Zahnpasta-Produktion: So steigern Sie Ihre Produktionsraten dank intelligenter Misch- und Homogenisiertechnik

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MASCHINENFABRIK GUSTAV EIRICH GMBH & Co KG

IKA-Werke GmbH & Co. KG

AxFlow GmbH

EKATO SYSTEMS GmbH

Optimale Prozessentwicklung

Mit bis dato verwendeten Techniken lässt sich der Ausstoß ohne wesentliche Modifikation der Anlagenperipherie nicht mehr signifikant erhöhen. Um der Anforderung des Marktes nach immer größeren und effektiveren Anlagen gerecht zu werden, hat Ekato Systems ein Konzept entwickelt, das den Bau von Anlagen ermöglicht, die diesen hohen Anforderungen gerecht werden. Dabei hat das gebündelte Know-how der Ekato Group in der Verfahrenstechnik des Rührens und Mischens den Grundstein für ein erfolgreiches Umsetzen des Konzeptes gelegt. Die Kombination aus eigens entwickelten Scale-up-Algorithmen mit modernen CFD- und FEM-Analysen sind dabei der Schlüssel zum Erfolg.

Um die Zielvorgabe der Zahnpastahersteller zu erreichen, wurden zunächst, basierend auf Erfahrungswerten, Konzepte für den Herstellungsprozess und die zu verwendende Technik erstellt. Im 100 Liter-Maßstab wurden Versuche durchgeführt, um die für die spätere Auslegung notwendigen Basisparameter zu ermitteln. In diesen ersten Versuchen haben sich bereits anspruchsvolle Herausforderungen für die spätere Anlagenauslegung herauskristallisiert.

Um die im 100 Liter-Maßstab gemachten Beobachtungen zu bestätigen und um aussagekräftigere Daten zur Anlagenauslegung zu ermitteln, wurden im Anschluss weiterführende Versuche auf einer 1000 Liter-Versuchsanlage durchgeführt. Dieser Sprung vom Labor in den „quasi-Produktionsmaßstab“ ermöglicht eine Prozessevaluierung unter Produktionsbedingungen. Maßstabseffekte, die im Labormaßstab zu beobachten sind, spielen somit nur noch eine untergeordnete Rolle. Mittels der in diesen Versuchen aufgezeichneten Parameter konnte die Basis für einen erfolgreichen Scale-up gelegt werden.

Komplexer Scale-up

Für den Scale up wurden Einzugs- und Einarbeitungszeiten von Komponenten, Mischzeiten, Homogenisierzeiten, Vakuumwerte, sowie die benötigten Leistungen für Rührwerk und Homogenisator ermittelt. Die Auslegung der Antriebsleistungen für Rührwerk und Homogenisator erfolgten mit der Leistungsgleichung der Rührtechnik:

(turbulente Strömung)

(laminare Strömung)

Neben der Produktdichte ρ und dem für das Rührorgan charakteristischen Leistungsbeiwert „Ne“ sieht man, dass die Drehzahl mit dem Exponent 3, bzw. 2 und der Durchmesser mit dem Exponent 5 bzw. 3 in die Leistungsgleichung eingeht.

Dies allein zeigt, dass die Dimensionierung der Rührwerks- und Homogenisatorantriebe eine echte Herausforderung darstellt. Der rührorganspezifische Leistungsbeiwert „Ne“, oder auch Newtonzahl, birgt dabei das gebündelte Know-how von Ekato, ohne das eine zuverlässige Auslegung nicht möglich wäre.

Eine wichtige Kenngröße zur Ermittlung des Leistungsbeiwertes „Ne“ ist die während des Prozesses vorliegende effektive Viskosität am Rührwerk. Ohne deren Kenntnis kann der Leistungsbeiwert nicht in der erforderlichen Genauigkeit berechnet werden. Im Falle von Zahnpasta liegt ein nicht-newtonsches Fließverhalten vor, sodass sich die effektiv anliegenden Viskositäten am Rührorgan – bedingt durch die unterschiedlichen Drehzahlen und somit unterschiedlichen Scherraten – bei verschiedenen Anlagengrößen verändern. Daher wurde für die Auslegung zum einen über die im 1000 Liter-Versuch benötigte Misch- und Homogenisierleistung, zum anderen durch die Aufnahme der Fließkurve des Produktes die effektive Viskosität errechnet.

Die Berechnung der Viskosität anhand der erforderlichen Leistung im Prozess stellt sicher, dass während des Prozesses aufgetretene Viskositätsspitzen bei der Leistungsberechnung im Scale-up richtig berücksichtigt werden, da die Produktviskositäten am Ende des Prozesses oftmals niedriger sind.

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