Es ist entscheidend, bei der Durchführung einer Mischoperation von Schüttgütern (Pulver, Granulate usw.) eine geforderte Homogenität zu erreichen, die die Mischung für den Verkauf oder die weitere Verarbeitung geeignet macht. Ingenieure fragen sich oft, warum eine Mischung nicht homogen genug ist: einer der wichtigsten zu prüfenden Parameter ist die Größe der Partikel in der Mischung.

1. Mischungshomogenität

Bei der Durchführung einer Mischoperation ist die Homogenität am Ende der Mischzeit der entscheidende Qualitätsparameter. Die richtige Mischqualität ermöglicht es, die geforderten Eigenschaften zu erfüllen, damit die Mischung in einem weiteren Verarbeitungsschritt oder direkt beim Kunden optimal funktioniert. Die Homogenität muss relativ zu einer Probengröße definiert werden, die je nach Endverwendung der Mischung gewählt wird. Über statistische Methoden (durch Entnahme mehrerer Proben aus einem Mischer und Bestimmung eines Schlüsselwerts für jede Probe, z. B. die Konzentration einer Komponente) lässt sich die Mischqualität darstellen.

Es kommt jedoch vor, dass trotz korrekter Mischgeschwindigkeit die Homogenität der Mischung im Mischer oder nach dem Austrag nicht zufriedenstellend ist. In vielen Fällen ist dies auf Unterschiede in den Partikelgrößen der verschiedenen Komponenten der Mischung zurückzuführen.

2. Einfluss der Partikelgröße auf die Mischungshomogenität

Eine Mischung aus Komponenten mit stark unterschiedlichen Partikelgrößen macht diese anfällig für Entmischung (Segregation). Feststoffe unterschiedlicher Partikelgrößen neigen tatsächlich dazu, sich zu trennen, wobei sich kleine Partikel in einem Bereich und große Partikel in einem anderen Bereich ansammeln.

Es gibt tatsächlich verschiedene Entmischungsmechanismen , und alle können durch Partikel unterschiedlicher Größe ausgelöst werden:

• Perkolation: Kleinere Partikel können durch Hohlräume zwischen großen Partikeln hindurchtreten, insbesondere wenn die Mischung vibriert. Umgekehrt scheint dieses Phänomen dazu zu führen, dass grobe Partikel in der Pulvermischung aufsteigen.
• Elutriation: Beim Austrag von Pulver aus einer Anlage in einen Trichter wird z. B. Luft aus dem aufnehmenden Trichter verdrängt und steigt auf. Dabei trifft sie auf die fallenden Partikel. Große Partikel bleiben relativ unbeeinflusst, während kleinere länger in der Schwebe bleiben und sich erst am Ende des Austrags ablagern. Dies führt zu einer höheren Konzentration kleiner Partikel an der Oberfläche der Wirbelschicht.
• Flugbahnentmischung: Aufgrund ihrer Größe neigen größere Partikel dazu, sich weiter zu bewegen als kleine Partikel.

Da der Unterschied in der Partikelgröße die Hauptursache für die meisten Inhomogenitäten in Schüttgutmischungen ist, besteht eine Möglichkeit für die Industrie darin, die Partikelgrößen der Rohstoffe der Rezepturen anzupassen, um die Verteilung zu verringern und damit das Risiko der Entmischung zu minimieren.

3. Verbesserung der Homogenität durch Änderung der Größe der gemischten Materialien

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Entmischung von Partikeln in einer Feststoffmischung zu vermeiden:

• Es ist möglich, sicherzustellen, dass die Mischung nicht frei fließend ist. Dies reduziert das Entmischungsrisiko deutlich, insbesondere für nachgelagerte Prozessschritte, kann jedoch zu erheblichen Verarbeitungsproblemen führen, wenn die Mischung nicht gut aus Trichtern austritt.
• Eine weitere Möglichkeit besteht in der Durchführung einer Granulation (trocken oder nass) , bei der die Partikel zu größeren Agglomeraten mit definierter und konstanter Zusammensetzung verbunden werden. Dieses Verfahren wird in der Pharmazie häufig eingesetzt.
• Die letzte Möglichkeit besteht darin, die Größe der Partikel zu reduzieren, um die Neigung zur Entmischung zu verringern. Diese Verringerung der Partikelgröße kann durch den Bezug von Rohstoffen mit engerer Partikelgrößenverteilung, durch Vor- oder Nachzerkleinerung erfolgen.

3.1 Spezifikation der Materialien

Am effektivsten – sowohl aus Prozess- als auch aus CAPEX-Sicht – ist die Anpassung der Spezifikation der von einem Lieferanten bezogenen Materialien. Die Partikelgrößenverteilung (PSD) kann beispielsweise so definiert werden, dass sie mit den Partikelgrößen der anderen Mischungskomponenten übereinstimmt. Dieser Ansatz ist jedoch nicht immer möglich, und falls doch, kann er mit höheren Kosten für den Rohstoff verbunden sein.

3.2 Vormahlen

Falls es nicht möglich oder wirtschaftlich sinnvoll ist, einen Rohstoff mit der richtigen Größe zu beziehen, besteht die Alternative darin, eine oder alle Komponenten vor dem Mischschritt zu zerkleinern. Je nach benötigter Kapazität und Zielgröße können verschiedene Anlagen eingesetzt werden, wie z. B. ein Zerkleinerer, eine Kegelmühle oder eine Universalmühle.

Diese Methode bringt jedoch operative Komplexitäten mit sich: Erstens muss eine Mühle in den Prozess integriert werden, was je nach Anlagenlayout nicht immer möglich ist. Zweitens bringt die Mühle selbst Herausforderungen mit sich: Schwierigkeiten bei der Einstellung, Schulungsbedarf für die Bediener und ein erhöhtes Risiko für Staubexplosionen , das durch Präventions- und Minderungsmaßnahmen beherrscht werden muss.

3.3 Nachmahlen

Falls eine Größenreduzierung vor dem Mischen nicht möglich ist, besteht eine weitere Option darin, die Mühle am Austrag des Mischers zu platzieren. Dies kann aus Layout-Sicht einfacher sein, allerdings kann das Nachmahlen zu einer Überdimensionierung der Mühle führen, da alle Komponenten durch sie hindurch müssen. Zudem kann das Nachmahlen zu Entmischung führen, wenn z. B. eine feinere Komponente schneller aus der Mühle austritt als die anderen Bestandteile. Wenn ein Betrieb Nachmahlen zur Reduzierung der Entmischung einführen möchte, muss sorgfältig geprüft werden, ob die Mühle nicht tatsächlich zusätzliche Entmischung verursacht.