Über 60 Jahre ist der ZSK-Doppelschneckenextruder nun bereits erfolgreich am Markt. Was macht diese Maschine so besonders?
Oliver Beiser: Das Besondere an der ZSK-Maschine war und ist die Verwendung von zwei gleichsinnig drehenden, dicht ineinander greifenden Schnecken, die eine sehr gute Mischwirkung aufweisen. Die vormals verfügbaren, einwelligen Extruder waren im Einsatzbereich begrenzt, genauso wie die damals von Werner & Pfleiderer, heute Coperion, gefertigten Batchmischer. Die Doppelwellentechnik hat das Einsatzspektrum der Extruder für das kontinuierliche Mischen extrem erweitert.
Stefan Gebhardt: Das noch heute in allen ZSK-Modellen verwendeten Funktionsprinzip geht auf die Arbeiten von Rudolf Erdmenger bei Bayer, Leverkusen, zurück. Dort entwickelte er ein Dichtprofil für gleichsinnig drehende, ineinander greifende Schnecken. Bei Werner & Pfleiderer hat man recht schnell erkannt, dass das Verfahrensprinzip sehr großes Potenzial hat, um hochviskose Mischungen effizient herstellen zu können, und hat bereits 1953 eine exklusive Lizenz für die Maschine erworben. Der Extruder wurde dann in vier Jahren zur Produktionsreife weiterentwickelt. Die ersten Maschinen hatten noch übereinanderliegende Wellen. Im Zuge der Weiterentwicklung wurden diese dann horizontal nebeneinander liegend ausgeführt.
Welche Entwicklungsschritte liegen zwischen den ersten
Maschinen und den aktuellen Baureihen?
Beiser: Basierend auf dem Grundprinzip der eng ineinander greifenden, selbstreinigenden Doppelwellen wurde die Maschine stetig weiterentwickelt. Dabei konnte insbesondere die Ausstoßleistung extrem gesteigert werden. Eine Maschine, die damals 200 kg/h produzierte, schafft heute bei gleicher Maschinengröße etwa 3 bis 3,5 t/h. Erreicht wurde diese Leistungssteigerung durch größere freie Volumina und veränderte Schneckenprofile. Zudem sind die Drehmomente der Maschinen ständig gestiegen. Die größten Sprünge in der Leistungsfähigkeit haben wir mit der Entwicklung der Supercompounder (1983) und Megacompounder (1998) erzielt. Der Megacompounder erreicht heute z. B. bei der Polyolefinaufbereitung Durchsätze von 100 t/h und mehr.
Welche konstruktiven Maßnahmen haben diese Leistungssteigerungen herbeigeführt?
Beiser: Dazu waren Veränderungen der Mechanik notwendig. Das Getriebe und die Verbindung zwischen Schneckenwelle und Schneckenelementen wurden stetig verbessert. Auch die hoch beanspruchbare, mithilfe der Finite-Elemente-Methode optimierten Evolventenverzahnung, die in einem speziellen Fertigungsverfahren hergestellt wird, ermöglicht die Übertragung der heutigen, hohen Drehmomente. Verbesserte Werkstoffe und Fertigungsverfahren machten es zudem möglich, das Verhältnis von Schneckenaußen- zu -innendurchmesser zu steigern und damit das freie Volumen im Prozessraum zu vergrößern.
Wo lassen sich die Extruder einsetzen?
Beiser: Grundsätzlich sind wir bereit, uns jeder neuen Herausforderung zu stellen. Bei einer neuen Aufgabe begutachten unsere Verfahrensingenieure die Rohmaterialien und besprechen mit den Kunden die Anforderungen an das Endprodukt. Wenn diese der Meinung sind, dass der Prozess auf einem ZSK Extruder darstellbar ist, wird dies anhand eines Versuchs demonstriert. Das kann am Ende einen relativ simplen Aufbau ergeben, aber durchaus auch einen Extruder mit mehr als 20 Schneckengehäusen und einer Vielzahl an Dosierungen und Verfahrensschritten.
Gebhardt: Im Grunde findet im Extruder kontinuierliches Mischen und Homogenisieren statt. Das ist nicht auf einen bestimmten Bereich beschränkt. Anwendungen mit Zement oder Metallen, die eingemischt werden, sind genauso möglich wie im Lebensmittelbereich Stärken und Mehle oder Zucker. Das Ergebnis ist stets eine zähe Masse oder eine Schmelze, die anschließend geformt oder granuliert wird. Es ist eine große Stärke von Coperion, dass unsere Expertise vom Werkstoff über den Prozess bis hin zu den Details der Maschine reicht. Unsere Verfahrenstechniker besitzen ein großes Know-how. So können wir für jede Anwendung die passende Maschine entwerfen. Für viele Anwendungen können wir Gesamtanlagen aus einer Hand anbieten, von der Förderung über die Dosierung und Extrusion bis hin zur Granulierung bzw. Pelletierung.
Welchen Anteil am Umsatz haben die verschiedenen Branchen?
Gebhardt: Den größten Anteil am Umsatz von Coperion macht nach wie vor die Kunststoffindustrie aus. Wir haben die größten Volumina in der Polyolefinindustrie. Hier sind die Anlagen deutlich größer als in der Pharmaindustrie. In absoluten Zahlen ist daher der Anteil der Pharma- und der Foodindustrie am Umsatz eher klein, wächst aber stark. Für unsere Kunden aus dem Pharma- und Food-Bereich haben wir sogar ein eigenes Technikum eingerichtet. Durch den Zusammenschluss von Coperion und K-Tron haben wir die Möglichkeit, Gesamtanlagen mit Dosierung und Extrusion anzubieten. Auch wenn hohe Anforderungen an die Dosiertechnik bestehen, haben wir mit Coperion K-Tron große Vorteile, da der Schweizer Dosiertechnikspezialist Produkte mit hoher Genauigkeit liefern kann.
Welche Anwendungen fallen in den Bereich chemische Industrie?
Beiser: Im Bereich „chemische Anwendungen“ liegt der Fokus auf kontinuierlichen, wirtschaftlichen Herstellungsprozessen für die Klebstoff-, Automobil-, Farben-, Baustoff- oder allgemeinen chemischen Industrie. So stellen wir mit unseren Extrudern beispielsweise Katalysatormaterialien her, die im Wesentlichen aus Feststoffpartikeln bestehen, die mit Feuchtigkeit angeteigt und dann ausgepresst werden, z. B. zu einer Wabenstruktur. Weitere Anwendungsbeispiele aus diesem Bereich sind die Herstellung von Dichtstoffen oder Batteriemassen. Ein klassisches Beispiel aus der Kunststoffindustrie, das eine chemische Reaktion im Prozess beinhaltet, ist die Herstellung von thermoplastischem Polyurethan (TPU).
Welche Aufgabe übernimmt der Extruder im Pharmaprozess?
Gebhardt: Im Bereich Pharma ist die Hauptanwendung das Einmischen von APIs in verschiedene Pharmapolymere. Der Extruder hat hier im Vergleich zu den standardmäßig eingesetzten Batchmischern den Vorteil, dass es sich um ein kontinuierliches Verfahren handelt.
Wie beurteilen Sie die Bedeutung der kontinuierlichen Pharmaproduktion in naher Zukunft?
Gebhardt: Die kontinuierliche Produktion ist eine Thematik, die in der Pharmaindustrie stark diskutiert wird. Die FDA und die europäischen Behörden unterstützen diesen Prozess sehr stark. Allerdings ist diese Umstellung im Verfahrensprozess hauptsächlich auf die Herstellung neuer Medikamente bzw. auf neue Produktionslinien beschränkt.
Der Einsatz des kontinuierlichen Extrusionsverfahrens kann aber gerade für Anwendungen mit modernen Pharmawirkstoffen Vorteile haben. Einige dieser Wirkstoffe können in ihrer Rohform nicht vom Körper aufgenommen werden, d. h. sie müssen durch ein weiteres Verfahren bioverfügbar gemacht werden. Bei unserem Hotmelt-Pharmaprozess löst sich der Wirkstoff ein Stück weit im Polymer und geht mit diesem eine Bindung ein. Dadurch wird der Wirkstoff so verändert, dass er beim Auflösen des Polymers im Magen oder Darm vom Körper aufgenommen werden kann.
Kontinuierliche Verfahren bieten auch die Möglichkeit, schnell zu erkennen, ob mit der Qualität etwas nicht stimmt. Wenn sich die Rohstoffqualität leicht verändert, hat das oftmals einen großen Einfluss auf den Mischprozess. Im Batchverfahren merkt man es vielleicht erst nach mehreren Stunden, dass die Qualität nicht mehr innerhalb der Spezifikationen liegt. Im schlimmsten Fall muss dann das Produkt verworfen werden. Bei der kontinuierlichen Extrusion kann die Qualitätskontrolle zeitnah erfolgen, bis hin zur Online-Qualitätskontrolle.
Wie fügt sich der Extruder in eine kontinuierliche Pharmalinie ein?
Gebhardt: Der Extruder wird heute noch nicht direkt in einer Linie vor die Tablettenpresse geschaltet. Das Problem dabei ist, dass die im Extruder gewonnene Wirkstoffschmelze nicht direkt als Endprodukt verwendet werden kann. Die Schmelze wird daher zunächst granuliert, anschließend aufgemahlen und das Pulver zur Tablette verpresst. Genauso wie die Tablettenhersteller auf der einen Seite, arbeiten auch wir mit Universitäten und Endkunden dran, kontinuierliche Prozesse voranzubringen. Ein als kontinuierlich anerkanntes Verfahren war die Kombination einer kontinuierlichen Dosierung mit einem Mischer und einer Tablettenpresse, für die wir die Coperion-K-Tron-Dosierer geliefert haben und mit dem das Unternehmen Eli Lilly 2017 den „Factory of the Year Award“ gewonnen hat.
Ein weiterer Schritt in Richtung kontinuierliche Produktion ist die Laboranlage zur Einarbeitung von Wirkstoffen mit einem pharmagerecht ausgeführten Doppelschneckenextruder ZSK 18 Megalab, die wir vor kurzem an ein internationales Pharmaunternehmen geliefert haben. Die Anlage besteht neben dem ZSK-Extruder aus zwei Coperion-K-Tron-Differentialdosierwaagen, die den Extruder beschicken, einem Kühlband und einer Stranggranulierung.
Welche Extruder-Modelle von Coperion werden für die Pharmaanwendungen eingesetzt?
Gebhardt: Grundsätzlich können alle ZSK-Extrudermodelle verwendet werden, wenn sie pharmagerecht ausgeführt sind. Die Durchsätze sind in der Pharmaindustrie natürlich deutlich kleiner als in anderen Industriezweigen, etwa 1 bis 50 kg/h. Grob gesprochen ist eine Labormaschine im Kunststoffbereich vergleichbar mit einer Produktionsmaschine im Pharmabereich. In der Regel werden Schneckendurchmesser von 18 bis 40 mm ausgewählt, das entspricht den Modellen ZSK 18 bis ZSK 40. Durch die dokumentatorischen Anforderungen, die speziellen Werkstoffe, anspruchsvolle Oberflächenbehandlung, spezielle Steuerungen und die häufig geforderte zusätzliche Einhausung sind die Anlagen komplexer und ist der Preis natürlich deutlich höher als für eine vergleichbare Kunststoffmaschine.
Wir haben zwei ZSK-Baureihen im Angebot, die sich in Drehmoment und freiem Volumen unterscheiden. Die Bauhreihe ZSK Mc besitzt größere Drehmomente und die Baureihe ZSK Mv größere freie Volumina. Welche Baureihe ausgewählt wird ist produktspezifisch. Im Pharmabereich geht die Tendenz aber eher zur ZSK-Mc-Maschine.
Mit welchen Maßnahmen werden die Extruder pharmagerecht
gestaltet?
Gebhardt: Wir verwenden entsprechend zugelassene Edelstähle
mit den geforderten Oberflächenrauigkeiten. Stecker, Kabel, Dichtungen und alle weiteren Komponenten werden ebenfalls in den von der Pharmaindustrie geforderten Qualitäten verbaut. Darüber hinaus wünschen die Kunden im Pharmabereich häufig, dass die Maschinen komplett eingehaust sind, damit nichts nach innen dringen kann und nur die Oberflächen gereinigt werden müssen. Wird das Produkt aus dem Extruder im Reinraum weiterverarbeitet, ist die Maschine oft nur teilweise im Reinraum installiert. Antrieb und Getriebe befinden sich dann auf der sogenannten Schwarzseite, um eine Wartung zu erleichtern, während das Verfahrensteil in die Weißseite, den Reinraum, ragt. Die Trennwand direkt am Übergang zwischen Getriebe und Verfahrensteil wird vom Endkunden in die Reinraumwand integriert.
Auf welche Neuentwicklungen aus dem Hause Coperion können wir uns auf der Achema in Frankfurt freuen?
Beiser: Bei der Extrudertechnik haben wir gerade die Entwicklung von Werkstoffen abgeschlossen, die extrem korrosions- und verschleißbeständig sind. Mit diesem neuen Werkstoff sind wir sogar in der Lage Siliziumkarbide auf dem Extruder zu verarbeiten. Mit den bisher verfügbaren Werkstoffen war dies nicht möglich. Durch diese Neuentwicklung konnten wir einen weiteren Prozess von Batch auf Kontinuierlich umstellen.
Um die Durchsatzraten der ZSK-Extruderbaureihe weiter zu erhöhen gab es im letzten Jahr intensive Versuche mit speziellen involuten Schnecken- und Knetelementen mit einem neuartigen Profilquerschnitt. Mit den involuten Elementen lassen sich in einigen Anwendungen eine signifikante Durchsatzsteigerung auf der gleichen Maschine erreichen.
Gebhardt: Aus dem Bereich der Dosiertechnik werden wir auf der Achema neue Coperion-K-Tron-Dosierungen für die Pharmaindustrie vorstellen. Die Pharmadosierungen wurden komplett überarbeitet, sodass sie eine bessere Reinigbarkeit und leichtere Demontierbarkeit aufweisen. Auch wird man in Zukunft mehr Dosierungen wie bisher um den Produkteinlauf gruppieren können. Auf der Interphex in New York werden die Dosierer erstmals als Serienprodukt vorgestellt. Die Interphex und die Achema sind für uns erste Gradmesser, wie die Geräte am Markt ankommen.
Gibt es Bestrebungen, Coperion durch weitere Zukäufe zu vergrößern?
Gebhardt: Die Strategie unserer Muttergesellschaft Hillenbrand ist eindeutig auf Wachstum ausgerichtet und man will sicher auch in unserem Bereich noch zulegen. Ich würde daher nicht ausschließen, dass noch etwas dazukommt.
Suchwort: cav0618coperion
Halle 5.0, Stand D34
DAS INTERVIEW FÜHRTE FÜR SIE Daniela Held
Redakteurin
Achema-HIghlight: Pharmadosierer
Die K3-PH-Dosiererlinie von Coperion K-Tron wurde entwickelt, um den Anforderungen der kontinuierlichen Prozesse in der pharmazeutischen Industrie zu begegnen. Das Dosiererdesign baut auf einem modularen Konzept mit reduzierter Standfläche auf. Möglich macht dies die verkleinerte D4-Plattformwaage mit der Smart-Force-Transducer (SFT)-Wägetechnologie. Dank des modular aufgebauten Quick-Change-Designs kann ein Dosierer schnell umgebaut werden. Lediglich das Austauschen der Dosiertrichter und Rührer sind hierfür notwendig. Neben der Zeitersparnis ist ein weiterer Vorteil des modularen Designs eine einfachere, verbesserte Reinigung und Wartung. Das neue Design eignet sich zudem für die Gruppierung von mehreren Dosierern zu einem Cluster. Die K3-PH-Linie setzt auf bewährte Instrumentierung, Steuer- und Regeltechnik für eine kontinuierliche Dosierung von schwerfließenden pharmazeutischen Pulvern und APIs. Es steht eine Vielzahl ergänzender, anwendungsabhängiger Optionen zur Auswahl, unter anderem die Actiflow-Fließhilfe für schwerfließende Schüttgüter oder die elektronische Druckkompensation EPC. Die pharmazeutischen Dosierer sind in volumetrischer oder gravimetrischer Ausführung erhältlich, als Einfach- oder Doppelschneckenmodelle.
K3-PH-QT20-Dosierer mit trapezförmiger Bauform der WaageBild:Coperion
„Es ist eine große Stärke von Coperion,
dass unsere Expertise vom Werkstoff über den Prozess bis hin zu den Details der
Maschine reicht.“
