Den Produkten angepasst
Profitablere Produktion durch optimale Anlagengröße

Bei Investitionen in neues Produktionsequipment bedarf es der Berücksichtigung vieler Einflussfaktoren, wenn Profitabilität und Flexibilität gleichermaßen gegeben sein sollen. Sowohl die Dimension und Produktivität einer Anlage als auch ihr Energieverbrauch, die damit erzielte Produktqualität, die Standzeiten oder der Reinigungsaufwand fließen u.a. in die Berechnung der Wirtschaftlichkeit eines Verfahrens ein. Um diese Einflussfaktoren bereits in der Planungsphase optimal berücksichtigen zu können, sind der richtige Scale-Up vom Labor- über den Pilot- bis hin zum Produktionsmaßstab sowie eine den Produkten angepasste Verfahrenstechnik wesentliche Voraussetzungen.

Für qualitativ hochwertiges Equipment werden meistens relativ hohe Anschaffungskosten veranschlagt. Damit sich die Investition auch auszahlt, sollte es die Leistungsfähigkeit einer Anlage auch langfristig sichern. Eine optimalen Ausrüstung muss heute mehrere Anforderungen erfüllen: In Zeiten kurzer Lebenszyklen und sich schnell ändernder Marktbedürfnisse sollen mit ihr v.a. verschiedene Produkte effizient herstellbar und damit die Produktionsanlagen vielseitig nutzbar sein. Konkret stellen sich daher bereits in der Planungsphase u.a. folgende Fragen: Wie viele neue Produkte werden jährlich eingeführt? Wie oft wird auf ein anderes Produkt umgestellt - z.B. mehrmals am Tag oder nur einmal die Woche? Muss zwischen den Batches gereinigt werden?
Große Produktionskessel garantieren dabei nicht zwingend einen höheren Produktausstoß, da sich Prozesse im größeren Maßstab unverhältnismäßig verlängern können. Dies wirkt sich insbesondere in Prozessen aus, in denen das Heizen- und Kühlen eine dominierende Rolle spielt.

Ermittlung aller wichtigen Parameter
In der Kosmetikindustrie müssen beispielsweise höchste Ansprüche sowohl an Produktivität als auch an Produktqualität erfüllt werden, da in großen Mengen Emulsionen, Dispersionen und Gele hergestellt werden. Ein breiter Viskositätsbereich muss abgedeckt, effiziente Feststoffeinarbeitung gewährleistet sowie homogenste Mischungen binnen kürzester Zeit erreicht werden. Dabei sollen die Produktionsanlagen verschiedene Verfahrensschritte sicherstellen - wie z.B. Feststoffe dispergieren, emulgieren, durchmischen, heizen und kühlen - und das in möglichst kurzer Zeit bei gleichzeitig hoher Qualität.
Für eine Vielzahl kosmetischer Produkte wird nach wie vor das Hot/Hot- Verfahren zur Herstellung verwendet. Bei den in der Regel auf Emulsionen basierenden Produkten (z.B. Cremes, Lotionen, Masken oder auch bei Gelen) werden zur Herstellung sowohl die Wasser- als auch die Ölphase auf hohe Temperaturen aufgeheizt. Im Falle der Ölphase ist dieses Aufheizen oftmals notwendig, da u.a. feste Wachse aufgeschmolzen werden müssen. Beide Phasen werden bei Erreichen der Temperatur miteinander vereint, wobei durch Einsatz einer geeigneten Dispergiertechnik die Emulsionsbildung erfolgt. In vielen Fällen ist es notwendig bei dieser hohen Temperatur für relativ lange Zeit zu homogenisieren, um eine entsprechende Produktqualität (Partikelgrößenverteilung der dispersen Phase) zu erzielen. Mit diesem Verfahren können W/O- (Wasser in Öl) oder auch O/W- (Öl in Wasser) Emulsionen hergestellt werden. Nach der Emulsionsbildung erfolgt die kontrollierte Abkühlung des Produktes auf Abfülltemperatur (um 25 °C). Hierbei muss teilweise bei laufendem Homogenisator abgekühlt werden, um die entsprechende Produktqualität zu erzielen. Aufgrund der hohen Temperaturen sind die abzuführenden Energiemengen sehr hoch, was sich in sehr langen Kühlzeiten äußert. Die Kühlzeiten haben meist einen wesentlichen Anteil an der Dauer der Produktion. Die Produktmenge und die Wärmekapazität sind zwingend gegebene Parameter. Daher kann eine Energieeinsparung nur erfolgen, indem man die Temperatur des Produktes bei der Herstellung so gering wie möglich hält. Dies kann dadurch realisiert werden, dass man eine der beiden zu vereinigenden Phasen bei „kalter" Temperatur zugibt. In den meisten Fällen muss dies die wässrige Phase sein, da in der Ölphase oft aufzuschmelzende Wachse enthalten sind. Dabei wir die heiße Ölphase im Vorphasenbehälter vorgelegt und die wässrige Phase kalt einhomogenisiert.
Will man einen Hot/Hot-Prozess auf einen Hot/Cold-Prozess umstellen, so ist es unerlässlich, die beiden Phasen direkt im Homogenisator zusammenzuführen. Dadurch erreicht man eine sofortige Dispergierung (Emulsionsbildung) der Phasen. Wurde in herkömmlichen Prozessen die oftmals von oben im offenen Kessel zugegebene Phase langsam eingerührt und homogenisiert, kann hier schnell in die Dispergierzone des Homogenisators dosiert werden. Dazu ist natürlich ein entsprechendes System notwendig, in dem eine Zudosierung in die Dispergierzone möglich ist. Zudem muss der Homogenisator in der Lage sein, das gebildete Produkt umzuwälzen, bzw. für einen ständigen Produktaustausch zu sorgen. Ebenso muss die Rührtechnik des Kessels eine homogene Durchmischung im Produktraum gewährleisten. Ist diese nicht optimal ausgelegt, entstehen im Kessel Inhomogenitäten, welche nur durch zusätzliche Misch- und Homogenisierzeit zu beheben sind. Dadurch wird jedoch die Prozesszeit verlängert.
Der Vorteil derartiger Herstellungsverfahren liegt auf der Hand. So kann die Produkttemperatur direkt nach der Phasenvereinigung durch die Aufteilung in heiße und kalte Phase signifikant gegenüber dem Hot/Hot-Verfahren gesenkt werden. Aufgrund der niedrigeren Mischtemperatur ergibt sich eine deutliche kleinere, abzuführende Energiemenge, sprich eine wesentlich kürzere Kühl- und damit Prozesszeit.

Herausforderung Scale-Up
Nur für wenige Produkte lohnt sich eine kontinuierliche Verfahrensweise, da der automatisierungstechnische Aufwand sehr hoch und die Flexibilität vergleichsweise klein ist. Nur sehr großvolumige Produkte, wie z.B. im Handel stark verbreitete und absatzstarke Emulsionen, eignen sich für eine kontinuierliche Produktion und rechtfertigen den Aufwand der anspruchsvollen Prozesssteuerung. Für den Großteil der Produkte stellt dagegen eine Batch-Anlage das Optimum hinsichtlich Produktivität und Flexibilität dar, zumal auch kleinere Batches mit nur 10 % der Maximalmenge herstellbar sind.
Um die ideale Anlagengröße zu ermitteln, sind zuerst Erkenntnisse aus der Formulierung der Produkte notwendig. Bei der Planung und Auslegung einer Anlage sollten diese dann im Labor- und/oder Pilotanlagenmaßstab in einen Scale-Up umgesetzt werden. Basis hierfür ist die geometrische Ähnlichkeit der Kernkomponenten (Rührer und Homogenisator), sodass z.B. Mischzeiten und Schereinträge über alle Anlagengrößen hinweg gleich sind. Dies bedeutet insbesondere für höherviskose und nicht-newtonsche Medien eine echte Herausforderung. Pilotversuche im Labor- und Technikumsmaßstab ermitteln alle prozessrelevanten Parameter zuverlässig und rechnen sie hoch. Um sicher zu gehen, bietet sich abschließend eine Verifizierung im Großversuch an. Erst dann liegen ausreichende und exakte Erkenntnisse für die Reihenfolge und vor allem die Dauer der Prozesschritte vor, die wiederum die optimale Anlagengröße bestimmen.

Großversuch in 1.000 Liter Anlage
Die Versuchsanlage von Ekato Systems mit 1.000 Liter Fassungsvermögen am Standort Schopfheim hat daher wesentlich zur Sicherung von neuen Aufträge beigetragen. Sie ermöglicht Ekato im Gegensatz zu sonst im Markt üblichen Technikumsanlagen von maximal 50 bis 100 Liter Kapazität die Versuchsdurchführung im Produktionsmaßstab. Durch den Großmaßstab können so den Kunden eine noch genauere Skalierbarkeit und damit mehr Prozesssicherheit für die Produktion angeboten werden - bei gleichzeitig kürzeren Prozesszeiten und höchster Qualität. Vor der Erteilung von Aufträgen erhalten Kunden so die Möglichkeit, an der Versuchsanlage in Schopfheim ihre eigenen Produkte testweise herzustellen und sich dadurch von der richtigen Lösung für ihre Bedürfnisse zu überzeugen.
Um alle diese Planungsschritte mit den Endkunden auch durchführen zu können, ist ein umfassendes und spezifisches Know How in den Bereichen Homogenisieren, Rührtechnik, Entgasung, Rheologie, Feststoffeinzug und Wärmeübergang notwendig. Abgerundet werden diese Prozesse durch die jeweils auf das Produkt abgestimmten Reinigungszyklen (CIP) nach einem Batch.

Effizientes Mischen von Schüttgut
Auch in der Feststoffverfahrenstechnik liefern batchweise betriebene Apparate beim Mischen und Trocknen von Schüttgütern handfeste Vorteile gegenüber kontinuierlichen Pendants. Insbesondere der automatisierungstechnische Aufwand und der Mangel an Flexibilität sprechen gegen eine kontinuierliche Herstellungsweise. Als Anbieter von batchweise betriebenen Schüttgutmischern und Vakuumkontakttrocknern in vertikaler Bauart, bietet Ekato Systems mit der Solidmix-Baureihe dem Kunden höchste Produktivität. Mit Automatisierung und multifunktionaler Technik können Schüttgüter effizient gemischt und lösemittelfeuchte Feststoffe getrocknet werden. Durch eine besonders gute axiale Durchmischung werden kurze Mischzeiten und hohe produktseitige Wärmeübergangskoeffizienten ermöglicht, um auch hier kurze Batchzeiten zu erzielen.

Flexible Mischorgan-Baureihe Solidmix
Die Solidmix-Baureihe beinhaltet sowohl Mischorgane für rieselfähige Schüttgüter als auch für pastöse Produkte und kann dadurch einen enorm großen Einsatzbereich abdecken. Im Vergleich zu anderen Systemen wie Horizontalapparate, Doppelkonus-Systeme oder auch anderen vertikalen Apparatetypen wie z.B. Nauta-Systemen ergeben sich zahlreiche prozesstechnische Vorteile, welche für den Anwender einen klaren Kostenvorteil generieren. Selbstverständlich spielt auch für jene Apparate die Bestimmung der optimalen Apparatedimensionen eine sehr wichtige Rolle. Deshalb bietet Ekato Systems auch für den Bereich Solidmix die Möglichkeit von Kundenversuchen im Technikumsmaßstab an und ermöglicht dadurch seinen Kunden aus seiner Investition in eine Neuanlage ein Maximum an Nachhaltigkeit und Effizienz herauszuholen.

Firmeninfo
Innerhalb der Ekato Gruppe ist Ekato Systems der Spezialist für komplette Prozessanlagen sowohl für flüssige und halbfeste Medien als auch für Feststoffe in den Bereichen Kosmetik, Pharmazie, Spezialchemie und Lebensmittelherstellung. Vom modular aufgebauten Industrierührwerk bis zur schlüsselfertigen Produktionsanlage liefert Ekato maßgeschneiderte Produkte und Engineering-Leistungen für unterschiedlichste Kundenansprüche. Ein weltweites Servicenetz sowie Tochtergesellschaften und Vertretungen in über 47 Ländern vervollständigen das Angebot. Die Gruppe erwirtschaftet mit 600 Mitarbeitern einen Umsatz von ca. € 150 Mio.