Pulvereintrag leicht gemacht

Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing. Uwe Klaumünzner

Grundsätzlich werden bei der Planung eines neuen Verfahrens bzw. bei der Umgestaltung eines vorhandenen Prozesses Überlegungen angestellt, ob eine kontinuierliche Produktionsweise gegenüber dem herkömmlichen Batch-Prozess Vorteile bringt. Vergleicht man den kontinuierlichen mit dem diskontinuierlichen Prozess, so liegen die Vorteile einer kontinuierlichen Produktion auf der Hand. Diese sind die minimierten Rüst- und Reinigungszeiten bis hin zur Personaleinsparung.

Produktvielfalt und häufiger Produktwechsel fordern jedoch auch eine ausgeklügelte Mess- und Dosiertechnik. Diese zum Teil höheren Investitionskosten stehen den Vorteilen bei der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung gegenüber. Die Wirtschaftlichkeitsrechnung sollte sich jedoch auf mittelfristige Planzahlen erstrecken, denn steigende Rohstoff-, Energie- sowie Personalkosten müssten mit einer rationellen Produktion kompensiert werden. Aufgrund der immer wiederkehrenden, oben beschriebenen Problematik gibt es für das Mischen von Pulver mit Flüssigkeiten keine Standardlösung, viel mehr muss man sich den Bedürfnissen und Anforderungen an die jeweiligen Produkte und Gegebenheiten anpassen.

Ein führender Hersteller der Misch- und Dispergiertechnik, der täglich mit den unterschiedlichsten Problemen aus den verschiedenen Branchen konfrontiert wird, stellt nachfolgend drei Verfahren dar, die sich in der Praxis bewährt haben und beispielhaft für andere Anwendungen sind:

• Kontinuierlich dosiertes Zusammenführen und Dispergieren oder Lösen von Stärken in einer Mehrkammer-Homogenisier- und Dispergieranlage der Baureihe MHD. Ein anderes Beispiel ist das Eintragen von Farbpigmenten in Düngemittel oder andere Flüssigphasen.

• Chargenmäßiges Einsaugen, Zusammenführen und Mischen vordosierter Fest-Flüssigphasen. Ein Beispiel ist das Einsaugen von Carbopol oder anderer Pulver mit dem CMS-System.

• Zirkulierendes Zusammenführen und Dispergieren im Chargenansatz unter Anwendung von beispielsweise MHD oder Ultra-Turrax in einer Emulgier- und Misch-Anlage, kurz EMA-Anlage. Typische Anwendungen sind die Herstellung von Polymeremulsionen und das Einmischen von Kieselsäure oder Acrylaten in Flüssigphasen.

Bei all diesen Verfahren werden die Modelle MHD oder CMS verwendet. Beide entstammen einer Modular-Baureihe der Serie 2000. Diese ist unter anderem dadurch gekennzeichnet, dass auf ein Grundmodul – eine Antriebs-, Lager- und Dichtungseinheit – entweder die MHD- oder die CMS- Arbeitskammer aufgebaut werden kann. Darüber hinaus können natürlich die bekannten Hochleistungs-Dispergiermaschinen Ultra-Turrax und Dispax-Reactor sowie Kolloid-Mühlen und weitere spezielle Arbeitskammern aufgebaut werden.

Bei der Produktion von höher viskosen Stärkelösungen werden mengenproportional zu einem Wasser-Volumenstrom native Stärken (z.B. Apfelpektine, Zitruspektine etc.) kontinuierlich eingeführt. Vorteil dieser Technologie ist, dass auch hohe Feststoffanteile erreicht werden können. Zum Beispiel kann eine 10%ige Apfelpektin-Lösung kontinuierlich hergestellt werden. Mit Hilfe eines Dispergierwerkzeuges (Rotor/Stator-Prinzip), das als letzte Stufe in die Arbeitskammer der MHD eingebaut ist, werden durch Scherbelastungen eventuelle Feststoffagglomerate beseitigt und der Löseprozess beschleunigt. Ferner werden bei anderen Stärken durch Oberflächenvergrößerung die längeren Quellzeiten verkürzt. Durch die Wahl des geeigneten Dispergierwerkzeuges werden die Eigenschaften der Stärkelösungen durch die Scherbeanspruchung nur gering beeinflusst.

Beim Einfärben von z. B. Düngemittel wird in einen Flüssigkeitsstrom kontinuierlich pulverförmiger Farbstoff zugegeben. Ziel hierbei war, die Emission des Farbstoffes in die Atmosphäre durch das offene Pulverhandling zu vermeiden. Aufgrund des sehr guten Feststoff-Aufschlusses durch das zusätzliche Dispergieren werden zusätzlich heute 50% des Farbstoffes bei gleichbleibender Farbintensität eingespart. Diese Investition hatte sich alleine durch die Einsparung des Rohstoffes innerhalb eines Jahres amortisiert, ohne die durch das optimierte Pulverhandling entfallenen Kosten für Reinigung mit in Betracht zu ziehen.

Die Ursachen für die hohe Leistungsfähigkeit des Systems MHD 2000 liegen vor allem darin, dass der Flüssigkeitsstrom vor dem Vermischen mit dem Feststoff in viele Einzelströme aufgeteilt wird. Somit vergrößert sich die Oberfläche der Flüssigphase. Die pulverförmigen Feststoffe, die unter Ausnutzung der Schwerkraft vertikal in die Dispergiermaschine dosiert werden, können sich mit der Flüssigphase mit Hilfe eines speziellen Mischwerkzeuges innigst miteinander unter weitestgehender Vermeidung von Agglomeraten vermischen. Zum Dispergieren und zum Produktaustrag stehen als letzte Stufe optional fünf im Feinheitsgrad abgestufte Rotor-Stator-Systeme (Ultra-Turrax) zur Verfügung. Das beschriebene System wird in fünf Größen für Durchsatzleistungen von einigen 100 l/h bis ca. 40 m3/h angeboten. Vom Lieferumfang her kann das System MHD 2000 als Komplettlösung mit der Pulver-, sowie Flüssigkeitszufuhr und Steuerungen bis zum Prozessleitsystem geliefert und installiert werden.

Wird aufgrund der Produktvielfalt und der Anzahl der unterschiedlichen pulverförmigen Additive für einen Ansatz ein Batch-Prozess angestrebt, so bietet sich die Möglichkeit an, die rieselfähigen Feststoffe über den Feststoffeinlass des Behälters zuzugeben. Eine elegantere Möglichkeit der Feststoffzugabe bietet das CMS-2000-Saug-System. Eine im Inline-Verfahren betriebene Pulverbenetzung- und Dispergiermaschine bearbeitet hierbei zirkulierend den Behälterinhalt. Durch die Zentripetalbeschleunigung der Flüssigkeit entsteht in Zentrum der Dispergierkammer ein Vakuum. Durch das in das Zentrum der Dispergierkammer geführte Saugrohr können Pulver oder Granulate getrennt von der Flüssigphase gesaugt werden. Erst unter höherer Scherbelastung treffen die Feststoffe mit der Flüssigphase zusammen. Somit wird die vorzeitige Benetzung der Feststoffphase mit der Flüssigphase und die daraus resultierende Klumpenbildung vermieden. Speziell bei hygroskopischen Feststoffen wie z. B. bei den nativen Stärken tritt dieses Problem auf und führt bei anderen Systemen zu einem erhöhten Reinigungsaufwand bis hin zur kompletten Demontage der Maschine.

Zur Herstellung von Getränkegrundstoffen werden in die wässrige Phase diverse Feststoffe eingesetzt, von Johannesbrotkernmehl, Guarkernmehl bis zum Betacarotin. Die CMS 2000 bietet die Möglichkeit, alle Bestandteile dieses Ansatzes ohne Verluste (Ablagerungen von Feststoffen an der Behälterinnenwandung, am Behälterdeckel oder an der Rührwelle) staubfrei in die Wasserphase einzuarbeiten. Im nachfolgenden Prozess wird diese Phase mit der Ölphase mit Hilfe einer Emulgiermaschine Ultra-Turrax UTL 2000 bzw. Dispax-Reactor DR 2000 oder DRS 2000 homogenisiert.

Der Einsatz dieses CMS-2000-Systems wird durch die Viskosität begrenzt. Bei hochviskosen Medien kann das von der Maschine erzeugte Vakuum respektive der Sog nicht mehr hinreichend sein. Bei derartigen Einsatzfällen bietet sich die MHD an, die von der Produktviskosität weitestgehend unabhängig arbeitet. Eine andere Lösung kann die EMA-Anlage sein. Speziell für Applikationen in der Pharma-, Kosmetik- und der Food-Industrie werden entsprechende Emulgier- und Mischanlagen angeboten. Diese Technik wurde mit der EMA Inline-Technologie optimiert. Die am Bodenauslauf adaptierte Inline-Dispergiermaschine Ultra-Turrax bietet die Möglichkeit, in Chargengrößen von 25 bis 5000 l Flüssigkeiten sowie pulverförmige Feststoffe direkt in die Dispergierkammer inline einzusaugen.

Mit dieser Technologie, die den Einsatz von Bodenablassventilen vermeidet (Verschmutzung, Reinigungsaufwand, etc.), werden z. B. Enthaarungspflaster hergestellt. In ein Harz werden Feststoffe in Form von pyrogener Kieselsäure gelöst. Der Behälterinhalt in Form des flüssigen Harzes wird über die Dispergiermaschine zirkuliert. Ein zusätzlich an der Dispergierkammer angebrachter Stutzen ermöglicht das Einsaugen der Kieselsäure. Aufgrund der geringen Schüttdichte der Kieselsäure wird das komplette System unter Vakuum gesetzt. Nach Öffnung des Ventils der Feststoffzufuhr wird das Aerosil direkt in die Dispergierkammer des Ultra-Turrax gesaugt und mit hohen Scherkräften in die Harzphase eingearbeitet und gelöst.

Neben weiteren Applikationen kommt diese Technologie beim Einarbeiten von Farbstoffen in flüssige Paraffinwachse zum Einsatz. Aufgrund der hohen Schergeschwindigkeit über 100 000 1/s am Rotor-Stator können auch hier aufgrund des verbesserten Aufschlusses der Pigmente Rohstoffe eingespart werden.

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