Fallstudie: Implementierung eines Schermischemulgiergeräts für optimierte Produktionsleistung
Einleitung
In der Fertigungsindustrie, die auf die Herstellung von emulgierten Produkten angewiesen ist — wie Kosmetika, Pharmazeutika und Spezialchemikalien — ist die gründliche Dispergierung der Inhaltsstoffe, eine konsistente Produkttextur und effiziente Produktionszyklen unerlässlich, um die Marktanforderungen zu erfüllen. Für eine Produktionsstätte, die sich auf die Herstellung komplexer emulgierter Formulierungen mit mehreren Rohstoffkomponenten konzentriert, waren die Einschränkungen ihrer traditionellen Mischsysteme zu einem erheblichen Hindernis für das Wachstum geworden. Diese Systeme hatten Schwierigkeiten, die hohen Scherkräfte zu liefern, die für eine stabile Emulgierung erforderlich sind, was zu Qualitätsinkonsistenzen und Produktionsverzögerungen führte. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, investierte die Anlage in ein Schermischemulgiergerät. Diese Fallstudie dokumentiert den Weg der Anlage von der Identifizierung von Problempunkten bis zur Implementierung des neuen Geräts und die greifbaren Verbesserungen, die über einen Zeitraum von 24 Monaten beobachtet wurden.
Hintergrund: Einschränkungen traditioneller Mischsysteme
Vor der Einführung des Schermischemulgiergeräts verwendete die Anlage herkömmliche Rührwerke und Mischer mit geringer Scherung, um ihre emulgierten Produkte herzustellen. Obwohl diese Systeme für grundlegende Mischaufgaben ausreichten, konnten sie die sich entwickelnden Anforderungen der Anlage nicht erfüllen, was zu vier wesentlichen Herausforderungen führte:
- Unzureichende Emulsionsstabilität: Die geringen Scherkräfte, die von herkömmlichen Mischern erzeugt wurden, verhinderten die vollständige Dispergierung von Öl- und Wasserphasen, was zu instabilen Emulsionen führte. Viele Chargen erforderten zusätzliche Verarbeitung oder Zusatzstoffe, um die gewünschte Stabilität zu erreichen, und einige Produkte trennten sich sogar während der Lagerung — was zu Kundenbeschwerden und einer Ausschussrate von 7-9 % führte.
- Verlängerte Verarbeitungszeiten: Aufgrund der Ineffizienz des Mischens mit geringer Scherung benötigte die Anlage durchschnittlich 6 Stunden pro Charge, um ein akzeptables Emulgierungsniveau zu erreichen. Diese lange Verarbeitungszeit beschränkte die Tagesleistung der Anlage auf 5-7 Chargen, was es schwierig machte, Großaufträge zu erfüllen oder schnell auf plötzliche Nachfrageschübe zu reagieren.
- Hoher Rohstoffverlust: Die inkonsistente Mischleistung traditioneller Systeme führte häufig zu einem übermäßigen Einsatz von Rohstoffen — insbesondere Emulgatoren — um eine schlechte Dispergierung auszugleichen. Darüber hinaus führte unvollständiges Mischen zu Produktrückständen, die nicht aus den Mischern gewonnen werden konnten, was zu einer Rohstoffverlustrate von 12 % führte, was die Produktionskosten erheblich erhöhte.
- Komplexe Reinigung und Risiken der Kreuzkontamination: Traditionelle Mischer hatten komplizierte Innenstrukturen mit schwer zugänglichen Bereichen, was die Reinigung zu einem zeitaufwändigen Prozess machte, der bis zu 1 Stunde pro Charge dauerte. Schlimmer noch, Produktrückstände aus früheren Chargen verblieben manchmal in diesen versteckten Bereichen, was ein Risiko der Kreuzkontamination für nachfolgende Chargen darstellte — besonders kritisch für die Pharma- und Kosmetikproduktlinien der Anlage, die eine strikte Einhaltung der Hygienestandards erfordern.
Geräteauswahl und Implementierungsplanung
Nach einer eingehenden Analyse ihrer Produktionsanforderungen begann die Anlage mit der Bewertung von Mischtechnologien, die hohe Scherkräfte liefern und gleichzeitig die betriebliche Flexibilität erhalten konnten. Die wichtigsten Kriterien für die Geräteauswahl umfassten:
- Fähigkeit, genügend Scherenergie (gemessen in kW/m³) zu erzeugen, um Partikelcluster aufzubrechen und eine stabile Emulsionsbildung zu gewährleisten
- Kompatibilität mit einer Vielzahl von Rohstoffviskositäten (von 500 bis 10.000 cP), die im Produktportfolio der Anlage verwendet werden
- Einfache Integration in bestehende Produktionslinien und Steuerungssysteme
- Konstruktionsmerkmale, die eine schnelle Reinigung erleichtern und das Risiko einer Kreuzkontamination minimieren
- Energieeffizienz zur Reduzierung der langfristigen Betriebskosten
Nach einer strengen Bewertung mehrerer Geräteoptionen wählte die Anlage ein Schermischemulgiersystem aus, das mit den folgenden Merkmalen ausgestattet ist:
- Eine Hochgeschwindigkeitsrotor-Stator-Anordnung, die in der Lage ist, Scherraten von bis zu 10.000 s⁻¹ für eine effiziente Phasendispergierung zu erzeugen
- Variable Drehzahlregelung (500-5.000 U/min) zur Anpassung an verschiedene Produktformulierungen
- Ein hygienisches Design mit glatten Innenflächen, abnehmbaren Komponenten und CIP-Kompatibilität (Clean-in-Place)
- Integration in das bestehende SPS-System (Speicherprogrammierbare Steuerung) der Anlage zur Echtzeit-Prozessüberwachung und Parametereinstellung
- Eine geschlossene Mischkammer, um die Verdampfung und Kontamination der Inhaltsstoffe während der Verarbeitung zu verhindern
Die Implementierung des Schermischemulgiergeräts folgte einem strukturierten Vier-Phasen-Plan, um Produktionsstörungen zu minimieren:
Phase 1: Standortvorbereitung und Infrastruktur-Upgrades
Die Anlage führte zunächst eine detaillierte Standortbewertung durch, um den optimalen Standort für das neue Gerät zu bestimmen. Dies beinhaltete:
- Bewertung der Tragfähigkeit des Bodens zur Unterstützung des Gewichts des Geräts (ca. 1.200 kg)
- Aufrüstung der elektrischen Systeme, um die erforderliche Stromversorgung (480 V, 3-phasig) bereitzustellen
- Installation zusätzlicher Rohrleitungen für das CIP-System und die Rohstoffzufuhr
- Modifizierung des Lüftungssystems der Anlage, um die Wärme aufzunehmen, die vom Motor des Geräts erzeugt wird
Phase 2: Bedienerschulung und Kompetenzentwicklung
In der Erkenntnis, dass die erfolgreiche Geräteübernahme von der Fachkenntnis der Bediener abhängt, investierte die Anlage in eine umfassende Schulung für ihr Produktionsteam. Das Schulungsprogramm, das in Zusammenarbeit mit dem Gerätehersteller entwickelt wurde, umfasste:
- Klassenzimmer-Sitzungen zu den Prinzipien des Schermischens, der Emulsionswissenschaft und der Gerätefunktionalität
- Praktische Schulungen mit dem Gerät, die Startverfahren, Parametereinstellungen und Abschaltprotokolle umfassen
- Workshops zur Fehlerbehebung, um häufige Probleme wie Motorüberhitzung, Druckschwankungen und Fehlfunktionen des CIP-Systems zu beheben
- Sicherheitsschulung mit Schwerpunkt auf ordnungsgemäßen Lockout/Tagout (LOTO)-Verfahren, Verwendung persönlicher Schutzausrüstung (PSA) und Notfallmaßnahmen
Phase 3: Pilotversuche und Prozessoptimierung
Um die Leistung des Geräts zu validieren und die Prozessparameter zu verfeinern, führte die Anlage einen dreimonatigen Pilotversuch durch. Während dieser Phase:
- Das Team testete den Schermischemulgierer mit fünf der am häufigsten produzierten Formulierungen der Anlage
- Parameter wie Rotordrehzahl, Mischzeit und Inhaltsstoff-Zuführungssequenz wurden angepasst, um die Emulsionsstabilität und Produktqualität zu optimieren
- Proben aus jeder Pilotcharge wurden im Qualitätskontrolllabor der Anlage auf Partikelgrößenverteilung (unter Verwendung von dynamischer Lichtstreuung), Viskosität (mit einem Rotationsviskosimeter) und Lagerstabilität (über beschleunigte Alterungstests) analysiert
- Die Ergebnisse wurden mit denen von Chargen verglichen, die mit den traditionellen Mischsystemen hergestellt wurden, was bestätigte, dass das neue Gerät durchweg eine überlegene Leistung erbrachte
Phase 4: Vollintegration und Übergang
Nach erfolgreichen Pilotversuchen ging die Anlage zur Vollintegration des Schermischemulgierers in ihre Produktionslinie über. Ein gestaffelter Übergangsansatz wurde gewählt:
- Im ersten Monat wurde das neue Gerät parallel zu den traditionellen Mischern betrieben, um die Kontinuität der Versorgung sicherzustellen
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