1_ Rührwerk im Test2

Das Boden-Magnetrührwerk sorgt auch in Bioreaktoren mit großem Volumen für eine effiziente Durchmischung.(Bilder: Zeta)

  • Auch in aseptischen Prozessen in der Biotechnologie und der Lebensmittelindustrie steigen die zu rührenden Volumina immer weiter an. Dies stellt Magnetrührwerke vor neue Herausforderungen.
  • Ein neuentwickeltes Boden-Magnetrührwerk wurde nun im im Rahmen eines Forschungsprojekts erfolgreich getestet und ist für Fermenter in Volumina von bis zu 30.000 l geeignet.
  • Eine weitere Entwicklung, ein Container-Magnetrührwerk für die Lebensmittel- und Fruchtverarbeitung, legt den Fokus auf die Flexibilität in der Anwendung auf verschiedene Containergrößen zwischen 200 und 1.000 l.

Die Technologie der Magnetrührwerke bietet gegenüber den gleitringgedichteten Rührwerken bestimmte Merkmale, die in aseptischen Anwendungen von besonderer Bedeutung sind: Durch einen eigens konstruierten Spalttopf sind Innenraum und Rührwerk von der Außenatmosphäre hermetisch getrennt. Dadurch fällt das Kontaminationsrisiko weg. Auch der Wartungsaufwand von Magnetrührwerken ist geringer. Bislang kamen diese vorwiegend für Ansatzsysteme bis 30 m3 und für kleine Bioreaktoren bis 3.000 l zum Einsatz. In diesen Anwendungsgebieten kommt es dabei nicht nur darauf an, für eine möglichst gleichförmige Durchmischung zu sorgen. Die Rührwerke müssen darüber hinaus auch Scherkräfte vermeiden, um die Qualität des Endprodukts nicht negativ zu beeinflussen. Auf der Grundlage dieser Ansprüche hat Zeta mit verschiedenen Partnern zwei neue Lösungen entwickelt: ein Boden-Magnetrührwerk für Fermenter (BMRF) in Volumina von bis zu 30.000 l sowie ein Container-Magnetrührwerk (CMRT) für die Standardgrößen 200 bis 1.000 l.

Boden-Magnetrührwerk zeigt im Test stabile Laufeigenschaften

Das BMRF erlaubt eine Montage und Demontage in kurzer Zeit in alle neuen und bestehenden Bioreaktoren, ohne die Geometrie und die Funktionalität bestehender Spargersysteme zu beeinflussen. Das Ziel einer Homogenisierung im Bioreaktor ist es, den biologischen Umsatz durch eine bestmögliche Versorgung der Zellen mit Sauerstoff und anderen Nährstoffen aus dem Kulturmedium zu erhöhen. Auch in hohen Arbeitsvolumina muss für die Sauerstoffversorgung ein möglichst guter Phasenübergang von der Gasblase in die Flüssigkeit sichergestellt sein. Das neu entwickelte BMRF wurde im Rahmen eines Forschungsprojekts mit unterschiedlichen Rührorgan-Geometrien getestet. Dabei stand ein Testbehälter mit einem BruttoArbeitsvolumen von 15 m3 zur Verfügung. Dessen Behälterwand aus Acrylglas ermöglichte es, optische Messmethoden im gesamten Innenraum des Behälters anzuwenden. Als Medium diente Wasser bei einer Temperatur von 12,5 °C (Dichte = 999,44 kg/m3, Viskosität = 1,22 mPas).

Um in einem so großen Volumen eine effiziente Durchmischung zu erzielen, war eine Steigerung des Drehmoments von 130 auf 300 Nm notwendig. Im Test wurden mit den realisierten 540 Nm die Erwartungen übertroffen. Der Lagerwiderstand des gesamten Rührers stieg mit der Drehzahl an, war aber mit 4 bis 13 Nm im Vergleich zum eingebrachten Drehmoment der eingebauten Rührerkombination zu vernachlässigen. Die Charakterisierung der einzelnen Rührorgane – Rushton und Schrägblatt – fiel erwartungsgemäß aus: Der Schrägblatt-Rührer als Einzelrührorgan wies eine Leistungszahl Ne von 1,8, der Rushton-Rührer von 3,7 auf. Wurden Rushton- und Schrägblatt-Rührorgane miteinander kombiniert, beeinflussten die einzelnen Mischzonen einander. Dabei konnte mit der Betriebsart „Up-Pumping“ erwartungsgemäß ein etwa 20 % höherer Leistungseintrag im Vergleich zum „Down-Pumping“ gemessen werden. Dies erklärt sich durch den beim Up-Pumping geringeren Einfluss der oberen Schrägblatt-Rührorgane auf den unteren Rushton-Rührer.

Das getestete Rührwerk wies in keiner Kombination kritische Pendelbewegungen auf, die die Stabilität des Rührwerkes schadhaft beeinträchtigen könnten. Drehzahlen im betrieblich relevanten Bereich (n ≤ 80 1/min) lösten keine Pendelbewegung des Rührers aus. Durch Erhöhung der Drehzahl wurde lediglich die Oszillationsfrequenz erhöht, die allerdings nicht der Drehfrequenz entspricht. Für den Einzel-Rushton-Rührer lag der Ausschlag der Wellenachse bei lediglich 0,5 mm. Auch bei einer Drehzahlerhöhung bis zu 105 1/min stieg dieser nicht an. Einen größeren Einfluss auf das Oszillieren hatte im Test die Anzahl der Rührorgane: bei zwei Rührorganen lag die Auslenkung bei einer Drehgeschwindigkeit von 105 1/min bei etwa 1,3 mm. Bei drei Rührern betrug die Pendelbewegung eine Auslenkung von immer noch unkritischen 3 mm.

Neben den positiven Ergebnissen brachte das Projekt auch eine valide Methode hervor, um zukünftig den Leistungseintrag von Magnetrührwerken in allen Baugrößen zu bestimmen. Der Test ermöglicht es, jegliche Rührprozesse optimal zu planen – egal ob für bestehende oder neue Rührreaktoren. Die Ergebnisse dienen als Basis für eine methodische Berechnung der Mischzeit und der Stofftransporte (flüssig, fest, gasförmig), sowie die Skalierung von Rührorganen und Rührprozessen.

2_ CMRT©ZETA

Das CMRT ist fürContainergrößenzwischen 200 und 1.000 l in der Frucht- und Lebensmittelverarbeitung geeignet.

Container-Magnetrührwerk ist flexibel einsetzbar

Gänzlich andere Zielsetzungen als bei der Entwicklung des BMRF waren für die Entwicklung eines geeigneten Magnetrührwerks für Container in der Frucht- und Lebensmittelverarbeitung gegeben: Das Magnetrührwerk bietet auch hier eine geeignete Lösung, um inhomogene Produkten zu Mischen und gleichzeitig Kontaminationsrisiken auszuschließen. Der aseptische Produktraum des Mehrwegcontainers ist von der Außenatmosphäre hermetisch getrennt.
Der Fokus für die Entwicklung des Rührwerks lag in diesem Fall auf der Flexibilität in der Anwendung auf verschiedene Containergrößen zwischen 200 und 1.000 l. Das CMRT soll Fruchtgrundstoffe und Pürees, die während der Lagerung und dem Transport zum Endkunden entmischen, wieder in einen homogenen Zustand bringen. Es sorgt für eine gleichmäßige Verteilung von Fruchtstücken, Cerealien, Farbstoffen, usw. über die gesamte Zeit der Entleerung. Das Rührwerk muss dabei zugleich schonend für empfindliche Bestandteile sein als auch eine effiziente Durchmischung gewährleisten. Ein wichtiges Einsatzgebiet des CMRT ist die Herstellung von Clean-Label-Produkten, die ohne Stabilisatoren und Emulgatoren auskommen müssen und daher gerührt werden müssen, um homogen abgefüllt werden zu können. Das Prinzip des CMRT ist auch auf den Molkereibetrieb übertragbar. Seit kurzer Zeit nutzt auch das Schweizer Unternehmen Emmi das Rührwerk in der Herstellung verschiedener Milchprodukte.

Das Aufsetz-Magnetrührwerk besitzt eine innenliegende Magnetkupplung und wird auf der Innenseite des Mannlochdeckels eines Containers installiert. Der Anwender kann die CIP-Reinigung und die Sterilisation des Containers wie gewohnt durchführen – nur eben mit dem bereits eingebauten Rührwerk. Individualisierte Rührorgane stehen zur Verfügung, das CMRT kann somit eine breite Palette an verschiedenen Produkten rühren. Es ist insbesondere für Fruchtgrundstoffe mit Fruchtstücken, Fruchtpürees, Zubereitungen mit Cerealien oder fetthaltigen Zutaten wie Nüssen oder Schokolade geeignet. Ein weiterer Vorteil des CMRT ist die flexible Antriebseinheit: Unabhängig von den Produkten in den Containern, kann durch die lösbare Verbindung in Form einer Milchrohrverschraubung der Motor einfach von einem Container zum nächsten transferiert werden. Die Behälter können dadurch auch trotz des eingebauten Rührwerks gestapelt werden.

 

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