Trocknenmischen: Flüssigkeitszugabe während des Mischens

1. Einführung: Flüssigkeitszugabe in einen Trockenmischer

Mischen von Schüttgütern ist ein in der Verfahrenstechnik weit verbreiteter Prozess. Mehrere trockene Komponenten werden in einer bestimmten Reihenfolge in einen Mischer geladen, wie z. B. einen Paddelmischer, Bandmischer oder sogar einen Container-Blender, und dann für eine bestimmte Zeitdauer gemeinsam gemischt. Das resultierende trockene Gemisch wird anschließend für weitere Verarbeitungsschritte verwendet oder kann als solches verpackt und verkauft werden.

In überraschend vielen Fällen verwenden Hersteller jedoch nicht nur trockene Materialien, sondern injizieren auch eine Flüssigkeit in den Mischer. Die Zugabe von Flüssigkeit kann verschiedene Zwecke erfüllen, dient aber oft der Verbesserung der Trockenmischungsformulierung. Die Hauptgründe für das Injizieren von Flüssigkeit während des Pulvermischens sind folgende:

• Modifikation der Feststoffeigenschaften, insbesondere der Fließeigenschaften durch Erreichen eines bestimmten Agglomerationsgrades Agglomeration – Flüssigkeiten bilden tatsächlich kleine Flüssigkeitsbrücken zwischen den Partikeln und binden so kleine Partikel an größere. Man spricht dann von Granulation oder Nassagglomeration, und der Mischer wird oft als Granulator bezeichnet. Eine solche Granulation kann zur Verbesserung der Fließfähigkeit des Materials durch größere Partikel und/oder zur Verringerung des Risikos von Entmischung in den nachfolgenden Prozessschritten eingesetzt werden.
• Zugabe einer Komponente, wie z. B. ein Aroma, das es nicht in trockener Form gibt, ein Duftstoff oder ein Farbstoff.

Es ist zu beachten, dass die Flüssigkeitszugabe hier gering ist (von <1 Gew.-% bis 8–10 %). Es geht auf dieser Seite nicht darum, einen Schlamm herzustellen , sondern vielmehr um Granulation (Vergrößerung der Partikelgröße) oder Beschichtung des trockenen Pulvers, obwohl einige kontinuierliche Trockenmischer von ihren Herstellern manchmal als fähig beworben werden, Massen mit bis zu 50 % Flüssigkeitszugabe zu verarbeiten.

Die Zugabe von Flüssigkeit sollte in Bezug auf Durchflussrate und Zeitpunkt der Injektion im Mischzyklus angepasst werden, um die Bildung von Klumpen zu vermeiden. Es gibt Systeme, die speziell für die Herstellung einer Paste entwickelt wurden, aber es ist nicht Zweck dieser Seite, diese zu beschreiben.

2. Wie gibt man Flüssigkeit zu einem Pulvergemisch hinzu?

2.1 Flüssigkeitssprühen

Der Vorteil des Sprühens besteht darin, einen großen Teil des Mischervolumens abdecken zu können, anstatt die gesamte Flüssigkeit in einem begrenzten Bereich zu konzentrieren, was höchstwahrscheinlich zur Klumpenbildung führt. Das Sprühen darf nicht zu schnell erfolgen; eine Größenordnung der Sprühzeit liegt bei 20–30 Sekunden. Die Sprühdüse muss dann unter Berücksichtigung der Sprühform (Vermeidung des Auftreffens auf die Wand des Mischers) und der Fähigkeit, eine ausreichende Sprühzeit zu gewährleisten, ausgewählt werden.

Abbildung 1: Beispiel eines Flüssigkeitssprühsystems in einem Hochscher-Mischer

Eindüsen-Zerstäubungsdüsen (Einphasen-Druckdüsen) werden gegenüber Luftzerstäubungsdüsen bevorzugt, da letztere zu viel Flüssigkeit an die Wand/Abdeckung des Mischers senden können. Falls die Mischertechnologie dies zulässt, sollten die Düsen so installiert werden, dass sie in den Fluidisierungsbereich des Mischers (z. B. zwischen den Wellen bei einem Doppelwellen-Paddelmischer) sprühen und nicht zu nah am Pulvergemisch sein, damit sich die Tröpfchen vor dem Kontakt mit dem Pulver ordnungsgemäß bilden können.

2.2 Flüssigkeitseinleitung

Bei höheren Anteilen wird die Flüssigkeit möglicherweise nicht versprüht, sondern einfach in den Mischer injiziert. Der Injektionspunkt muss in der Nähe eines Desagglomerators liegen, um die Bildung von Produktklumpen während der Flüssigkeitszugabe zu vermeiden.

2.3 Flüssigkeitsdosierung

Es gibt zwei Hauptmethoden, um die richtige Menge an Flüssigkeit in einen Mischer zu dosieren:

• Verwendung einer Pumpe (Verdrängerpumpe) und eines Durchflussmessers (bei geringen Anforderungen kann die Dosierung rein volumetrisch basierend auf der Anzahl der Pumpumdrehungen erfolgen).
• Verwendung eines Tanks auf Wägezellen und Druckluft, um den Tank unter Druck zu setzen und die Flüssigkeit durch die Sprühdüse zu drücken.

2.4 Vormischen

Die Zugabe von Flüssigkeit, insbesondere wenn diese viskos ist, kann das Mischen erschweren. Es kann daher sinnvoll sein, eine Vormischzeit nur mit den trockenen Bestandteilen vor der Flüssigkeitszugabe vorzusehen, damit die trockenen Komponenten mit einer gewissen Homogenität gemischt werden.

2.5 Zugabezeit und Nassmischzeit

Das Chargensystem wird bei der Handhabung von Flüssigkeiten oft in zwei Phasen programmiert [Kansas]:

• Flüssigkeitszugabezeit, während der die Flüssigkeit injiziert/versprüht wird.
• Nassmischzeit, während der das Mischen nach der Flüssigkeitszugabe erfolgt.

Um die Zykluszeit zu optimieren, wird die Flüssigkeitszugabezeit oft so schnell wie möglich programmiert. Allerdings bedeutet „so schnell wie möglich“, dass der Flüssigkeitsdurchfluss erhöht werden muss, was zu größeren Flüssigkeitströpfchen und damit zur Klumpenbildung führen kann. Ein Kompromiss muss zwischen der Optimierung der Zykluszeit und dem Risiko der Klumpenbildung gefunden werden.

Die Nassmischzeit muss ausreichend sein, um die Flüssigkeit gleichmäßig zu verteilen, und muss möglicherweise verlängert werden, wenn die Flüssigkeitszugabezeit zu kurz war. Erfahrungswerte sind erforderlich, um die optimale Flüssigkeitszugabe- und Nassmischzeit zu bestimmen. [Kansas] weist auch darauf hin, dass die Art des Mischers einen Einfluss darauf hat, wie sich die Zugabezeit auf die Homogenität und damit auf die gesamte Zykluszeit auswirkt. Beispielsweise waren Bandmischer relativ unempfindlich gegenüber der Zugabezeit (die durch die Bandmischer ausgeübten Scherkräfte können helfen, Agglomerate zu zerkleinern), während dies bei Paddelmischern von Bedeutung war (eine längere Zugabezeit kann den Fluidisierungseffekt dieses Mischertyps nutzen). Die Studie von [Kansas] betont jedoch, dass es schwierig ist, Verallgemeinerungen aufzustellen, und dass Erfahrungen/Validierungen an industriellen Mischern durchgeführt werden müssen.

2.6 Verwendung von Vakuum

Beim Sprühen bestimmter Materialien, insbesondere von Aromen in der Lebensmittelindustrie, kann es sinnvoll sein, das Pulver vor der Flüssigkeitszugabe tatsächlich unter Vakuum zu setzen.Das Vakuum befreit die Porosität des Pulvers von Luft, was die Adsorption der gesprühten Flüssigkeit und die Bindung mit dem Pulver verbessert. Der Hersteller kann dann mehr Flüssigkeit hinzufügen, während die guten Pulvereigenschaften (insbesondere die Fließfähigkeit) erhalten bleiben und die Flüssigkeit gut im Pulver gebunden wird.

3. Beste Mischer für Flüssigkeitszugabe / Granulation

Es ist schwierig zu definieren, welcher der beste Mischer ist, wenn eine kleine Menge Flüssigkeit zu einem trockenen Gemisch hinzugefügt wird. Dennoch können Mischer je nach den erwarteten Leistungen in verschiedene Gruppen eingeteilt werden.

3.1 Silo-Mischer / V-Mischer

Freifall-Rotationsmischer wie Silo-Mischer und V-Mischer werden von ihren Herstellern gelegentlich als geeignet für die Flüssiginjektion vorgeschlagen. Falls die Zugabe von Flüssigkeit möglich ist, ist diese Art von Mischern für einen solchen Einsatz nicht optimal, da die Scherrate sehr niedrig ist und keine Fluidisierung des Pulvers (Wirbelschicht) stattfindet,was bedeutet, dass die Flüssigkeitsinjektion fast sicher zur Klumpenbildung und einer schlechten Homogenisierung der Flüssigkeit im Pulvergemisch führt. Um die Mischqualität zu verbessern, muss die Flüssigkeitsinjektion in der Nähe eines Deagglomerators oder einer Intensivierleiste (bei V-Mischern) erfolgen (hochgeschwindigkeits-Rührwerke, die Scherung erzeugen und somit Klumpen aufbrechen). Deagglomeratoren führen jedoch zu einer erhöhten Partikelzerkleinerung (Degradation) des Pulvers, insbesondere da die Mischzeiten bei diesen Mischern lang sein können.

3.2 Bandmischer (Ribbon Blender)

Bandmischer können mit Flüssigkeitsinjektions- oder -sprühsystemen ausgestattet werden. Die Flüssigkeit wird auf die Oberfläche des Gemischs gesprüht, anschließend muss eine Nassmischzeit eingehalten werden, während der das Band zum Aufbrechen von Agglomeraten und zur Verteilung des Pulvers beiträgt. Diese Nassmischzeit kann relativ lang sein.

3.3 Doppelschaft-Paddelmischer

Doppelschaft-Paddelmischer erzeugen während des Mischvorgangs eine fluidisierte Zone zwischen den Mischwellen. Diese Fluidisierungszone kann genutzt werden, um das Aufsprühen von Materialien zu optimieren, : Das Besprühen des fluidisierten Pulvers reduziert das Risiko der Klumpenbildung und ermöglicht es, einen großen Teil des Pulvers zu erreichen, noch bevor die Nassmischzeit beginnt. Falls dennoch Klumpenbildung auftritt – insbesondere bei hohen Flüssigkeitszugaben – können Deagglomeratoren in den Mischer integriert werden.

3.4 Schermischer (Pflugscharmischer)

Diese Art von Mischern eignet sich aufgrund der Form des Rührwerks sowie der Drehzahl der Welle besonders gut für die Flüssigkeitsinjektion,insbesondere bei hohen Flüssigkeitsanteilen, bei denen die Fließeigenschaften des Pulvers stark beeinflusst werden (z. B. durch die Injektion von Fetten). Die durch den Mischer erzeugte Scherung trägt tatsächlich zum Aufbrechen von Klumpen und zur Homogenisierung des Gemischs bei; der Einsatz von einem oder mehreren Deagglomeratoren kann die bereits gute Scherwirkung der Hauptwelle ergänzen. Aufgrund der Scherung erreichen diese Mischer in der Regel kurze Mischzeiten, allerdings möglicherweise mit einer starken Partikelzerkleinerung des Pulvers.

3.5 Deagglomeratoren

Deagglomeratoren sind kleine Rührwerke, die in der Regel mit schaufelförmigen Mischwerkzeugen ausgestattet sind und mit 1000–3000 U/min rotieren, wodurch lokal eine hohe Scherwirkung erzeugt wird,. Sie werden immer als Ergänzung zum Hauptrührwerk des Mischers eingesetzt, an dem sie montiert sind.

Quelle

[Kansas] Saensukjaroenphon, M.; Jones, C. K.; Fahrenholz, C. H.; und Stark, C. R. (2016) "Der Einfluss der Flüssigkeitszugabezeiten und Mischertypen mit unterschiedlichen Nassmischzeiten auf die Gleichmäßigkeit der Mischung," Kansas Agricultural Experiment Station Research Reports: Bd. 2: Nr. 8.