Entleeren von Kunststoffbehältern mit hochviskosem Material

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14.09.2017 Die Pharmaindustrie, die Kosmetik- und die Nahrungsmittelindustrie produzieren zahlreiche und pastöse beziehungsweise höherviskose Produkte und füllen sie ab.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Pastöse beziehungsweise höherviskose Produkte stellen die Pharmaindustrie, die Kosmetik- und die Nahrungsmittelindustrie bei der Reinigung vor Herausforderungen.
  • Bisher kommen aus hygienischen Gründen für den Transport und die temporäre Zwischenlagerung dieser ­Materialien vor allem standardisierte Edelstahl- oder Kunststoff-Fässer als Mehrwegbehälter zum Einsatz.
  • Die angestrebte Lösung sieht vor, die Edelstahlbehälter durch kostengünstige und flexible Einwegbeutel zu ­ersetzen und eine entsprechende Entleervorichtung zu konstruieren.

 

Aufmacher iab

Druck- Geschwindigkeits- und Viskositätsverteilung im Befüllmaterial zum Zeitpunkt t1=0,001 ms, also ­unmittelbar nach Öffnen des Auslasses (Bilder: IAB)

Dabei stellen gesetzliche Vorgaben hohe hygienische Anforderungen an die Verarbeitungs- und Abfüllanlagen solcher Produkte.Wichtige Kriterien im Verarbeitungsprozess sind Sterilität und Sauberkeit des Produktes – möglichst ohne Lufteinschlüsse. Die Anlagen bestehen deshalb überwiegend aus Edelstahl und Kunststoffen.Die produktführenden Teile einer Abfüllanlage müssen zudem einfach und schnell zu reinigen sein. Am besten lässt sich diesen Anforderungen entsprechen, wenn die Füllprodukte direkt nach dem Produktionsprozess und ohne Zwischenbehälter weiterverarbeitet, also in das Verkaufsgebinde gefüllt werden können. Dies ist jedoch häufig nicht möglich, da:

  • die Herstellung in der Regel in anderen Räumlichkeiten als die Abfüllung stattfindet
  • die Abfüllung bei vielen Produzenten nicht im eigenem Haus erfolgt
  • Herstellung und Abfüllung zumeist zeitlich getrennt ablaufen, sodass Unternehmen ihre Produkte zwischenlagern müssen

 

Beutel statt Fässer

Bild 1 iab

Lösungsentwurf 1: Auspresslösung mit zylindrischem Folienbeutel in zylindrischem Druckzylinder

Für den Transport und die temporäre Zwischenlagerung von pastösem und höherviskosem Material in größeren Mengeneinheiten kommen aus hygienischen Gründen vor allem standardisierte Edelstahl- oder Kunststoff-Fässer als Mehrwegbehälter zum Einsatz. Die Anforderungen an die Sauberkeit und Keimfreiheit erfordern eine Reinigung der Fässer nach deren Entleerung. Dafür presst ein Stempel den Inhalt aus dem Fass.

Mehrwegbehälter haben jedoch mehreren Nachteile: Kosten, Gewicht sowie die produktabhängig teilweise aufwendige Reinigung nach jedem Umlauf. So sind beispielsweise Mascara-Produkte stark adhäsiv, was das Reinigen der Fässer erschwert. Unternehmen der Pharmaindustrie müssen ihre Reinigungsprozesse zudem validieren.

Aus den beschriebenen Nachteilen entstand am Institut für Arbeitsmarkt- und Berufsforschung Weimar (IAB) die Idee, eine flexible und kostengünstige Alternative für die anforderungsgerechte Zwischenlagerung derartiger pastöser bzw. höherviskoser Stoffe zu finden [1]. Dabei gab es Überlegungen, preiswerte und flexible Behälter mit gleichem Fassungsvermögen zu verwenden. Solch eine Lösung ist bei niedrigviskosen Stoffen bereits Stand der Technik. Dafür existieren flexible Transportbehälter, die durch äußere Drücke und Kräfte relativ leicht zu entleeren sind. Die angestrebte Lösung sieht vor, die teuren und schweren Edelstahlbehälter durch kostengünstige und flexible Einwegbeutel zu ersetzen. Damit lassen sich insbesondere Kleinmengen besser und preiswerter umsetzen. Der Vorteil eines derartigen Systems der Zwischenlagerung besteht unter anderem darin, dass:

  • der hohe Reinigungsaufwand der Zwischenbehälter entfällt
  • Handling und Lagerung leichter sind
  • auf Kleinmengen flexibel reagiert werden kann
  • sterile Teilentleerungen möglich sind
  • variable bis beliebige Packungsgrößen möglich sind
  • sich die Behälter an Produktionsprozesse anpassen lassen

Bild 2 iab

Lösungsvariante 1: Ansicht des Funktionsmusters des Auspresszylinders für den zylindrischen Folienbeutel

Vorversuche zur Verfahrensentwicklung

Die Verfahrensentwicklung erfolgte im Rahmen eines geförderten Forschungsprojektes in Kooperation zwischen dem IAB und der Firma Gustav Obermeyer aus Plauen. Vorversuche erprobten die Verfahrensfunktion und Wirksamkeit des Lösungsansatzes mit einer labortechnischen Versuchseinrichtung. Neben dem verfahrenstechnischen Konzept entwickelten die Beteiligten eine Beutelgeometrie und wählten ein Versuchsmedium mit höherviskosen Eigenschaften bei Raumtemperatur aus. Das verfahrenstechnische Konzept lautet:

  • flexible und mechanisch beständige Kunststoff-Beutel als Gebinde für die temporäre Aufnahme des Produkts, die alle Anforderungen an die Lagerung und den Transport der pastösen Produkte erfüllen
  • Einsatz und Fixierung des gefüllten Kunststoff-Beutels in einer mechanisch stabilen Aufnahme
  • Schnittstelle zur Befüllmaschine über einen Füllstutzen bei möglichst kurzen Wegen für das Produkt, um den Materialverlust bei einem Produktwechsel zu minimieren
  • Kraft- beziehungsweise Druckeinwirkung auf die Seitenflächen des Kunststoffbeutels, um einen stabilen Materialstrom in Richtung der Verpackungseinheiten zu erreichen.

In Zusammenarbeit mit einem Herstellerbetrieb haben sich Vaseline beziehungsweise Lanolin als günstige Versuchsmaterialien herausgestellt. Am Vorversuchs-Stand stellten die Forscher maschinen- und prozesstechnischer Parameter ein, wie Drehzahl oder Hubgeschwindigkeit. Nach Einsatz und Fixierung der Folienbeutel, drückten die Walzen durch synchrones gegenläufiges Drehen auf den Beutel. Aus diesen Versuchen ergaben sich folgende Erkenntnisse:

  • Das für ein hinreichendes Fließen des umzufüllenden Materials erforderliche Druckfeld im Innern des Folienbeutels erzeugt Materialspannungen, die über dem Grenzwert des Folienmaterials liegen.
  • Die aus dem vorliegenden Material bestehenden Folienbeutel eignen sich in der vorliegenden Ausführung (Werkstoff, Foliendicke) nicht für die beabsichtigte Verwendung mit großflächigen Bereichen, in denen die Folie nicht extern stabilisiert werden kann.
  • Die höchsten Belastungen des Folienbeutels entstehen durch den für das Fließen erforderlichen Druckgradienten zu Pressbeginn bei maximal gefülltem Folienbeutel.
Heftausgabe: September 2017
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