Waschmittel

Pulvrige Waschmittel sind komplexe Mehrkomponentensysteme. In einer einzigen Rezeptur treffen Rohstoffe mit sehr unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften aufeinander: feine Pulver und gröbere Granulate, leichte und schwere Komponenten, hochkonzentrierte Kleinstmengen sowie gegebenenfalls flüssige Bestandteile. Die Mischtechnik übernimmt deshalb eine zentrale verfahrenstechnische Funktion bei der Herstellung von Pulverwaschmitteln.

Das Ziel besteht nicht lediglich darin, verschiedene Rohstoffe miteinander zu vermengen. Vielmehr muss der industrielle Mischprozess eine homogene, reproduzierbare und möglichst entmischungsstabile Pulvermischung erzeugen. Gleichzeitig sollen Partikelstruktur, Fließfähigkeit, Rieselfähigkeit und Dosierbarkeit des Waschmittelpulvers erhalten beziehungsweise gezielt eingestellt werden.

Zu den typischen Bestandteilen pulverförmiger Waschmittel gehören unter anderem Tensidkomponenten, Wasserenthärter beziehungsweise Builder, Füll- und Rieselsalze, Stabilisatoren und funktionelle Additive. Gerade die unterschiedlichen Schüttdichten, Partikelgrößen und Konzentrationen stellen hohe Anforderungen an die Homogenisierung.

Für moderne Waschmittelproduktionen ist daher die Auswahl eines geeigneten Industriemischers entscheidend. Der GloMix-Glaxiaris® Mischer verfolgt hierzu ein hybrides Mischprinzip mit kugelförmiger Mischkammer, geneigter Mischachse und zwei unabhängig wirkenden Mischwerkzeugen. Dadurch entstehen dreidimensionale Produktbewegungen mit axialen, radialen und tangentialen Strömungsanteilen.

Die Mischgüte gehört zu den wichtigsten Qualitätsparametern eines industriellen Pulvermischprozesses. Eine hohe Homogenität bedeutet, dass die Konzentration einer betrachteten Komponente in unterschiedlichen Proben möglichst geringe Abweichungen aufweist. Bei Waschmitteln ist dies besonders wichtig, weil lokale Über- oder Unterkonzentrationen funktioneller Komponenten unmittelbar die Produktqualität beeinflussen können.

Eine hohe Mischgüte allein reicht jedoch nicht aus. Entscheidend ist ebenso, dass die erreichte Homogenität nach dem Mischprozess erhalten bleibt. Beim Austragen, Fördern, Zwischenlagern und Verpacken können sich Pulver aufgrund unterschiedlicher Partikelgrößen und Schüttdichten erneut entmischen.

Eine leistungsfähige Mischtechnologie muss deshalb mehrere Anforderungen leichzeitig erfüllen: Homogenisieren – Dispergieren – Deagglomerieren – Flüssigkeiten verteilen – Agglomerieren – Produktschonung – Entmischung reduzieren – reproduzierbare Mischgüte gewährleisten.

Bei industriellen Pulvermischern wirken üblicherweise mehrere Mischmechanismen gleichzeitig.

Konvektives Mischen

Beim konvektiven Mischen werden größere Produktbereiche innerhalb der Mischkammer gezielt verlagert. Material wird von einem Bereich des Mischraumes in einen anderen transportiert.

Für Waschmittelpulver ist dieser Mechanismus wichtig, um schnell eine Grundhomogenität der gesamten Charge zu erreichen.

Diffusives Mischen

Beim diffusiven Mischen verändern einzelne Partikel oder kleinere Partikelgruppen ihre Position relativ zueinander. Dadurch wird die Feinverteilung verbessert.

Konvektive und diffusive Mischvorgänge ergänzen sich: Während die Konvektion einen schnellen makroskopischen Stofftransport ermöglicht, unterstützt die Diffusion die Homogenisierung auf kleinerer Ebene.

Dispersives Mischen

Bei Agglomeraten oder lokalen Konzentrationen ist zusätzlich ein dispersiver Mischmechanismus erforderlich. Dabei werden zusammenhängende Partikelverbände aufgelockert beziehungsweise zerteilt und anschließend in der Gesamtmischung verteilt.

Gerade bei Waschmittelpulvern kann die Deagglomeration entscheidend sein, da verklumpte Bestandteile die Mischgüte, Dosierbarkeit und optische Produktqualität beeinträchtigen können.

Eine weitere Besonderheit des GloMix-Glaxiaris® ist das koaxiale Mischsystem. Auf einer Achse befinden sich zwei Mischwerkzeuge, deren Drehzahlen unabhängig voneinander geregelt werden können. Dadurch können zwei unterschiedliche Mischströmungen erzeugt und miteinander kombiniert werden.

Das Hauptrührwerk übernimmt dabei die großräumige Produktbewegung und Homogenisierung. Ein zusätzliches schneller arbeitendes Werkzeug beziehungsweise ein Schneidrotor/Zerkleinerer kann für intensivere lokale Prozesse eingesetzt werden. Der Hersteller nennt insbesondere Deagglomerieren, Beschichten und Verteilen von Flüssigkeiten als entsprechende Funktionen. Gerade bei der Waschmittelherstellung eröffnet diese Kombination mehrere verfahrenstechnische Möglichkeiten.

Das Hauptrührwerk erzeugt den erforderlichen Makromischprozess, während das zusätzliche Mischwerkzeug gezielt Mikromischung, Dispergierung und Deagglomeration unterstützen kann. Damit lassen sich unterschiedliche Mischintensitäten innerhalb eines Apparates miteinander kombinieren.

Pulver neigen unter bestimmten Bedingungen zur Bildung von Agglomeraten. Ursachen können beispielsweise Feuchtigkeit, Lagerung, elektrostatische Effekte oder flüssige Rezepturbestandteile sein.

Agglomerate sind bei der Waschmittelproduktion problematisch, wenn sie nicht gezielt Bestandteil der Produktstruktur sein sollen. Sie können zu Konzentrationsunterschieden, schlechter Dosierbarkeit und ungleichmäßiger Produktoptik führen. Ein Zerkleinerungs- beziehungsweise Dispergierwerkzeug innerhalb des Mischers kann Agglomerate während des laufenden Mischprozesses aufbrechen. Die freigesetzten Partikel werden anschließend durch die globale Produktströmung wieder im gesamten Mischraum verteilt.

Dadurch entstehen zwei miteinander gekoppelte Prozesse: Deagglomeration → Feinverteilung → Homogenisierung

Die Kombination von Hauptrührwerk und zusätzlichem Zerkleinerungswerkzeug ist daher insbesondere für komplexe Waschmittelrezepturen interessant.

Eine der anspruchsvollsten Aufgaben der Pulvermischtechnik ist die Verteilung von Komponenten mit sehr kleinen Massenanteilen. Beträgt der Anteil eines Additivs beispielsweise nur einen Bruchteil der Gesamtcharge, muss dieses Material dennoch möglichst gleichmäßig über das gesamte Mischvolumen verteilt werden.

Dabei ist das Verhältnis Kleinstkomponente : Gesamtcharge ein wichtiger Parameter bei der Mischerauslegung.

Eine schnelle dreidimensionale Produktzirkulation kann dazu beitragen, lokal eingebrachte Kleinstkomponenten zunächst großräumig zu verteilen. Die weitere Feinverteilung erfolgt anschließend durch wiederholte Umlagerung und Durchmischung der Partikel.

Bei der Prozessentwicklung müssen deshalb Zugabeposition, Zugabereihenfolge, Mischzeit, Werkzeugdrehzahl, Füllgrad und Mischintensität aufeinander abgestimmt werden.

Pulvrige Waschmittel können neben trockenen Rohstoffen auch flüssige beziehungsweise pumpfähige Komponenten enthalten. Damit wird aus dem reinen Feststoffmischen eine kombinierte Feststoff-Flüssigkeits-Mischaufgabe.

Die Flüssigkeit sollte dabei möglichst fein und gleichmäßig auf einer großen Feststoffoberfläche verteilt werden. Der GloMix-Glaxiaris® ermöglicht nach Herstellerangaben die Zugabe von Flüssigkeiten während des laufenden Mischprozesses. Das Zusammenspiel aus Produktbewegung und zusätzlichem Mischwerkzeug soll dabei die Verteilung der Flüssigkeit unterstützen.

Verfahrenstechnisch ist entscheidend, dass die Flüssigkeit nicht lediglich punktuell auf das Pulver trifft. Andernfalls können lokale Überfeuchtung, Anhaftungen und Klumpen entstehen.

Eine geeignete Prozessführung verfolgt daher die Abfolge: Dosieren → Benetzen → Dispergieren → Verteilen → Homogenisieren

Je nach Rezeptur kann die Flüssigkeitszugabe gleichzeitig zur gezielten Agglomeration genutzt werden.

Neben der Deagglomeration kann auch die kontrollierte Agglomeration ein gewünschter Prozess sein. Feine Pulver besitzen häufig ungünstige Eigenschaften hinsichtlich Staubentwicklung, Fließfähigkeit oder Handhabung. Durch Agglomeration werden kleinere Partikel gezielt zu größeren Verbänden zusammengeführt.

Dadurch können beispielsweise folgende Produkteigenschaften beeinflusst werden: Rieselfähigkeit, Fließverhalten, Staubverhalten, Schüttdichte, Dosierbarkeit und Dispergierbarkeit.

Der GloMix-Glaxiaris® ist laut Hersteller sowohl für das Mischen und Dispergieren als auch für Agglomerationsprozesse ausgelegt. Die Möglichkeit, Flüssigkeiten während der Produktbewegung einzubringen, schafft hierfür eine wesentliche verfahrenstechnische Voraussetzung. Damit kann ein Mischprozess über die reine Homogenisierung hinausgehen und gleichzeitig als strukturgebender Prozessschritt eingesetzt werden.

Hohe Mischintensität ist nicht automatisch gleichbedeutend mit hoher Mischqualität.

Ein zu hoher mechanischer Energieeintrag kann Granulate beschädigen, unerwünschten Feinanteil erzeugen oder empfindliche Komponenten mechanisch beanspruchen. Für moderne Mischsysteme besteht die Herausforderung deshalb darin, eine hohe Homogenisierung bei kontrollierter Scherbeanspruchung zu erreichen.

Die kugelförmige Mischkammer des GloMix-Glaxiaris® ist darauf ausgelegt, Reibung zwischen Produkt, Mischwerkzeugen und Mischraum zu reduzieren. Zusammen mit der dreidimensionalen Produktbewegung soll dies ein produktschonendes Mischen unterstützen.

Für Waschmittel ist dies insbesondere relevant, wenn bereits granulierte oder beschichtete Komponenten in eine Rezeptur eingemischt werden und deren Partikelstruktur möglichst erhalten bleiben soll.

Die Mischzeit beeinflusst unmittelbar die Anlagenkapazität.

Für einen Chargenmischer gilt vereinfacht: Chargenleistung = nutzbare Chargenmenge / Gesamtzykluszeit

Zur Gesamtzykluszeit gehören jedoch nicht nur die eigentliche Mischzeit, sondern auch: Befüllen + Mischen + Flüssigkeitszugabe + gegebenenfalls Dispergieren/Agglomerieren + Entleeren + erforderliche Reinigung.

Eine Optimierung der Mischtechnik sollte deshalb nicht ausschließlich auf eine minimale Mischzeit abzielen. Entscheidend ist die Gesamtprozesszeit pro Charge. Die GloMix-Technologie setzt hierbei auf die dreidimensionale Produktbewegung und eine reduzierte Reibung innerhalb der kugelförmigen Mischkammer. Laut Hersteller können dadurch Mischzeit und Energiebedarf reduziert werden.

Für industrielle Waschmittelproduktionen kann dies zu höheren Chargenzahlen und einer verbesserten Energieeffizienz pro Tonne Mischprodukt beitragen.

Nach Abschluss der Homogenisierung muss das Pulver möglichst vollständig aus dem Mischraum ausgetragen werden.

Eine gute Restentleerung ist aus mehreren Gründen wichtig: Sie reduziert Produktverluste, verkürzt Reinigungszeiten und minimiert das Risiko einer Verschleppung in die nächste Charge.

Gerade Waschmittelhersteller produzieren häufig unterschiedliche Rezepturen auf derselben Produktionslinie. Rückstände einer vorherigen Mischung können dann zu Kreuzkontaminationen oder Qualitätsabweichungen führen. Beim GloMix-Glaxiaris® unterstützen die geneigte Geometrie und eine totraumarme Entleerungsklappe den Produktaustrag. Der Hersteller beschreibt das System als auf schnelle und möglichst vollständige Entleerung ausgelegt.

Für eine reproduzierbare industrielle Herstellung sollten Mischprozesse nicht ausschließlich über die Mischzeit definiert werden. Vielmehr müssen mehrere Parameter gemeinsam betrachtet werden.

Besonders relevant sind:

• Chargengröße
• Füllgrad
• Schüttdichte
• Partikelgrößenverteilung
• Mischzeit
• Drehzahl des Hauptrührwerks
• Drehzahl des zusätzlichen Mischwerkzeugs
• spezifischer Energieeintrag
• Reihenfolge der Rohstoffzugabe
• Position der Rohstoffzugabe
• Zeitpunkt der Flüssigkeitszugabe
• Flüssigkeitsdosiergeschwindigkeit
• Agglomerationsgrad
• Deagglomerationsintensität
• Produkttemperatur
• Restfeuchte
• Austragszeit
• Restentleerungsgrad
• Reinigungszeit
• Mischgüte beziehungsweise Homogenität

Diese Mischparameter bilden gemeinsam das Prozessfenster einer Rezeptur.

Die Übertragung eines Mischprozesses von kleinen Versuchen auf einen Produktionsmischer ist eine zentrale Aufgabe der Mischerauslegung. Eine reine Übertragung der Mischzeit ist meist nicht ausreichend. Beim Scale-up verändern sich unter anderem Produktvolumen, geometrische Verhältnisse, Umfangsgeschwindigkeit, Energieeintrag und Produktbewegung.

Deshalb sollten Waschmittelrezepturen unter möglichst realistischen Bedingungen getestet werden.

Von besonderem Interesse sind dabei: Mischzeit – Mischgüte – Füllgrad – Drehzahl – spezifischer Energieeintrag – Partikelbeanspruchung – Flüssigkeitsverteilung – Agglomeration – Deagglomeration – Entleerungsverhalten

Die daraus gewonnenen Daten ermöglichen eine fundierte Prozessoptimierung und bilden die Grundlage für die Auslegung einer industriellen Mischanlage.

Die Mischtechnologie ist einer der entscheidenden Prozessschritte bei der Herstellung pulvriger Waschmittel. Unterschiedliche Schüttdichten, Partikelgrößen, Konzentrationen und Stoffeigenschaften müssen innerhalb kurzer Zeit in eine homogene und reproduzierbare Mischung überführt werden. Gleichzeitig sind Entmischung, Agglomeratbildung, Staubentwicklung, Partikelschädigung und Produktanhaftungen zu kontrollieren.

Der GloMix-Glaxiaris® Mischer bietet hierfür ein besonderes Mischkonzept. Die kugelförmige Mischkammer, die um 23° geneigte Achse, die dreidimensionale Produktbewegung und zwei unabhängig regelbare Mischwerkzeuge ermöglichen die Kombination unterschiedlicher mischtechnischer Funktionen. Neben dem klassischen Pulvermischen und Homogenisieren können auch Dispergieren, Deagglomerieren, Flüssigkeitszugabe und Agglomerieren in die Prozessführung einbezogen werden.

Für die industrielle Waschmittelproduktion ergibt sich daraus ein Ansatz, bei dem Mischgüte, Mischzeit, Produktschonung, Energieeffizienz, Flexibilität, Restentleerung und Reinigbarkeit gemeinsam betrachtet werden.

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