Das Mischen von mehreren Feststoffen ist eine Aufgabe, die große Erfahrung erfordert, wenn zum Beispiel Stoffe von sehr unterschiedlicher Größe und unterschiedlichem spezifischem Gewicht homogen vermischt werden sollen. Noch anspruchsvoller sind viele Mischprozesse in der Pharmaindustrie. Hier muss bei Komponentenzusammensetzungen bis 1:1000000 die Wirkstoffverteilung zuverlässig stattfinden, indem eine konstant homogene Mischung erzeugt wird.

Häufig gefordert: Kombination von Befeuchten und Mischen

Nochmals komplexer wird der Mischprozess jedoch, wenn Flüssigkeiten in trockenes Schüttgut einzumischen sind. In der Pharmaindustrie mischt man wässrige Lösungen in Tablettenmassen ein, um Agglomerate zu erzeugen. Hersteller von Pigmenten und Farbstoffen vermischen Suspensionen mit keramischen Farbkörpern. In der Lebensmitteltechnik ist die Kombination von Befeuchten und Mischen ebenfalls sehr häufig.

Physikalisch betrachtet handelt es sich meist um ein dreiphasiges System: der Feststoff, die umgebende atmosphärische Gasphase (zumeist Umgebungsluft) und die Flüssigkeit. Wenn eine Flüssigkeit auf ein bewegtes Feststoffgemisch trifft, dann entscheidet die Menge der Flüssigkeit und ihre Verteilbarkeit darüber, in welchem Maße die Einzelpartikel benetzt werden. Was die Verteilbarkeit betrifft, sind im wesentlichen folgende physikalische Eigenschaften ausschlaggebend:

  • Viskosität der Flüssigkeit,
  • Porosität des Feststoffes (Kapillarität),
  • Affinität der festen und flüssigen Phase (Ähnlichkeit und Bereitschaft zur Annäherung) sowie
  • Effizienz der Stoffverteilung (Mischarbeit).

Der Viskosität kommt eine entscheidende Bedeutung bei der Auslegung des Mischers zu. Sie beschreibt die Zähigkeit einer Flüssigkeit und charakterisiert deren Fließverhalten. Natürlich gibt es Tabellen, die die Viskosität einer Flüssigkeit angeben – aber die Kenntnis der Flüssigstoffeigenschaften macht die Auslegung eines Befeuchtungsmischers nicht einfacher, denn die Viskosität verändert sich stark mit der Temperatur. Schmierstoffe und Hydraulikflüssigkeit sind dafür ein praxisnahes Beispiel: Die Tieftemperatur-Viskosität ist hier ein entscheidendes Auswahlkriterium.

Schergeschwindigkeit beeinflusst Viskosität

Auch der Druck kann die Viskosität einer Flüssigkeit verändern, und bei so genannten nicht-Newtonschen Flüssigkeiten wird die Viskosität darüber hinaus von der Schergeschwindigkeit beeinflusst. Zum Beispiel erhöht sich die Viskosität von so genannten dilatanten Flüssigkeiten wie Stärke in Wasser-Suspensionen, verschiedenen Lecithinen und fermentierten Eiweißbildnern (Alimet, Lysin) mit zunehmender Schergeschwindigkeit. Im Gegensatz dazu sinkt die Viskosität mit zunehmender Schergeschwindigkeit, wenn es sich um strukturviskose Flüssigkeiten handelt. Nur bei Newtonschen Flüssigkeiten, wie etwa Wasser, wässrigen Lösungen und Speiseöl, bleibt die Viskosität bei differierenden Schergeschwindigkeiten weitgehend konstant.

Darüber hinaus kann sich die Viskosität einer Flüssigkeit auch zeitlich verzögert ändern. Wird beispielsweise eine reversibel-thixotrope Flüssigkeit, die sich in einer Flasche befindet, geschüttelt, dann verringert sich ihre Viskosität langsam. Wenn sie in Ruhe verharrt, erhöht sich ihre Viskosität zeitverzögert. Auch das umgekehrte Phänomen – Erhöhung der Viskosität bei Bewegung, Verringerung im Ruhezustand – kann bei flüssigen Substanzen auftreten. Man spricht dann von Rheopexie.
Auch die individuelle Oberflächenspannung der Flüssigkeit gibt Aufschluss über die Benetzungsfähigkeit: Flüssigkeiten mit hoher Oberflächenspannung neigen weniger zur Benetzung – hier müssen erhöhte Scherkräfte aufgewendet werden, um eine homogene Mischung und Benetzung zu erzielen. Gemessen wird diese Größe anhand des Randwinkels eines symmetrischen Tropfens. Weitere Eigenschaften, die hier berücksichtigt werden müssen, sind die Kapillarität und die Bereitschaft der festen und flüssigen Stoffe, sich anzunähern.
Welche Auswirkungen haben diese chemischen und physikalischen Eigenschaften auf die Konstruktion des Mischers? Es liegt auf der Hand, dass es nicht die „Flüssigstoffeinmischung von der Stange“ geben kann, sondern dass die Mischanlagen jeweils individuell ausgelegt und gefertigt werden, und zwar erst, nachdem man die relevanten Eigenschaften der Fest- und Flüssigstoffe experimentell untersucht hat. Auf dieser Basis seiner Erfahrungen wird bei einem Hersteller gewährleistet, dass eine ideale Flüssigstoff-Verteilung im Schüttgut bei minimalem Energieeintrag stattfindet.

Einstoff- oder Zweistoffdüse?

Je nach Anforderung und Mischgut kommen sehr unterschiedliche Mischanlagen zum Einsatz. Die Konstruktion des Mischraums (Einwellenmischer oder Zweiwellenmischer) variiert ebenso wie die Detailausprägung des Mischraumes (Zylinder, Konus) und die Art des Mischwerkzeugs (Schneidrotor, Smizer, High shear blades, Rotor-Stator etc. ).

Darüber hinaus ist natürlich die Art der Flüssigstoffeinmischung von entscheidender Bedeutung. So kann man mit einer Zweistoffdüse eine intensive Pulverbefeuchtung bei minimalem Energieeintrag erreichen: Ein Gas wird in den Mischraum eingetragen und fluidisiert partiell das Mischgut. Zugleich versprüht das Gas die Flüssigkeit in mikrofeine Tropfen, die sich gleichmäßig an die Feststoffpartikel anlagern. Die Scherbeanspruchung ist dabei sehr gering. Alternativ kann man mit einer Einstoffdüse die Flüssigkeit direkt in den Turbulenzbereich des Schneidwerkzeugs, etwa eines Schneidrotors, bringen. So wird eine intensive Scherung und Verwirbelung erreicht. In einigen Fällen empfiehlt sich auch der Flüssigkeitseintrag unter Vakuum. Auch Anlagen für die kontinuierliche Befeuchtung sind realisierbar.

Welche Technologie die jeweils optimale ist, muss der Anwendungsfall entscheiden: Im Technikum werden entsprechende Versuche gefahren, um – gemeinsam mit dem Anwender – optimale Ergebnisse zu erzielen und die Anlage auch bestmöglich in den Prozess einzubinden. Auf der Basis der Technikums-Erprobung wird dann die Anlage individuell projektiert. Dabei kommt auch dem sorgfältigen Detail-Engineering große Bedeutung zu. Zum Beispiel wird darauf geachtet, dass im Mischraum keine Toträume entstehen können: Ein spezielles Fertigungsverfahren, basierend auf dem Wasserstrahl-Abrasivschneiden, gewährleistet, dass Klappen und Öffnungen totraum- und fugenfrei ausgeführt werden können. Teilweise wird nach dem Flüssigkeitseintrag auch das Trocknen der Fest-Flüssig-Mischung gewünscht. Für diese Anwendungsfälle kommen Mischtrockner zum Einsatz

Kostenlose Registrierung

Bleiben Sie stets zu allen wichtigen Themen und Trends informiert.
Das Passwort muss mindestens acht Zeichen lang sein.
*

Ich habe die AGB, die Hinweise zum Widerrufsrecht und zum Datenschutz gelesen und akzeptiere diese.

*) Pflichtfeld

Sie sind bereits registriert?

Unternehmen

amixon GmbH

Halberstädter Straße 55
33106 Paderborn
Germany