Dispergieren Mit dem richtigen Dispergierverfahren Rohstoffe, Zeit und Energie sparen

Autor / Redakteur: Dominik Seeger / M.A. Manja Wühr

Egal ob in der Chemie-, Pharma- oder Lebensmittelindustrie, die Kosten für Rohstoffe steigen weltweit. Die verarbeitenden Unternehmen suchen nach Wegen um weiterhin wettbewerbsfähig zu sein und sich von Marktbegleitern abzusetzen. Hier kann das richtige Dispergierverfahren den Ausschlag geben.

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Funktionsschema Conti-TDS Pulverbenetzung (Bild: Ystral)
Funktionsschema Conti-TDS Pulverbenetzung (Bild: Ystral)

Unterschiedliche Produkte, wie Lacke und Farben oder Medikamente und Cremes, werden auf der Grundlage einer oder mehrerer Dispersionen hergestellt. Eine sehr häufig vorkommende Dispersionsart ist die Suspension. Zur Herstellung einer Suspension werden vorliegende Agglomerate und Aggregate zerkleinert, in einem flüssigen Medium verteilt, benetzt und stabilisiert. Das Dispergieren/Verteilen ist ausschlaggebend für die Qualität der Suspension. Werden z.B. pulverförmige Rohstoffe (disperse Phase) in eine flüssige Vorlage (kontinuierliche Phase) dispergiert, ist die vollständige Benetzung der Festkörper eine der wichtigsten Grundlagen für die Qualität der Suspension. Eine vollständige bzw. kolloidale Benetzung der Rohstoffe bietet oft die Möglichkeit, Rohstoffmengen zu reduzieren.

Chargen-Dispergierer

Es gibt verschiedene Dispergierverfahren: Mischer und Rührer bestehen aus einem Antrieb, einer Welle mit entsprechenden Dichtungen und dem Rühr- bzw. Mischorgan an sich. Das Rühr- bzw. Mischorgan kann ein Propeller sein oder auch aus einem Stator und einem darin laufenden Rotor (Propeller) bestehen (Leitstrahlmischer). Mit diesen Systemen werden die vorhandenen Teilchen in der Flüssigkeit verteilt. Eine Zerkleinerung von Agglomeraten und Aggregaten findet nur im Ansatz statt, da kaum Scherkräfte vorhanden sind. Sie eignen sich u.a. zur Dispergierung von leicht zu benetzenden, nicht klebenden und nicht zur Agglomeration neigenden Feststoffen und Pulvern oder zum Homogenhalten einer Suspension.

Der Aufbau eines Dissolvers ähnelt dem von Mischern und Rühren, nutzt aber eine zahnbesetzte Rührscheibe zur Dispergierung. Die Scheibe erzeugt stärkere Pralleffekte. Ziel ist es, Agglomerate und Aggregate zu zerteilen, um eine feinere Suspension zu erhalten. Die Scherwirkung ist jedoch begrenzt und der Schergradient ist stark von der Viskosität der Flüssigkeit abhängig. Gerät die Flüssigkeit in Rotation, reduzieren sich die Pralleffekte und somit die Scherwirkung erheblich.

Die Funktion von Rotor-Stator-Systemen basiert konstruktiv auf geringen Spaltmaßen zwischen Rotor und Stator sowie geringen Spaltmaßen zwischen Rotor und Stator. Oft sind das rotierende und das statische Bauteil mit Zahnkranzgeometrien ausgestattet. Der Schergradient ist aufgrund der fest vorgegebenen Geometrien konstant und weitestgehend unabhängig von der Viskosität.

In der Praxis gestaltet sich die Herstellung einer Suspension oft schwierig. Alle genannten Maschinen werden direkt in einen Behälter eingebaut bzw. mit Hubeinrichtungen in einen Behälter abgesenkt. Im Regelfall liegt eine Flüssigkeit im Behälter vor. Um die Feststoffe einzubringen werden diese meist auf die Flüssigkeitsoberfläche aufgeschüttet.

Pulver haben eine sehr große spezifische Oberfläche, im Extremfall wie bei feinen Pigmenten, Nanopulvern oder Kieselsäuren kann diese über 300 000 m2/kg Pulver betragen. Wenn man sich verdeutlicht, dass oft mehrere Kilogramm Pulver auf eine Flüssigkeitsoberfläche von wenigen Quadratmetern geschüttet werden, wird klar, dass bei diesem Missverhältnis von Flüssigkeits- zur Pulveroberfläche nicht die einzelnen Partikel, sondern nur zusammenhängende Agglomerate grob benetzt werden können. Liegt das Pulver auf der Flüssigkeitsoberfläche, schwimmt es oben auf und muss durch zeitintensive Mischvorgänge benetzt werden. Beim Dissolver geschieht dies z.B. über eine sich bildende Trombe, welche neben dem Pulver auch Luft mit in das Produkt einbringt.

Oftmals müssen mehrere unterschiedliche Rohstoffe eindispergiert werden, was wiederum einen hohen Aufwand für die Handhabung der verschiedenen Gebinde bedeutet. Säcke, Fässer und Container müssen gehoben und entleert werden. Weiterhin neigen viele Pulver zum Verkleben oder Stauben. Sie verkrusten am Behälterrand, an anderen Einbauteilen, z.B. der Antriebswelle, und bilden Klumpen sowie Agglomerate. Diese Agglomerate lassen sich auch in einem späteren Prozess nur noch mit sehr hohem energetischen und zeitlichen Aufwand zerstören. Die Produktqualität leidet unter einer nur grob definierten Dispergierung mit der Konsequenz von zum Teil unterschiedlichen Qualitäten von Charge zu Charge.

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Darüber hinaus wird oft aufgrund ineffizienter Rohstoffausnutzung zur Erzeugung eines gewünschten Effekts mehr Rohstoff eingesetzt als notwendig wäre. Ein Teil der Rohstoffe „verschwindet“ als Staub in Betriebsausstattungen, Ansaugvorrichtungen und Filtern. Dies führt in Summe zu höheren Herstellungs- und Allgemeinkosten.

Pulverbenetzungsmaschinen

Entgegen der oben beschriebenen Einbauvarianten wird eine Conti-TDS Pulverbenetzungsmaschine neben dem Behälter und nicht im Behälter installiert und mit diesem über Rohr- oder Schlauchleitungen verbunden. Die vorgelegte Flüssigkeit wird im Kreislauf gepumpt, wodurch in der Dispergierkammer der Maschine ein Vakuum entsteht. Mit diesem Vakuum können Pulver staub- und verlustfrei direkt ab Sack, Container, Big-Bag, Silo oder Silo-LKW eingesaugt werden. Die ohne Fremdluft im Dichtstrom transportierten Pulver werden unter Vakuum in die Flüssigkeit eindispergiert. Dabei entweicht die Luft aus dem Pulverstrom. Gleichzeitig wird die Flüssigkeitsoberfläche in der Dispergierzone sehr stark vergrößert. Jetzt erst kommt das Pulver mit der Flüssigkeit in Kontakt und wird effizient benetzt. Der Schergradient ist in diesem Bereich um bis zu 1000-fach höher gegenüber einem Dissolver. Durch Druckwellen während des Pumpvorgangs wird die kolloidale Benetzung vervollständigt. Die an der Partikeloberfläche anhaftenden Micro-Luftblasen werden dabei abgetrennt und koaguliert, sodass sie sich auch bei schwer zu entlüftenden Produkten als großporiger Schaum an der Oberfläche sammeln.

Die Suspension entsteht in der Dispergierkammer und kommt „fertig“ im Behälter an. Je nach Pulvermenge und gewünschtem Sättigungsgrad wird das Einsaugen des Pulvers durch das Schließen des Pulverventils unterbrochen. Ein weiteres Dispergieren bzw. Homogenisieren im Umlauf, z.B. zur Erreichung einer bestimmten Partikelgröße oder Homogenität ist möglich. Dieser Vorgang bewirkt gleichzeitig eine Entlüftung des Produkts. Unabhängig von der Viskosität sowie der Behälter und Chargengröße können somit stabile Suspensionen mit hohen Feststoffkonzentrationen in kürzester Zeit erzeugt werden. Durch die Kombination von fünf Verfahrensschritten (Gebindeentleerung, Pulvertransport, Pulvereintrag, Pulverbenetzung und Dispergierung) in einer Maschine steckt in der Conti-TDS-Technologie das größte Rationalisierungspotenzial. Zeit, Rohstoff und Energie werden gespart.

* Der Autor arbeitet in der strategischen Vertriebsentwicklung bei der Ystral GmbH, Ballrechten-Dottingen.

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