Neu aufgemischt

P+F-Trendbericht Mischer

Pharma
Food
Kosmetik
Chemie
Planer
Betreiber
Einkäufer
Manager

17.04.2013 Man sollte nicht denken, dass Mischen eine banale Angelegenheit ist. Der Mischvorgang ist in der Verfahrenstechnik ein zentraler Prozessschritt. Je nach Edukt und Produkt stellen Anwender verschiedene Anforderungen an ihre Mischer. Was tut sich derzeit auf dem Gebiet der Mischtechnik?

Anzeige

Entscheider-Facts Für Betreiber

  • Jeder Mischprozess sollte schonend, effizient, emissionsfrei und sauber sein. Wichtige Aspekte sind Flexibilität und Prozesssicherheit.
  • Der Automatisierungsgrad hat einen erheblichen Einfluss auf die Leistung bzw. auf die Fehlerreduzierung des Mischprozesses.
  • Je höher der Automatisierungsgrad, desto höher auch die Leistung. Das gilt auch für die Zuführung der Produkte und die nachgeschalteten Prozessschritte.

Unterm Strich sollte der Mischvorgang schonend, effizient, emmisionsfrei und sauber sein. Für einen besonders schonenden Umgang mit dem zu mischenden Produkt sorgt der Freifallmischer. Bei diesem System wird auch bei geringen Zusätzen wie Additiven oder Wirkstoffen eine intensive Mischwirkung erzielt. Dies geschieht durch gleichmäßige, dreidimensionale Umschichtung des Mischgutes. „Schlagworte, die derzeit am häufigsten fallen, wenn es um den Bau von Prozessapparaten geht, sind Hygiene, Flexibilität und Prozesssicherheit“, weiß Ludger Hilleke, technischer Leiter bei Amixon. Multifunktionalität und Kombination mit anderen Apparaten stehen verstärkt im Fokus. Was der Markt braucht, sind Misch- und Dispergieranlagen, die Investitionssicherheit bieten. Robuste und zuverlässige Anlagen lassen sich im Bedarfsfall erweitern. „Ein deutlicher Trend ist hin zu kombinierten Lösungen festzustellen“, konstatiert Hansjürg Emde, Vertriebsleiter bei Emde Industrietechnik, „so z. B. Transportieren und Mischen oder Zerkleinern und Homogenisieren.“ In kontinuierlichen Produktionsprozessen sind auch immer stärker kontinuierliche Mischprozesse gefragt; so wird ein platz- und kostenintensives Zwischenlagern vermieden. Die meisten Mischbehälter sind mit rotierenden Mischelementen ausgestattet. Diese limitieren den Einsatz gerade im Pharmabereich, wo das Einhalten von immer strengeren GMP-Regeln bei der Herstellung absolut bindend ist. Hierzu Frederic Dietrich, technischer Geschäftsleiter der DEC Group: „Auch in Bezug auf hohes Containment ist der Einsatz solcher Mischer mehr oder weniger limitiert.“

Tendenziell werden immer komplexere Produkte und Verfahren entwickelt, bei denen der Prozessschritt „Mischen“ eine zentrale Rolle spielt. Dabei sind entweder Produktausbeute oder Produktqualität von entscheidender Bedeutung. Die Prozesse werden entweder bei geänderten Temperaturen oder unter höheren Drücken gefahren. Das heißt: „Es ist eine Tendenz zu komplexeren Anwendungen mit chemischen und physikalischen Reaktionen zu beobachten, und zwar branchenübergreifend“, weiß Reiner Lemperle, Vertriebsleiter bei Lödige.

Höherer Automatisierungsgrad gefragt
„Der Füllgrad eines Mischers kann zwischen 10 bis 100 % variieren. Heutzutage kann ein Restentleerungsgrad von annähernd 100 % erreicht werden. So werden Rohstoffe gespart, Abfall und Reinigungsaufwand vermindert. Unabhängig davon, in welcher Branche der Mischer eingesetzt wird – er muss problemlos zu reinigen sein. Die Apparate müssen praxistauglich sein, ganz gleich, ob die Reinigung manuell oder automatisch, nass oder trocken erfolgt.

Der Automatisierungsgrad hat einen erheblichen Einfluss auf die Leistung bzw. auf die Fehlerreduzierung bei den Prozessen. Je höher der Automatisierungsgrad, desto höher auch die Leistung. Dies gilt aber nicht nur für den eigentlichen Mischprozess, sondern auch für die Zuführung der Produkte zum Mischer sowie für die nachgeschalteten Prozessschritte.

Der Grad der Automatisierung ist in älteren Mischerbetrieben eher niedrig ausgeprägt. Hier ist ein Trend hin zur Komplettautomatisierung zu erkennen. QS-Anforderungen aus der Automobilindustrie, von FDA oder aus der Pharmabranche regulieren bereits früh in der Herstellkette die Prozesse. „Somit kommen auch Mischer in den Fokus zur Validierung und Automatisierung“, erklärt Alexander Lukas, Leiter Forschung und Entwicklung bei Ekato Systems. Zu diesem Thema Bora Gökyilmaz, Geschäftsleiter der SHC Swiss Hygienic Components: „Für uns ist Automatisierung gleichbedeutend mit Sicherheit.“ Viele Prozessabläufe wie beispielsweise Abwägen, Pulvereintrag, Sieben, Mahlen sowie auch der Mischvorgang finden heute immer noch in separaten Bereichen statt. Dies verursacht gewisse Ausfallzeiten. Neue Technologien müssen vermehrt verknüpfbare Systeme bereitstellen. Arbeitsschritte auf kontinuierliche Weise miteinander zu verbinden, heißt Effizienzsteigerung und ermöglicht somit eine höhere Verarbeitungsmenge.

Wenn es Sinn macht, einen kontinuierlichen Prozess zu fahren, ist eine Erhöhung des Automatisierungsgrads unumgänglich. Eine zeitliche und finanzielle Einsparung ist nur dann möglich, wenn der Prozess automatisch abläuft. Dosierausrüstung wie auch In-line-Messinstrumente erlauben nicht nur eine schnellere Herstellung, sondern erhöhen auch die Genauigkeit und dadurch die Qualität des Produkts. Für viele Prozesse ist eine solche Automatisierung sinnvoll und würde sich für manchen Betrieb lohnen. Aber es muss nicht immer eine vollständige Automatisierung sein. Auch im teilkontinuierlichen Betrieb können speziell für Misch- und Homogenisieranwendungen Kosten, Platz und Zeit gespart werden. Gerade in kontinuierlichen Mischprozessen ist oft schon ein Maximum an Automatisierung erreicht, während bei der Batchverwiegung und Produktzufuhr noch Potenzial besteht.

Wo gibt es Einsparpotenzial?
Auch wenn der Mischprozess als solcher mehr oder weniger problemlos läuft, ist oft noch Einsparpotenzial vorhanden. Falls das Produkt es erlaubt, sind kontinuierliche Mischprozesse deutlich günstiger als diskontinuierliche. Bei Reaktionen kann beispielsweise in vielen Fällen die Ausbeute gesteigert und die Reaktionszeit verkürzt werden. Ist die Vermischung optimal, lässt sich unter Umständen die Additivmenge reduzieren. Marcel Suhner, Senior Application Manager bei Sulzer Chemtech, weiß: „Untersuchungen haben gezeigt, dass mit dem Einsatz von statischen Mischern zum Vermischen von Wasser und Flockungsmittel bis zu 40 % des Additivs gegenüber der herkömmlichen Menge gespart werden kann.“ Dies bestätigt auch Dominik Seeger, Strategic Sales Development – Key Projects bei Ystral: „Sollen Pulver in Flüssigkeiten eingemischt bzw. dispergiert werden, entsteht bei einer manuellen Pulverzugabe in offene Behälter oftmals Staub, der in die Abzugsanlagen gesaugt wird oder an Teilen des Behälters oder des Rührwerks kleben bleibt. Da diese Rohstoffe dem Prozess nicht mehr zur Verfügung stehen, wird oft mehr eingesetzt, als unter idealen Bedingungen notwendig wäre.Darüber hinaus belastet Staub das Arbeitsumfeld und verursacht höhere Kosten für die Reingung. Diese Umstände können durch den Einsatz einer Conti-TDS-Pulverbenetzungs- und Dispergiermaschine vermieden werden. Pulver werden staub- und verlustfrei direkt ab Sack, Trichter, oder Big-bag eingesaugt und unmittelbar dispergiert.

Für Hansjürg Emde ist der Energieverbrauch ein weiterer Knackpunkt: „Eine Optimierung der Anschlussleistung von Antrieben ist häufig sinnvoll. Und die Auswahl des richtigen Mischsystems kann die Mischzeit unter Umständen deutlich minimieren.“ Auch in der Reduktion der Kontroll-, Rüst- und Reinigungszeit liegen noch Sparmöglichkeiten. Leicht auswechselbare Behälter, einfache Handhabung und Wartung, hygienische und leicht zu reinigende Auffangwannen sowie flexible Halterungen für die verschiedensten Gefäße tragen ebenso zu einem effizienten Mischprozess bei. Darüber hinaus gibt es noch viele Mischbetriebe, die ihre Endprodukte mithilfe von Vormischungen erstellen. Sogenannte Mehrstufen-Mischvorgänge sollten moderne Mischer gleichfalls beherrschen, um Prozesszeiten abzukürzen und Kosten zu sparen.

Herausforderungen in der Hygieneprozessindustrie
Einer der wichtigsten Aspekte beim Mischen in der Hygieneprozessindustrie ist eine keimfreie Herstellung und ein sicheres Reinigen der Apparatur. Bei einer kontinuierlichen Betriebsweise gibt es zahlreiche Apparate, Messinstrumente und weitere Komponenten, die eine Reinigung erschweren. Im Gegensatz zu einem einfachen Rührkessel, der relativ leicht gereinigt werden kann, sind bei der kontinuierlichen Betriebsweise CIP-Reinigungssysteme oder Molchanlagen nötig. Falls dies nicht möglich ist, wird ein Auseinanderbauen, gefolgt von einer aufwendigen Reinigung der Einzelteile, notwendig. Das soll natürlich vermieden werden, und daher sind die Anforderungen an die Einzelteile – damit eine CIP-Reinigung möglich ist – erhöht.

Höchste Hygieneanforderungen können nur in Form der Nassreinigung erfüllt werden. Dennoch gibt es in jeder Schüttgut-verarbeitenden Produktion Bereiche, zum Beispiel Rohstoffsilos für wiederkehrend dieselben Rohstoffe, die niemals nass gereinigt werden. Hieraus ergibt sich die Notwendigkeit, dass der Nassreingungsbezirk vom Trockenbezirk hermetisch getrennt werden muss. In der Praxis bedeutet das zumeist die Demontage von Rohrleitungselementen und deren beidseitiger Verschluss. „Diese Rüstarbeiten geschehen meist manuell und sind oft risikobehaftet. Der Zusammenbau darf natürlich erst nach vollständiger Trocknung des Mischers erfolgen“, erklärt Ludger Hilleke.

Im Hause Engelsmann sieht man die Herausforderung im Bereich der Abdichtung. Christian Wernicke, Leitung Vertrieb Innendienst/Marketing, erklärt: „Hier muss stets der Spagat zwischen weitestgehend spaltfreier Ausführung der Dichtung, der Beständigkeit der eingesetzten Werkstoffe gegen verwendete Löse- und Reinigungsmittel und drittens der Temperatur des Prozesses gemacht werden.“

Die Betreiber werden durch strenge Regulierungen vor große Herausforderungen gestellt. Dies gilt vor allem für die nach Reinheitsklassen definierten Hygieneanforderungen. Viele Mischer sind nicht CIP-fähig. Hier bieten CIP-Anlagen mit hohem Hygienestandard sowie geschlossene Systeme mit hohem Containment eindeutig Vorteile.

Oft lassen sich Einsparungen nur im apparativen Bereich erfolgreich realisieren. Das hat ein weltweites Sourcing von Mischanlagen zur Folge. Hierzu Alexander Lukas: „Bleibt oft die Frage und auch das Risiko, inwieweit weltweite Anbieter die strengen EU-Anforderungen an GMP-Mischer für die Hygieneprozessindustrie verstehen und umsetzten können. Die Verantwortung liegt schlussendlich immer beim Betreiber.“

Anforderungen für den Betreiber in der Hygieneprozessindustrie liegen im Handling von Behältern in Reinräumen, einer ausführlichen Dokumentation sowie einer aufwendigen Reinigung nach jedem Batch.

Wie lässt sich der Prozess optimieren?
Will man die Flexibilität eines Mischers hinsichtlich unterschiedlicher zu vermischender Produkte steigern, so muss ein universelles Mischorgan zum Einsatz kommen, um die unterschiedlichen Mischguteigenschaften handhaben zu können. Dies resultiert unter Umständen in etwas längeren Mischzeiten, da das Mischorgan nicht produktspezifisch ausgelegt werden kann. Will man hingegen die Flexibilität beim Mischen eines Produkts bzw. einer Produktfamilie erhöhen, liegt das Augenmerk neben der Mischzeit auf der zu erzielenden Mischgüte bei unterschiedlichen Füllständen im Mischer. Diese muss natürlich über alle Füllstände möglichst hoch gehalten werden. Durch gezielte Modifikation des Mischorgans lässt sich eine höhere Genauigkeit bzw. eine kürzere Mischzeit erreichen.

Optimierung gelingt nur durch eine konsequente Automatisierung und durch geeignete Messverfahren, die den Prozess sicher charakterisieren. Dazu können Temperaturfühler, Druckaufnehmer oder aufwendige Messtechnik wie Nah-Infrarot verwendet werden. Dabei ist es aber auch wichtig, dass immer identische Rohstoffe eingesetzt werden. Nur so ist gewährleistet, dass die Prozesse reproduzierbare Ergebnisse bringen. Man muss natürlich immer entscheiden, in welchem Umfang ein Produkt bzw. Prozess diese Messtechnik und Qualitätskontrolle der Rohstoffe zulässt und inwieweit das Endprodukt diesen Aufwand aus Kostengründen auch rechtfertigt. „Dabei gelten für pharmazeutische Produkte andere Grenzen als für Lebensmittel oder für kostengünstigere Produkte, beispielsweise in der Baustoffindustrie,“ so Reiner Lemperle. Statische Mischer haben an und für sich schon ein großes Turn-up- bzw. -down-Potenzial und können auch für verschiedene Produkte eingesetzt werden. Wenn ein häufiger Produktwechsel stattfindet, muss der Mischer so ausgelegt werden, dass er für die meisten Prozesse verwendet werden kann. Wenn nun aber der Durchflussbereich zu stark abweicht oder sich die Aufgabe an den Mischer ändert – zum Beispiel Dispergieren von unlöslichen Stoffen anstelle einer reinen Homogenisation – können auch Mischerbatterien zum Einsatz kommen. Hier werden statische Mischer parallel installiert und der geeignete Mischer je nach Anforderung einzeln durchströmt. „Es bedeutet zwar einen erhöhten Steuerungsaufwand, gibt der kontinuierlichen Anlage aber eine sehr hohe Flexibilität“, erklärt Marcel Suhner.

Bei Ystral steht im Hinblick auf Optimierung vor allem die Reproduzierbarkeit im Vordergrund. Dominik Seeger: „Um Reproduzierbarkeit der Produkte zu gewährleisten, sind definierte Misch- und Dispergierprozesse notwendig. Eine manuelle Pulveraufgabe in offene Behälter ist da eher kontraproduktiv, da die Vorgehensweise des Bedieners die Dispergierergebnisse stark beeinflussen kann.“ Prozessoptimierung erreicht man darüber hinaus durch möglichst kurze Ausfallzeiten, d.h. mit zusammengeschalteten Prozessschritten einerseits und einem hohen Hygienestandard, also CIP/SIP-fähigen Anlagen mit minimalem Reinigungs- und Wartungsaufwand andererseits. „Die Mischanlage sollte eine hohe Variation des Produktvolumens erlauben sowie automatisch befüll- und entleerbar sein“, konstatiert Frederic Dietrich.

Ein dreidimensionaler Bewegungsablauf kombiniert die Bewegung mit der Rotation und versetzt das Mischgut in eine rhythmisch pulsierende Bewegung. Bora Gökyilmaz erklärt: „Unabhängig angetriebene Achsen sorgen für ein gleichmäßiges Rotieren.“

F&E und After-sales-Service
Für Spezialanwendungen ist die F&E-Abteilung wichtiges Bindeglied zwischen dem Anwender und dem Hersteller des Mischers. Mit der Expertise aus einer Vielzahl von Anwendungsfällen heraus kann die F&E dem Anwender wichtige Impulse vermitteln, die über das Tagesgeschäft des Anwenders hinausgehen. Zusätzlich kann die F&E helfen, bestehende Prozesse zu optimieren und neue Prozesse einzuführen.

Die Zeit der großen Veränderungen bei der Entwicklung von statischen Mischern ist zwar vorbei, aber auch scheinbar kleinere Entwicklungen bringen immer wieder deutliche Einsparungen für den Anwender mit sich. Eine Verbesserung der Mischleistung oder eine Reduktion des Druckverlusts können sich in einem Prozess spürbar auswirken. Darüber hinaus stoßen statische Mischer in neue Anwendungsgebiete vor, wo entweder über eigene Forschung beim Hersteller oder in der Zusammenarbeit mit dem Anwender ein optimales Design entwickelt wird.

In der heutigen Zeit, in der der Konkurrenzdruck nicht mehr vernachlässigt werden kann, ist ein guter Service oft ausschlaggebend für den Kaufentscheid. Produktionsbetriebe sind vornehmlich auf eine gut funktionierende Produktion mit höchster Qualität ausgerichtet. Zeit für regelmäßige Wartungen ist kaum noch gegeben. Einem schnellen Service kommt vor diesem Hintergrund ein immer höherer Stellenwert zu. Viele Optimierungschancen stellen sich auch erst in einem länger laufenden Prozess heraus. Der Hersteller sollte da schon mal nach einiger Zeit hinterfragen, welche Ergebnisse im Mischprozess erzielt werden und wo eventuell Optimierungsmöglichkeiten bestehen. Genauso sieht es auch Christian Wernicke: „Wir möchten unseren Kunden eine projekt- und produktbegleitende Dienstleistung vom ersten Kontakt bis zum Ende der Standzeit der Maschine bzw. Anlage ermöglichen.“

In einer Zeit der Automatisierung und Hochleistungsmaschinen muss der After-sales-Service noch schneller und effizienter reagieren. Elektronisch verbesserter Service durch Internet oder Live-Cams werden die Reaktionsgeschwindigkeit steigern. Oft beinhaltet der After-sales-Service auch die Schulung der Bediener, wenn beispielsweise an einem Tag verschiedenste Produkte im Mischer abgearbeitet werden müssen. Dies erfordert ein spezielles Training bezüglich Verfahrensablauf, Reinigung und Zuverlässigkeit.

 

ZUR TECHNIK
Statische Mischer
Die Zeit der großen Veränderungen bei der Entwicklung von statischen Mischern ist zwar vorbei, aber auch scheinbar kleinere Entwicklungen bringen immer wieder deutliche Einsparungen für den Anwender mit sich. Eine Verbesserung der Mischleistung oder eine Reduktion des Druckverlusts können sich in einem Prozess spürbar auswirken. Darüber hinaus stoßen statische Mischer in neue Anwendungsgebiete vor. Sie haben per se schon ein großes Turn-up- bzw. Turn-down-Potenzial und können auch für verschiedene Produkte eingesetzt werden. Robuste und zuverlässige Anlagen lassen sich im Bedarfsfall erweitern. Dispergieranwendungen werden in der letzten Zeit immer häufiger von statischen Mischern durchgeführt. So kann auf energieintensive Dispergiermaschinen verzichtet werden, da viele Dispergieraufgaben sich relativ einfach mit statischen Mischern durchführen lassen. Aber es gibt auch andere Anwendungen, bei denen vermehrt statische Mischer zum Einsatz kommen. Vor allem in der Reaktionstechnik kann man mit Plug-flow-Reaktoren, bei denen statische Mischelemente die Reaktionsmasse ständig vermischen, unter anderem bessere Ausbeuten erzielen. Wenn sich die Anforderungen an den Mischer ändern, können auch Mischerbatterien zum Einsatz kommen. Hier werden statische Mischer parallel installiert und der geeignete Mischer je nach Anforderung einzeln durchströmt.

Homepage Amixon

Homepage DEC-Group

Homepage Emde

Homepage Engelsmann

Homepage Lödige

Homepage Sulzer Chemtech

Homepage Ystral

Homepage Ekato

Trendbericht Mischer 1302pf606

 

Heftausgabe: April 2013
Anzeige
Birgit Lind, Redaktion

Über den Autor

Birgit Lind, Redaktion
Loader-Icon