Mischen und Staubreduzierung in einem horizontalen Pflugmischer

23. Januar 2018

Die Effizienz und Robustheit des Pflugrührwerks ist in den unterschiedlichsten Anwendungen bewährt. Im Gegensatz zu Mixern mit geringer Intensität (z. B. Bandmixern), die Zutaten über lange Zykluszeiten „sanft“ mischen, kann ein Pflugmischer bei voller Geschwindigkeit die Homogenität in nur 90 Sekunden erreichen. Im Gegensatz zu Hochintensitätsmischern übt ein Pflugmischer keine hohe Scherung und Hitze direkt proportional zur Mischintensität aus. Der Schlüssel liegt in der mechanischen Fluidisierung der Feststoffe, die durch die Optimierung der Geschwindigkeit und Form der Mischwerkzeuge bzw. Pflüge erreicht wird.

Kleinere Zutaten oder Zusatzstoffe, die nur 0,5 % der Mischung ausmachen, werden durch die Wirkung der Pflüge, die das Material verflüssigen, schnell und gleichmäßig in der Charge verteilt, und nicht durch eine Falt- oder Schneidbewegung.

Zur Staubreduzierung in Feststoffgemischen gibt es drei gängige Methoden: Oberflächenbehandlung, Verdichtung und Granulierung. Bei jeder dieser Methoden zur Staubreduzierung bietet der Pflugmischer deutliche Vorteile.

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Oberflächenbehandlung Bei der Oberflächenbehandlung handelt es sich in der Regel um eine Flüssigkeit, beispielsweise ein Silan, das in geringen Konzentrationen gleichmäßig auf dem Pulver verteilt werden muss. Bei Verwendung eines Mischers mit niedriger Intensität ist es in der Regel erforderlich, diese Flüssigkeit vorab auf einen Träger, wie z. B. Kieselsäure, zu mischen und dann lange zu mischen, um eine gleichmäßige Anwendung zu gewährleisten. Bei Verwendung einer mechanischen Wirbelschicht, wie z. B. des Pflugmischers, kann die Flüssigkeit bei voller Geschwindigkeit als feiner Sprühnebel in den Kopfraum des Mischers eingespritzt werden. Die Flüssigkeit verteilt sich schnell über die gesamte Charge, sodass kein Trägerfeststoff erforderlich ist.

Um die Oberflächenbehandlung des Pulvers abzuschließen, ist typischerweise ein Erhitzungsschritt erforderlich, um eine Oberflächenreaktion zwischen dem Silan und dem Substrat einzuleiten. Dank der effizienten Wärmeübertragungseigenschaften des Pflugmischers kann das Pulver innerhalb weniger Minuten im selben Behälter erhitzt und dann wieder abgekühlt werden, wodurch Materialübertragungen vermieden werden.

Verdichtung Das Ziel des Metallpulver-Mischprozesses besteht darin, eine gleichmäßige Dispersion von Additiven (z. B. Graphitmetallstearaten oder anderen Schmiermitteln) zu erzeugen und gleichzeitig zu verdichten und eine bestimmte Fließfähigkeit zu erreichen. Dichte und dennoch fließfähige Mischungen erzeugen bei der Handhabung weniger Staub.

In der Metallpulverindustrie wurden in der Vergangenheit Doppelkonus- oder Doppelmantelmischer eingesetzt, um Additive in Metallpulvern zu dispergieren. Typischerweise sind Zykluszeiten von mehreren Stunden erforderlich, um die geforderten Spezifikationen zu erreichen. Ein horizontaler Pflugmischer kann die Zykluszeit auf 30 Minuten oder weniger verkürzen.

Taumelmischer mit niedriger Intensität eignen sich nicht gut für Mischungen, die Komponenten mit stark variierendem spezifischem Gewicht oder Partikelgröße enthalten. Die erforderliche Zykluszeit für die Verdichtung in einem solchen Mischer mit geringer Leistung kann übermäßig lang sein.

Durch die speziellen Mischwerkzeuge einiger Mischer kommt es zu einem direkten Kontakt des Metallpulvers mit den Zusatzstoffen. Durch die Hochgeschwindigkeits-Misch- und Dispergierwirkung wird der Charge Scherkraft verliehen, wodurch schnell eine gleichmäßige und homogene Mischung entsteht. Dies führt sowohl zu einer Verdichtung als auch zu verbesserten Fließeigenschaften. Die Metalle und Additive können ein breites Spektrum spezifischer Gewichte aufweisen, ohne die Gleichmäßigkeit der Endmischung zu beeinträchtigen.

Da die gesamte Nettoleistungsaufnahme der Charge direkt mit der erforderlichen Mischzeit korreliert werden kann, kann der gewünschte Endpunkt durch Überwachung des Stromverbrauchs bestimmt werden. Dies bietet eine einfache und zuverlässige Möglichkeit, den Prozess zu automatisieren.

Granulation Die Granulierung dient in erster Linie dazu, Pulver in eine Form zu bringen, die ihre Fließfähigkeit und Handhabung erleichtert. Ein typisches Lebensmittelgranulat enthält mehrere Bestandteile: pulverförmigen Hilfsstoff, geringe Mengen an Wirkstoffen und ein flüssiges Bindemittel, das die Pulver als Granulat zusammenhält und eine Entmischung verhindert. Die Größe und Gleichmäßigkeit des Granulats hängt von der Mischwirkung, der Partikelgröße des Pulvers, der Art des verwendeten Bindemittels und dem Grad der Dispersion ab.

Bisher benötigte die Lebensmittelindustrie separate Geräte zum Vordispergieren, Mischen und anschließenden Granulieren von Lebensmittelpulvern. Mit diesem mehrstufigen Granulationsverfahren waren mehrere Probleme verbunden. Jeder Schritt erforderte separate Behälter mit jeweils eigenen Kosten, individueller Reinigung und behördlicher Validierung. Die Granulierung war eher eine Kunst als eine Wissenschaft. Der Bediener musste den erreichten Feuchtigkeitsgrad bestimmen und die erforderlichen Flüssigkeitsmengen und Mischzeiten beurteilen. Daher waren die Granulationsläufe nicht konsistent reproduzierbar. Das getrocknete körnige Produkt musste oft gesiebt werden, wobei über- und untergroße Partikel entfernt wurden, um das gewünschte Endprodukt zu erhalten, dh die Körnchen mit enger Partikelverteilung und gleichmäßiger Dichte, die für eine ordnungsgemäße Kontrolle erforderlich sind.

Um beispielsweise eine Backmischung zu verarbeiten, wird die von den Pflügen entwickelte mechanische Fluidisierungswirkung durch Hochgeschwindigkeits- und Scherzerkleinerungsvorrichtungen ergänzt, die zwischen benachbarten Pflügen montiert sind und die Aufgabe haben, Pulver zu deagglomerieren und Backfett zu verteilen. Da die Häckselvorrichtungen unabhängig von den Pflügen betrieben werden können, kann eine Überarbeitung des Mischguts vermieden werden.

Bis auf wenige Ausnahmen ist einer der Hauptbestandteile aller Backmischungen Zucker oder ein Zuckerderivat, was bei Wellendichtungen zu Problemen führt. Die Mischstoffe werden in diese Dichtungen (Stopfbuchsen) gedrückt, wo Reibungswärme entsteht. Durch diese Hitze können die Materialien anbrennen oder karmelisieren, die Dichtungen zerstören und somit das Produkt verunreinigen. Dies wird vermieden, indem ein kleines Luftvolumen durch eine schmale, umlaufende Öffnung um jede Drehwelle herum gespült wird, während diese durch die Wand des Mischers strömt. Diese Luft strömt in den Mischer und wird durch eine Entlüftungsöffnung an der Oberseite des Mischers abgesaugt. Solange der Luftstrom aufrechterhalten wird, wird verhindert, dass Material in die Dichtungen gelangt.

Wie in Abbildung 1 zu sehen ist, werden bei einer typischen Lebensmittelgranulierung der Hilfsstoff und die pulverförmigen Wirkstoffe dem statischen Granulator zugeführt. Das Mischen beginnt mit den Pflügen, bis sich die Leistungskurve einpendelt, was anzeigt, dass die Verteilung abgeschlossen ist. Anschließend werden die agglomerierenden Flüssigkeiten in das aktive Zerkleinerungsfeld gesprüht, wo sie sich schnell in den Zutaten der Charge verteilen und so die gewünschte Körnung des fertigen Lebensmittels bei gleichzeitiger entsprechender Leistungssteigerung bewirken.

Der Granulationsgrad, der direkt mit der verwendeten Leistung korreliert, hängt von der Menge der der Charge zugesetzten Agglomerationsflüssigkeit und der verwendeten Nassmischzeit ab. Die daraus resultierende dreidimensionale Wirkung der Pflüge führt zu einer „Schneeballbildung“: Durch die Scherwirkung des Häckslers entstehen gleichmäßige, kleine Körnchen.

Wie in Abbildung 1 zu sehen ist, nimmt die Partikelgröße mit zunehmender Mischzeit und zunehmender Flüssigkeit zu. Pflüge und Häcksler werden so lange eingesetzt, bis die gewünschte Korngröße erreicht ist, was wiederum durch eine Nivellierung der Leistungskurve angezeigt wird.

Da das Granulat durch die längere Nassmischzeit gründlicher benetzt wird, wird weniger Flüssigkeit benötigt, um die gewünschte Partikelverteilung und Dichte zu erreichen. Die gleichmäßigste Partikelverteilung wird mit Flüssigkeitsmischzeiten und höheren Flüssigkeitszugabemengen erreicht. Das Variieren des Flüssigkeitsstands, der Mischzeit und des Leistungsbedarfs für eine bestimmte Mischung kann in einer Anlage im Pilotmaßstab schnell optimiert werden.

Identische Lebensmittelgranulierungen erzeugen identische Leistungskurven: Diese Tatsache macht das Rätselraten überflüssig, wenn man weiß, wann das richtige Granulationsziel erreicht wurde.

Mike Smith ist Verfahrensingenieur bei B&P Littleford, Saginaw, MI. Die Pflugmischer von B&P Littleford sorgen für eine mechanische Wirbelschichtmischung, wodurch eine homogene Mischung entsteht und Variationen reduziert werden. Wenn eine Trocknung erforderlich ist, erzielt diese Wirbelschichtpflugwirkung einen bis zu zehnmal höheren Wärmeübertragungskoeffizienten als andere Trockner. Für weitere Informationen rufen Sie 989-757-1300 an oder besuchen Sie www.bplittleford.com.

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