Strahlvermahlung

1. Was ist eine Strahlmühle?

Strahlmühlen werden zur Partikelgrößenreduzierung, d. h. zur Veränderung der Granulometrie, von Schüttgütern durch Hochgeschwindigkeitsgasstrahlen (Luft, Dampf) eingesetzt. Diese Schüttgüter können unterschiedlichster Natur sein, typischerweise Lebensmittel, Pharmazeutika, Metallpulver oder Mineralien. Innerhalb der großen Familie der Zerkleinerungsgeräte (Größenreduzierungsanlagen) und insbesondere der Prallmühlen besitzen Strahlmühlen die Besonderheit, **keine beweglichen Teile** zu enthalten, da die Energie durch ein unter hohem Druck in die Mahlkammer eingeleitetes Gas bereitgestellt wird, in die auch die groben Partikel eingeführt werden. Der Zerkleinerungsmechanismus beruht ausschließlich auf dem Aufprall der Partikel untereinander oder gegen die Wände der Mahlkammer.

Welche Vorteile bieten Strahlmühlen?

Strahlmühlen verfügen über mehrere Vorteile, die sie für Unternehmen attraktiv machen:

• Da es **keine beweglichen Teile** in der Mahlkammer gibt, ist die Anlage zuverlässig und weniger anfällig für mechanische Schäden oder Verschleiß, die zu einer Kontamination des Endprodukts führen könnten.
• Sie ermöglicht eine **enge Partikelgrößenverteilung (PSD)**.
• Es lassen sich **sehr feine Partikelgrößen** erreichen, möglicherweise im Bereich von **1–10 Mikrometern** für bestimmte Materialien.

Welche Nachteile haben Strahlmühlen?

Aufgrund ihrer Technologie, die auf der Injektion eines Gases (typischerweise Luft oder ein Inertgas wie Stickstoff oder Argon; Dampf kann ebenfalls verwendet werden) basiert, weisen Strahlmühlen auch einige Einschränkungen auf:

• Hoher Energieverbrauch für die Gasverdichtung. Daher werden Strahlmühlen hauptsächlich für hochwertige Spezialprodukte eingesetzt, bei denen das Verfahren wirtschaftlich konkurrenzfähig wird.
• Erforderlichkeit eines integrierten Trennsystems zur Rückgewinnung des Produkts aus dem Gas, das für die Vermahlung verwendet wird: Dies verursacht zusätzliche Kosten und erfordert mehr Platzbedarf in der Anlage.

2. Wie funktioniert eine Strahlmühle?

Das Funktionsprinzip von Strahlmühlen wird in diesem Abschnitt erläutert.

2.1 Hochgeschwindigkeits-Prallzerkleinerung

Das in einer Strahlmühle angewandte Prinzip der Größenreduzierung beruht auf **Hochgeschwindigkeitsaufprall zwischen den Partikeln** und **zwischen den Partikeln und der Mahlkammer**. Ein unter hohem Druck injiziertes Gas (typischerweise Luft bei Luftstrahlmühlen) liefert die für multiple Hochgeschwindigkeitskollisionen erforderliche Energie, die zu einer **starken Zerkleinerung der Aufgabepartikel** führt.

2.2 Mahlgas

Das in Strahlmühlen verwendete Gas ist in der Regel eines der folgenden:

• Luft: das **häufigste und am einfachsten verfügbare Gas**, allerdings nicht das kostengünstigste, da die Kompressionsarbeit viel Energie erfordert. Der typische Druck liegt bei **3,5–8,5 bar (ü) [Liu]**.
• Dampf: tatsächlich günstiger als Luft, wenn die Anlage über effiziente Kessel verfügt. Dampf kann jedoch nur verwendet werden, wenn er nicht mit dem Material (Hitze etc.) interagiert. Typische Drücke liegen bei **7–15 bar (ü)** mit Temperaturen von **200–520 °C [Liu]**.
• Inertgase: Stickstoff oder Argon können in **spezifischen Anwendungen** eingesetzt werden.

2.3 Komponenten von Strahlmühlen

Hersteller bieten zwei Bauarten an [Liu]:

• Wirbelschicht-Strahlmühlen
• Flache/Kreisrunde Strahlmühlen ohne Luftklassierer

2.3.1 Wirbelschicht-Strahlmühlen

Diese Mühlen sind mit einer **vertikalen, zylindrischen Mahlkammer** ausgestattet, in die das Material in der Mitte der Kammer eingeführt wird, während das Mahlgas am Boden injiziert wird. Der Austrag von Luft und Produkt erfolgt am oberen Ende der Kammer, wobei der Auslass mit einem **Klassierer** versehen ist, der bestimmt, welche Partikel (unterhalb einer Zieldimension) die Mühle verlassen dürfen und welche zurück in die Mahlkammer geführt werden müssen. Da das Gas am Boden der Kammer injiziert wird, entsteht eine **Fluidisierung der Partikel** mit Zirkulationsströmen – daher die Bezeichnung *Wirbelschicht-Strahlmühle*.

2.3.2 Flache/Kreisrunde Strahlmühlen ohne Luftklassierer

Die andere Bauart ist einfacher: Das Material wird in eine **scheibenförmige Mahlkammer** eingeführt, in die das Gas an mehreren Stellen injiziert wird. Die zerkleinerten Partikel und die Luft verlassen die Kammer dann durch die **Mitte der Mahlkammer**.

2.3.3 Beschickungssystem

Das Beschickungssystem für die Mahlkammer muss als **Schleuse** fungieren, um zu verhindern, dass Luft entweicht oder Material unkontrolliert eintritt.

2.4 Gas-Feststoff-Trennung

Die vermahlenen Partikel verlassen die Mühle mit einem großen Gasvolumen. Daher ist eine **Trennung des Produkts vom Gas** erforderlich. Dies erfolgt typischerweise durch einen Zyklon, einen Filter oder eine Kombination aus beiden.

3. Industrielle Strahlmahlanlagen

Strahlmühlen können für Durchsätze von **wenigen kg/h** (typisch für F&E-Laborumgebungen) bis zu **6 t/h [Chamayou]** ausgelegt werden. Obwohl solche hohen Kapazitäten möglich sind, liegt die Mehrheit der Strahlmühlen im Bereich von **einigen Zehnern bis wenigen Hundert kg/h**, da sie vorrangig für**spezielle Produktionsanwendungen in der Pharmazie oder Kosmetik**eingesetzt werden. **Sehr große Strahlmühlen** erfordern zudem einen **hohen Energieaufwand** zur Verdichtung großer Gasmengen, was ihre wirtschaftliche Rechtfertigung auf **sehr spezifische Fälle** beschränkt. high quantities of gas, making their economical justification limited to very specific cases.

4. Anwendungsbereiche von Strahlmühlen

Strahlmühlen werden in einer Vielzahl von Industrien zur **Mikronisierung** unterschiedlicher Materialien eingesetzt.

In der **pharmazeutischen Industrie** dienen sie der Mikronisierung von **Wirkstoffen**, um deren Löslichkeit und Bioverfügbarkeit zu verbessern.

In der **Lebensmittelindustrie** können Gewürze, Kräuter und andere Zutaten mikronisiert werden, um Geschmack und Textur zu optimieren.

In der **chemischen Industrie** werden Pigmente, Farbstoffe und andere Materialien mikronisiert, um deren Farb- und Dispergiereigenschaften zu verbessern.

Strahlmühlen finden zudem Anwendung in der **Kosmetik-, Keramik- und Metallurgieindustrie**. Dank ihrer Fähigkeit, **feine, gleichmäßige Partikel** zu erzeugen und eine **geringe Kontaminationsrate** aufzuweisen, bieten sie Vorteile gegenüber anderen Mahltechnologien. Durch die **steuerbare Partikelgrößenverteilung** und deren Anpassung an spezifische Anforderungen sind Strahlmühlen zu einem **unverzichtbaren Werkzeug** in vielen Industrien geworden.

Quelle

[Liu] Grundlagen des Hammermahlens und Strahlmahlens, Gary Liu, CEP, 2017

[Chamayou] Strahlmahlen, Chamayou, Elsevier, 2007