Mischtechnik Innovative Produktentwicklungen und -formulierungen im Feststoffbereich

Autor / Redakteur: Dr. G. Grünewald, DI R. Heinz, Dr. S. Bensmann, DI T. Pischel, Prof. Dr. F. Kleine-Jäger / Matthias Back

Den verfahrenstechnischen Aufgaben Mischen und Agglomerieren kommt bei Verfahren der chemischen Industrie in vielen Fällen eine Schlüsselstellung zu. Schließlich entscheiden diese Schritte häufig am Ende eines Feststoffprozesses über die geforderten Produkteigenschaften. Im folgenden Beitrag werden einige aktuelle industrielle Fragestellungen dieses Fachgebietes angesprochen und Beispiele aus den Bereichen Forschung und Produktentwicklung vorgestellt.

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Intelligente Prozessführung erlaubt die effiziente Herstellung von Hohlkugeln, die sich aufgrund ihrer großen Oberfläche für vielversprechende Anwendungen eignen.
Intelligente Prozessführung erlaubt die effiziente Herstellung von Hohlkugeln, die sich aufgrund ihrer großen Oberfläche für vielversprechende Anwendungen eignen.
(Bild: BASF)

Mischen und Agglomerieren sind Verfahrensschritte, die an den verschiedensten Stellen eines Herstellprozesses mit jeweils unterschiedlichen Zielstellungen zum Einsatz kommen. So müssen pulverförmige Einsatzstoffe gegebenenfalls homogen vorgemischt, abgesiebte Fein- und Grobfraktionen aus verschiedenen Stellen des Prozesses zurückgeführt oder die Nutzfraktion am Ende des Prozesses mit pulverförmigen Additiven versehen werden.

Eine homogene Mischung der verschiedenen Stoffe ist dabei Voraussetzung für die gezielte und reproduzierbare Einstellung von Produkteigenschaften, wie Staub- und Verbackungsverhalten, Redispergierbarkeit oder Schüttdichte. Die Kornvergrößerung durch Agglomeration kann im Rahmen eines Herstellprozesses ebenfalls verschiedene Zielstellungen haben. So werden beispielsweise Einsatzstoffe voragglomeriert, um das Staub-, Dosier-, Verbackungs- oder Entmischungsverhalten zu verbessern. Die gleichen Zielstellungen oder gewünschten Produkteigenschaften können auch am Ende eines Prozesses einen Agglomerationsschritt erfordern.

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Mischen und Agglomerieren

Besondere Herausforderung beim Feststoffmischen ist das homogene Einbringen von Pulvern in viskose Flüssigkeiten oder Gele, wie bei Rückführungen von Feststoffströmen an den Anfang eines Herstellungsprozesses. Für diese verfahrenstechnische Aufgabe gibt es je nach Viskosität der Flüssigkeit verschiedene technische Möglichkeiten, wie Injektoren, selbstansaugende Inline-Dispergierer, Intensivmischer oder auch Extruder und Kneter. Bei der Produktveredelung der Nutzfraktion am Ende eines Herstellungsprozesses gibt es ebenfalls herausfordernde Aufgaben.

Ein Beispiel ist das homogene Untermischen von sehr geringen Anteilen feinteiliger Zusatzstoffe in einen kontinuierlichen Produktstrom. Dabei muss ein gleichmäßiges Pulvercoating der feinteiligen Hilfsstoffpartikel auf den größeren Produktpartikeln erreicht werden. Für qualitativ hohe Anforderungen an das Pulvercoating, wie Anti-Verbackung oder Pulverlackanwendungen, wurde bei BASF ein Verfahren entwickelt, bei dem das submikrone Coatingmaterial mit einer Mühle desagglomeriert, anschließend elektrostatisch stabilisiert und schließlich in einem Intensivmischer dispergiert und mit dem zu coatenden Produkt gemischt wird.

Das Agglomerieren kommt ähnlich wie das Mischen ebenfalls während des Herstellungsprozesses oder zur Produktveredelung am Ende des Prozesses zum Einsatz. Im Herstellungsprozess wird die Kornvergrößerung häufig eingesetzt, um nachfolgende Prozessschritte zu vereinfachen oder überhaupt erst zu ermöglichen. So kann durch Agglomeration das Mischverhältnis von Einsatzstoffen fixiert und ihr Entmischen verhindert werden. Bei Katalysatoren oder auch im Waschmittelbereich (ADW - Automatic Dishwashing Machine) werden Einsatzstoffe teilweise agglomeriert, um den nachfolgenden Tablettierungsschritt zu optimieren.

Voragglomeration birgt Vorteile

Durch die Voragglomeration werden ein gutes Fließverhalten, minimale Staubentwicklung und geringe Verbackungsneigung erreicht. Die Minimierung der Staubentwicklung ist insbesondere bei Aktivsubstanzen und gesundheitsgefährdenden Stoffen, wie Katalysatoren, gefordert. Ein Agglomerationsschritt am Ende des Prozesses wird meist zum Einstellen der spezifizierten Partikelgrößenverteilung durchgeführt. Durch eine Kornvergrößerung und gegebenenfalls Einengung der Verteilungsbreite können die Schüttdichte und die Dosierkonstanz des Produktes beim Kunden optimiert, das Staub- und Verbackungsverhalten minimiert und das Entmischen von Komponenten beim Transport verhindert werden.

Bei der Agglomeration müssen die Pressagglomeration, welche meist ohne Bindemittel durchgeführt wird, und die Nassagglomeration mit Bindern unterschieden werden. Da bei der Pressagglomeration keine Feuchte zugeführt und anschließend wieder abgetrocknet werden muss, wird dies für einfache Kornvergrößerungsaufgaben gegenüber der Nassagglomeration aufgrund der geringeren Betriebskosten bevorzugt. Voraussetzung ist natürlich, dass sich das Material verpressen lässt und ausreichende Festigkeiten erreicht werden. Dies kann relativ einfach und mit geringen Materialmengen anhand von Tablettierversuchen getestet werden.

Bei der Feuchtagglomeration werden ähnlich wie beim Mischen häufig kontinuierliche Mischer mit Einbauten, wie Paddeln, Schaufeln oder Pflugscharen, verwendet. Für kleine, kompakte Agglomerate mit einer engen Korngrößenverteilung kommen auch schnelldrehende Intensivmischer oder Durchlaufmischer mit sehr kurzen Verweilzeiten, wie beispielsweise Ringschichtmischer, zum Einsatz. Zur Agglomeration reicht im einfachsten Falle das Einsprühen von Wasser, um die Partikel an der Oberfläche anzulösen und so Agglomerate zu erzeugen. Gegebenenfalls müssen jedoch Binder in gelöster Form oder als Schmelze zugegeben werden.

Produktentwicklung

Ein Beispiel zur gezielten Prozessoptimierung und Formulierung von Produkten durch Pressagglomeration ist die Herstellung von ADW-Tabs (Automatic Dishwashing Machine). Diese Tabs beinhalten verhältnismäßig große Anteile eines neuen phosphatfreien Komplexierungsmittels der BASF (Trilon M), welches durch seine hygroskopischen Eigenschaften stark zum Verbacken neigt. Mit dem pulverförmig zugegebenen Komplexierungsmittel mussten die Tablettenpressen jeweils nach kurzen Betriebszeiten abgestellt und von anhaftendem Produkt gereinigt werden. Durch eine Vorkompaktierung des Pulvers konnte dieses Problem vollständig eliminiert werden.

Die Feuchteaufnahmegeschwindigkeit der Granulate wird soweit herabgesetzt, dass während des Herstellprozesses keine Verbackungen auftreten. Zusätzlich konnte das für die Tablettierung der ADW-Tabs verwendete Schmiermittel bereits bei der Kompaktierung als Binder zugegeben werden. Positive Nebeneffekte des Vorkompaktierens waren die Verbesserung der Fließeigenschaften, was den Befüllvorgang der Tablettenpresse signifikant erleichtert. Durch diese Maßnahmen konnte der Durchsatz einer Produktionsstraße um rund 25 Prozent gesteigert werden.

Neben den oben genannten Einsatzgebieten und Beispielen der Agglomeration gibt es immer wieder neue Ideen zur Formulierung von Produkten mit neuen Eigenschaften.

Beispiel aus der aktuellen Forschung

Ein Beispiel aus aktueller Forschung ist die Herstellung von Hohlkugeln durch intelligente Prozessführung der Agglomeration. Für Hohlkugeln gibt es eine Reihe interessanter Anwendungsmöglichkeiten mit großem Potenzial, z.B. aufgrund der großen Oberflächen als Katalysatoren oder in der Chromatographie, als Kern-Schale-Produkte bzw. Carrier für Wirksubstanzen mit hoher Dosiergenauigkeit oder wirksamer Verhinderung von Verbackung in der chemischen oder pharmazeutischen Industrie oder auch als Leichtbauwerkstoff. Bei den bisherigen Herstellungsverfahren für Hohlkugeln sind meist mehrere aufwändige und kostenintensive Prozessschritte notwendig. So werden beispielsweise Styroporkugeln mit einer Suspension beschichtet und der Kern durch anschließendes Brennen und Sintern wieder entfernt, [1],[2].

Eine vielversprechende Möglichkeit, um Hohlkugeln einfach und kostengünstig zu produzieren, ist das Vorlegen eines flüssigen Kerns durch das Eintropfen einer Bindemittelflüssigkeit in das bewegte Partikelbett eines Beschichtungstellers. Am Lehrstuhl der Mechanischen Verfahrenstechnik der TU Dortmund sind mit dieser Methode durch manuelle Bindemittelzugabe Hohlkugeln in einem Größenbereich von 2,5 bis 5 Millimeter hergestellt worden, [1]. Bei BASF wurde für eine Laboranlage ein „droplet compositoring device“ (DCD) über einem Labor-Beschichtungsteller mit einem Durchmesser von 50 Zentimeter positioniert.

Verwendung eines Drop-On-Demand-Systems

Mittels des DCD wird der Binder in definierter Menge und Tropfengröße in das bewegte Partikelbett eingetropft. Dabei bilden sich die Agglomerat-Hohlkugeln. Durch Optimierung des Verfahrens und der Rezepturen konnte dieser Größenbereich für industrielle Anwendungen hin zu deutlich kleineren Partikeln mit einem Kornspektrum von 0,5 bis 1 Millimeter erweitert werden. Dies wurde möglich durch Verwendung eines Drop-On-Demand-Systems, der Abstimmung von Tropfen- und Primärpartikelgröße sowie die Optimierung der Einsatzstoffeigenschaften, insbesondere der Bindemittelviskosität, sowie der eingetragenen Scherenergie.

Fazit: Die Beispiele zeigen die Vielfalt der Einsatzmöglichkeiten der Misch- und Agglomerationstechnik zur Optimierung von Herstellverfahren und Produkten im industriellen Umfeld. Daneben bieten die Technologien Potenzial für neue Wege und Produkte mit neuen Eigenschaften.

* Die Autoren arbeiten im Forschungsbereich Process Research and Chemical Engineering bei BASF, Ludwigshafen. Tel.: +49 (0)6 21 / 60 - 4 10 40

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