gesponsertMischen & Dispergieren Inline oder Batch?

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Ystral GmbH

Misch- und Dispergierprozesse können sowohl im Batchverfahren als auch in einer kontinuierlichen Inline-Produktion realisiert werden. Welches Prozessdesign im konkreten Fall eingesetzt werden sollte, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Die Technologien des Misch- und Dispergiertechnik-Spezialisten Ystral ermöglichen sowohl eine Batch- als auch eine Inline-Produktion und decken ein breites Spektrum an Prozessoptionen ab.

Was haben Klebstoff und Zahnpasta gemeinsam? Bei deren Herstellung müssen Pulver und Flüssigkeiten in einem geeigneten Verfahren zusammengebracht werden. Auf den ersten Blick erscheint dies trivial, jedoch kommt es auf die Eigenschaften der zu verarbeitenden Pulver an. Diese sind bei der Entwicklung des passenden Prozessdesigns von zentraler Bedeutung. Für die kontinuierliche Produktion eignen sich vor allem Pulver, die mit einer kurzen definierten Verweilzeit in einer Passage dispergiert werden müssen. Beispiele hierfür sind langkettige Polymere, die bei mehrmaligem Scheren zerstört werden würden, oder die Verarbeitung von pyrogenen Kieselsäuren zur Herstellung von Polyesterharzen.

Kontinuierliche Pulverbenetzung und Dispergierung

Der von Ystral neu entwickelte Dispergierer Ystral Coflow (s. Abb. 1) ermöglicht eine solche kontinuierliche Produktion ohne Mischbehälter. Bei der Ystral Coflow werden pulverförmige Feststoffe über volumetrisch oder gravimetrisch arbeitende Feststoffdosiersysteme in Flüssigkeitsströme kontrolliert und mengenproportional eingetragen, gemischt und dispergiert. Die Pulverstoffe und Flüssigkeiten werden in einer Vormischzone zusammengeführt, über ein Rotor-Stator-System erfolgt dann die Feindispergierung, wobei die Dispergierwerkzeuge je nach Applikation in unterschiedlichen Schlitzbreiten ausgeführt sein können.

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Batchproduktion und quasi-kontinuierliche Fertigung

Eine Fertigung im Batchverfahren ist dagegen bei Pulverstoffen vorzuziehen, die schwierig zu verarbeiten sind und eine intensive Dispergierung erfordern. Hierzu gehören stark agglomerierte, hygroskopische oder klebende Pulver. Für eine kontinuierliche Produktion könnten bei intensiv zu dispergierenden Pulverstoffen nach der Pulverbenetzungs- und Dispergiermaschine Ystral Coflow noch mehrere Inline-Dispergierer oder eine weitere Coflow-Maschine positioniert werden.

Mit einer Pulverbenetzungs- und Dispergiermaschine vom Typ Ystral Conti-TDS (s. Abb. 2) können auch schwer zu verarbeitende Pulver agglomeratfrei dispergiert werden. Zur Separierung der Pulverpartikel nutzt die Conti-TDS das Prinzip der Vakuumexpansion: Hierbei wird die im Pulver enthaltene Luft um ein Vielfaches expandiert, wodurch sich die Abstände zwischen den Partikeln vergrößern (s. Abb. 3). Die Partikel werden ohne zusätzliche Luft vereinzelt und fluidisiert. Pulver und Flüssigkeit kommen bei der Conti-TDS erst in der Benetzungskammer miteinander in Kontakt – unter maximalem Vakuum und maximaler Turbulenz. In der Dispergierzone haben die Pulverpartikel den größtmöglichen Abstand zueinander und können so vollständig einzeln benetzt und dispergiert werden.

Die Ystral Conti-TDS wird vor allem in Kreislaufprozessen eingesetzt. Der Dispergierer wird dabei außerhalb des Prozessbehälters mit einem darin verbauten Mischer platziert und das Pulver wird ab Sack, Trichter, Big Bag, Silo oder Container in die Flüssigkeit eingesaugt. Für eine kontinuierliche Produktion ist die Conti-TDS nur bedingt geeignet, möglich ist jedoch eine quasi-kontinuierliche Fertigung mit der Verwendung eines Arbeits- und eines Puffertanks oder in Form von Twin-Tank-Prozessen. Bei einem Twin-Tank-Prozess ist eine Conti-TDS mit zwei Prozessbehältern verbunden. Während in einem Behälter produziert wird, wird im zweiten Behälter das fertige Produkt abgepumpt. Sobald dieser Behälter leer ist, wird umgeschaltet.

Effektivere Technologie

Mischen, Dispergieren, Pulvereintrag: Zeit und Energie sparen

Hohe Variabilität im Batchprozess

Ein wichtiger Vorteil des Batchverfahrens mit moderner Misch- und Dispergiertechnologie liegt in der dadurch ermöglichten hohen Variabilität hinsichtlich der verarbeiteten Rohstoffe sowie der produzierten Produkte, Produktvarianten und Batchgrößen. Die Möglichkeiten zur Pulververarbeitung sind bei der Ystral Conti-TDS dabei sehr vielfältig. So können etwa allergene und nicht-allergene Pulver auf vollständig getrennten Wegen eingesaugt und in getrennten Flüssigkeitskreisläufen verarbeitet werden. Eine Conti-TDS kann zudem einfach in bestehende Prozessanlagen integriert werden.

Effiziente Fertigung von Monoprodukten

Die Vorteile einer Produktion mit einem kontinuierlich arbeitenden Dispergierer liegen hingegen bei Produkten, die in Großserien gefertigt oder perspektivisch in großen Volumina gefertigt werden sollen. Dazu zählen Produkte, bei denen das Endprodukt aus wenigen Komponenten besteht, die Rezeptur standardisiert und die Qualität der Komponenten gesichert ist. Die geforderte Variabilität in der Produktion ist dabei gering: Hin und wieder werden Konzentrationsanpassungen vorgenommen, Produktwechsel finden jedoch nur selten statt.

In der Chemiebranche eignet sich die Ystral Coflow beispielsweise für die großvolumige Produktion von Klebstoffen oder Silikondichtungsmitteln. Im Lebensmittelbereich ist die kontinuierlich arbeitende Pulverbenetzungs- und Dispergiermaschine unter anderem die passende Lösung für Vorprodukte zur Teigherstellung, Milch- und Milchersatzprodukte sowie die Herstellung von essbaren Collagenhüllen, Mayonnaise oder Dressings.

Gegenüber einem klassischen Batchprozess im Behälter erlaubt die Ystral Coflow dabei eine Fertigung mit einem deutlich geringeren Anlagenfootprint und schnelleren Durchlaufzeiten, während die Reinigung einer solchen Anlage aufgrund der kleineren produktberührenden Oberfläche deutlich einfacher ist.

Sehr hohe Feststoffkonzentrationen möglich

Die Ystral Coflow ermöglicht zudem die Fertigung von Produkten mit einem sehr hohen Feststoffgehalt. Hierfür ist die Coflow mit einem großen Pulvereinlaufstutzen ausgestattet, der je nach Anwendung Feststoffkonzentrationen von bis zu 80% erlaubt. Die großen Pulvervolumenströme der Ystral Coflow sind dabei insbesondere bei Pulvern mit einer geringen Schüttdichte relevant. Ein zwischen der Vormischzone und der Rotor-Stator-Zone verbauter Inducer dient dabei als axiale Pumpstufe, um auch hochviskose Produkte bearbeiten und aus der Dispergierstufe herauspumpen zu können. Dies macht die Coflow beispielsweise zu einer geeigneten Lösung für die Slurryfertigung oder die Herstellung schlecht fließender Endprodukte, wie etwa Zahnpasta.

Geringer Restluftgehalt im Produkt

Ob Inline oder Batch – um eine optimale Produktqualität zu erreichen, müssen der Lufteintrag während des Prozesses und der Restluftgehalt im Produkt minimiert werden. Sowohl die Ystral Coflow als auch die Ystral Conti-TDS zeichnen sich dabei gegenüber anderen prozesstechnischen Lösungen im Inline- bzw. Batchverfahren durch eine effiziente Separierung und Abscheidung der im Pulver enthaltenen Luft aus.

Bei der traditionellen Dissolvertechnologie etwa wird durch eine Trombe sehr viel Luft ins Produkt eingetragen, was nicht nur die Dispergierwirkung reduziert, sondern auch Additive erforderlich macht, die später im fertigen Produkt negative Wirkung haben. Bei der Conti-TDS wird hingegen die im Pulver enthaltene Luft durch die Zentrifugalwirkung des schnell laufenden Rotors von der deutlich schwereren Dispersion abgetrennt und koalesziert zu großen Luftblasen. Diese werden dann zusammen mit dem Flüssigkeitsstrom zum Prozessbehälter gefördert, wo sie leicht entweichen können. Bei der Ystral Coflow erfährt das Produkt über den integrierten Inducer eine Druckerhöhung. Diese Druckveränderung bewirkt eine Separierung der mit dem Pulver eingetragenen Luft, die entgegen der Produktbewegung nach oben gepresst und abgeschieden wird.

Fazit

In der modernen Verfahrenstechnik haben sowohl Batchprozesse als auch kontinuierliche Inline-Prozesse ihren Platz. Schwierig zu verarbeitende, intensiv zu dispergierende Pulver und ein hohes gefordertes Maß an Variabilität in der Produktion sprechen für das Batchverfahren. Einfacher zu verarbeitende Pulver und eine großvolumige Fertigung von Produkten sprechen für einen Inline-Prozess. Mit Technologien von Ystral können dabei sowohl Batch- als auch Inline-Prozesse auf effiziente, zeit-, energie- und platzsparende Weise realisiert werden.

Autor: Uwe Klaumünzner, Expert Process- and Application Engineering, ystral gmbh maschinenbau + processtechnik

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