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Misch- und Homogenisiertechnik für Zahnpastaproduktion

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19.09.2013 Unzufrieden mit dem Ausstoß in der Zahnpastaproduktion - muss nicht sein! Die Anforderungen der kosmetischen Industrie an die Batchgrößen für großvolumige Personal Care Produkte nehmen ständig zu. Jetzt wurde eine Anlage für großvolumige Batch-Verfahren entwickelt.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Die zwei Produktionsanlagen mit jeweils 10.000 l Nutzvolumen können dank dem Einsatz der kombinierten Misch- und Homogenisiertechnik je nach Produktdichte 12.000 bis 16.000 kg Zahnpasta pro Ansatz herstellen.
  • Dabei liegt der Produktausstoß zwischen 6.000/8.000 und 8.000/11.000 kg/h. Dies entspricht einer Steigerung der Produktionsrate auf mehr als das Doppelte.
  • Die diskontinuierliche Produktionsanlage ermöglicht durch das kompakte Design eine optimale Nutzung der Produktionsflächen.

 

Die maximale Produktionsrate der bisher existierenden 4.000- bis 5.000-l-Anlagen kann auf 9.000 bis 12.000kg/h mehr als verdoppelt werden. Die diskontinuierliche Produktionsanlage für Zahncreme, Unimix SRC 10.000, verfügt über ein Batchvolumen von 10.000 l.

Die Bestrebungen global agierender Unternehmen, Produktionskapazitäten auf einige wenige Standorte weltweit zu konzentrieren, hat auch die Personal Care Industrie erreicht. Durch die Konzentration erhöhen sich die zu produzierenden Tonnagen, insbesondere von hochvolumigen Produkten, signifikant. Zudem nimmt die Anzahl der Produktvarianten zu, die an einem Standort produziert werden, sodass von einem Produkt mehrere marktspezifische Varianten hergestellt werden müssen. Moderne Produktionsanlagen müssen also in der Lage sein, große Volumina bei gleichzeitig maximaler Flexibilität herzustellen. Neben den logistischen Vorteilen in der Rohstoffbeschaffung und -bevorratung ist ein weiteres Ziel, die Kosten für die hergestellten Produkte zu senken und sich daraus ergebende Synergieeffekte effizient auszunutzen.

Herausforderung Uniformität bei gleichzeitig hoher Flexibilität
Die maximale Anlagengröße einer Zahnpastaproduktion lag bisher zwischen 4.000 und 5.000 l Nutzvolumen, wobei der Ausstoß zwischen rund 2.000 bis 3.000l/h Zahnpasta liegt. Zahnpasta kontinuierlich herzustellen ist mit dem heutigen Stand der Technik möglich. Allerdings sind kontinuierliche Anlagen hinsichtlich häufiger Produktwechsel und Rezepturänderungen wenig flexibel, da die unterschiedlichen Inhaltsstoffe teilweise eine eigene Dosier- und Mischtechnik benötigen. Dies zieht in der Regel beim Produktwechsel einen Umbau und eine Neujustierung der Produktionsanlage nach sich. Zudem ist ein Nacharbeiten von Zahnpasten bei zum Beispiel unzureichender Homogenität nur schwer möglich. Die größte Herausforderung beim Betrieb kontinuierlicher Anlagen ist eine gleichbleibende Verteilung von Wirkstoffen wie Natriumfluorid und somit die Uniformität, die sich selbst bei nur leichten Schwankungen der Dosiersysteme ändert, zu gewährleisten. Die Produktion von Zahnpasta muss daher einen hohen Produktausstoß und reproduzierbar hohe Produktqualitäten bei gleichzeitig maximaler Flexibilität bezüglich Produktwechsel und Produktvariationen sicherstellen.

Komplexer Produktionsprozess
Im Wesentlichen besteht eine Produktionsanlage zur Herstellung von Zahnpasta aus einem evakuierbaren Kessel mit Rührwerk, einem Homogenisator, der das Produkt zur gewünschten Feinheit homogenisiert, sowie aus verschiedenen Dosiersystemen zum Einbringen von Rohstoffen. Die verwendeten flüssigen Rohstoffe werden entweder in vorgewogener Form in den Kessel über Vakuum eingesaugt oder über gravimetrische Methoden in den Kessel eindosiert. Pulverförmige Stoffe oder Verdicker zur Viskositätssteigerung können zum Beispiel über den integrierten Homogenisator eindosiert oder über ein Bodenventil in den Kessel eingesaugt werden. Dadurch ergeben sich bezüglich des Herstellungsprozesses folgende Anforderungen an die Anlage:

  • genaues Dosieren großvolumiger, flüssiger Inhaltsstoffe,
  • schnelles Einhomogenisieren von Verdickern ohne Bildung von Agglomeraten und Inhomogenitäten,
  • schnelle Einarbeitung und Benetzung von großvolumigen Pulvern,
  • Homogenität über den gesamten Kesselinhalt,
  • Zugabe von Seifen ohne Schaumbildung,
  • schnelles Entgasen der Zahnpasta,
  • homogenes Einmischen von Wirkstoffen,
  • Temperaturkontrolle sowie
  • hohe Produktausbeute.

Optimale Prozessentwicklung dank moderner Analysemethoden
Mit bis dato verwendeten Techniken lässt sich der Ausstoß ohne eine wesentliche Modifikation der Anlagenperipherie nicht mehr signifikant erhöhen. Um der Anforderung des Marktes nach immer größeren und effektiveren Anlagen gerecht zu werden, wurde ein Konzept entwickelt, das den Bau von Anlagen ermöglicht, die diesen hohen Anforderungen gerecht werden. Die Anwendung einer idealen Kombination aus eigens entwickelten Scale-up-Algorithmen mit modernen CFD- und FEM-Analysen sind dabei der Schlüssel zum Erfolg.

Um diese Zielvorgaben zu erreichen, wurden zunächst – basierend auf Erfahrungswerten – Konzepte für den Herstellungsprozess und die zu verwendende Technik erstellt. Im 100-l-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-l-Maßstab gemachten Beobachtungen zu bestätigen und um aussagekräftigere Daten zur Anlagenauslegung zu ermitteln, wurden im Anschluss weiterführende Versuche auf einer 1.000-l-Versuchsanlage durchgeführt. Dieser Sprung vom Labor in den „Quasi-Produktionsmaßstab“ ermöglicht eine Prozessevaluierung und -ermittlung 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: Berechnung erforderlicher Leistungen
Für den Scale up wurden Einzugs- und Einarbeitungszeiten von Komponenten, Mischzeiten, Homogenisierzeiten, Vakuumwerte, sowie die benötigten Leistungen für Rührwerk und Homogenisator ermittelt. 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 1.000-l-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.

Effiziente Homogenisator-Kombination
Anhand der berechneten erforderlichen Leistungen von Rührwerk und Homogenisator kann man die erforderlichen Getriebegrößen, die Deckellasten und Materialdicken sowie die erforderliche elektrische Anschlussleistung der Anlage ermitteln. Der Erfolg des in diesem Fall gewählten Herstellungsprozesses basiert hauptsächlich auf dem effizienten Zusammenwirken der in der Anlage eingesetzten Kernkomponenten: dem Paravisc-Rührwerk und dem S-JET/V-Homogenisator.

Das Paravisc-Rühwerk ermöglicht ein sehr schnelles Benetzen und Einarbeiten von pulverförmigen Komponenten. Dadurch ist es möglich, sehr hohe Pulverdosierraten zu erzielen, ohne den Pulvereinzugsprozess zu unterbrechen. Die Pulver werden dabei direkt aus Lagersilos über entsprechend dimensionierte Rohrleitungen mittels Vakuum in die Prozessanlage eingesaugt. Eine weitere herausragende Eigenschaft des Rührwerks ist die effiziente Produktumwälzung im nieder- und – in diesem Fall – hochviskosen Bereich. Dadurch ist es möglich, innerhalb kurzer Rührzeiten eine sehr hohe Homogenität zu erzielen. Die stark axial wirkende Umwälzung des Rührwerks spielt darüber hinaus eine wichtige Rolle beim Entgasen der Zahnpasta am Ende des Produktionsprozesses. Dadurch ist es möglich, sehr kurze Entgasungszeiten zu erzielen.

Der Homogenisator zeichnet sich durch das Einarbeiten von Verdickern in hohen Dosierraten ohne unerwünschte Agglomeratbildungen aus. Dies gilt sowohl für pulverförmige als auch für in Flüssigkeit vorgemischte Verdicker. Gegenüber anderen Homogenisatoren weist er selbst bei ausgeprägten Viskositäten eine sehr hohe Umwälzrate auf, sodass ein schnelles Homogenisieren des gesamten Kesselinhaltes möglich wird. Der Homogenisator wurde speziell für sehr hochviskose und feststoffhaltige Produkte entwickelt, mit dem Vorteil eines signifikant erhöhten Wirkungsgrades. Selbst bei höherer Umwälzleistung wird dadurch im Vergleich zu bisher üblichen Homogenisatoren weniger Leistung benötigt. Ein weiterer, speziell im Falle der Zahnpasta-Produktion wichtiger Vorteil ist die Möglichkeit, neben der externen Produktumwälzung auch im sogenannten internen Homogenisiermodus zu homogenisieren. Dabei tritt das Produkt nach dem Homogenisieren direkt am Boden des Kessels unter dem Flüssigkeitsspiegel wieder aus. Wird in Kampagnen produziert, d. h. der Kessel wird zwischen verschiedenen Produktionsansätzen nicht gereinigt, wird so vermieden, dass es zu einer unerwünschten Schaumbildung durch seifenhaltige Rückstände aus dem Vorprozess und somit zu Problemen kommt. Darüber hinaus hat sich das interne Homogenisieren bei sehr kleinen Produktionsansätzen bewährt, in denen das Kesselvolumen nur zu 20 % ausgenutzt wird.

Optimierung weiterer Komponenten
Neben dem Rührwerk und dem Homogenisator mussten natürlich auch die anderen Komponenten in entsprechend optimaler Konstellation eingesetzt werden. So werden großvolumige Flüssigkeiten und Feststoffe in die Anlage automatisch eingewogen, sodass eine schnelle und genaue Zugabe möglich wird. Verdicker und Wirkstoffe werden direkt in den Homogenisator eindosiert, sodass im Zusammenspiel mit dem Rührwerk eine sehr schnelle und homogene Verteilung dieser Stoffe stattfinden kann. Um ein schnelles Entgasen des Produktes am Ende des Produktionsprozesses zu ermöglichen, wurde die Vakuumpumpe entsprechend dimensioniert. Dadurch ist es auch möglich, die hohen Pulveranteile in der entsprechenden Geschwindigkeit über Vakuum in den Kessel einzusaugen. Die Reinigung der Anlage erfolgt über ein integriertes CIP-System, das mit Zielstrahl-Sprühkugeln arbeitet, um Produktreste zuverlässig und rückstandsfrei zu entfernen.

 

http://www.ekato.com/

Heftausgabe: September 2013
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Alexander Lukas, Leiter Forschung & Entwicklung Ekato

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Alexander Lukas, Leiter Forschung & Entwicklung Ekato
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