Universalreaktor

Dipl.-Ing. Stefan Ruberg

Gezielter Stoff- und Wärmeaustausch ist notwendig, um hochwertige Pharma-, Chemie- und Lebensmittelgüter herzustellen. Gibt es zwischen der Oberfläche eines überströmten Feststoffes und dem überströmenden Gas Potenziale bezüglich Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit und Konzentration, dann kommt es zum Wärme-, Impuls- oder Stoffaustausch. Diese Transportvorgänge finden in den Grenzschichten statt. Während Grenzschicht-Transportvorgänge zwischen Flüssigkeiten und Gasen zumeist in Fermentern, Fallrohrverdampfern, Dünnschichtverdampfern, Rektifikationskolonnen oder Belebtbecken erfolgen, finden Transportvorgänge zwischen Feststoffen und Gasen in Wirbelschichtapparaten, Fließbett-, Nutschen-, Misch-, Scheiben-, Schaufel- oder Taumeltrocknern statt.

Bestimmend für die Auswahl des richtigen Apparates sind zumeist die Fließ- und Verströmungseigenschaften der Güter, die geforderte Prozessgeschwindigkeit und die Belastbarkeit des Gutes. Die Gutkonsistenzen können sich während des Prozesses wandeln.

Am Ende mehrstufiger Synthesereaktionen steht oft die Fällung oder Kristallisation. Anschließend findet dann eine mehrmalige Waschung und mechanische Trocknung statt, der sich fast immer die thermische Trocknung anschließt. Sofern der Kontakt des Feuchtgutes mit Luft unerwünschte Reaktionen bzw. Explosionsgefahren auslöst oder dessen thermische Belastung gering zu halten ist, erfolgt die Endtrocknung bevorzugt unter Vakuumanregung, wobei die Wärmeenergie durch Kontaktheizung oder Wärmestrahlung eingetragen wird (Kontakttrocknung).

Reaktoren der Bauart AMD von Ruberg-Mischtechnik (Abb. 2) sind patentierte Universalapparate. Hier findet die Waschung, Filtrierung, Begasung und Trocknung im selben Apparat statt. Sie zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus:

• Bequemes Produkthandling

• Erzielung optimaler Mischgüten unab-hängig von den Stoffkonsistenzen

• Durchführung der Prozessschritte Waschen (Nutschentrockner), Filtrieren, Trocknen (Filtertrockner), Endtrocknen (Mischtrockner), Begasen (AMD-Wirbelschicht/ -Begasungsreaktor), Mischen und Konditionieren (AMD-Mischtrockner) im selben Apparat

• CIP- und SIP- konforme Detailgestaltung unter Berücksichtigung der EHEDG-Empfehlungen

• qualifizierte Gesamtausführung für die FDA-konforme Validierung

Ein rotationssymmetrischer Mischraum mit bodenseitiger Einstülpung beinhaltet ein von oben angetriebenes Schraubenbandmisch-werk. Insofern besteht der Apparateboden aus

• einem äußeren Segment in Form einer Kreisringes

• einem inneren Segment in Form einer Einstülpung

Die Einstülpung hat zwei wesentliche Auswirkungen. Die gesamte Wandfläche vergrößert sich gegenüber einem zylindrischen Apparat mit flachem Boden um ca. 25%, die Bodenfläche allein sogar um ca. 80%.

Im Zentralbereich eines rotierenden Agitators sind die Relativgeschwindigkeiten null oder sehr gering. Dies hat zur Folge, dass hier nur eine verminderte Durchströmung und Vermischung stattfindet. Infolge der zentralen Einstülpung des Reaktorbodens herrschen im gesamten Prozessraum gleich gute Mischeffekte vor. Insofern findet der Stoff- und Wärmeaustausch beschleunigt statt.

Der AMD-Reaktor besteht aus einem senkrechten Behälter mit einem ungefähr quadratischen Querschnitt (Abb. 3). Als Rührorgan kommt ein temperierbares Schraubenbandmischwerk zum Einsatz. Schraubenbandmischwerke erzeugen dreidimensionale Umschichtungen indem sie die Güter in der Peripherie des Mischraumes aufwärts schrauben und die Güter der Schwerkraft gehorchend im Innern abwärts fließen lassen. Hervorzuheben ist, dass ideale Mischgüten erzielbar sind, unabhängig

• von der Mischwerkdrehzahl

• von den beteiligten Komponenten wie Partikelgröße, Fließfähigkeit, Anwesenheit flüssiger Rezeptanten

• vom Füllgrad des Apparates

Die ebenfalls temperierten Mischwerkarme tragen und fixieren das Schraubenband, das während der Rotation mit gleichem Abstand die Gefäßwandungen bestreicht. Die Festigkeitsdimensionierung und die Antriebsgröße berücksichtigen, dass der Reaktor auch im Vollzustand angefahren werden kann.

Im oberen Behälterteil sind Stutzen zur Produktzuführung, zum Brüdenaustritt, sowie für Reinigungsvorrichtungen und Prozess-kontrolle angebracht. Der Produktaustrag erfolgt über einen seitlich angebrachten Austragsstutzen. Für den eingestülpten Behälterboden stehen drei unterschiedliche Ausführungsformen zur Verfügung.

Bei der Ausführung des AMD-Reaktors als Mischertrockner ist der eingestülpte Boden sowohl im Bereich des Kreisringes als auch der Einstülpung doppelwandig ausgeführt (Abb. 4). Die Wärmeübertragungsfläche gegenüber einem Mischertrockner gleichen Inhaltes mit flachem Boden erhöht sich somit um ca. 25 %.

Bei der Ausführung als Begasungs- oder Wirbelschichtreaktor ist die produktseitige Wand des Kreisringsegments des Behälterbodens als Siebboden ausgeführt, während das Kegelstumpfsegment weiterhin geschlossene Wände besitzt (Abb. 5). Der Siebboden besteht aus Sintermetall-Gewebe oder -Vlies, dessen Durchlässigkeit den Prozesserfordernissen anzupassen ist. Über einen separaten Stutzen kann beispielsweise Schleppgas in den Reaktor eingeblasen werden, wodurch der Trocknungsprozess nachdrücklich unterstützt wird. Sogar ausgeprägte Wirbelschichteffekte lassen sich so einstellen.

Ausgeführt als Nutschentrockne,r entspricht der Behälterboden demjenigen des Begasungsreaktors. Über den Siebboden wird bei stehendem Rührer die Flüssigkeit aus dem Reaktor abgeführt. Im Anschluss hieran kann durch Zugabe von Waschflüssigkeit der Filterkuchen gewaschen werden. Der Waschvorgang wird dabei durch den Rührer unterstützt (Dispersionswäsche). Der Filterkuchen kann dann getrocknet werden, wobei die Wärmezufuhr über die Wand des Behälters als auch über den Kegelstumpf des Bodens erfolgt.

Bei der Ausführung als Filtertrockner sind sowohl das Kreisring- als auch das Kegelstumpfsegment als Filterboden ausgeführt (Abb. 6). Beide Bodensegmente besitzen separate Ablassstutzen.

Bei der Filtration sind zunächst beide Stutzen geöffnet. Sinkt gegen Ende der Filtration der Flüssigkeitsspiegel im Behälter unter die Oberkante des Kegelstumpfsegmentes ab, wird dessen Ablassstutzen geschlossen. Die Restfiltration erfolgt dann nur noch über das Kreisringsegment, so dass eine niedrige Restfeuchte im Filterkuchen erzielt werden kann.

Durch die drei unterschiedlichen Ausführungen für den Behälterboden kann der AMD-Reaktor optimal an die Prozesserfordernisse angepasst werden:

• Ein vollständig beheizter Boden wird eingesetzt für reine Wärmeaustausch- aufgaben: Reagieren, Heizen, Kühlen, Trocknen, Inertisieren

• ein teils als beheizter und teils als Sieb ausgeführter Boden kommt zur Anwendung, wenn zusätzlich zur vorgenannten Nutzung begast, filtriert und gewaschen werden muss. In dieser Form ist eine universelle Nutzung für alle gängigen Stoff- und Wärmeaustausch- Prozesse gegeben

• soll eine Filtration und Waschung mit großen Flüssigkeitsmengen stattfinden, oder eine Adsorptionstrocknung in der Wirbelschicht angeschlossen werden, ist der gesamte Boden des Reaktors als Sieb ausgestaltet

Für den Anlagenbetreiber sind neben den verfahrenstechnischen Optionen gleichermaßen betriebstechnische Notwendigkeiten zu gewichten. Diese betreffen den Handlingsaufwand sowie die Reinigungseignung des Apparates. Sogenannte Aseptik-Schnellverschlüsse weisen sterilisierbare Dichtungen auf und stellen totraumfreie Übergänge zwischen lösbaren metallischen Bauteilen dar. Sie erfüllen die 3-A-Sanitary-standards sowie die Bedingungen der European-Hygienic-Equipment-Design-Group. Alle Details der AMD-Reaktoren sind sicher automatisch reinigbar und mikrobiologisch beherrschbar. Die in der Lebensmittelindustrie häufig angewandte Nachweisung der Keimfreiheit mittels Biolumineszenzdetektion kann im Werkstechnikum des Herstellers vorgeführt werden. Da das Verfahren einfach und schnell anwendbar ist, wird es bevorzugt für die Reinigungsvalidierung genutzt.

Gleichermaßen bedeutsam ist die Korrosionsbeständigkeit des Apparates; insofern werden bevorzugt Sonderwerkstoffe wie Alloy, Hastelloy oder Inconell eingesetzt, deren spanende, umformende und schweißtechnische Verarbeitung neben den Verfahrensnachweisen viel Erfahrung erfordert.

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