Auf der Suche nach dem Optimum

Der Autor: Uwe Hahnenstein Geschäftsführer, Will & Hahnenstein

Zahlreiche Herstellprozesse sowohl in der chemischen als auch in der pharmazeutischen Produktion erfordern die Zugabe von Stoffen, die bei Umgebungstemperaturen im festen Aggregatzustand vorliegen. Um diese Stoffe dosieren und mit anderen Substanzen mischen zu können, müssen sie in eine fließfähige Form gebracht werden.

Grundsätzlich bestehen hier verschiedene Möglichkeiten:

In der Praxis werden diese Verfahren oftmals kombiniert, da so die Fließ- und Mischfähigkeit am schnellsten zu erreichen sind.

Beispielsweise lässt sich das Aufschmelzen von Wachspellets in einer Lösemittelvorlage in einem beheizten Rührwerksbehälter schneller realisieren als die gleiche Menge festen Wachses in einem Fass in einer Umluftwärmekammer von außen her bis zum Kern hin durchzuschmelzen.

Nachfolgend werden wichtige Apparate der Schmelztechnik mit ihren Anwendungsgrenzen und spezifischen Vor- und Nachteilen für die chemische und pharmazeutische Produktion gegenübergestellt.

Die einfachste Schmelzeinrichtung, insbesondere für Stoffe in geschlossenen Gebinden (Fässer oder Container), stellt die Wärmekammer mit Elektro- oder Dampfheizung und Umluftventilation dar. Für Einzelgebinde gibt es auch noch Heizmäntel (Fassheizer), die nach demselben Prinzip das Material statisch und unbewegt nur durch Wärmeeinbringung von außen über die Oberfläche des Gebindes durch Wärmeleitung aufschmelzen. Den Vorteilen einer einfachen, kostengünstigen und universell einsetzbaren Technik steht als Nachteil die lange Prozessdauer gegenüber. Die Wärmeleitung in den Gebinden ist – außer durch die Umlufttemperatur, die aber oft durch maximale Verträglichkeiten der Stoffe limitiert ist – nicht beeinflussbar und muss abgewartet werden. Besonders bei Stoffen mit einem schlechten Wärmeübergang von der flüssigen Phase in den Restkern wirkt sich dies aus.

Allerdings ist das Verfahren z. B. für niedrigschmelzende Stoffe wie Fette oder viele Additive völlig ausreichend und kostenoptimal.

Als Weiterentwicklung der reinen Umluftwärmekammer ist die Schmelzkammer mit beheizter Auffangwanne und gegebenenfalls mit Schmelzerückführung und Berieselung anzusehen. Hier werden die Gebinde vor der Erwärmung vollständig entfernt (Aufschneiden von Big-Packs oder Folienverschlägen) oder die offenen Fässer ohne Deckel auf dem Kopf stehend eingestellt, sodass die Schmelze nicht mehr abgefüllt werden muss, sondern direkt in eine ebenfalls beheizte Auffangwanne abtropft. In dieser Wanne schmelzen dann auch kleine Restkerne, die durch die Gitterroste rutschen, vollständig auf.

Die Zirkulation der Schmelze durch eine Pumpe und Rückführleitungen mit anschließender Berieselung der Produktblöcke kann eine wirksame Prozessbeschleunigung erbringen, ebenso wie ein Rührwerk in der Wanne.

Während dieses offene Aufschmelzen insbesondere für große und kontinuierliche Stoffströme empfehlenswert ist, verbietet es sich bei Stoffen, die empfindlich für intensiven Kontakt mit der Luft bzw. der Luftfeuchtigkeit sind.

Um für solche Stoffe (wie z. B. MDI) eine schnellere Aufschmelzung auch bei niedrigen Temperaturen zu erreichen, wurden die Aufschmelzkammern mit Aufnahmen zur intensiven Bewegung der geschlossenen Gebinde entwickelt.

Neben Wärmekammern mit Rollböcken für horizontal liegende Fässer bringen Sonderversionen für vertikal stehende Fässer auf vor- und zurückdrehenden Rotationstischen oder in Dreheinrichtungen um die Querachse eine intensive Bewegung in das Fassinnere, bei denen die Restkerne regelrecht zerschlagen werden. Hierbei ist aber der größere Aufwand für das Bedienungspersonal zu beachten, da jedes Gebinde einzeln beladen und gesichert werden muss.

Zur Aufschmelzung von Stoffen, die bereits als Granulat oder Pellets vorliegen oder die relativ einfach aus Eimern und Fässern (evtl. nach einer kurzen Aufschmelzung der Ränder in einer Wärmekammer oder in einem Fassheizer) ausgeleert werden können, haben sich die beheizten Schmelzbehälter mit Ankerrührwerk bewährt. Diese Geräte, die in Nennvolumina von 25 bis zu 10 000 l herstellbar sind, werden für Schmelzaufgaben überwiegend mit Doppelmantel für Dampf oder Thermalöl bzw. mit Elektroheizkörpern im drucklosen Thermalölmantel ausgerüstet.

Vorteil der Schmelzbehälter ist die Möglichkeit, den Schmelzprozess bereits mit Mischaufgaben und Rezepturherstellungen zu verbinden sowie gleichzeitig als Produktions- wie auch als Pufferbehälter eingesetzt werden zu können. Darüber hinaus können Behälter bis ca. 1000 l Volumen transportabel ausgeführt und somit zum Heranbringen von Zuschlag-stoffen an Produktionslinien oder Extruder genutzt werden.

Abschließend sollen auch noch die Hochleistungsaufschmelzer für die kontinuierliche Bereitstellung von Schmelzestoffströmen erwähnt werden. Bei diesen Apparaten wird über einen Aufgabepuffer das Granulat bzw. Pulver auf die beheizten Schmelzplatten verteilt. Es läuft aufgrund der geometrischen Plattenanordnung in eine beheizte Sammelrinne ab, von wo es dem Produktionsprozess zugeführt wird.

Die Pulverkappe dichtet dabei automatisch die Schmelzplatten nach oben ab, sodass ein effektiver Schmelzprozess mit geringen Verlusten auch bei hohen Temperaturen und großen spezifischen Leistungen möglich wird.

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