133.333 Tuben Zahnpasta bedeutet Za�?hne putzen im U�?ber- fluss. Ein typischer Zahnpastaverbraucher in Deutschland wu�?rde rund 13.000 Jahre beno�?tigen, um sie aufzubrauchen. Diese Menge wird von der weltweit größten diskontinuierli- chen Produktionsanlage fu�?r Zahncreme in nur einer Charge hergestellt. Die Unimix SRC verfu�?gt u�?ber eine Batch-Volumen von 10.000 l und genau das wird immer mehr in der Industrie gefordert: große Batch-Gro�?ßen fu�?r großvolumige Produkte. Die Produktionsmaschine fu�?r großvolumige Batch-Verfahren von Ekato entstand mithilfe moderner und intelligenter Misch- und Homogenisiertechnik und verla�?sslichem Scale-up. Die maximale Produktionsrate der bisher existierenden Anlagen konnte mehr als verdoppelt werden.Durch die Zusammenlegungen von Produktionsstandor- ten werden nicht nur immer gro�?ßere Batch-Gro�?ßen gefordert; gleichzeitig wird auch erwartet, dass am selben Standort zahl- reiche Produktvarianten produziert werden ko�?nnen. Daher mu�?ssen die Anlagen sehr flexibel sein, um die Produktion schnell und einfach umstellen zu ko�?nnen. Eine Produktions- anlage zur Herstellung von Zahnpasta besteht hauptsa�?chlich aus einem evakuierbaren Beha�?lter, Ru�?hr- werk und Homogenisator, welcher das Produkt zur gewu�?nschten Feinheit ho- mogenisiert. Auch sind verschiedene Dosiersysteme zum Einbringen der Roh- stoffe no�?tig. Pulverfo�?rmige Feststoffe oder Verdicker ko�?nnen u�?ber den Homo- genisator oder u�?ber ein Bodenventil mit- tels Vakuum eingesaugt werden. Aber auch eine gravimetrische Befu�?llung ist mo�?glich. Ekato hat Konzepte entwickelt, um große, flexible und effektive Anlagen bauen zu ko�?nnen, die allen Anforderun- gen gerecht werden.
Mit Scale-up und Stro�?mungssimulation zum Ziel
Bei der Entwicklung kamen moder- ne CFD- und FEM-Programme zum Einsatz, ebenso wie speziell entwickelte Scale-up-Methoden. Unter anderem mussten folgende Vorgaben beru�?cksich- tigt werden: hohe Produktausbeute, die Flexibilita�?t der Anlage, schnelles und ag- glomeratfreies Einarbeiten von Verdi- ckern, automatisches Dosieren großer Flu�?ssigkeitsmengen, keine Bildung vonAgglomeraten bei der Verdickerzugabe, Zugabe von Seifen ohne Schaumbildung und die schnelle Einarbeitung und Be- netzung von großvolumigen Pulvern. Außerdem musste die Produkthomoge-nita�?t u�?ber den gesamten Kesselinhalt ge- wa�?hrleistet werden, ebenso wie das ho- mogene Einmischen von Wirkstoffen, das schnelle Entgasen der Zahnpasta, die genaue Temperaturkontrolle, die En- ergieeffizienz und die schnelle Anlagen- reinigung sowie der Produktwechsel.Nach Ausarbeitung genauer Herstell- konzepte und Festlegung der Prozesspa- rameter wurden zuna�?chst Versuche auf einer 100-l-Pilotanlage gemacht. Die hieraus gewonnenen Erkenntnisse wa- ren die Basis fu�?r weiterfu�?hrende Tests auf der 1.000-l-Versuchsanlage. Auf Ba- sis der Versuchsergebnisse und der vor- herigen Berechnungen konnte schließ- lich ein genaues Scale-up fu�?r die 10.000- l-Anlage durchgefu�?hrt werden. Anhand der berechneten Leistungen des Ru�?hr- werks und des Homogenisators wurde die Anlage entsprechend ausgelegt. Vor allem die Kombination des Paravisc- Ru�?hrorgans mit dem S-JET/V-Homoge- nisator verku�?rzt die Produktionszeit und optimiert die Prozesse.Voraussetzung fu�?r einen schnellen Pulvereinzug war unter anderem der Einsatz eines effizienten Ru�?hrorgans. Der Paravisc-Ru�?hrer arbeitet die pulver- fo�?rmigen Komponenten sehr schnell und kontinuierlich ein und benetzt sie effektiv. Die Feststoffe kommen u�?ber Rohrleitungen direkt von den Lagersilos und werden mittels Vakuum in den Be- ha�?lter eingezogen. Durch die effiziente Produktumwa�?lzung des Ru�?hrorgans werden sehr kurze Mischzeiten und eine sehr gute Produkthomogenita�?t erzielt. Außerdem bewirkt der Paravisc eine starke axiale Zirkulation des Produkts im Beha�?lter, was zu kurzen Entgasungs- zeiten am Ende des Prozesses fu�?hrt.Der speziell fu�?r hochviskose und feststoffhaltige Produkte entwickelteEkato-S-JET/V-Homogenisator hat trotz seiner sehr hohen Umwa�?lzrate - selbst bei hochviskosen Produkten - einen we- sentlich besseren Wirkungsgrad als her- ko�?mmliche Homogenisatoren.
Ho�?herer Wirkungsgrad trotz hoher Viskosita�?t
Hierdurch entstehen auch bei der Einarbeitung von Verdickern in hohen Dosierraten keine Agglomerate. Außer- dem wird durch die hohe Umwa�?lzrate eine sehr schnelle Homogenisierung desgesamten Produkts erreicht. Durch den wesentlich besseren Wirkungsgrad beno�?- tigt man aber gleichzeitig weniger Leis- tung. Neben der externen Produktum- wa�?lzung bietet der S-JET/V auch die Mo�?glichkeit, im internen Modus zu ho- mogenisieren.Durch O�?ffnungen im Boden direkt neben dem Homogenisator tritt das ho- mogenisierte Produkt wieder von unten in den Beha�?lter ein. Es wird durch das Paravisc-Ru�?hrwerk sofort zur Außen- wand transportiert, was ein rasches und effizientes Homogenisieren gewa�?hrleistet. Dieses interne Ho- mogenisieren minimiert zudem die sto�?rende Schaumbildung wa�?hrend der Produktherstellung, was bei einer Kampagnenpro- duktion, bei der keine Reinigung zwischen den Ansa�?tzen statt- findet, sehr hinderlich ist und zu la�?ngeren Produktionszeiten fu�?hrt. Auch bei sehr kleinen Produktionsansa�?tzen von zum Bei- spiel 20 Prozent des Nennvolumens ist der interne Modus vonVorteil.Beim Thema Flexibilita�?t sind Batchanlagen wie die Unimix SRC 10.000 besonders geeignet. Es ist zwar auch mo�?glich, Zahnpasta kontinuierlich herzustellen, allerdings sind dieseAnlagen hinsichtlich ha�?ufiger Produktwechsel und Rezep- tura�?nderungen wenig flexibel. Beim Produktwechsel ist oft ein Umbau und eine Neujustierung der Anlage no�?tig. Außerdem kann das Produkt, zum Beispiel bei unzureichender Durchmi- schung, nur schwer nachgearbeitet werden. Auch eine gleich- ma�?ßige und kontinuierliche Verteilung von Wirkstoffen oder anderen Beigaben sto�?ßt hier schnell an ihre Grenzen. Geradebei der Zahnpastaproduktion stellen Hersteller sehr hohe An- forderungen an Produktqualita�?t und Reproduzierbarkeit bei hoher Flexibilita�?t und kurzen Prozesszeiten.
Von 1.000 l auf 10.000 l hochskaliert
Fu�?r einen erfolgreichen Scale-Up mu�?ssen zuerst die Ein- zugs- und Einarbeitungszeiten der einzelnen Komponenten, Mischzeiten, Homogenisierzeiten, Vakuumwerte sowie die be- no�?tigten Leistungen fu�?r Ru�?hrorgan und Homogenisator ermit- telt werden. Dies ist die Basis fu�?r eine genaue und zuverla�?ssige Scale-up-Berechnung. Ziel ist es, den korrekten Leistungsbei- wert Ne zu berechnen, um wesentliche Komponenten wie Mo- torleistungen und Wellendurchmesser und A�?hnliches zu be- stimmen. Hierzu muss jedoch die effektive, am Ru�?hrorgan und im Homogenisator anliegende Viskosita�?t ermittelt werden. Be- dingt durch das nicht-newtonsche Fließverhalten der Zahn- pasta, die unterschiedlichen Drehzahlen und somit unter- schiedlichen Scherraten vera�?ndern sich bei anderen Anlagen- gro�?ßen auch die am Ru�?hrorgan anliegenden Viskosita�?ten.Sowohl die im 1.000-l-Versuch beno�?tigte Misch- und Ho- mogenisierleistung als auch die Fließkurve des Produkts wa- ren die Basis fu�?r die Berechnung der effektiven Viskosita�?t. Die Berechnung anhand der erforderlichen Leistung stellt sicher, dass die wa�?hrend des Prozesses aufgetretenen Viskosita�?tsspit- zen im Scale-up richtig beru�?cksichtigt werden, da die Produkt- viskosita�?ten am Ende des Prozesses oftmals niedriger sind. Um den Prozess weiter zu optimieren und eine genaue und schnel- le Zugabe von großvolumigen Feststoffen und Flu�?ssigkeiten zu gewa�?hrleisten, werden diese automatisch eingewogen.Durch entsprechende Auslegung der Vakuumpumpe ist so- wohl das schnelle Einsaugen der Produkte wie auch das schnel- le Entgasen garantiert. Zielstrahl-Spru�?hkugeln und ein auto- matisiertes CIP-System reinigen die Anlage schnell und ru�?ck- standsfrei. Der optimierte Reinigungsprozess und die sehr kurzen Reinigungszyklen reduzieren den Wasserverbrauch enorm. Durch die optimal kombinierte Ru�?hr- und Homogeni- siertechnik ko�?nnen auf den 10.000-l-Produktionsanlagen pro Charge bis zu 16.000 kg Zahnpasta hergestellt wer-den, abha�?ngig von der Produktdichte. Somit wirdein Produktausstoß von 8.000 bis 11.000 kg/h aufkleinstem Raum erreicht. Damit wurden die Er-wartungen des Zahnpasta-Herstellers weit u�?ber-troffen.
