scherrate und der Verweilzeit im Homogenisierwerkzeug (Geometrie, Widerstand und Förderleistung). Je nach Bauform und Ausführung des Homogenisatorwerkzeugs bilden dabei sowohl Fluiddynamik und Kavitation als auch mechanische Scherung und thermische Energie voneinander abhängige Wechselwirkungen, die einen maßgeblichen Einfluss auf die Effizienz des Homogenisiervorgangs nehmen. Klassische Homogenisatoren weisen aufgrund ihrer fixen Geometrie und somit mit einer variablen Drehzahl nur einen Freiheitsgrad auf, der die Gesamtenergie variieren kann, deren Zusammensetzung allerdings nicht. Durch die fixe Geometrie bleibt die proportionale Energiezusammensetzung über den gesamten Drehzahlbereich relativ gleich. Um eine an die Produkteigenschaften angepasste Energiekombination liefern zu können, bedarf es bei klassischen Rotor-Stator-Systemen einer Änderung der Geometrie, die nur durch mechanische Umbauten erreicht werden kann. Eine Ausnahme bildet das Rotor-Rotor-Prinzip, in dem der Stator nicht fest, sondern dynamisch betrieben wird. Durch die Möglichkeit, den dynamischen Stator sowohl in die gleiche als auch in die entgegengesetzte Richtung des Rotors zu drehen, kann mit dem Rotor-Rotor-Prinzip nicht nur die die Gesamtenergie, sondern auch die Zusammensetzung variiert werden. Das System bietet somit die Möglichkeit, allen Prozessanforderungen und Produkteigenschaften flexibel und kompromisslos durch reine Parameteränderung zu entsprechen. Fotos: Fotolia (#58143201, Sergey_Rasulov), Symex www.symex.de VERFAHRENSTECHNIK 12/2018 11

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