Modulare Laboranlagen für die Verfahrensentwicklung

Mischprozesse optimieren

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Ob ein neuer Prozess entwickelt oder die Effizienz bestehender Verfahren verbessert werden soll – die Zahl der Anwendungen, die Komplexität der Mischprozesse und die damit einhergehenden Anforderungen an die Laborausrüstung nehmen stetig zu. Konventionelle Labortechnik reicht oft nicht aus. Mit der HTL-Serie hat AVA Laboranlagen entwickelt, die flexibel anpassbar und bereits im Kleinen in der Lage sind, die gewünschten Operationsbedingungen im Prozess zu erzielen.

Einen Mischer zu bauen, der die Anforderungen aller möglichen Anwendungen erfüllt, ist unwirtschaftlich bis unmöglich. Aus diesem Grund hat AVA seine HTL-Laborserie im Baukasten-Prinzip angelegt, um Flexibilität und Wirtschaftlichkeit bestmöglichst zu vereinen. Grundlage des Baukasten-Prinzips ist die Basisstation, in der idealerweise alle Elemente enthalten sind, die immer benötigt werden. Dazu zählen die komplette Elektronik, die Bedientafel und der Antrieb der Mischwelle. Die elektrischen Anschlüsse der zusätzlichen Anbauteile wie Messerkopf und Temperatursensor werden ebenfalls in der Basisstation integriert, sodass diese Anbauteile ohne großen Aufwand in Betrieb genommen werden können.

Auf dieser Basisstation fußt der flexibel anpassbare, horizontal angeordnete Mischerteil. Dieser muss so gestaltet sein, dass die einzelnen Module je nach Anwendungszweck entsprechend kombiniert angebracht werden können. In der Grundausstattung besteht der Mischerteil aus einer Mischtrommel und einem anwendungsspezifischen Mischwerkzeug.

Damit kann Schüttgut mit anderem Schüttgut oder mit einer Flüssigkeit vermischt werden. Ein Beispiel für eine Schüttgut-Schüttgut-Mischung ist ein Müsli aus Haferflocken, Getreide, Rosinen, Trockenobst und Nüssen. Die einzelnen Komponenten sind unterschiedlich in Korngröße, Festigkeit, usw.. In einem Labormischer können kleine Chargen von Müsli aus vorgewogenen Komponenten hergestellt werden. Die Mischintensität kann durch die Füllmenge und die Drehzahl des Mischwerks eingestellt werden. Bei der Feststoff-Flüssigkeit-Mischung ist es meist das Ziel, die Eigenschaften des Feststoffs zu verändern, sei es um die Fließfähigkeit zu verbessern, das Produkt staubarm zu machen oder ihm eine gleichmäßige Farbe zu geben. Dabei wird während des Mischvorgangs Flüssigkeit in relativ geringer Menge (meist 1 %) über eine Düse zugegeben und auf der Partikeloberfläche verteilt. Nach der Flüssigkeitszugabe wird das Gemisch weiter vermischt, bis die gewünschte Produkteigenschaft erreicht wird. Dabei zieht man regelmäßig Proben, um die Produktqualität zu überwachen. Aus den daraus gewonnenen Erkenntnissen können die Auslegungsparameter für die Produktionsanlage ermittelt werden.

Flexible Gestaltung

Jeder Einsatzzweck erfordert seine individuelle Anlagenkonfiguration. Das bedeutet, alle Elemente des flexiblen Mischerteils können in verschiedenen Materialien und Ausführungen gewählt werden, bzw. Anbauteile frei zu- oder abgewählt werden.

Je nach Anwendung sind für die Entwicklung im Labor verschiedene Chargengrößen nötig. Von daher kann die Mischtrommel in unterschiedlichen Größen gewählt werden. Auch Form und Materialauswahl der Mischtrommel und des Mischwerks sind vom Produkt abhängig. Hoch abrasive Produkte erfordern zum Beispiel einen Verschleißschutz in Form einer Hartmetall- oder Keramikbeschichtung, während für Pharmaanwendungen eine glatte Oberfläche und ein kleiner Wandabstand wichtig sind.

Im Laborbetrieb liegen häufige Chargen- und Produktwechsel in der Natur der Sache. Dazwischen sind Reinigungen und Umbauarbeiten wie der Austausch von Mischwerkzeugen nötig. Aus diesem Grund wurde die Welle des Mischwerkzeugs einseitig gelagert angelegt. Dadurch ist es möglich, die Stirnseite des Mischers als vollflächige Inspektionstür zu konstruieren. Über diese lässt sich ein komfortabler Zugang zum Mischerinnenraum realisieren.

Darüber hinaus enthält der Baukasten eine Reihe von Anbauteilen, die optional zur Konfiguration hinzugefügt werden köpnnen, beispielsweise einen Messerkopf. Dieses mit hoher Drehzahl arbeitende Werkzeug unterstützt den Mischprozess bei zur Agglomeration neigenden Produkten, oder solchen, die bei der Trocknung eine zähe Phase überwinden müssen. Weitere mögliche Anbauteile wie Messgeräte und Sensoren oder Düsen sind dank der vorbereiteten Anschlüsse an der Basisstation im Plug-&-Play-Modus anzubinden.

Trotz der vielfältigen Möglichkeiten muss eine Labormaschine dennoch einfach in der Handhabung und kompakt in der Bauform sein. Dazu trägt die Ausrüstung mit komfortablen Bedienelementen bei, die Fehlbedienungen minimieren. Ein kompaktes All-in-One-System, das sich stationär montieren, auf einem fahrbaren Gestell anbringen oder an einem Labortisch mit Abzugshaube anpassen lässt, trägt dem begrenzten Raum in einer Laborumgebung Rechnung.

Heizen, Kühlen, Trocknen

Je nach benötigter Temperatur stehen verschiedene Heiz- und Kühlarten zur Verfügung. Viele chemische Reaktionen müssen in einem bestimmten Temperaturbereich durchgeführt werden, um eine angemessene Reaktionsgeschwindigkeit zu erreichen und ggf. um die Nebenreaktionen zu unterdrücken. Die Kationisierung von Stärke, zum Beispiel, findet bei einer Temperatur zwischen 60 und 80 °C statt. Die Ausrüstung mit einem optionalen Doppelmantel gewährleistet, dass die Produkttemperatur sehr schnell erreicht und sehr präzise gesteuert werden kann.

Bei Hochtemperatur-Anwendungen wird der Mischer elektrisch beheizt. In diesem Temperaturbereich finden Kalzinierungsprozesse von festen Stoffen statt, wie für die Produktion von Gips und Pyrophosphaten. Dabei werden Kristallwasser oder andere flüchtige Komponenten freigesetzt. In diesem Anwendungsgebiet werden oft Prozesse optimiert, die bisher in einem Drehrohr durchgeführt wurden. Im Temperaturbereich bis zu ca. 500 °C ist der beheizte Schüttgutmischer eine attraktive Prozessalternative, da er infolge einer besseren Wärme- und Stoffübertragung deutlich energieeffizienter arbeitet. Eine Isolierschicht verringert hier zusätzlich den Wärmeverlust an die Umgebung und dient als Kontaktschutz.

Laboranlagen sind naturgemäß relativ klein dimensioniert. Das bedeutet auch, dass Befüll- und Entleeröffnungen im Verhältnis Trommeloberfläche viel Platz einnehmen. Um die Wärmeübertragungsfläche optimal auszunutzen wurde für den beheizten Labormischer eine Sonderkonstruktion eingeführt. Die Mischtrommel kann um die Mischwelle gedreht werden, somit kann über ein und dieselbe Öffnung befüllt und entleert werden. Die Inspektionstür kann ebenfalls mit Doppelmantel und Isolierung ausgestattet werden.

Wird ein beheizter Mischer mit Brüdenfilter und Vakuumpumpe ausgestattet, kann der Mischer als Mischtrockner eingesetzt werden. Ein häufiger Anwendungsfall für die Vakuumtrocknung in der pharmazeutischen Industrie ist das Trocknen von APIs. Im Vergleich zu konvektiver Trocknung findet der Prozess bei deutlich niedrigeren Temperaturen statt, wodurch das Produkt besonders effektiv und schonend getrocknet wird. Die Laboranlagen können für ein sehr hohes Vakuum ausgestattet werden, was die Trocknung bis auf geringste Restwassergehalte ermöglicht.

In der Batterieherstellung werden Lithiummetalloxide als Kathodenmaterial eingesetzt. Diese dürfen nur minimale Wassergehalte aufweisen. Mit den Hochtemperaturmischern können mit einem elektrischen Beheizungssystem (bis 700 °C) Restwassergehalte deutlich unterhalb 10 ppm erreicht werden.

www.prozesstechnik-online.de

Suchwort: cav0618ava

Halle 6.0, Stand D19


Autor: Dr. Hongben Zhou

Sales Manager,

AVA


Autor: Thomas Boerboom

Marketing Communications,

AVA



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