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Dispergierung und Feinstzerkleinerung Meister der Rührwerkskugelmühlen

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Chemie-, Pharma- und Lebensmittelproduzenten, Hochschulen und Universitäten auf der ganzen Welt nutzen sie: mit der Entwicklung der horizontalen Rührwerkskugelmühle hat WAB die Nassmahltechnik revolutioniert. Auf der Achema präsentieren die findigen Schweizer die neueste Generation ihrer Dyno-Mill UBM (Universal Bead Mill).

Das Anwendungsspektrum der Dyno-Mill-Rührwerkskugelmühlen der WAB-Group ist breit gefächert. Ihre besondere Nassmahltechnik sorgt für brillante Farben für alle Arten von Lacken, optimal gemahlene Aromen für Lebensmittel, gezielte Bioverfügbarkeit medizinischer Wirkstoffe, Gewinnung von Impfstoffen und vieles mehr.
Das Anwendungsspektrum der Dyno-Mill-Rührwerkskugelmühlen der WAB-Group ist breit gefächert. Ihre besondere Nassmahltechnik sorgt für brillante Farben für alle Arten von Lacken, optimal gemahlene Aromen für Lebensmittel, gezielte Bioverfügbarkeit medizinischer Wirkstoffe, Gewinnung von Impfstoffen und vieles mehr.
(Bild: ©Natis – stock.adobe.com; WAB)

Was haben eine Hühner-Rupfmaschine, eine Tabak-Setzling-Setzmaschine, eine Astlochbohrmaschine und eine Rührwerkskugelmühle gemeinsam? All diese Produkte finden sich auf einer langen Liste aus den frühen 1980er Jahren eines Schweizer Unternehmens, dessen Gründer rastlos im Denken und Handeln war. Seine persönliche Sekretärin meinte über ihren Chef: „Das ist eine Kunst zu finden! Er fand Lücken für Neuartiges. Er fand die geeigneten Menschen, die etwas umsetzen konnten. Er fand neue Patente, neue Lokalitäten. Er fand seine Frau, er fand Vertreter für seine Maschinen und er fand Lösungen für Probleme.“ Die Rede ist von Willy A. Bachofen (1912-2000), Gründer der Basler Maschinenfabrik Willy A. Bachofen AG.

 

Auch wenn allein die Hühner-Rupfmaschine (die unter Fachleuten Weltberühmtheit erlangte) eines eigenen Beitrags wert wäre, gilt die Aufmerksamkeit im Folgenden der Nassmahltechnik.

Denn Ende der 1960er Jahre gelang es Willy A. Bachofen in der Dispergier- und Mahltechnik ein neues Prinzip auf den Weltmarkt zu bringen. Mit der Entwicklung der ersten, komplett geschlossenen horizontalen Rührwerkskugelmühle DYNO-MILL wurde die Leistungsfähigkeit der Nassmahltechnik entscheidend verbessert. Erstmals wurde es möglich, in einem geschlossenen System, ohne Zutritt von Luft, zu dispergieren und mahlen. 1967 sicherte sich Bachofen die Fabrikationsrechte – der Beginn einer neuen Ära in der Firmengeschichte und der Auslöser eines kontinuierlichen Aufschwungs. In den folgenden Jahrzehnten wurden die Mühlen kontinuierlich weiterentwickelt, so dass die heutige WAB-Group ein breites Spektrum an nassmahltechnischen Lösungen für Anwendungen in der Forschung, Entwicklung, Pilotierung und Produktion anbieten kann.

Vormachtstellung der Nassmahltechnik

Auf dem Gebiet des Feinst- und Kolloid-Nassmahlens von z. B. Lacken, Farben, Pflanzenschutzmitteln, mikrobiologischem Zellmaterial und Pharmazeutika haben sich die Rührwerkskugelmühlen längst eine Vormachtstellung erobert. Im Mittelpunkt der Nassmahltechnik steht die kontrollierte Desagglomeration, Dispergierung und Echtzerkleinerung fester Partikel in einem flüssigen Medium. Dabei können Partikelfeinheiten unter 100 Nanometer erzielt werden, was mit anderen Zerkleinerungstechniken oft nur mit Einschränkungen möglich ist.

Und so funktioniert’s: In einem horizontalen (oder vertikalen) zylindrischen Mahlbehälter mit axialer schnelllaufender Rührwelle, die mehrere Rührscheiben trägt, befindet sich die Mahlgutsuspension zusammen mit den Mahlkörpern. Die Suspension durchströmt den Mahlbehälter kontinuierlich und wird in einer Zirkulationsströmung zwischen den vom Rührer aufgewirbelten Mahlkörpern durch druck- und Scherbeanspruchung vermahlen. Am Auslauf der Maschine verhindern Siebe oder Reibspalte das Austreten der Mahlkörper mit der fertigen Mahlgutsuspension. Die Mahlfeinheit hängt ab von

  • der Art sowie dem Füllgrad der Mahlkörper,
  • dem Durchmesserverhältnis Mahlkörper zu Teilchengröße des Aufgabeguts,
  • der Mahlgutart,
  • der Art der Rührelemente,
  • der mittleren Verweilzeit der Suspension im Mahlraum.

Dispergiermittel verhindern das Agglomerieren der Feinstteilchen und stabilisieren die Mahlgutsuspension.

Die Universal-Mühle Dyno-Mill UBM

Die neue Generation der WAB-Rührwerkskugelmühlen, Highlight auf der diesjährigen Achema, deckt den gesamten Bereich von der Dispergierung bis zur Feinstvermahlung von kleinen Produktmengen bis hin zur Produktion großer Volumina ab. Selbst hochviskose Produkte lassen sich mit hohen Durchsatzleistungen verarbeiten. Eine der Stärken der Dyno-Mill UBM ist die extrem gleichmäßige Verteilung der Mahlkörper im aktiven Mahlraum. Dadurch lassen sich stabile und effiziente Prozessparameter sowohl für den Passagen- als auch für den Zirkulationsbetrieb einfach bestimmen.

Speziell für die Dyno-Mill-Baureihe haben die WAB-Tüftler eine neue Generation Rührscheiben, die Dyno-Disc BC (Bead Channel) entwickelt. Sie verfügen über besondere Mahlkörperkanäle in Kombination mit einer geschlossenen Außenkontur. Die Kanäle sorgen für eine effiziente Beschleunigung der Mahlkörper entlang einer exakt definierten Bahn. Im Betrieb erzeugt jeder der Kanäle gegenläufig arbeitende Mahlkreisläufe zwischen den Rührscheiben. Die Außenkontur der neuen Rührscheiben ist innerhalb des Bewegtbetts der Mahlkörper vollständig geschlossen. Diese verbleiben somit zwischen den Rührscheiben und werden gleichmäßig in der aktiven Mahlkammer verteilt. Auf diese Weise wird das Mahlkörperbett effizient ausgenutzt. Die Dyno-Disc BC Rührscheiben sind für eine hohe Verschleißfestigkeit und eine konstant hohe Leistung bei gleichzeitiger Reduzierung der Wartungskosten ausgelegt.

Variable Betriebsarten

Der Mahl- bzw. Dispergierprozess mit der Dyno-Mill lässt sich in verschiedenen Betriebsweisen fahren und somit optimal an die Anwendung und die geforderte Produktqualität anpassen:

  • Im Einzel-Passagenverfahren durchläuft die Mahlsuspension aus dem Vorratsbehälter die Mühle in einem einmaligen geschlossenen Durchlauf.
  • Im einfachen Zirkulationsverfahren durchläuft die Mahlsuspension die Mühle mehrfach, bis die geforderte Produktqualität erreicht ist.
  • Im Zirkulationsverfahren mit Anfahrpassage wird die Mahlsuspension zunächst aus einem Vormischbehälter in die Mühle gepumpt und dann erst das einfache Zirkulationsverfahren gestartet. Der geleerte Vormischbehälter kann bereits für die nächste Charge gerüstet werden.
  • Im Zirkulationsverfahren mit Endpassage wird die Mahlsuspension nach Erreichen der geforderten Produktqualität in einem separaten Ablassbehälter gesammelt.
  • Im Pendelbetrieb („Multipass Process“) „pendelt“ der Zirkulationsprozess zwischen zwei verschiedenen Vorratsbehältern beliebig, bis die Produktqualität erreicht ist.
  • Auch lassen sich zwei Mühlen direkt – ohne zwischengeschalteten Behälter – in Serie schalten, um besonders hohe Partikelfeinheiten zu erreichen. Die zweite Rührwerkskugelmühle kann dabei mit kleineren Mahlkörpern bestückt werden.
Bildergalerie

Breites Anwendungsspektrum

Die neue Generation der Dyno-Mill UBM bietet für jede Zerkleinerungsaufgabe das optimale Nassmahlaggregat – mit Mahlraumvolumina von 0,5 bis 100 Liter und der Erzeugung von Partikelfeinheiten <50 Nanometer. Eine Vielzahl von Mahlkörperwerkstoffen (Durchmesser 0,2 bis 2,5 mm), z. B. Keramik oder Glas, steht zur Verfügung. Alle Maschinen sind ergonomisch konstruiert und verfügen u. a. über fest verbaute Edelstahlwannen.

Das Anwendungsspektrum der Rührwerkskugelmühlen ist breit gefächert: Die besondere Nassmahltechnik sorgt für brillante Farben für alle Arten von Lacken, optimal gemahlene Aromen für Lebensmittel, gezielte Bioverfügbarkeit medizinischer Wirkstoffe, Gewinnung von biologischen Rohstoffen und vieles mehr. Exemplarisch seien im Folgenden drei Anwendungen herausgegriffen.

Pharmazeutische Wirkstoffe

Zahlreiche moderne pharmazeutische Wirkstoffe haben schlechte Löslichkeitseigenschaften. Die Bioverfügbarkeit kann deshalb zur Herausforderung bei der Produktentwicklung werden. Hier hilft die Dyno-Mill Pharma Nassmahltechnologie: Durch die Verkleinerung der Partikelgrößen beim Nassmahlen steigen die verfügbaren Wirkstoffoberflächen überproportional stark an und verbessern die Bioverfügbarkeit des Wirkstoffes. Hierfür stehen Maschinen zur Verfügung, die speziell für die sterile Produktion entwickelt wurden. Ihre wichtigsten Eigenschaften sind:

  • Cleaning-In-Place (CIP) und Sterilization-In-Place (SIP),
  • halb- oder vollautomatische Steuerung des CIP/SIP-Prozesses,
  • optional verfügbares WAB Scada-System (gemäss 21 CFR Part 11) zur Steuerung, Datenerfassung und Datenverarbeitung,
  • Maschinenfertigung nach current Good Manufacturing Practice (cGMP) und EHEDG-Richtlinie,
  • FDA-konforme Materialzertifikate.

Für alle Dyno-Mill Pharma-Anlagen sind die zur Validierung erforderlichen Qualifizierungsdokumente FDS, DQ, FAT, SAT, IQ, OQ sowie die Zertifikate von prozessrelevanten Maschinenbauteilen (Kalibrierungs- und Materialzertifikate) erhältlich.

Pflanzenschutzmittel in Suspension

Pflanzenschutzmittel sind chemische oder biologische Wirkstoffe, die Pflanzen vor Schadorganismen schützen oder deren Einwirkung vorbeugen. Ob Herbizide, Insektizide oder Fungizide: Die moderne Nasszerkleinerung ermöglicht eine einfache und staubfreie Handhabung aller Wirkstoffarten. Produkte mit kleinsten Feststoffanteilen in Suspension haben folgende Vorteile:

  • kein Verstopfen der Sprühapparate,
  • gleichmäßige Verteilung des Wirkstoffs,
  • höhere Wirksamkeit und Ergiebigkeit durch die größere Oberflächenabdeckung,
  • keine Sedimentierung bei Transport oder Lagerung,
  • einfache Verdünnung ohne Re-Agglomeration.

Die Dyno-Mill Rührwerkskugelmühlen zerkleinern Pflanzenschutzmittel problemlos in großen Mengen auf die gewünschte Partikelgröße und zeichnen sich durch kompakte Bauweise und kürzere Reinigungszeiten aus. Die Gefahr von Querkontamination ist reduziert.

Nagellacke

Nagellacke gibt es in allen Farbvarianten und -effekten. Die Hersteller entwickeln ständig neue Farben, passend zu den aktuellen Modetrends. Neben den Farben ist auch die Handhabung wichtig: Beim Auftragen soll sich der Lack gleichmäßig verteilen und anschließend nicht tropfen. Das erleichtert das saubere Antrocknen.

Moderne Lacke setzten sich i. d. R. aus zwei Komponenten zusammen: der thixotropen Basis (Gel) und der pigmentierten Farbpaste. Bei der Vermahlung der thixotropen Basis stehen die Fließeigenschaften und der Glanz im Vordergrund. Bei der separat gemahlenen Farbpaste kommt es auf die koloristischen Eigenschaften (Farbstärke, Farbort) und den Glanz an. In Kombination aller Eigenschaften ergänzen sich beide zum gebrauchsfertigen Nagellack. WAB bietet das gesamte Spektrum an Rührwerkskugelmühlen für die Produktion hochwertiger Gels und Farbpasten an.

Grüne Chemie: Die Rührwerkskugelmühle als Reaktor

Der Impa°Ct Reactor ist ein komplettes Prozesssystem, bestehend aus einer induktiv beheizten Rührwerkskugelmühle, zwei Produktpumpen, einem mobilen Bedienfeld und einem Schaltschrank.
Der Impa°Ct Reactor ist ein komplettes Prozesssystem, bestehend aus einer induktiv beheizten Rührwerkskugelmühle, zwei Produktpumpen, einem mobilen Bedienfeld und einem Schaltschrank.
(Bild: WAB)

Die durch mechanische Kraft ausgelöste chemische Umwandlung, die sog. Mechanochemie, bietet viele Möglichkeiten für die Entwicklung sowie Herstellung neuer Moleküle und Materialien und bietet gegenüber herkömmlichen Produktionsverfahren einige Vorteile. WAB ist zudem überzeugt, dass die Mechanochemie eine wichtige Technologie für eine grünere Zukunft der Chemieindustrie darstellt und investiert seit mehreren Jahren in deren Einführung. Denn, in der Forschung längst bewährt, ist die Umsetzung in die industrielle Anwendung bisher nicht gelungen, da keine geeigneten und skalierbaren Geräte zur Verfügung standen. Der innovative WAB Impa°Ct Reactor schließt nun diese Lücke: Die mechanische Energie wird mittels Mahlkugeln eingebracht. Eine um die Rührorgane angeordnet Induktionsheizung erhitzt die Reaktanten direkt und effizient auf bis zu +160 °C. Konventionelle Batch-Prozesse können mit dem Impa°ct Reaktor durch einen kontinuierlichen Prozess ersetzt werden. Die Entwickler versprechen schnellere, selektivere und neuartige Reaktionen, eine deutliche Ersparnis von Lösungsmitteln und ein industrielles Scale-up.

Anwendungsbeispiel für den Impa°Ct Reactor: Umsetzung von Glycerin und Aceton zu Isopropylidenglycerin (auch Solketal), einem Synthesebaustein in der chemischen und pharmazeutischen Industrie.
Anwendungsbeispiel für den Impa°Ct Reactor: Umsetzung von Glycerin und Aceton zu Isopropylidenglycerin (auch Solketal), einem Synthesebaustein in der chemischen und pharmazeutischen Industrie.
(Bild: WAB)

Je nach Aufgabenstellung und eingesetzter Dyno-Mill lassen sich verschiedene Reaktionszeiten mit einer oder mehreren Vormischungen realisieren. Das spart wertvolle Rohstoffe und Zeit, da sich der Reinigungsaufwand zwischen den einzelnen Versuchen deutlich reduziert. Wichtige Prozessparameter wie Produkttemperatur, Druck und Durchfluss werden kontrolliert und protokolliert. Das System ermöglicht sowohl das Arbeiten im Durchlauf- als auch im Zirkulationsverfahren und kann für flüssige und zähflüssige, pumpfähige Produkte und heterogene Katalysatoren eingesetzt werden. Die Verarbeitung beginnt mit einem Liter Suspension und kann auf die größeren Modelle der Dyno-Mill-Serie aufgestockt werden, wobei die drei Impact-Technologien in einem Reaktor kombiniert werden: der Dyno-Accelerator, die patentierten Dyno-Disc BC-Rührerscheiben sowie die Dyno-Disc KD-Rührerscheiben. Zusammen mit den Mahlkugeln garantiert die Technologie einen hohen und gleichmäßigen mechanischen Energieeintrag bei gleichzeitig guter Durchmischung und somit Oberflächenerneuerung der Reaktanten.

Erfahren Sie mehr über den WAB IMPA°CT Reactor

Auf Wunsch führen die Prozessexperten von WAB in einem der lokalen Process Technology Centre (PTC) einen Factory Acceptance Test (FAT) oder Site Acceptance Test (SAT) durch und suchen nach Lösungen für die Kunden aus vielen Branchen weltweit. Der zuverlässige und technisch kompetente Kundendienst sowie das breite Netzwerk der WAB-Group funktioniert dabei wie ein Schweizer Uhrwerk.

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