S P E Z I A L M I S C H E N & D I S P E R G I E R E N Z A H N PA S TA H E R S T E L L U N G Auf die Tube 8.000 kg Produktausstoß in einer Stunde ist eine beeindruckende Menge. Besonders wenn es sich bei dem zu produzierenden Gemisch um eine hochviskose Masse handelt, ist dazu eine besondere Technik gefragt. Unter Verwendung eines speziellen Scale-up-Verfahrens entstand eine 10.000-lAnlage, die Zahnpasta in kurzer Zeit hochqualitativ homogenisiert. T E X T: Alexander Lukas, Ekato Systems B I L D E R : Ekato Systems www.pua24.net/pdf/pa213003 36
Z A H N PA S TA H E R S T E L L U N G S P E Z I A L M I S C H E N & D I S P E R G I E R E N gedrückt 33.333 Tuben Zahnpasta bedeutet Zähne putzen im Überfluss. Ein typischer Zahnpastaverbraucher in Deutschland würde rund 3.000 Jahre benötigen, um sie aufzubrauchen. Diese Menge wird von der weltweit größten diskontinuierlichen Produktionsanlage für Zahncreme in nur einer Charge hergestellt. Die Unimix SRC verfügt über eine Batch-Volumen von 0.000 l und genau das wird immer mehr in der Industrie gefordert: große Batch-Größen für großvolumige Produkte. Die Produktionsmaschine für großvolumige Batch-Verfahren von Ekato entstand mithilfe moderner und intelligenter Mischund Homogenisiertechnik und verlässlichem Scale-up. Die maximale Produktionsrate der bisher existierenden Anlagen konnte mehr als verdoppelt werden. Durch die Zusammenlegungen von Produktionsstandorten werden nicht nur immer größere Batch-Größen gefordert; gleichzeitig wird auch erwartet, dass am selben Standort zahlreiche Produktvarianten produziert werden können. Daher müssen die Anlagen sehr flexibel sein, um die Produktion schnell und einfach umstellen zu können. Eine Produktionsanlage zur Herstellung von Zahnpasta besteht hauptsächlich > 37
SPEZIAL MISCHEN & DISPERGIEREN ZAHNPASTAHERSTELLUNG aus einem evakuierbaren Behälter, Rührwerk und Homogenisator, welcher das Produkt zur gewünschten Feinheit homogenisiert. Auch sind verschiedene Dosiersysteme zum Einbringen der Rohstoffe nötig. Pulverförmige Feststoffe oder Verdicker können über den Homogenisator oder über ein Bodenventil mittels Vakuum eingesaugt werden. Aber auch eine gravimetrische Befüllung ist möglich. Ekato hat Konzepte entwickelt, um große, flexible und effektive Anlagen bauen zu können, die allen Anforderungen gerecht werden. Mit Scale-up und Strömungssimulation zum Ziel Bei der Entwicklung kamen moderne CFD- und FEM-Programme zum Einsatz, ebenso wie speziell entwickelte Scale-up-Methoden. Unter anderem mussten folgende Vorgaben berücksichtigt werden: hohe Produktausbeute, die Flexibilität der Anlage, schnelles und agglomeratfreies Einarbeiten von Verdickern, automatisches Dosieren großer Flüssigkeitsmengen, keine Bildung von Agglomeraten bei der Verdickerzugabe, Zugabe von Seifen ohne Schaumbildung und die schnelle Einarbeitung und Benetzung von großvolumigen Pulvern. Außerdem musste die Produkthomoge- nität über den gesamten Kesselinhalt gewährleistet werden, ebenso wie das homogene Einmischen von Wirkstoffen, das schnelle Entgasen der Zahnpasta, die genaue Temperaturkontrolle, die Energieeffizienz und die schnelle Anlagenreinigung sowie der Produktwechsel. Nach Ausarbeitung genauer Herstellkonzepte und Festlegung der Prozessparameter wurden zunächst Versuche auf einer 100-l-Pilotanlage gemacht. Die hieraus gewonnenen Erkenntnisse waren die Basis für weiterführende Tests auf der 1.000-l-Versuchsanlage. Auf Basis der Versuchsergebnisse und der vorherigen Berechnungen konnte schließlich ein genaues Scale-up für die 10.000- l-anlage durchgeführt werden. Anhand der berechneten Leistungen des Rührwerks und des Homogenisators wurde die Anlage entsprechend ausgelegt. Vor allem die Kombination des Paravisc- Rührorgans mit dem S-JET/V-Homogenisator verkürzt die Produktionszeit und optimiert die Prozesse. Voraussetzung für einen schnellen Pulvereinzug war unter anderem der Einsatz eines effizienten Rührorgans. Der Paravisc-Rührer arbeitet die pulverförmigen Komponenten sehr schnell und kontinuierlich ein und benetzt sie
ZAHNPASTAHERSTELLUNG SPEZIAL MISCHEN & DISPERGIEREN Die wohl größte Zahnpasta-Produktionsmaschine der Welt stellt bis zu 16.000 kg Zahnpasta pro Charge her. effektiv. Die Feststoffe kommen über Rohrleitungen direkt von den Lagersilos und werden mittels Vakuum in den Behälter eingezogen. Durch die effiziente Produktumwälzung des Rührorgans werden sehr kurze Mischzeiten und eine sehr gute Produkthomogenität erzielt. Außerdem bewirkt der Paravisc eine starke axiale Zirkulation des Produkts im Behälter, was zu kurzen Entgasungszeiten am Ende des Prozesses führt. Der speziell für hochviskose und feststoffhaltige Produkte entwickelte Ekato-S-JET/V-Homogenisator hat trotz seiner sehr hohen Umwälzrate selbst bei hochviskosen Produkten einen wesentlich besseren Wirkungsgrad als herkömmliche Homogenisatoren. Höherer Wirkungsgrad trotz hoher Viskosität Hierdurch entstehen auch bei der Einarbeitung von Verdickern in hohen Dosierraten keine Agglomerate. Außerdem wird durch die hohe Umwälzrate eine sehr schnelle Homogenisierung des gesamten Produkts erreicht. Durch den wesentlich besseren Wirkungsgrad benötigt man aber gleichzeitig weniger Leistung. Neben der externen Produktumwälzung bietet der S-JET/V auch die Möglichkeit, im internen Modus zu homogenisieren. Durch Öffnungen im Boden direkt neben dem Homogenisator tritt das homogenisierte Produkt wieder von unten in den Behälter ein. Es wird durch das Paravisc-Rührwerk sofort zur Außenwand transportiert, was ein rasches und
SPEZIAL MISCHEN & DISPERGIEREN ZAHNPASTAHERSTELLUNG effizientes Homogenisieren gewährleistet. Dieses interne Homogenisieren minimiert zudem die störende Schaumbildung während der Produktherstellung, was bei einer Kampagnenproduktion, bei der keine Reinigung zwischen den Ansätzen stattfindet, sehr hinderlich ist und zu längeren Produktionszeiten führt. Auch bei sehr kleinen Produktionsansätzen von zum Beispiel 20 Prozent des Nennvolumens ist der interne Modus von Vorteil. Beim Thema Flexibilität sind Batchanlagen wie die Unimix SRC 10.000 besonders geeignet. Es ist zwar auch möglich, Zahnpasta kontinuierlich herzustellen, allerdings sind diese Anlagen hinsichtlich häufiger Produktwechsel und Rezepturänderungen wenig flexibel. Beim Produktwechsel ist oft ein Umbau und eine Neujustierung der Anlage nötig. Außerdem kann das Produkt, zum Beispiel bei unzureichender Durchmischung, nur schwer nachgearbeitet werden. Auch eine gleichmäßige und kontinuierliche Verteilung von Wirkstoffen oder anderen Beigaben stößt hier schnell an ihre Grenzen. Gerade bei der Zahnpastaproduktion stellen Hersteller sehr hohe Anforderungen an Produktqualität und Reproduzierbarkeit bei hoher Flexibilität und kurzen Prozesszeiten. Von 1.000 l auf 10.000 l hochskaliert Für einen erfolgreichen Scale-Up müssen zuerst die Einzugs- und Einarbeitungszeiten der einzelnen Komponenten, Mischzeiten, Homogenisierzeiten, Vakuumwerte sowie die benötigten Leistungen für Rührorgan und Homogenisator ermittelt werden. Dies ist die Basis für eine genaue und zuverlässige Scale-up-Berechnung. Ziel ist es, den korrekten Leistungsbeiwert Ne zu berechnen, um wesentliche Komponenten wie Motorleistungen und Wellendurchmesser und Ähnliches zu bestimmen. Hierzu muss jedoch die effektive, am Rührorgan und im Homogenisator anliegende Viskosität ermittelt werden. Bedingt durch das nicht-newtonsche Fließverhalten der Zahnpasta, die unterschiedlichen Drehzahlen und somit unterschiedlichen Scherraten verändern sich bei anderen Anlagengrößen auch die am Rührorgan anliegenden Viskositäten. Sowohl die im 1.000-l-Versuch benötigte Misch- und Homogenisierleistung als auch die Fließkurve des Produkts waren die Basis für die Berechnung der effektiven Viskosität. Die Berechnung anhand der erforderlichen Leistung stellt sicher, dass die während des Prozesses aufgetretenen Viskositätsspitzen im Scale-up richtig berücksichtigt werden, da die Produktviskositäten am Ende des Prozesses oftmals niedriger sind. Um den Prozess weiter zu optimieren und eine genaue und schnelle Zugabe von großvolumigen Feststoffen und Flüssigkeiten zu gewährleisten, werden diese automatisch eingewogen. Durch entsprechende Auslegung der Vakuumpumpe ist sowohl das schnelle Einsaugen der Produkte wie auch das schnelle Entgasen garantiert. Zielstrahl-Sprühkugeln und ein automatisiertes CIP-System reinigen die Anlage schnell und rückstandsfrei. Der optimierte Reinigungsprozess und die sehr kurzen Reinigungszyklen reduzieren den Wasserverbrauch enorm. Durch die optimal kombinierte Rühr- und Homogenisiertechnik können auf den 10.000-l-Produktionsanlagen pro Charge bis zu 16.000 kg Zahnpasta hergestellt werden, abhängig von der Produktdichte. Somit wird ein Produktausstoß von 8.000 bis 11.000 kg/h auf kleinstem Raum erreicht. Damit wurden die Erwartungen des Zahnpasta-Herstellers weit übertroffen. Anlagen für Kosmetik- und Pharmaindustrie > MORE@CLICK PA213003 4 0