Magische Momente

Der Magic Lab findet im Laborbereich in den unterschiedlichsten Branchen Anwendung, z. B. in der Chemie-, Pharma-, Lebensmittel- und Kosmetikindustrie. Insbesondere Standardapplikationen wie Wasser-in-Öl- und Öl-in-Wasser-Emulsionen sowie Suspensionen aus verschiedenen Feststoffen in Flüssigkeiten können mit vergleichbaren Arbeitsmethoden wie in der Großproduktion hergestellt, bearbeitet oder erprobt werden. Dabei kann der Antriebsteil des Magic Lab mit verschiedenen Verfahrensmodulen ergänzt werden.

Der Ultra-Turrax UTL, ein einstufiges Rotor-Stator-System, findet dann Anwendung, wenn normales Rühren oder Mischen nicht genügt, z. B. bei mangelnder Stabilität des Mischgutes, bei stark unterschiedlichen Viskositäten der zu mischenden Flüssigkeiten oder zum Beschleunigen von Lösungsaufgaben. Der Dispergiereffekt beruht auf dem Rotor-Stator-Prinzip, das große Scherenergien erzeugt. Durch unterschiedlich fein verzahnte Generatoren kann die Maschine an die jeweilige Dispergieraufgabe angepasst werden.

Der Dispax-Reactor DR, ein dreistufiges Dispergiergerät mit drei hintereinander geschalteten Rotor-Stator-Werkzeugen, wird zur Herstellung feinster homogener und stabiler Emulsionen und Suspensionen in einer Passage eingesetzt. Das Funktionsprinzip des DR-Moduls entspricht dem des UTL-Moduls.

Wenn schwierige Emulsionen oder Suspensionen hergestellt werden sollen, bei denen sehr gleichmäßige und feine Partikel bzw. Tröpfchengrößen erzielt werden müssen, wird häufig die Kolloidmühle (MK-Modul) eingesetzt. Die Konen von Rotor und Stator sind mit unterschiedlich breiten Strömungskanälen versehen. Die Abstufung in der Spaltweite dieser Kanäle und die zusätzliche Umlenkung in ihrem Verlauf bewirken vermehrte Friktion und Turbulenzen. Die Konen können gegeneinander bis auf einen Mindestabstand verschoben werden, wodurch sich Durchfluss und Friktion verändern. Das MKO-Modul (Konusmühle) arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie das MK-Modul. Die Konen sind jedoch in ihrem Arbeitsbereich mit einer abriebfesten WCCO-Beschichtung versehen. Dadurch ergibt sich eine größere Reibfläche, die es ermöglicht, noch feinere Suspensionen herzustellen.

Das Modul CMS dient zum Eintrag von Pulver oder Granulat in Flüssigkeiten im Chargen- und Rezirkulationsverfahren. Die CMS hat zwei horizontale Flüssigkeitsanschlüsse und einen vertikalen Feststoffanschluss. Die verfügbare CMS-Peripherie, bestehend aus einem offenen 1-Liter-Mischbehälter, einem Feststofftrichter mit Handventil und einer Rezirkulationsleitung mit Handventil, ist die Komplettlösung für das Benetzen schwierigster Pulver. Über den vertikalen Anschluss wird der Feststoff eingesaugt. Ein Vordruck von ca. 0,1 bis 0,5 bar am Flüssigkeitseintritt reicht zum Einsaugen. Durch die sehr hohe Partikelbeschleunigung im Rotor wird im Zentrum des entstehenden Flüssigkeitsringes Unterdruck erzeugt. Dieses Vakuum ermöglicht das Einsaugen von Pulvern bzw. Granulaten über den Feststoffanschluss. Durch die spezielle Rotorgeometrie wird der Feststoff getrennt von der Flüssigkeit gefördert und trifft erst in einer Hochturbulenzzone im Bereich der höchsten Teilchengeschwindigkeit auf die Flüssigkeit. Innerhalb des Rotors wird der Feststoff beschleunigt und durch die Volumenvergrößerung zum Randbereich des Rotors bereits vor dem Eindispergieren in die Flüssigkeit fein verteilt.

Für diesen staub- und klumpenfreien Saug- und Anreicherungsprozess mit hohen Durchsatzleistungen werden keine zusätzlichen Dosiersysteme benötigt. Im Mischverhältnis ist ein Feststoffgehalt bis ca. 65 % möglich.

Das Modul MHD wird für eine voll kontinuierliche Herstellung von Dispersionen angewandt. Im Unterschied zum Batch-Verfahren mit dem Inline-Modul CMS wird hierbei das Mischungsverhältnis von Feststoff und Flüssigkeit volumetrisch oder gravimetrisch geregelt. Die dosierte Zuführung der flüssigen und der festen Komponente führt zu einem mengenproportionalen Endprodukt, wobei die Dosiergenauigkeit von den Zuführgeräten abhängt. Die patentierte MHD-Konfiguration vereinigt drei Verfahrenstechniken in einer Maschine: Mischen, Homogenisieren und Dispergieren. Das Modul ermöglicht den Eintrag von Pulver oder Granulat mit Feststoffkonzentration im Mischgut bis 80 % in einer Passage. Durch Einbau von bis zu drei Dispergierstufen werden feinste Partikelgrößen im Endprodukt erzielt.

Das Modul Ultra-Turrax UTC verwandelt den Magic Lab in ein Batch-Dispergiergerät. Dafür wird der Magic Lab auf den Kopf gedreht und an einem Teleskopstativ mit einem Spannhalter befestigt. Das Medium wird selbstständig axial in den Dispergierkopf des Modules UTC gesaugt und anschließend radial durch die Schlitze der Rotor-Stator-System gepresst. Durch die großen Beschleunigungskräfte wird das Material von sehr starken Scher- und Schubkräften beansprucht. Im Scherspalt zwischen Rotor und Stator tritt zusätzlich eine große Turbulenz auf, die zu einer verbesserten Durchmischung der Suspension führt. Meistens reicht eine Bearbeitungszeit von wenigen Minuten aus, um die gewünschte Endfeinheit zu erzielen. Das Modul UTC findet seine Anwendung im Chargenbetrieb mit Bechervolumen bis zu 2000 ml, besonders zur Abschätzung der nötigen Scherbeanspruchung und zur schnellen Erkennung von rheologischen Veränderungen wie Struktur, Viskosität etc. Sowohl als einstufige oder mehrstufige Inline-Dispergiermaschine, als auch als Konus- bzw. Kolloidmühle kann der Magic Lab zu einer kompletten Micro Plant ausgebaut werden. Diese ist einsetzbar zur Entwicklung von Rezepturen und Prozessabläufen sowie zur Ermittlung des geeigneten Werkzeugs und der Einstellung diverser Prozessparameter für ein weitreichendes Scale-Up wie beispielsweise Drehzahl, Scherfrequenz, Temperatur, Druck und Zeit. Ika stellt zwei Ausführungen der Micro Plant zur Auswahl: mit einwandigem 1-l-Behälter oder mit temperierbarem doppelwandigem 2-l-Vakuum-/Druckbehälter. Diese kleine Anlage mit großer Flexibilität ist zusätzlich auch mit Umlaufleitung und Dreiwegekugelhahn ausgestattet.

Im Dauerbetrieb ist der Magic Lab für Produkttemperaturen bis +80 °C sowie einen Arbeitsdruck von maximal 2,5 bar zugelassen. Die Werkstoffe der eingesetzten Dichtungen widerstehen im Kurzzeitbetrieb auch Temperaturen bis zu +120 °C. Bei einer Motorleistung von 900 W ist in der Grundausstattung mit Modul UTL eine maximale Drehzahl von 26 000 min-1 und ein Durchsatz von maximal 130 l/h möglich. Die Drehzahl kann über das Bediengerät stufenlos verstellt werden.

Der Magic Lab wird in einer fahrbaren Transportbox ausgeliefert. Die verschiedenen Module werden übersichtlich in Schubfächer mit vorgeformten Einsätzen eingesteckt. Die Steckerverbindungen zum Magic Lab und zur Stromversorgung befinden sich an der Rückseite der Box. Die Labormaschine ist standardmäßig mit einem Pt 100-Thermoelement sowie einem Bedien- und Infocenter ausgestattet. Dort können viele Betriebsdaten wie Drehzahl, Drehmoment und Temperatur eingestellt und abgerufen werden. Mithilfe der optional verfügbaren Labworldsoft kann der Magic Lab auch von einem PC aus gesteuert und Daten auf einen PC übertragen werden. Die Erkenntnisse, die mit dieser Labormaschine gewonnen werden, lassen sich auf größere Produktionsmaschinen übertragen. Ika bietet die Maschinen der Serie 2000 mit vielen konstanten Arbeitsparametern in sieben verschiedenen Arbeitsgrößen für Durchsätze bis zu 125 000 l/h an.

cav 429

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