Die Mischertechnologie ist einfach zu warten, für den Einsatz in Ex-Zone 1 und den Einsatz in der Produktion von sterilen Medien geeignet. (Bild: Mazze - Fotolia)

Die Mischertechnologie ist einfach zu warten, für den Einsatz in Ex-Zone 1 und den Einsatz in der Produktion von sterilen Medien geeignet. (Bild: Mazze - Fotolia)

| von Beat Brogli, Manager of Business Unit Fundamix DRM, Dr. Müller
  • Unter dem Mischen von Fluiden verstehen die meisten Anwender grundsätzlich ein Verfahren, bei dem ein rotierendes Objekt zum Einsatz kommt. Es gibt aber auch eine Alternative: Das Mischen von Flüssigkeiten mittels Hub-Bewegung.
  • Durch diese Art des Mischens können Betreiber gleich mehrfach profitieren: Zum einen bleiben auch geringe Restvolumen durchmischt, wodurch sich anwendungsabhängig der Ausschuss verringert. Gleichzeitig ist die Technologie, unter anderem aufgrund eines einfachen Dichtungskonzeptes, günstig in der Wartung.

Daher ist es kaum erstaunlich, wie breit ausgebildet das Wissen und die Literatur über diesen verfahrenstechnischen Prozess sind. Jeder einzelne von uns denkt bei einem Rührvorgang an eine kreisende Bewegung, welche die Flüssigkeit in Bewegung versetzt – setzen wir doch alle unser schwarzes Bohnengetränk in der morgendlichen Kaffeetasse so in Bewegung. Viele von uns, sei es nun der Maschinenbauingenieur oder der Verfahrenstechniker, kommen in der jeweiligen Laufbahn irgendwann einmal an den Punkt, sich den Kopf über einen Mischprozess zu zerbrechen. Sich dabei aber von einer rotierenden Bewegung zu lösen springt wohl selten jemandem direkt ins Auge. Was nun, wenn eine Mischung ohne die bekannte Rotationsbewegung abläuft; sprich: ein Mischen ohne Rühren?

Beschwingte Technologie

Vibrationsmischtechnik heißt die Lösung und ist in der Form des Vibromixers schon seit einigen Jahren in vielen Anwendungsfeldern vertreten. Wie der Name die Technik bereits beschreibt, erfolgt der Mischvorgang hier nicht durch ein sich drehendes Mischorgan, sondern durch eine Vibration. Dabei wird hier keineswegs der Behälter in Schwingung versetzt. Vielmehr kommt auch bei dieser Technologie ein Mischorgan zum Einsatz, das aber bedeutend anders ausgeführt ist und einer hochfrequenten Hubbewegung folgt. Dieses bereits vor über 30 Jahren vom Firmengründer Dr.-Ing. Hans Müller erfundene und ständig weiterentwickelte Gerät vertreibt das Unternehmen unter dem Namen Fundamix. Was zeichnet diese Vibrationsmischtechnik aus, was sind die Vorteile und Einsatzgebiete? Bevor diese entscheidenden Merkmale betrachtet werden können ist es sinnvoll, zuerst die Funktionsweise dieses Geräts zu erklären: Der selbst entwickelte und hergestellte Antriebsmotor erzeugt über die Speisung des sinusförmigen Wechselstroms (Europa 50 Hz, Amerika 60 Hz, …) eine Schwingbewegung in Form einer Amplitude. Dabei erzeugt eine Spule mit ihrem elektromagnetischen Kern ein Magnetfeld (statischer Teil). Durch die ansteigende Spannung im positiven Sinusteil wird die dynamische Komponente mittels der Magnetkraft angezogen. Das integriere Federsystem speichert dabei Energie und bewirkt im abfallenden Spannungs-Sinus die Rückstellbewegung des Systems. Im identischen Vorgang des negativen Spannungs-Sinus, wiederholt sich der Bewegungsablauf in selber Form und Richtung. Somit überträgt das Gerät die direkt eingespeiste Netzfrequenz in doppelter Hubanzahl – 100 Hz in Europa und 120 Hz in Amerika an das Mischorgan. Im Gegensatz zu einem Drehstrom-Motor bewirkt in diesem System die Regulierung der Spannung und nicht die Variation der Frequenz eine Anpassung der Mischintensität.

Anders als bei Mischern die mit rotierenden Elementen arbeiten, bleiben hier auch geringe Restvolumina am Boden des Behälters durchmischt.

Anders als bei Mischern die mit rotierenden Elementen arbeiten, bleiben hier auch geringe Restvolumina am Boden des Behälters durchmischt.

Reduziertes Restvolumen

Am bereits erwähnten dynamischen Teil des Motors ist das Mischorgan befestigt, das durch seine Geometrievorgabe dem Gesetz nach Bernoulli folgt. Hierdurch überträgt sich die vom Antrieb erzeugte Amplitude an das Mischorgan, das aus einem Schaft mit der daran befestigten Mischerplatte besteht. Die Hubbewegung (Oszillation) der Platte beschleunigt das Liquid analog einer Düse durch die Konuslöcher. Die dabei entstehende Vertikalströmung bewirkt nun die Durchmischung des kompletten Behälters. Durch die Orientierung der Konen-Ver-jüngung ist es möglich eine Strömung nach oben (Typ A) oder nach unten (Typ B) zu erzeugen. Dazu wird lediglich die Orientierung der gesamten Mischerplatte umgedreht. Die Anordnung der Platten (auch mehrere Platten in unterschiedlichen Strömungsrichtungen sind möglich) und somit auch die Konen-Orientierung, gibt der jeweilige Prozess vor. Kommen dabei nach unten strömende Platten (Typ B) für Prozesse mit sedimentierenden Feststoffen oder stark schäumenden Medien zum Einsatz, sind Typ A Platten gut für leerfahrende Behälter geeignet. Diese können nämlich so nahe am Behälterboden platziert werden, dass selbst in einem grösseren Prozessbehälter immer noch Kleinstmengen mischbar bleiben. Aus diesem Grund hat sich die Technologie beispielsweise beim Abfüllen von Insulinampullen etabliert, da ein Pharma-Hersteller das teure Insulin bis zum Schluss in Bewegung halten muss. Jegliche ungemischte Restvolumen müsste er verwerfen, was bares Geld bedeutet. Die über alle Behälterebenen optimale Durchmischung, ohne den Einsatz von Strombrechern  (es kann ohne Rotation auch keine Tromben-Wirkung entstehen) wirkt sich nicht nur positiv auf den Mischprozess aus, sondern spart auch Investitionskosten beim Behälterbau oder der Ausführung der Reinigungseinrichtung. Die Mischorgane fertigt der Hersteller in Edelstahl AISI 316L und gemäß den üblichen hohen Ansprüchen der Pharmaindustrie. Auf Wunsch sind aber auch kostengünstigere Versionen erhältlich: Die Materialpalette reicht von rostfreien Stählen über Titan, Hastelloy bis hin zu Kunststoff-Ausführungen.

Einfaches Dichtungskonzept

Ein weiterer wichtiger Pluspunkt ist die simple Abdichtungsart: Durch das Wegfallen der Rotationsbewegung vereinfacht sich das Dichtungskonzept massiv und ist nur über eine Membrane realisiert. Die in diversen Materialien erhältlichen und FDA sowie USP Class VI zertifizierten Membranen, welche die erzeugte Hubbewegung von circa 0 bis 3 mm zum Behälter hin abdichtet, ermöglichen ein einfaches Abdichten ohne jegliche mechanischen Dichtungen wie teure und aufwendige Gleitringdichtungen. Im Bewegungsablauf des Mischers und der Abdichtung finden keine abrasionserzeugenden Bewegungen statt, wodurch sich das Mischsystem für viele sterile Anwendungen eignet. Denn mechanische Dichtungen und deren Abrasion führen oft zum Problem der Produktverunreinigung. Bei den Membranabdichtungen sind Druckstufen von -1/5 bar Standard und auf Anfrage auch höhere Klassen erhältlich. Die Temperaturklassen reichen bis circa 150 °C, welche auch standardmässige CIP- und vor allem SIP-Reinigungsprozesse abdecken. Und auch die Wartungskosten sind hier massiv minimiert: Eine Ersatzmembrane, welche Betreiber in der Regel jährlich tauschen sollten, kostet lediglich ein paar Euro.

Die Orientierung der Konen gibt die Strömungsrichtung vor. (Bilder: DRM)

Die Orientierung der Konen gibt die Strömungsrichtung vor.(Bilder: DRM)

Wartungskosten senken

Beim Thema Wartungskosten sind auch noch weitere Aspekte für Betreiber von Interesse, beispielsweise der verschleißarme Antriebsmotor. Hier sind keinerlei mechanische Führungselemente wie Kugellager oder Führungen enthalten, die stark verschleißen könnten. Bei der üblichen Revision des Antriebsmotors muss der Anwender lediglich die Federn, die Federauflagen und kleinere Verschleißteile ersetzen. Bereits über zwanzigjährige, täglich im Einsatz stehende Vibrationsmotoren, finden regelmässig nach einer Revision im Hause DRM wieder ihren Weg zurück auf die Anlage. Gleichzeitig haben die geringen Energiekosten einen positiven Effekt auf die Betriebskosten der Anlage. Im Vergleich zu einem Rotationsmischer verbraucht der Mixer lediglich rund ein Drittel der Energie. Dies ist zurückzuführen auf die Art der Mischtechnologie: Die Charakteristik des hier vorliegenden Strömungsmischens zeichnet sich durch eine produktschonende, scheerenergiearme Mischung im niederviskosen Bereich aus (bis circa 500 mPas). Durch den hohen Anteil an vertikal gerichteter Strömungsrichtung sind schräg angeordnete und schnelldrehende Mischblätter überflüssig, die beispielsweise zu einer Verletzung von Zellkulturen führen können. Die Strömung ermöglicht eine hohe Produktumwälzung, woraus eine hohe Homogenität innerhalb des ganzen Prozessbehälters resultiert. Diese Homogenität ist bei herkömmlichen Systemen nur durch hohe Rotationsgeschwindigkeiten zu realisieren.

Zertifizierte Sicherheit

Alle Baugrößen der Technologie, die sich vom Labormassstab bis hin zur ausgewachsenen Produktionsanlage erstrecken, sind zudem Atex-zertifiziert. Die aktuelle Zertifizierung deckt eine Zone 1 für Gas bei einer Temperaturklasse T4 ab. Andauernde Weiterentwicklungen sollen es darüber hinaus ermöglichen, künftig auch eine Version in Atex-Zone 0 anzubieten. Darüber hinaus sind alle System EMV-geprüft, IP-geschützt und das Unternehmen ISO9001 zertifiziert.

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